이전 포스트 까지는 주어진 frequency를 효율적으로 사용할 수 있는 기술인 OFDM, OFDM을 이용해 송수신을 하는 방법, ISI를 해결하는 기술인 CP에 대해 알아보았다. 이번에는 OFDM을 활용해서 다중 사용자에게 서비스를 제공할 수 있는 기술인 OFDMA에 대해 알아보겠다.
OFDMA
- OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
- OFDM을 기반으로 해서 모바일 통신을 위한 multiple access scheme
- 채널의 특성, 각 사용자의 QoS를 고려하여 scheduling
- Time & Frequency domain 2개 dimension의 자원을 사용
OFDM과 OFDMA의 가장 큰 차이는, OFDM은 단일 사용자 데이터 전송에 사용되는 기술이고, OFDMA는 다중 사용자 환경에서 효율적인 데이터 전송을 위해 사용되는 기술이다.
OFDMA는 주파수 분할 다중 접속(FDMA)의 기본 원리를 적용한 것이다.
위의 그림을 참고하면 OFDMA의 원리를 보다 쉽게 이해할 수 있는데, T domain의 무지개 색은 각 symbol들로, 각 symbol들은 F Domain의 sub-carrier 수 만큼의 정보를 담고 있다. 뒤에서 더 다루겠지만 T domain과 F Domain 자원을 블록화 하여 다루는데, 이는 복잡도를 낮추기 위함이다.
위의 그림과 같이 기지국에서 A와B(다중 사용자 환경 예시) 둘 모두에게 서비스를 제공하기 위해서 아래의 방법을 생각할 수 있다.
- F Domain(대역폭)을 반으로 나누어 수신측은 자신의 영역의 신호만 decode한다.(FDMA 느낌)
- each symbol to different user(이건 TDMA 느낌인가?!)
뒤에서 더 다루겠지만 OFDMA는 위 두가지 방법을 모두 사용한다.
QoS
QoS는 Quality of Service로 네트워크나 통신 시스템에서 서비스 품질을 측정하고 제어하기 위한 기술과 정책을 가리킨다. 수업 시간에서는 PDB와 PER에 대해 알아보았는데
- PDB : packet delay budget(delay를 얼마나 허용하는가)
- PER : packet error rate(error를 얼마나 허용하는가)
예를 들어서 통화 데이터는 PDB는 낮아야 하지만(빠르게 전송돼야 함) 어느 정도의 PER은 허용할 수 있다. 반대로 text 데이터는 PDB는 조금 높아도 되지만 PER은 낮아야 한다.
OFDMA는 위와 같이 사용자가 어떤 서비스를 사용하는지와 사용할 수 있는 channel의 성질에 맞춰 유동적으로 scheduling 한다.
OFDMA used in LTE
위에서 언급했듯이, OFDMA는 위의 사진과 같이 두 개의 domain의 plane을 블록화 하여 자원 할당을 한다.
- Resource Block(RB) : 자원 할당의 최소 단위
- 0.5ms(7개의 symbol들 포함), 180kHz(LTE는 SCS가 15kHz기 때문에 총 12개의 subcarriers)
- 실제 LTE는 1ms, 180kHz를 사용한다.(RB 2개, RB pair) 왜냐하면 RB 1개로는 control이 어렵기 때문. 5G는 RB 1개
- 하나의 사용자에게 분산된 주파수 자원이 할당 될 수 있다.(위 그림을 보면 UE1이 여러 주파수 자원을 할당받음)
- channel 정보가 확실하면 높은 channel gain을 가진 주파수 자원을 할당
- mobile terminal이 이동할 때처럼 channel condition이 계속 바뀌거나 channel 정보가 확실하지 않으면 분산 주파수 자원을 할당한다.(random한 느낌으로) 그렇지 않으면 burst error가 나타날 수 있기 때문.
⚡️OFDMA에서 사용자가 많을 수록 complexity가 높아지지만 total throughput 또한 증가하는데, 아래의 그림을 보면 보다 이해가 쉽다.
위 그림은 두 사용자 A, B가 있다고 가정한 것이다. A와 B가 사용하는 서비스의 특정 주파수 대역의 channel gain은 위 그림과 같이 다르다. 만약 사용자 A만 있다면 2번 구역에서만 높은 channel gain을 보이겠지만 B까지 있다면 1, 2, 3번 구역에서 높은 channel gain을 활용할 수 있다. 따라서 사용자가 많을수록 throughput은 증가한다.
