"이동통신시스템의 핵심 기술" 이론 정리 6편( OFDM & OFDMA & SC-FDMA)

1. OFDM Basics  ○ OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

    - 고속의 송신 신호를 다수의 직교성을 갖는 협대역 부 반송파(subcarrier)로 다중화시키는 변조 방식(wide band->narrow band)
    - 데이터열을 여러 개의 부채널로 동시에 나란히 전송하는 다중 반송파 전송방식의 형태
    - 각 부반송파 파형은 시간축상으로 서로 간섭을 일으키지 않도록 직교하나, 주파수 축 상에서는 겹치게 됨
    - 동시에 ‘변조’ 및 ‘다중화’를 수행하는 전송 기법
    - 단일 입력의 고속의 원천 데이터열을 다중의 반송파에 분할하여 실어 전송한다는 측면에서 ‘다중 반송파 변조’ 기술이며, 다중의 채널로 동시에 전송한다는 측면에서 `다중화` 기술 임
    - ‘병렬 전송(다중화)’ 구조
    - 산란 반사파에 취약한 고속 데이터를 반사파에 강한 저속 데이터들로 병렬 전송하는 구조
    - 각각의 부반송파들을 선택적 스케쥴링 가능

 

  ○ 기본원리 / 특징
    - 변조 및 다중화 동시에 수행
    - 고속의 전송률을 갖는 데이터열을  낮은 전송률을 갖는 많은 수의 데이터열로 나누어 다수의 부반송파를 사용하며 변조하고, 이들을 동시에 다중화 전송하는 것이며, OFDM은 데이터열를 여러 개의 부채널(Sub-channel)로 동시에 나란히 전송하는 다중 반송파 (Multi-carrier  ☞ MCM) 전송방식의 특별한 형태로 봄

 

  ○ OFDM의 개념

    - OFDM은 직교성을 가지는 부반송파들을 병렬로 전송하는 방식
    - 고속의 데이터를 저속의 부반송파로 변화하여 심볼간격을 넓혀 전송하는 기법
    - 고속 데이터 : 심볼간격이 좁아 ISI발생 확률이 높아짐. 반사파 상황에선 더욱 문제
    - 직교성 유지(O) : 정수배 배치, 병렬로 전송하는 부반송파간의 간섭이 ‘0’

  ○ 심볼과 비트

    - 심볼 : 변조심볼, 한번의 변조행위, 타이밍
    - 비트 : 정보의 전송단위

 

  ○ OFDM 장점

    - 부채널들을 주파수상에서 중첩으로 겹치게 하는 등 주파수 대역 효율이 매우 좋음
    - 데이터를 병렬로 전송하면 심볼 주기 지연확산(Delay Spread)에 의한 ISI
    - 보호구간을 인접하는 OFDM 심볼 사이에 적당히 두면 심볼간 간섭을 완전히 없앨 수 있음
    - 협대역간섭에 강함–협대역간섭이 일부 부반송파에만영향을 줌–다중경로에 의한 주파수 선택적 페이딩의극복이 용이
    - 고속 구현이 용이–FFT를 이용하여 고속의 신호처리 가능
    - 이동통신 셀 간 간섭이 없고 자원할당이 용이–부반송파간에 직교성이 유지되므로 셀 간 간섭이 거의 없음

  ○ OFDM 단점

    - 위상잡음 및 송수신단간의 반송파 Frequency offset에 민감
    - 수신되는 부반송파 간의 직교성이 상실되어 SNR(Signal to Noise Ratio)가 크게 감소
    - 큰 PAPR값 : 단일 반송파 변조방식에 비해 상대적으로 큰 PAPR(Peak to Average Power Ratio)를 갖음
    - 프레임 동기/ 심볼 동기에 민감 : 프레임 동기와 심볼 동기에 민감하게 동작하기 때문에 해당 시스템의 수신단 구현 시, 이를 극복할 수 있는 알고리즘이 요구

