Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 An OFDM Wireless Transmission Technique for Systems Beyond IMT-2000 조용수 (Y.S. Cho) 장경희 (K.H. Chang) 단말기모뎀연구팀초빙연구원, 중앙대학교전자전기공학부교수 단말기모뎀연구팀선임연구원, 팀장 본고에서는 Beyond IMT-2000 시스템에서 Mobile Access 의무선전송기법으로 OFDM 방식의적용가능성에대하여살펴본다. 현재사용되는 CDMA 방식은고속전송시 chip rate 가크게증가하기때문에, Beyond IMT-2000 시스템의 Mobile Access 에서요구하는 2 100Mbps 의고속데이터전송률을만족시키기가용이하지않다. 반면, OFDM 방식은주파수효율이높고, 주파수선택적페이딩채널에쉽게대처할수있으며, FFT 를사용하여고속으로구현할수있기때문에고속데이터전송시적합하다. 본고에서는 OFDM 방식을사용한기존의통신시스템의특징을살펴본후, Beyond IMT-2000 시스템 Mobile Access 의전송방식으로 OFDM 을적용할경우의기술적인고려사항과모의실험결과에대하여서술한다. I. 서론 3세대이동통신시스템인 IMT-2000 시스템은단일표준하의글로벌로밍, 2Mbps 데이터전송, 이동멀티미디어및고품질서비스제공의목적으로시작되었으나, 단일표준안도출에실패하여유럽과일본중심이주도하는 3GPP와미국이주도하는 3GPP2로양분되었다. 3GPP에서는 GSM을기반으로하는비동기방식의 WCDMA 시스템의표준을개발하고있으며, 3GPP2에서는 IS-95 동기방식으로부터진화한 cdma2000 시스템의표준을개발하고있다. 그러나, 이러한표준으로는당초 IMT- 2000 시스템에서제공하고자한 2Mbps 서비스의제공이사실상어려워이를보완하기위한별도의표준화작업이논의되고있다. 특히, 향후의이동멀티미디어서비스에서요구되는트래픽은하향링크 가상향링크에비하여높은전송속도가요구될것으로예상되기때문에비대칭형서비스를지원하는시스템에대한표준화규격작업이이루어지고있다. 이를위하여비동기진영의 3GPP에서는기존의패킷전송채널인 DSCH(Downlink Shared Channel) 를개량하여패킷데이터를보다효율적으로전송할수있는 HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 의표준화활동을 2002년 3월완성을목표로진행중에있다. HSDPA 기술은기존의 DSCH 에 AMC(Adaptive Modulation and Coding), H-A RQ(Hybrid Automatic Repeat request), FCS(Fast Cell Selection), MIMO(Multiple Input Multiple Output), Stand-Alone DSCH 등의기술을적용하여 10Mbps 급의데이터전송률을지원하도록되어있다. 동기진영의 3GPP2에서는 cdma 2000 1x를개량하여 1x EV DO(EVolution Data Only) 의규격작 32
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 Mobility Systems Beyond IMT-2000 High Medium IMT-2000 Enhanced IMT-2000 Mobile Access New Elements of Systems Beyond IMT-2000 BS Digital Broadcasting Low Nomadic/Local Area Wireless Access Terrestrial Digital Broadcasting 1 10 100 Communication Speed(Mbit/s) denotes interconnection between systems via networks or the like, which allows flexible use in any environments without making users aware of constituent systems ( 그림 1) Beyond IMT-2000 시스템에서의 Communication Speed vs. Mobility 업을완성하였다. HDR(High Data Rate) 로알려진 1x EV DO는하향링크로최대 2.4Mbps 의데이터를전송하지만음성은지원하지않고, cmda2000 1x에 backward compatibility를제공할수없다는단점이있다. 이를해결하기위하여 3GPP2에서는데이터와함께음성을지원하는 1x EV DV(Data and Voice) 에대한표준화작업을진행중이다. 