⚡️OFDMA 장점
- scalable data rate : 할당 resource block의 수를 조절하여 data rate을 조절할 수 있다. user들 마다 요구사항이 다르기 때문에 scalable한 특성이 중요하다.
- simpler channel equalizer than CDMA : 이전 포스트에서 언급했듯이 OFDMA는 CDMA에 비해 사용 주파수 영역이 좁기 때문에 symbol length는 CDMA에 비해 훨씬 길다. symbol length가 길면 ISI에 강하기 때문에 channel equalizer의 역할이 상대적으로 덜 중요하다.
- robust against multipath fading by using CP : CP를 이용하면 ISI를 해결할 수 있기 때문에 ISI를 일으키는 multipath fading(delay spread)에 강하다.
- Dynamic resource allocation considering channel information : 위에서 언급했듯이 채널의 상황을 보고 유동적으로 자원을 할당하여 thoroughput을 최대화할 수 있다. 이는 CDMA는 불가능한 기술로 OFDMA의 큰 장점이다.
⚡️OFDMA 단점
- ⚡️High PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) : 이 부분은 매우 중요하기 때문에 아래에서 따로 설명하겠다.
- sensitive to frequency offset and clock offset : orthogonal한 특성을 계속 유지해야하기 때문
- requires guard interval : CP에 대한 언급에서 말했듯이 주어진 time resource에서 일정 자원을 CP를 위해 사용하기 때문에 throughput이 감소한다.
⚡️High PAPR - OFDM
PAPR은 Peak-to-Average Power Ratio로, 위의 그림을 보면 보다 이해가 쉽다. 위의 그림에서 A와 B 신호의 average power는 비슷하지만, B 신호가 peak power가 훨씬 높기 때문에 B의 PAPR이 A의 것보다 높다. 쉽게 말해서 PAPR이 높다는 뜻은 power의 분산이 크다고 생각하면 될 것 같다.
PAPR이 높은 것이 단점인 이유는 해당 신호를 생성하기 위해 amplifier를 쓰는데, PAPR이 높으면 나타내야 하는 power range, 즉 amplifier의 dynamic range가 더 넓어야 하기 때문에 고성능의 amplifier를 사용해야하는데, 이는 cost가 높고 이를 사용하면서 배출되는 heat도 높기 때문에 PAPR이 높으면 큰 단점이 된다.
OFDMA의 PAPR이 높은 이유는 여러 신호가 합쳐지는 특성 때문인데, 아래의 그림을 보면 이해가 쉽다.
OFDM을 이용해 위의 A, B 두 신호를 전송한다고 생각해 보면, 위 두 waveform을 합쳐야 한다. 합친 후의 waveform의 형태를 떠올리면 1번 구간은 A와 B 둘 다 음수이기 때문에 합쳐지면 절댓값이 큰 음수 값이 나오게 된다. power = s(t)^2 이기 때문에 이때의 신호를 생성하기 위해 amplifier의 dynamic range가 넓어야 한다.
이렇게 OFDMA는 여러 신호를 합치기 때문에 이 합치는 과정에서 특정 time에서의 신호 값이 모두 양수거나 모두 음수일 때 amplifier에 요구되는 power가 아주 커지기 때문에 OFDMA의 PAPR은 매우 높다.
PAPR이 높기 때문에 OFDMA를 사용하려면 좋은 amplifier를 사용해야 한다. 이는 base station에서는 큰 문제가 되지 않지만, 사람이 들고다녀야하는 mobile terminal에서는 좋은 amplifier를 사용하기 어렵다. 따라서 LTE의 downlink는 일반적인 OFDMA를 사용하지만 uplink에서는 ⚡️DFT spread OFDM의 한 종류인 SC-FDMA를 사용하는데, 이 기술은 중요한 개념이기 때문에 다음 포스트에서 더 자세히 다루도록 하겠다.
⚡️CDMA vs. OFDMA
위 표는 CDMA와 OFDMA의 차이를 나타낸다.
- transmission bandwidth : CDMA는 모든 대역폭을 활용하기 때문에 아주 넓지만, OFDMA의 전체 system bandwidth는 넓지만, 신호 하나가 사용하는 대역폭(RB의 크기에 따라 달라진다)은 CDMA에 비해 훨씬 좁다.
- symbol period : symbol period는 transmission bandwidth와 반비례하기 때문에 OFDMA의 symbol length가 훨씬 길기 때문에 ISI의 영향을 덜 받는다.
- separation of users : CDMA는 직교성의 code를 분할하여 사용자를 나누고, OFDMA는 시간과 주파수를 분할하여(RB를 통해) 사용자를 나눈다.
⚡️OFDM vs. OFDMA