 ○ 부반송파 간 직교성 유지

    - 각 부반송파 파형은 시간축상으로 서로 간섭을 일으키지 않게 직교(Orthogonal)주파수축상에서는 약간씩 겹치게(Overlap) 됨
    - 직교 부반송파 및 CP에 의해 개별 OFDM 심볼이 받는 주파수 선택적 페이딩 완화됨

  ○ 부반송파 간격
    - 주파수영역 상에서 부반송파들이 약간의 간격을 두고 촘촘히 겹쳐 보임
    - 부반송파 간격은 주파수 선택성(시간분산) 및 도플러확산(시변채널 변화율)에 따라 달라짐

  ○ 부반송파 갯수
    - 보통 수백개 이상의 부반송파를 이용하며 전송가능 허용 대역폭에 따라 달라짐

 

  ○ 시간 뿐 만 아니라 주파수에서도 무선자원 조절 가능
    - 시간 영역,주파수 영역 모두에서 스케쥴링이 가능
    - 대역폭에 관계없이 동일한 기저대역 연산 구조를 유지하는 것이 가능
    - 대역폭 가변도 가능

  ○ OFDM 기술의 적용 분야

    - LTE는 반사파에 취약한 고속 무선데이터를 반사파에 강한 저속 무선데이터로 변환해서 여러 개의 부 반송파로 병렬 전송하는 OFDM 구조임
    - LTE 무선 기술의 최대 장점 중 하나가 가변대역폭으로 5㎒, 10㎒, 15㎒, 20㎒ 등 임의로 설정해 사용 가능하며, 전원을 켠 휴대전화가 기지국을 처음 찾을 때와 핸드오버를 위해 인접 기지국 신호를 검색할 때필요한 최소 정보가 항상 가운데 1.4㎒(병렬 부반송파 72개)로만 전송됨
    - LTE 표준에서는 15㎑ 간격으로 부반송파를 배치하였으며, symbol time은 66.7㎲가 되며, 일반적인 이동통신 환경에서 delay spread는 수㎲이므로 훨씬 크기 때문에 반사파에 의한 문제를 해결함
    - LTE는 주파수 내에 촘촘하게 배치된 수 많은 부반송파들을 사용하여 트래픽을 전송함으로써 전송속도를 높일 수 있음 
  ○ OFDM 기술의 적용 문제점
    - OFDM에서 병렬 전송된 부반송파의 합은 필연적으로 순간적인 높은 출력(피크 파워)을 발생시키며, 많은 전력 소모가 발생됨
    - 즉, OFDM은 더 높은 출력 레벨의 파워 앰프가 필요하며, 전력소모도 커지므로 휴대전화의 업링크시 제한된 배터리로 인해 문제가 발생됨
    - 휴대전화의 업링크에서는 피크파워가 덜 발생하는(전력소모가 더 적다는) SC-FDMA 기술을 사용하여 파워앰프 출력을 더 효율적으로 사용할 수 있음

  ○ Multipath Fading

    - 서로 다른 경로를 따라 수신된 전파들이 여러 물체에 의한 다중 반사로 인해 서로 다른 진폭, 위상, 입사각, 편파 등이 간섭을 일으켜 불규칙 요동치는 현상
    - 반사(Reflecting), 회절(Diffraction), 산란(Scattering), 굴절(refraction)
    - LOS(직접파)에서도 Path loss(송수신 단 거리에 따른 에너지 손실) 발생

 

    - 특징
     1) 주파수, 시간, 공간에 따라 다르게 나타나는 간섭 초래
     2) 신호 세기에 대한 영향 : 짧은 거리, 짧은 시간 동안 신호 세기의 급격한 변동 초래
     3) 주파수 영역에 대한 영향 : 이동체의 도플러 천이에 의한 랜덤한주파수 변조 효과
     4) 시간 영역에 대한 영향 : 여러 다른 경로에 의한 시간 분산(시간 지연 확산)
    - 대책 : 다이버시티활용
     * 신호를 여러 개 수신하고, 그 중 페이딩이좀 더 적은 신호를 수신
  ○ Delay Spread
    - Multipath 환경에서 각각 다른 경로를 거치게 된, 첫 번째 수신 전파와 그 다음 반사되어 오는 수신 전파 사이에 시간 지연 또는 합쳐지는 효과