3GPP2의 1x EV DV에서도 3GPP HSDPA에서와유사한성능향상을위하여새롭게적용한 AMC, H-ARQ, FCS, MIMO 등의기술과 LAS(Large Area asynchronization) 기술을적용하였으며, 최대 5.184Mbps 의전송률을지원한다. ITU-R WP8F는이러한 IMT-2000의기능강화를위하여 IMT-2000 Enhancement 시스템과 Beyond IMT-2000 시스템에대한논의를진행하고있으며, 2000년 3월결성되어현재까지 6차례의회의를하였고 2002년 6월까지제안서완성을목표로현재활발한활동중에있다 [1],[2]. ( 그림 1) 은 2001년 10월에일본에서열린 6차회의에서협의된 Beyond IMT-2000 시스템관련 Communication Speed vs. Mobility의내용을보여준다. 현재까지발표된많은문헌에서 Beyond IMT-2000 시스템을고속이동중에고속데이터전송이가능한 시스템으로국한하여표기한것과는달리, 이그림에서는 Beyond IMT-2000 시스템내에 IMT-2000, Enhanced IMT-2000, Nomadic/Local Area Wireless Access 시스템이모두포함되어있다. 물론, Beyond IMT-2000 시스템핵심기술은이그림에서 Mobile Access라고정의된옥외에서고속이동중의고속데이터전송기술과 Nomadic/Local Area Wireless Access라고정의된옥내ㆍ외에서저속이동중초고속데이터전송이가능한무선 LAN 및 BWA(Broadband Wireless Access) 기술로구성되어있다. WP8F에기술된 Beyond IMT-2000 시스템의요구사항을요약하면다음과같다. 고속데이터전송, 속도에따른가변전송률 (100Mbps@3km/h, 20Mbps@60km/h, 2M bps@250km/h, xmbps@500km/h) IP 기반의무선접속, QoS 지원 이종시스템 (IMT-2000, 무선 LAN, BWA, 위성, 방송 ) 간의 seamless 서비스지원에의한글로벌로밍지원 다중모드지원, 대칭 / 비대칭서비스지원본고에서는 Beyond IMT-2000 시스템의핵심 33
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 인 Mobile Access에서의고속데이터전송을위한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식을고려한다. 현재 IMT-2000 시스템에서사용되는 DS-CDMA 방식은 Rake 수신기를사용하여채널의경로다이버시티를이용할수있고소프트핸드오버등의장점이있으나, 이방식은고속전송시칩간간섭이증가함에따라하드웨어복잡도가급격히증가하고다중사용자간섭에의하여수용가능한사용자의용량에제한을받는것으로알려져있다. 이에반하여, OFDM 방식은무선채널에서고속으로데이터전송을하고자할경우다중경로에의해발생하는심각한주파수선택적페이딩채널에쉽게대처할수있는장점이있어, 최근다양한고속무선통신시스템의전송방식으로채택되고있다. 본고에서는 Beyond IMT-2000 시스템의 Mobile Access에 OFDM 방식의적용가능성을진단하기위하여 OFDM의개요와 OFDM 방식을사용한기존의통신시스템을살펴본후, OFDM 기반의 Mobile Access 실현을위한요소기술에대하여언급한다. II. OFDM 개요 1. OFDM OFDM 방식은여러개의반송파를사용하는다수반송파전송의일종으로반송파의수만큼각채널에서의전송주기가증가하게된다 [3],[4]. 이경우, 광대역전송시에나타나는주파수선택적채널이심볼간간섭이없는주파수비선택적채널로근사화되기때문에간단한단일탭등화기로보상이가능하다. 이와같은 OFDM 신호의등가이산시간기저대역신호는송신단에서는 IDFT, 수신단에서는 DFT를수행한결과와같은결과가되어 IFFT 와 FFT를사용하여고속으로구현할수있다. ( 그림 2) 와 ( 그림 3) 은 OFDM 방식의개요와블록도를보여준다. F OFDM 시스템이주파수간격를갖는 N 개부반송파로이루어져있다고가정할경우, 전체대 역폭은 W = N F, 시간영역에서의유효심볼길이는 Tf = 1/ F 로된다. 