OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) vs. SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access): 변조 방식 비교 및 5G에서의 변화

1. OFDM과 SC-FDMA의 핵심 변조 원리 비교: 다중 반송파 대 단일 반송파 방식

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 SC-FDMA(Single-Carrier Frequency Division Multiple Access)는 디지털 통신 시스템에서 데이터를 무선 채널을 통해 효율적으로 전송하기 위해 사용되는 핵심적인 변조 방식입니다. OFDM은 광대역 채널을 수많은 직교하는 협대역 부반송파(subcarrier)로 분할하여 각 부반송파마다 저속의 병렬 데이터 스트림을 실어 전송하는 다중 반송파 변조 방식입니다. 각 부반송파는 서로 직교하기 때문에 주파수 영역에서 겹치더라도 수신기에서 간섭 없이 신호를 분리할 수 있으며, 이는 주파수 효율성을 높이는 중요한 특징입니다. 또한, OFDM은 시간 영역에서 순환 전치 부호(Cyclic Prefix: CP)를 삽입하여 다중 경로 페이딩(multipath fading)에 강인한 성능을 보입니다. 반면, SC-FDMA는 기본적으로 단일 반송파 변조 방식이지만, 주파수 영역 등화(frequency-domain equalization)를 용이하게 하기 위해 DFT(Discrete Fourier Transform) 확산 기법을 적용합니다. 전송할 데이터 심볼에 DFT를 적용하여 주파수 영역으로 확산시킨 후, 이를 단일 반송파를 이용하여 전송하고 수신기에서 역DFT를 통해 원래 신호를 복원합니다. SC-FDMA는 OFDM에 비해 낮은 PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 특성을 가져 단말기의 전력 효율성을 높이는 데 유리하다는 장점을 가집니다. 이처럼 OFDM은 다중 반송파를 이용한 병렬 전송과 주파수 효율성을 강조하는 반면, SC-FDMA는 단일 반송파 기반에 DFT 확산을 적용하여 전력 효율성을 높이는 데 초점을 맞춘 변조 방식입니다.

2. 다중 경로 페이딩 및 주파수 선택적 페이딩 대응 방식 비교: CP 삽입 대 주파수 영역 등화

무선 통신 환경에서 발생하는 다중 경로 페이딩은 전송된 신호가 여러 경로를 통해 수신기에 도달하면서 시간 지연과 위상 변화가 발생하여 신호 품질을 저하시키는 주요 요인입니다. OFDM은 이러한 다중 경로 페이딩에 강인한 특징을 가지는데, 이는 각 부반송파의 대역폭이 채널의 Coherence Bandwidth보다 훨씬 좁게 설계되어 각 부반송파 채널 내에서는 평탄한 페이딩(flat fading)이 발생하기 때문입니다. 또한, OFDM은 시간 영역에서 순환 전치 부호(CP)를 삽입하여 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference: ISI)을 효과적으로 제거합니다. CP는 각 OFDM 심볼의 뒷부분을 복사하여 심볼의 앞부분에 추가하는 방식으로, 다중 경로로 인해 지연된 신호 성분이 다음 심볼에 영향을 주는 것을 방지합니다. 반면, SC-FDMA는 단일 반송파 변조 방식을 사용하므로 광대역 채널 전체에 걸쳐 주파수 선택적 페이딩(frequency-selective fading)의 영향을 직접적으로 받습니다. 따라서 SC-FDMA 시스템에서는 수신기 측에서 주파수 영역 등화(Frequency-Domain Equalization: FDE) 기술을 사용하여 채널의 주파수 응답을 보상하고 신호 왜곡을 복원합니다. FDE는 수신된 신호를 주파수 영역으로 변환한 후 채널 추정 결과를 이용하여 각 주파수 성분의 크기와 위상을 보정하는 방식으로 동작합니다. 이처럼 OFDM은 CP 삽입을 통해 시간 영역에서 다중 경로 페이딩에 강인한 반면, SC-FDMA는 주파수 영역 등화를 통해 주파수 선택적 페이딩의 영향을 보상합니다.