 

- 단위 : 이동통신에서 보통 마이크로 초[𝜇𝑠] 단위

- 크기 : 교외 지역 약 8 [𝜇𝑠] , 옥외 도심 약 1~2 [𝜇𝑠] , 실내 약 0.1~0.2 [𝜇𝑠]

- 영향

1) Transmitted bit rate 증가

2) 디지털 통신에서 지연확산이 신호의 심볼구간보다 크게 되면 ISI에 의한 심각한 왜곡 생김

3) 다중경로 파에 의한 간섭존재(심볼주기 𝑻_𝒔 < 최대지연확산 𝝉_𝒎𝒂𝒙)

  ○ PDP(Power delay profile)
    - 시간 영역에서 Multipath를 거친 Original신호 및 Delayed신호의 Power를 합산한 그래프

Flat fading : W < 𝑩_𝒄	Frequency Selective fading : W > 𝑩_𝒄

 

  ○ Doppler Effect
    - 음파 또는 전파의 수신지가 다가오거나 멀어짐에따라 겉보기 수신 주파수가 높아지거나 낮아지는 현상
    - 발생점, 관측점이 가까워질 때 → 겉보기 수신 주파수가 높아짐
    - 발생점, 관측점이 멀어질 때 → 겉보기 수신 주파수가 낮아짐

 

 

 

 

  ○ Doppler Spread
    - 도플러 효과에 의해 주파수 변동/퍼짐/늘어짐을 겪는 현상
    - 수신 신호가 주파수 축상으로 넓게 늘여지며 확산 되는 효과로 보임
    - Delay spread와 coherence bandwidth는 채널의 시분산 특성을 나타내지만 MS의 이동에 의한 채널의 시변 특성을 나타내지 못하며, 따라서 채널의 시변 특성을 나타내기 위하여 Doppler spread와 coherence time을 이용한다. 이동체의 속도에 따라 주파수가 천이되는 현상을 도플러 주파수 천이라고 함

○ MCM(Multi-Carrier Modulation) 기법

- 여러 개의 주파수에 저속의 데이터를 병렬로 실어 보내는 기법

- 전체 대역폭 채널을 여러 개의 작은 대역폭을 갖는 Sub-channel로 분할

- 다수의 sub-carrier를 sub-channel로 다중 전송하는 기술

- Single-carrier:채널 왜곡, butsub-carrier는 단순한 gain 차이

 

 

  ○ OFDM Modulationl

    - MCM 방식은 ICI를 방지하기 위해 guard-band가 필요(주파수 효용성이 떨어짐)
    - Orthogonal하게 overlap → CI ↓ (주파수 대역을 절약)

 

 

  ○ ISI (Inter Symbol Interference)

    - 전송되는 디지털 심볼 신호가 다중경로 페이딩(Multipath Fading), 대역 제한 채널(Bandwidth-Limited Channel)등을 겪으면서, 이웃 심볼들이 겹치며 비트 에러의 원천이 되는 디지털 심볼간 상호 간섭 현상
    - 발생 원인 및 영향
     * 전송되는 디지털 심볼(다중경로 페이딩을겪을 때, 대역 제한된 채널을 통과할 때)
    - 시간, 주파수 관점에서(채널 coherence BW < 신호 대역폭 → freq selective
    - 채널 임펄스응답 폭(delay spread) > 신호 파형 폭 → flat 
    - 파형 형태
     1) 한 펄스 구간에서 발생된 펄스가 이웃구간의 펄스 구간으로 넘어가는 형태
     2) 파형 모양을 측정하기 위해서는 eye pattern사용
    - 대책 기술
     1) 채널 상의 등화(Equalization)기법
     2) 펄스성형(Pulse Shaping)기술
     3) OFDM에서는 CP(Cyclic Prefix)등을 사용 : 보다 긴 보호구간(Guard Interval)을 삽입
    - 전송 속도에 따른 수신신호 특성

