OFDM이 뭔가요?

2017년 새해가 밝았습니다. 여러분들 모두에게 행운이 함께 하길 빌겠습니다.

오늘은 새해 첫 출근일인 만큼 아주 기본적인 내용에 대해 얘기해보려고 합니다. 우리가 4세대를 얘기할 때 다운로드 속도가 빠르다는 것 이외에 기존의 이동통신 방식과 크게 차이가 나는게 바로 두 가지가 있는데 그게 바로 OFDM과 MIMO입니다. MIMO는 다음 시간에 다시 얘기하는 것으로 하겠습니다.

 

OFDM은 Orthogonal Frequency Division Multiplexing의 약자입니다. 여기서 Orthogonal이란 용어가 중요한데 원래 이것은 직교성이라는 의미로 사용됩니다. 수학적으로는 벡터에서 직교한다면 내적하여 0이 나와야 한다는 뜻이구요. 뭐 여튼 내적해서 0이 나온다는 것이 무슨 말인지 잘 이해가 되지 않을 경우는 두 개가 서로 상관성이 없다 정도로 해석하시면 되겠습니다. OFDM이 등장한 배경을 설명하기 위해서는 Multipath Fading을 설명드려야 하는데 간단하게 말씀드리면 Multipath Fading은 기지국에서 전파를 발사해서 단말기에 직선으로 도달하는 것이 아니라 건물이나 다른 구조물, 가로수 등에 반사되어 시간차를 두고 단말기에 도달하여 이것이 신호 감쇄의 원인으로 작용하는 것을 의미합니다. 이런 문제를 방지하기 위해 CDMA에서는 Rake Receiver를 사용했었습니다. 그런데 4G에서는 아주 고속의 데이터를 실어 날라야 하기 때문에 Multipath Fading의 영향이 더 커지게 됩니다. 심볼간의 간격이 좁아지면서 작은 부분에 간섭이 생겨도 전체에는 큰 영향을 주게 되는 거죠. 이것을 어떻게 해결할까 고민을 한 결과가 바로 OFDM입니다. 아래 그림은 이상근교수님 책에서 발췌한 것입니다.

 

 

아직 OFDM이 무엇인지 감이 오지 않으실거라 믿습니다. 좀더 쉽게 설명해보도록 하겠습니다. 우리가 무선통신을 통해 정보를 실어나를 때 반송파(Carrier Signal)에 실어나르게 됩니다. 기존의 방식들은 이 반송파가 하나였습니다. 이것을 SCM(Single Carrier Modulation)이라고 합니다. 그런데 반송파가 하나가 아니라 복수개인 경우도 있는데 이건 MCM(Multi Carrier Modulation)이라고 합니다. 아니 왜 반송파를 하나가 아니라 여러개를 쓰지? 복잡하게? 이런 생각을 하시는 분들도 계실거 같은데, 앞에서 설명한대로 고속의 데이터열을 전송할 때는 MCM이 ISI가 적기 때문입니다. OFDM을 설명할 때 많이 나오는 비유가 바로 샤워기 입니다. 샤워기가 없는 상태의 수도꼭지에서는 물의 흐름을 방해하는 요인이 전체의 흐름에 많은 지장을 주지만 샤워기로 물이 나오게 될 경우는 샤워기 구멍이 몇 개 막힌다고 하더라도 물이 나오지 않는 불상사는 없게 됩니다. 즉 간섭에 의한 문제가 희석된다는 뜻입니다. 아니 그럼 처음부터 그렇게 하면 되지 왜 4G에 와서야 OFDM을 썼냐고 궁금해하시는 분들도 계실거 같아요. OFDM은 예전부터 군용 통신에서는 사용이 되었던 기술입니다. 다만 대규모로 상용화하기에 너무 비싸서 이제야 상용화된 것 뿐입니다.