3. PAPR(Peak-to-Average Power Ratio) 특성 비교: OFDM의 높은 PAPR과 SC-FDMA의 낮은 PAPR

PAPR(Peak-to-Average Power Ratio)은 전송 신호의 최대 전력과 평균 전력의 비율을 나타내는 지표로, 전력 증폭기의 효율성에 큰 영향을 미칩니다. OFDM은 여러 개의 독립적인 부반송파 신호의 합으로 구성되기 때문에, 각 부반송파 신호의 위상이 동기화되는 순간 합성 신호의 크기가 순간적으로 매우 커지는 높은 PAPR 특성을 가집니다. 높은 PAPR은 전력 증폭기의 비선형 동작 영역에서 신호 왜곡을 유발하고, 전력 효율성을 저하시키며, 고성능의 선형 전력 증폭기를 필요로 하여 시스템 비용 증가의 원인이 됩니다. 따라서 OFDM 시스템에서는 PAPR을 줄이기 위한 다양한 기법(예: Clipping, Tone Reservation, Selective Mapping)이 적용됩니다. 반면, SC-FDMA는 DFT 확산을 통해 전송 신호의 파형이 단일 반송파와 유사한 형태를 가지므로 OFDM에 비해 훨씬 낮은 PAPR 특성을 나타냅니다. 낮은 PAPR은 전력 증폭기의 효율성을 높이고, 배터리 수명을 연장하며, 저전력 환경에서 유리합니다. 이러한 이유로 SC-FDMA는 주로 단말기의 상향 링크 전송 방식으로 채택되어 왔습니다. 단말기는 제한된 전력 자원을 효율적으로 사용하는 것이 중요하기 때문에 낮은 PAPR 특성은 중요한 장점이 됩니다. 이처럼 OFDM은 높은 PAPR로 인해 전력 증폭기 설계에 어려움을 겪는 반면, SC-FDMA는 낮은 PAPR을 통해 단말기의 전력 효율성을 높이는 데 유리한 변조 방식입니다.

4. 4G LTE에서의 채택 및 역할 비교: 하향 링크 OFDM과 상향 링크 SC-FDMA

4G LTE(Long-Term Evolution) 시스템은 하향 링크(기지국에서 단말기로) 전송 방식으로는 OFDM을 채택하고, 상향 링크(단말기에서 기지국으로) 전송 방식으로는 SC-FDMA를 채택했습니다. 하향 링크에서 OFDM이 채택된 이유는 다중 경로 페이딩에 대한 강인성, 높은 주파수 효율성, 그리고 다양한 대역폭 지원의 용이성 때문입니다. 기지국은 일반적으로 충분한 전력 자원을 가지고 있어 높은 PAPR로 인한 전력 효율성 문제는 단말기에 비해 덜 중요하게 고려됩니다. 반면, 상향 링크에서 SC-FDMA가 채택된 주요 이유는 단말기의 제한된 전력 자원을 효율적으로 사용하기 위한 낮은 PAPR 특성 때문입니다. 단말기는 배터리 수명이 중요하므로, 전력 증폭기의 효율성을 높이는 SC-FDMA가 유리합니다. 또한, SC-FDMA는 주파수 영역 등화를 통해 다중 경로 페이딩을 효과적으로 보상할 수 있습니다. 따라서 4G LTE는 하향 링크의 높은 데이터 전송률과 효율성을 위해 OFDM을, 상향 링크의 전력 효율성을 위해 SC-FDMA를 상호 보완적으로 활용하는 전략을 취했습니다. 이는 각 변조 방식의 장점을 극대화하고 단점을 보완하여 전체적인 시스템 성능을 최적화하기 위한 선택이었습니다.

5. 5G NR에서의 변화 및 새로운 변조 방식 도입: CP-OFDM과 DFT-s-OFDM의 유연한 활용

5G NR(New Radio) 시스템에서는 이전 세대 이동통신 시스템과 달리 하향 링크와 상향 링크 모두에서 OFDM 기반의 변조 방식을 유연하게 활용합니다. 구체적으로, 5G NR은 CP-OFDM(Cyclic Prefix-OFDM)과 DFT-s-OFDM(Discrete Fourier Transform-spread-OFDM)의 두 가지 변조 방식을 모두 지원하며, 서비스 유형, 주파수 대역, 그리고 단말기의 특성 등을 고려하여 적절한 변조 방식을 선택적으로 적용할 수 있도록 설계되었습니다. CP-OFDM은 4G LTE의 하향 링크에서 사용되던 OFDM 방식과 유사하며, 다중 경로 페이딩에 대한 강인성과 높은 주파수 효율성을 제공합니다. DFT-s-OFDM은 4G LTE의 상향 링크에서 사용되던 SC-FDMA와 유사한 원리를 가지며, 낮은 PAPR 특성을 유지하면서도 OFDM의 장점을 결합한 형태입니다. 5G NR에서 DFT-s-OFDM은 주로 상향 링크의 전력 효율성이 중요한 시나리오나 높은 커버리지가 요구되는 경우에 활용될 수 있습니다. 5G NR이 두 가지 OFDM 기반 변조 방식을 모두 지원하는 이유는 다양한 서비스 요구 사항을 충족하고, 넓은 주파수 대역과 다양한 단말기 성능을 효율적으로 수용하기 위함입니다. 예를 들어, 초고속 데이터 전송이 중요한 eMBB(enhanced Mobile Broadband) 서비스에는 CP-OFDM이, 전력 효율성이 중요한 IoT(Internet of Things) 서비스에는 DFT-s-OFDM이 더 적합할 수 있습니다. 이처럼 5G NR은 변조 방식 선택의 유연성을 높여 더욱 효율적이고 다양한 서비스를 제공할 수 있도록 진화했습니다.