 

     1) (inTimedomain) 최대 지연 확산 < 신호의 전송주기 : 간섭 X
     2) 최대 지연 확산 > 신호의 전송주기 : 간섭 O
    - 반사파에 의해 시간지연이 발생하게 되면 인접 부반송파간의 주파수 간격이 정확히 “1/유효심볼” 이어야 하는 부반송파간의 직교성원칙의 손상이 발생하여 생기는 현상

 

○ GI (Guard Interval)

- 반송파각 심볼이 다중경로 채널을 통해 전송되는 동안 ISI를 일으키는 것을 방지

- 연속된 심볼 사이에 채널의 최대 지연확산(Delay Spread)보다 긴 보호구간(Guard Interval), 즉 Cyclic Prefix 삽입

- 추후 Cyclic Prefix 방식에 기본 배경이 되는 기술

  ○ Guard Band

    - 주파수 분할 다중화 방식에서 각 채널간 간섭을 막기 위함
    - 무선 신호의 초과 누설이 다른 할당 대역에 영향을 주는 것을 방지하기 위해 사용하는 비어 있는 주파수 대역
    - 상호 혼신의 가능성 감소
    - 오버 샘플링 역할을 수행하여 D/A된 신호를 매끄럽게 함
    - Frequency Domain에서 ICI 해결

  ○ CP (Cyclic Prefix)
    - 유효 심볼구간의 뒷부분의 신호를 복사해 앞에 삽입하는 방식 
    - 직교성 유지 가능
    - PDP

- OFDM 심볼에서 CP의 길이 결정하는 요소

  ○ CS (Cyclic Suffix)

    - 유효 심볼구간의 앞부분을 신호의 뒤에 삽입해주는 방식

 

- CS :주로 Upstream과 Downstream의 간섭을 방지하는 데 쓰임

- FDD(Frequency Division Duplexing)의 방식 → OFDM에서 실시간 양방향 전송 가능

- Guard Interval의 길이 :CP +CS

  ○ Zero Padding
    - 보호 구간에 0을 삽입하는 기법
    - ZP의 길이>다중경로 채널의 최대 지연 시간
    - 보호 구간의 0 삽입에 의해 다중경로 채널을 통과한 OFDM 심볼은 FFT 구간 내에 불연속점을 갖게 되어 부반송파간직교성이 파괴 → ICI
    - 다음 심볼의 보호 구간에 해당하는 부분을 현재 심볼의 유효 심볼 시작 부분에 복사

 

    - lZP : ISI 제거, ICI 발생, 대역내 리플 적고, 전력 면에서 효율
    - CP : ISI & ICI 제거, 대역 내 리플큼
    - Guard band : ISI&ICI 제거가 필수적, but 전송효율 감소: : 𝑻_𝒔𝒖𝒃/𝑻_𝒔𝒚𝒎

  ○ Windowing

    - IFFT의 부반송파의간격을 1/𝑻_𝒔𝒖𝒃로 설정할 경우,직교성유지
    - But sinc함수의 특성 대역 외 전력이 크게 발생 →ACI 발생
    - 시간영역에서 윈도우사용 → 대역 외 스펙트럼 감소
    - 단점
     1) OFDM 신호에 왜곡발생시켜 약간의 SNR loss가 생김
     2) 원 신호의 대역폭보다 roll-off-factor 배 만큼 대역폭 증가
    - Windowing filter적용 시
     1) Time Domain:  ISI를 개선
     2) Frequency Domain :ICI를 개선