 

 

개념이 이해가 되셨으면 기술적으로 조금만 설명해 보겠습니다. 위의 그림처럼 반송파를 복수로 사용하는 것이 MCM이고 OFDM은 MCM의 일종입니다. 즉 고속의 데이터를 저속의 데이터로 쪼개어 여러 개의 주파수에 실어 병렬 전송하고 수신측에서는 병렬의 저속 데이터들을 합쳐서 고속의  직렬 데이터로 복원하게 됩니다. 이렇게 나눠진 저속의 데이터열을 부반송파(Sub Carrier)라고 합니다. 서로 다른 주파수로 병렬 전송되는 저속의 데이터들은 심볼의 폭이 크기 때문에 다중반사파에 의한 영향을 적게 받습니다. 예를들어 10Mbps의 고속데이터를 100kbps의 저속으로 변환하여 100개의 주파수에 실어 병렬  전송하게 되면 다중반사파에 의하여 영향 받는 문제는 10Mbps 대비해서 1/100 로 줄어들게 되는 겁니다. 아래 그림은 이상근교수님 책에서 발췌한 것입니다.

 

 

자 여기까지 이해가 되셨으면 하나만 더 말씀드리고 싶습니다. 바로 다수개의 부반송파를 어떻게 배치하느냐의 문제입니다. 일반적으로 FDMA를 할 경우는 아래 그림처럼 Guard Band를 둔 상태로 분할을 합니다. 그런데 이렇게 되면 전체 주파수 대역을 낭비하는 문제가 발생합니다.

 

 

위의 그림에서 가드밴드 없이 주파수를 겹쳐놓은 상태를 보실 수 있는데 이렇게 하더라도 간섭이 생기지 않는다는 것이 바로 OFDM의 핵심입니다. 글의 앞부분에 Orthogonality가 중요하다고 말씀드렸는데, 아래 그림처럼 각 색깔별의 subcarier들이 서로 직교(Orthogonal) 하게 배치를 하게 되면 ISI(Inter Symbol Inteference) 현상도 막을 수 있고 주파수도 효율적으로 쓸 수 있게 됩니다. 잘 보시면 신호의 중심 부분에 데이터가 실려가는데 자신의 신호를 제외한 다른 색깔의 신호들은 모두 0 값을 가지고 있는 것을 보실 수 있습니다. 즉 신호를 겹치더라도 신호 복구에는 영향이 없다는 얘기입니다.

 

 

에잇 도대체 뭐야? 이해가 안되잖아? 하는 분들이 계실거 같아요. ㅠㅠ 음... 다시 비유를 들어서 설명드릴게요. 고속의 데이터를 실어나르는 경우를 한번 살펴보죠. 고속의 데이터라는게 우리가 택배로 치면 엄청나게 많은 배송박스라고 생각하시면 되겠어요. 이것을 10톤 짜리 트럭에 한번에 실어나르는게 기존의 방식이라면 OFDM은 오토바이 퀵서비스로 나눠서 배송하는거라고 생각하시면 됩니다. 생각해보세요. 10톤 짜리 트럭으로 실어나르는게 비용적으로는 효율적일지 모르겠지만 사고가 나거나 아니면 교통 정체가 생기면 배송시간이 많이 지연되겠죠? 근데 이걸 100개의 오토바이로 나눠서 배송하면 돈은 많이 들겠지만 사고의 위험이나 교통정체로 발생하는 지연이 적게 생기게 될겁니다.

 

이제까지 말씀드렸던 FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA를 그림으로 잘 표현한 것이 있어서 참고삼아 보여드립니다.

 

 

마지막으로 OFDM과 OFDMA의 차이는 무엇일까요? 그건 아주 심플합니다. OFDM은 기지국과 단말기가 1:1인 상황을 얘기할 때 쓰는 용어이고 OFDMA는 기지국과 단말기가 1:N, 즉 단말기가 복수인 상황을 얘기할 때 쓰는 용어입니다. 오늘은 여기까지~