이때, k 번째부반송파에실리는주파수영역값을 Xk 라하면, 송신단에서의시간영역 OFDM 심볼은 (1) 과같이나타낼수있다. N 1 k 1 j 2π t x( t) X T = f k e (1) N k = 0 이경우, 수신단에서의기저대역신호 y(t) 는 (2) 와같이주어진다. y( t) = 1 N N 1 k = 0 H X e k k j2π ( F k + ) t f (2) 여기서, Hk 는 k 번째부반송파에서무선채널의전달함수이며, f 는주파수옵셋을나타낸다. ADC 를통하여표본화된수신심볼의 m 번째샘플은 (3) 과같이주어진다. y m ( m+ δ )( k + ε ) j 2π N ke N 1 1 = y( t) = H t m T k X = ( + δ ) (3) s N k = 0 여기서, δ 는표본화주기 Ts = 1/( N F) 에대하여정규화된타이밍옵셋값을나타내고, ε 은 f / F 로부반송파대역폭에대하여정규화된주파수옵셋값을나타낸다. 2. Cyclic Prefix OFDM 심볼의전송은심볼단위로이루어지나, OFDM 심볼이다중경로채널을통해전송되는동안이전심볼에의한영향을받게된다. 이러한 OFDM 심볼간간섭을방지하기위해연속된심볼사이에채널의최대지연확산보다긴보호구간 (guard interval) 을삽입한다. OFDM 심볼주기는실제데이터가전송되는유효심볼주기와보호구간의합이되며, 보호구간에는부반송파의지연에의해발생할수있는직교성의파괴를방지하기위해유효심볼구간에서마지막구간의신호를복사하여삽입하고, 이를 Cyclic Prefix(CP) 라한다. 34
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 Guard Interval Ng Effective Symbol Duration Nfft copy FFT Size Effective BW Time Frequency ( 그림 2) OFDM 방식의개요 Input Bit Sequence Modulator S/P IFFT Add Guard Interval P/S D/A Transmitter Receiver Wireless Channel Output Bit Sequence Demodulator P/S FEQ FFT Remove Guard Interval S/P A/D ( 그림 3) OFDM 방식의블록도 3. 인접채널간간섭 OFDM 방식의주파수스펙트럼은각부반송파가갖는 sync 함수의합으로나타나기때문에인접부반송파의간격이유효심볼주기역수의정수배가되면직교성이유지되지만, sync 파형은 roll-off 특성이좋지못하여인접채널에영향을주는인접채널간간섭 (adjacent channel interference) 을발생시킨다. 인접채널간간섭을감소시키기위해서는대역제한필터를사용하여대역밖의스펙트럼을제거시키거나, 시간영역에서 raised cosine 과같은윈도를사용하여대역밖스펙트럼의크기를감소시킨다. 이외에도전송대역의양쪽끝부분의부채널을사용하 지않는가상반송파 (virtual carrier) 방식을사용할수있다. 4. 채널추정기법및등화 Coherent 방식의 OFDM에서는채널의왜곡을보상하기위하여등화를수행하여야한다. OFDM 방식에서는각부채널이주파수비선택적페이딩채널로근사화되므로각부채널에서의등화기는단일탭형태가되며, 이때채널추정은 LS 또는 MMSE 채널추정기를사용한다. OFDM 방식에서의채널추정은채널추정에사용하는데이터의종류에따라크게파일럿심볼기반 (Pilot-Symbol-Aided: PSA) 채 35
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 널추정기법과결정지향 (Decision-Directed: DD) 채널추정기법으로구분할수있다. PSA 기법은고속페이딩채널에적합하며, 이때파일럿은채널의 coherence 대역폭, coherence 시간, 파일럿톤의사용에따른대역폭효율감소등을고려하여배치한다. DD 기법은검출데이터를이용하여다음심볼주기의채널을추정하므로, 고정또는시간상관성이큰저속페이딩채널에적합하다. 5. Coded OFDM(COFDM) OFDM 방식을사용함으로써다중경로채널에의한심볼간간섭을극복할수있으나, 특정부채널의감쇄가심한경우에는수신 SNR이낮아그부채널로전송된데이터의오류확률이증가하게된다. 이러한성능저하를방지하기위해서 OFDM 방식에서는전방오류정정 (forward error correction) 부호를함께사용하여다중경로채널의페이딩현상을극복한다. 오류정정부호로는 Reed-Solomon 부호와같은블록부호 (block code) 와컨볼루셔널부호 (convolutional code) 가주로사용되며, 대역폭효율을향상시킨트렐리스부호 (trellis code), 두개의서로다른부호를결합하여사용하는 concatenated 부호, 터보부호 (turbo code) 등을사용할수있다. 또한, 연집오류 (burst error) 발생에의한오류정정성능의저하를방지하기위해인터리빙 (interleaving) 을함께사용하며, 인터리빙의종류와크기는사용하는오류정정부호와채널의주파수와시간의페이딩정도, 그리고인터리빙에따른지연을모두고려해서결정한다. 