  ○ Raised Cosine filter
    - OFDM에서 Windowing filter로 쓰임
    - Raised cosine 윈도우에서 roll-off 상수의 크기가 증가할수록 천이 부분이 완만→ ACI, 유효 보호 구간의 길이 :감소
    - Time / Frequency 간 Trade off 관계 존재

- ß is the roll-off factor

  ○ Synchronization

    - OFDM 수신 신호의 복조과정에서 자신과 상대 간의 정보를 일치시키기 위해 필요한 과정
    - 통신의 신뢰성을 높이기 위함

 

○ OFDM에서의 Synchronizationl

- Carrier frequency의 offset과 phase noise : OFDM의 성능을 저하

- Clock을 통한 복조 :error많이 발생

 

○ STO의 효과

- OFDM 심볼의 추정된 시작점의 위치에 따라 STO 효과는 다를 수 있음

- Case I

1) 추정된 OFDM 심볼의 시작 시점 :정확한 타이밍과 일치

2) OFDM 심볼은 어떤 유형의 간섭 없이 완벽하게 복구 가능

3) subcarrier 주파수 성분 간 직교성완전히 보존l

- Case II

1) OFDM 심볼의 추정 시작점:정확한 포인트 이전,이전 심볼에 대한 지연된 채널 응답의 끝 이후

2) L번째 심볼은 이전 l-1번째 OFDM 심볼과 중첩되지 않음(이전 심볼에 의해 ISI)

- Case III

1) OFDM 심볼의 추정 시작점 :이전 OFDM 심볼에 대한 지연된 채널 응답의 끝 이전

2) L-1번째 심볼이 l 번째 심볼에 영향 → ISI

3) L번째 심볼의 직교성파괴 → ICl

- Case IV

1) OFDM 심볼의 추정 시작점 :정확한 시점 이후

2) L+1번째 심볼이 l번째 심볼에 영향 → ISI

3) 합성 신호는 의 복조를 위해 FFT를 취함

4) 𝛿에따른 위상 회전이 발생하고 직교성파괴ICI

5) L+1번째심볼 ISI

○ Channel Estimation

- ISI를 피하기 위해서 이보다 긴 길이의 보호구간이 필요

- 보호구간의 길이가 길어지면 전력효율이 전력손실을 최소화 하도록 함

- 보호구간에 비례하여 OFDM심볼의 길이도 길어져야 함

- 시불변채널에서 데이터를 전송하는 것은 심볼주기가 길어지는 것이 문제가 되지 않음

- 셀룰러환경과 같이 채널이 빠른 속도로 변하는 경우 성능 감소가 발생l무선 채널 크기와 위상 왜곡 채널 영향을 추정하여 보상해야 송신한 신호를 복원

- 부반송파별로 수신된 신호 =(송신한 신호) X (채널)

- 각 부채널의영향을 추정하여 보상

- 채널 추정 기법 : LS, MMSE

2. OFDMA

○ OFDM/FDMA (OFDMA) 방식

- OFDM 다중접속(OFDM/TDMA, OFDM/FDMA : OFDMA, OFDM/CDMA : MC-CDMA) 방식 중의 하나

- 한 사용자가 모든 유효 부반송파를 독점하는 것이 아니라,

- 여러 사용자가 유효한 부반송파의 부분집합을 서로 다르게 분할 할당받아,

- 시간구간별로 서로다른 부반송파 집합을 사용자별로 사용하는 방식

※ OFDMA는, 주로 상향링크에서 많이 사용(부반송파 할당의 제어는 기지국에서 주관)

