LTE의 상향 링크는 OFDM이 아니다? SC-FDMA의 비밀

요즘 포스팅 실적이 좋습니다.^^;; 일은 여전히 바쁘지만, 스트레스 받을 때 마다 술을 마실 수도 없고 운동은 게을러서 안하고 그러다보니 영화를 보거나 책을 읽거나 그것도 아니면 글을 쓰는게 취미다 보니 자주 올리게 되네요. 게다가 최근에 카테고리를 늘려서 이전에 만들었던 카테고리를 빨리 마무리 해야 한다는 강한 압박감도 있구요. -.-

 

오늘은 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access)에 대해 알아보고자 합니다. 이동통신에는 기지국에서 단말기로 정보를 실어나르는 하향링크와 단말기에서 기지국으로 정보를 실어나르는 상향링크 두 가지가 있다고 말씀드린 바 있습니다. 그런데 LTE에서 하향 링크는 앞서 설명드린 OFDM으로 되어 있는데 상향 링크는 OFDM이 아니라 SC-FDMA로 되어 있습니다. 아니, 이 사람이 진작에 얘기하지 그 중요한 얘기를 왜 이제야 얘기하는거야? 그래서 지금 말씀드리려구요. ^^;;

 

SC-FDMA를 말씀드리기 전에 PAPR(Peak To Average Power Ratio)를 먼저 알아야 합니다. 영어 약자를 보니 최대값 대비 평균 전력 비율 뭐 이렇게 해석되지요? PAPR을 수식으로 나타내면 아래와 같습니다.

 

 

OFDM은 주파수 영역의 다수의 부반송파 신호를 하나의 안테나로 전송하기 위해 다시 직렬로 합쳐서 시간 영역의 신호로 변화시키는데 이때 피크파워가 크게 발생합니다.

 

 

다시 설명드리면 OFDM은 반사파에 취약한 고속의 데이터를 다수의 저속 데이터로 쪼개서 전송하는 구조입니다. 그런데 이렇게 병렬로 나눠서 전송을 하게 되면 순간적으로 높은 출력이 발생되는 것을 피할 수 없게 되고 이것은 전력 소모를 많이 발생시키는 문제가 있습니다. 예를 들어 CDMA와 OFDM의 기지국 최대 출력은 20W로 동일하더라도 피크 출력은 CDMA가 80W, OFDM은 무려 200W나 발생됩니다. 뭐 기지국이야 사실 사이즈도 크고 상시 전원을 쓰기 때문에 출력이 높아서 전력 소모가 많이 생겨도 크게 문제는 없을 겁니다. 하지만 단말기는 배터리의 제약 때문에 문제가 심각해집니다. 그리고 순간적으로 발생하는 피크 파워의 레벨이 높으면 더 출력이 높고 선형성이 좋은 파워앰프를 써야 하는데 단말기는 가격이나 사이즈 문제 때문에 이것을 적용하기가 어렵습니다.

 

	CDMA	OFDM
최대 출력	20W	20W
피크 출력	80W	200W
백오프(피크 출력과 최대 출력의 차이)	6dB	10dB

 

그래서 단말기에서 기지국으로 보내는 상향 링크에는 OFDM의 변형인 SC-FDMA를 적용할 수 밖에 없었습니다. SC-FDMA는 OFDM보다 피크파워가 덜 발생합니다. Single Carrier라고 부르는 이유는 여러 개의 부반송파를 섞어서 마치 하나의 주파수처럼 보인다는 의미이고 FDMA는 사용자들이 전체 부반송파를 나눠서 쓴다는 의미에서 SC-FDMA라고 부릅니다. 다시 요약하면 OFDM은 여러 개의 부반송파의 묶음을 전송하고 SC-FDMA는 부반송파들을 섞어서 하나의 주파수 신호처럼 전송한다는 차이가 있습니다. 물론 이렇게 부반송파를 섞어버리면 피크파워 문제는 적어지지만 개별적인 부반송파의 특성들이 무시되어서 약간의 성능 저하가 발생할 수 밖에 없습니다. 아래 그림으로 이해하시면 좋을거 같네요.