6. 다중액세스 (Multiple Access) 방송용이아닌셀룰러이동통신, 무선 ATM, 무선 LAN 등에 OFDM 전송방식을사용하는경우에는단일반송파전송방식과마찬가지로다수의사용자를위한다중액세스방식이필요하다. 대표적방식으로는 OFDM-TDMA, OFDM-FDMA(OFDMA), OFDM-CDMA가있다. OFDM-TDMA의경우에는 N개의부채널로구성된전체대역을각사용자 가할당된시간동안 N개의부채널을모두사용한다. OFDMA는시간에제한받지않고전체부채널을사용자가요구하는트래픽에따라동적으로할당한다. OFDM-CDMA는각사용자가고유의확산부호를사용하여모든시간과부채널을이용하는데확산방식에따라 MC-CDMA, MC-DS-CDMA, MT- CDMA로구분할수있다. DS-CDMA는송신데이터를확산부호를사용하여시간영역에서확산시키는방식이나, MC-CDMA 는송신데이터를모든부채널에복사한후, 확산부호를사용하여주파수영역에서확산시키는방식으로볼수있다. 따라서, DS- CDMA 방식은시간영역에서다중경로에의하여수신되는신호의일부만을 Rake 수신기를사용하여결합하는반면, MC-CDMA 방식은주파수영역에분포되어있는모든수신에너지를결합하여사용할수있는장점이있다. 그러나, MC-CDMA 신호스펙트럼의대역폭은 DS-CDMA 신호스펙트럼의대역폭과거의동일하기때문에대역폭효율면에서는이득이없다. MT-CDMA 방식은직 / 병렬변환된데이터를확산부호를사용하여시간영역에서확산시키는방식이며, 이방식에서는각부채널마다시간영역으로의확산이이루어지므로, 확산전각부채널의스펙트럼은직교성이유지되나, 확산후부채널의스펙트럼은직교성을만족시키지못한다. 이와같이 MT-CDMA 방식은부채널간조밀한스펙트럼오버랩을갖기때문에대역폭효율은 MC- CDMA에비해높으나, 부채널간간섭등의영향으로성능이크게열화되는단점이있다. 7. OFDM 방식의고려사항 OFDM 방식은다수의직교반송파를사용하기때문에부반송파사이의직교성이파괴되는경우에는채널간간섭이발생되어비트에러율이크게저하되는데, OFDM 방식에서직교성이파괴되는원인은크게다음의세가지로구분할수있다. 첫번째는수신단에서심볼동기와반송파주파수동기가이루어지지않은경우이다. OFDM 시스템에서의변ㆍ복조는 IFFT와 FFT의블록단위로각각이루어지기 36
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 때문에심볼동기는 OFDM 심볼의시작점을찾는것을의미한다. 반송파주파수옵셋이발생하는경우에는부반송파의직교성이파괴되어다른모든부반송파의영향을받게되므로, 단일반송파방식에비해심각한성능저하를초래한다. 이러한 OFDM 신호의동기화를위하여응용분야에따라주파수영역에서파일럿톤또는반복심볼을이용하는방식이나, 시간영역에서 CP 또는훈련심볼을이용하는방식등이사용되고있다. 두번째로 OFDM 방식에서변조가된신호의크기는레일레이분포를가지므로 OFDM 심볼의시간영역신호의 PAR(Peak-to- Average Ratio) 이단일반송파방식의경우에서보다크게나타난다. 따라서, 고출력증폭기를단일반송파방식과동일한효율로사용할경우비선형왜곡에의한채널간간섭및인접채널간간섭이 OFDM 방식에서보다크게발생하게된다. 이러한 PAR에의한비선형왜곡감쇄를위하여부호화기법, 사전왜곡기법등이사용된다. 세번째는채널의특성이송ㆍ수신기의상대적이동으로인해 OFDM 심볼주기내에서변하는경우이며, 이때수신단에서각부반송파의직교성이파괴되어채널간간섭이발생하게된다. 특히본고에서다루고있는 Mobile Access에서고속의이동시채널간간섭이급격히증가하며, 이경우에는단일탭등화기로보상이어렵기때문에시스템의성능저하가발생된다. 이의보상을위해서는이동성에따른채널간간섭의양을추정하여주파수영역에서이를보상하는기법등이사용될수있다. III. OFDM 방식의통신시스템 1. 무선 LAN 기존의 IEEE 802.11 무선 LAN은 DS-SS, FH- SS, IR(InfraRed) 방식을사용하여 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서 2 Mbps의전송률을지원하였다 [5]. 그러나이러한규격으로는증가해가는높은전송속도에대한요구를만족시킬수없어, 1999년 IEEE 802.11a와 IEEE 802.11b의새로운물리계층표준안이확정되었다 [6]. IEEE 802.11b는 2.4GHz 대역에서기존의 DS-SS 방식을확장한 CCK(Complementary Code Keying) 방식을사용하여 11Mbps의전송률을지원하며, 현재상품화가되어널리보급이이루어지고있다. 