- 여러 사용자가 유효한 부반송파를서로 다르게 할당받아사용하는 OFDM에 근간을 둔 OFDMA라는 다중접속 방식

- OFDM과 TDMA,FDMA 등을 결합하여 사용

  ○ OFDMA 특징

    - 동일 셀 내의 각 사용자들은 서로 다른 부반송파 집합을 사용
    - 유연한 자원 할당 가능 (Flexible Resource Allocation)  ☞ 무선 자원 관리 참조
    - ISI(심볼간 간섭) 및 ICI(채널간 간섭) 가 발생할 가능성이 작음
    - 만일 사용자 간의 주파수 및 타이밍 옵셋의 영향을 충분히 작은 수준으로 유지하면, 셀 내 간섭은 거의 받지 않게 됨
    - 시간 및 주파수 영역에서 2차원적으로 자원을 분할 할당
    - 부반송파들의 일부 집단을 하나의 집합으로 구성하여, 각 사용자에게 할당
    - 이를 두고 부채널(Subchannel,Subchannelization)이라고도 함 ☞ 부채널 참조
    - 전 대역을 각 사용자가 요구하는 전송속도에 따라서  주파수 영역 상에서 부반송파를 할당함으로써, 채널용량의 최적화가 가능
    - 부채널의 할당을 각 사용자의 요구에 따라 동적으로 할당
    - 사용자가 요구하는 전송속도에 따라 할당되는 부반송파의 수를 변화시킴
    - 셀 내 간섭의 영향이 적음
     ※ OFDMA 방식은 사용자 마다 서로 다른 부반송파들을 할당 받음으로 인해 셀 내 간섭의 영향을 받지 않음
    - 통상의 OFDM 방식 보다 많은 수의 부반송파를 사용 ☞ Subcarrier 참조
      1) 802.11a는 52개의 부반송파를 사용 
      2) WiBro는 864개 부반송파 사용      
      3) LTE는 사용 대역폭에 따라 사용되는 부반송파 개수도 달라짐
    - 전력제어 관련
      1) OFDMA 방식에서는 CDMA 방식 보다는 전력제어의 중요성이 낮은데,
      2) 그 이유는 동일 셀 내에서 직교성이 충분히 보장되기 때문임

  ○ OFDM 에서의 부채널할당 방식
    - OFDMA 에서는 전체 부반송파중 일부의 부반송파를사용자에게 할당
    - 사용자의 요구에 따라 할당하는 부반송파수를 달리하여 자원을 할당
    - 부채널은인접 또는 랜덤하게분포된 부반송파들중 특정 부반송파선택 → 그룹화
    - 일반적으로 자원할당의 최소 단위
    - 부채널은자원 할당 방식에 따라크게 블록타입, Comb 타입,랜덤타입으로 분류

    - 블록타입 : 물리적으로 연속된 부반송파들이묶여 대역별로부채널이구성

    - Comb 타입 : 등간격의 부반송파 들로 부채널이형성

1) 장점 : 하나의 부채널이전 대역에 퍼져 있기 때문에 다이버시티이득을 얻음

2) 단점 : 인접한 셀에서 셀 간 간섭이 매우 증가할 수 있음

- 랜덤타입: 하나의 부채널이전 대역에 랜덤하게퍼저있음

1) 장점 : 다이버시티이득과 간섭의 랜덤화 효과

2) 단점 : 채널 추정을 위해서 전체 대역에 퍼져 있는 파일럿 사용

○ 직교 주파수 분할 다중 접속

- 직교 주파수 분할 다중 접속방식은 고속 전송률을 가지는 데이터를 저속의 전송률을 가지는 여러개의 데이터 열로 나누어 이를 Sub Carrier(협대역 부 반송파)를 사용하여 동시에 전송하는 방식입니다. 이는 다중 반송파를 이용하여 디지털 데이터를 인코딩함

- 부 반송파란 직교성이 있는 여러 부반송파를 실어(Multi Carrier) 전송할 때 각각 쪼개지 반송파를 말하며, 부반송파를 할당하는 방법으로는 국부적으로 인접하게 하는 Localized 방식과 일정한 간격 혹은 랜덤하게 간격을 두고 할당하는 Distributed 방식

- 다중의 반송파를 분할하여 전송하는 부분이 변조이며, 다중 채널로 동시에 전송하는 개념을 다중화로 볼 수 있으며 직교성을 유지하는 이유는 시간 축 상으로 파형들이 서로 간섭을 일어나지 않게 하기 위함

 

○ OFDM의 송신부

- OFDM의 반송파 신호는 QAM 혹은 PSK를 통해 변조된 직교적인 부 반송파를 합친 것입니다. 이러한 합성 베이스밴드 신호는 일반적으로 RF 반송파 신호를 변조 하는데 사용이 됩니다. s[n] 신호는 디지털로 이루어진 시리얼 스트림이며, 이 신호는 Constellation Mapping되어 각각의 신호로 구분이되고, 이 신호는 역 FFT가 이루어지며 역 FFT 이후에는 DAC를 통해 디지털 신호를 아날로그 신호로 생성을 하고, 이를 반송파 주파수인 fc를 이용하여 직교 아날로그 신호를 생성

○ OFDM의 수신부

- 수신부에서는 송신부의 반대 과정을 거치게 됩니다. 수신된 아날로그 신호를 반송파 주파수 fc를 통해 복조하고, 이를 ADC와 FFT를 통해서 기존의 스트림 신호 생성

 

  ○ OFDM의 장점

    - 열악한 환경에서 원활히 동작하며, 부채널들을 주파수상에서 중첩으로 사용하기 때문에 주파수 대역의 효율이 매우 좋음
    - FFT를 사용하여 고속의 신호처리가 가능하며, 직교성으로 인해서 이동통신 셀 간 간섭이 없고 협대역 간섭에 강합니다. 또한 자원 할당이 용이함

  ○ OFDM의 단점

    - 반송파 주파수의 Offset이 있는 경우 SNR 열화 문제가 발생하여 주파수 동기화에 민감하며, 높은 PAPR(Peak-to-Average-Power Ratio)을 가지며, 이는 RF 증폭기의 전력 효율을 감소시켜 낮은 전력 효율을 가지는 선형 송신기의 특성을 요구함
    - 프레임 도기, 심볼 동기에 민감하기 때문에 최적의 알고리즘이 필요

3. SC(Single Carrier)-FDMA

  ○ Overview

    - LTE의 DL-> OFDMA사용 , UL-> SC-FDMA,DFT-Spread OFDM
    - OFDMA기술 대비 낮은 PAPR특성
    - SC-FDMA 방식 :Subcarrier Mapping이 되게 전에 DFT을 수행
    - 하나의 심볼에 할당된 Subcarrier들을 고르게 함
      1) 하나의 심볼 정보가 할당된 모든 Subcarrier에 같이 전송되고, 이는 PAPR값이 낮아져 OFDM 대비 상대적으로 낮은 PAPR값을 가지게 함
      2) OFDM IFFT 전 단계에 FFT계산을 처리하여 PAPR을 줄여줌(확산시킨 후 IFFT수행)

 

  ○ SC(Single Carrier)-FDMA

    - OFDMA 에 비하여 낮은 PAPR
    - 음성을 지원하는 LTE에서는 셀 에지 단말의 전류 소모를 효과적으로 줄임
    - 단말의 전류소모 배터리 수명 
    - OFDM에 비해 2~3dB 성능 ↓
    - 데이터 속도,용량 ↓

  ○ DFT 확산(SC-FDMA) 기법

    - OFDMA의 변형
    - PAPR을 감축시키는데, 전력소모 문제점을 해결하기 위한 대안
    - 직교부호행렬로서 Fourier 행렬을 사용하는 DFT 확산기법
    - IFFT의 크기 N과 동일한 크기를 갖는 DFT 확산부호사용
    - DFT 확산과 IFFT 두 연산이 서로 상쇄시켜 블록단위로 처리

 ○ SC-FDMA 기술

    - 이산푸리에 변환(DFT)에 의해 통화자별로 할당된 부반송파들이 뒤섞여(spread) 전송되므로 DFTS-OFDM이라고도 함
    - 여러 개의 주파수가 섞였기 때문에 하나의 주파수로 보인다 하여 하나의 주파수(single carrier), 그리고 통화자들이 전체 부반송파 개수를 나누어 사용한다 하여 FDMA, 이 둘을 합쳐서 SC-FDMA 라 함
    - SC-FDMA에서는 부반송파들을 뒤섞으면서 피크파워의 중화가 이루어지므로 개별적인 부반송파의 특성이 무시되므로 약간의 성능 저하가 발생됨
    - 변형된 OFDM인 SC-FDMA는 OFDM 보다 적은 전력소모에 따른 이익을 얻지만, OFDM 보다 약간의 성능 저하를 감수해야 함

○ 시사점

- LTE에서 OFDM 기술을 사용시, 기지국 다운링크는 OFDM을 적용하나 휴대전화의 업링크에서는 전력소모가 커지므로 SC-FDMA 기술을 채택하여 사용함

- SC-FDMA는 휴대전화 업링크 사용시 OFDM 보다 약간의 성능 저하를 감수해야 하지만, OFDM 보다 적은 전력소모에 따른 서비스 반경을 넓힐 수 있는 장점이 있음

3. Application System

○ LTE(LongTermEvolution)

- 다중 접속 기술(하양링크 : OFDMA, 상향링크 : SC-FDMA)

○ LTE의 하향링크 구조

- OFDMA방식 채택

- 15kHz 부반송파간격을 지원 + 7.5kHz의 부반송파간격을 추가로 지원

- 반송파간격이 15kHz인 경우 : 다른 길이의 CP지원

○ LTE의 하향링크 구조(cont)

- 15kHz인 경우

1) Normal CP (4.69us)와 Extended CP (16.67us)를 지원

2) 어떤 종류의 CP를 사용하는 가에따라 한 슬롯에 포함되는 OFDM 심볼의 개수가 달라짐

3) Normal CP : 7개의 OFDM 심볼이 한 슬롯을 구성–

* 한 슬롯의 길이 0.5ms 6개의 심볼은 4.69us의 CP 길이를 사용하며 한 OFDM 심볼은 5.21us의 CP길이를 사용(66.67usx7 + 4.69usx6 + 5.21us x1=500us)

* Extended CP : 6개의 OFDM 심볼이 한 슬롯에 구성(66.67usx6 + 16.67usx6 =500us)

- 7.5kHz인 경우

1) 한 종류의 CP만 지원

2) 한 슬롯은 3개의 OFDM 심볼로 구성

○ 3GPP LTE의 하향링크 전송 파라미터

 

○ LTE SC-FDMA

    - FDD와 TDD에서 모두 SC-FDMA 기술 사용
    - SC-FDMA
      1) 송신단변조과정에서 IFFT 입력 전에 사용자 별로 DFT 처리과정 수행
      2) 수신단복조과정에서 FFT 출력신호를 IDFT 처리 → 상향링크 송신단에서 발생할 수 있는 PAPR 최소화 → 단말의 전력소모 ↓

  ○ 송신단 구조

 

- 입력 데이터는 DFT 처리 과정 후 정해진 규칙에 따라 해당 주파수 대역으로 연속적으로 할당

- IFFT부를 거쳐 CP 삽입 후 전송

- 10MHz 대역폭을 사용하는 경우

1) 부반송파간격 : 15kHz

2) 샘플링 주파수 : 15.36MHz

3) 부반송파수 : 1024

4) 유효 부반송파수 : 600

5) 유효 주파수 대역 : 9MHz

○ LTE Channel

- Doppler§Doppler Frequency = v*fc / c

(v : UE speed fc : carrier freq. c : velocity of electromagnetic wave = 30000km/s 로 계산)

Normalized CFO ε = Max. Doppler Freq./Sub-carrier Spacing