한편, IEEE 802.11a는 5GHz 대의 U-NII (Unlicenced National Information Infrastructure) 비면허대역에서 DS-SS 방식의한계를극복하고더높은전송속도를얻기위하여 OFDM 변조방식을채택하였다. 에러정정을위하여는부호율 1/2, 2/3, 3/4의컨볼루션부호기와 1/2 비터비복호기를사용하며, 부반송파변조에는 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM 을사용한다. 즉, 채널의상황에따라위의부호기와변조기를조합하여 6 54Mbps의고속가변전송률을지원한다. 실내환경에서의이더넷기반서비스를목표로하기때문에 52개부반송파의간단한구조를가지며, OFDM 방식을사용함으로써짧은훈련시간및간단한등화가가능하고, 다중경로간섭에강건한장점을가진다. 또한, 2001 년 11월 IEEE 802 회의에서기존의 2.4GHz 대에서고속의데이터전송을위한 IEEE 802.11g의표준안으로서 OFDM 전송방식을선정하고, IEEE 802.11b와의 backward compatibility를위하여 CCK 프리앰블을앞부분에추가한 CCK-OFDM 방식을 mandatory mode로결정하였다. 한편, 유럽의 ETSI BRAN에서제안한 HIPERLAN/2 규격은 IEEE 802.11a와유사한 OFDM 방식의물리계층을갖고있으며, MAC 계층으로는 IEEE 802.11에서사용하는 CSMA/CA와는달리 TDMA 방식을사용하여 QoS를쉽게제공할수있다 [7]. 즉, 이더넷기반에서만사용되는 IEEE 802.11과는달리 HIPERLAN/2는이더넷, IP, UM-TS, ATM, IEEE 1394 등여러형태의코어네트워크에연결하기위한 convergence layer 를갖는것이특징이다. < 표 1> 은 OFDM 방식을사용한기존통신시스템의주요파라미터를보여준다. 2. BWA 인터넷의급속한보급과대용량멀티미디어서비스에대한요구증가로수 km 내의옥내또는중소 37
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 < 표 1> OFDM 방식의통신시스템 항목 무선 LAN (802.11a) BWA (802.16b) DAB (Eureka-147) DVB-T ADSL VDSL ACIS W-OFDM 반송파수 52 52~850 192~1536 1075/6817 256 2783 120 528 FFT 크기 64 64~2048 256~2048 2048/8192 512 8192 128 1024 반송파간격 (khz) 312.5 2.8~312.5 1~8 1.116/4.464 4.3125 4.3125 6.25 8 심볼주기 (us) 4.0 4.0~369.6 156~1246 보호구간길이 (us) 0.8 0.8~11.2 31~246 231~280/ 924~1120 7~56/ 28~224 250 약 250 200 156.25 16 18 40 31.25 샘플링주기 (us) 0.05 0.05~0.2 0.5 0.13 0.452 0.0283 1.25 0.12 사용대역 5~6GHz 5~6GHz VHF~UHF VHF~UHF 25~1104 khz 0.138~12 MHz 2GHz 대역폭 (MHz) 20 5~20 2.048 9.14 1.1 12 0.8 5 NA 채널코딩 컨볼루션코드 1/2~3/4 컨볼루션 +RS 1/2~3/4 컨볼루션코드 1/4~3/4 컨볼루션 +RS 1/2~7/8 RS RS RS 1/2 컨볼루션또는 RS 1/2 변조방식 MAC 듀플렉싱 BPSK QAM(4~64) CSMA/CA QPSK QAM(16,64) TDMA OFDMA TDD DQPSK QPSK QAM(16,64) 2 1 ~2 15 QAM 2 1 ~2 15 QAM DQPSK QPSK - - FDD FDD DPA DPA 전송률 (Mbps) 6~54 1.7~61.7 0.6~1.7 4.98~31.67 Max. 8 Max. 52 Max. 2 (0.6) Max. 5(3.4) Microcell: 10 이동성보행자 (3m/s) 고정 vehicle vehicle 고정고정 NA NA 환경 옥내 : 40m 옥외 : 200m 옥외 : 수 km 방송방송유선유선셀룰러셀룰러 사업장에대한광대역액세스수요가증가하여현재 xdsl(digital Subscriber Line) 이나케이블을이용한기술들이이미상용화되어광범위하게서비스되고있다. 그러나, xdsl 기술이가지는거리의제한이나케이블가설에소요되는고비용등을쉽게극복할수있고, 상대적으로저렴한유지비등여러가지장점으로인해 BWA 기술이새로운광대역무선액세스기술로주목을받고있다. BWA 표준화와관련해서는 IEEE 802.16 워킹그룹이 WirelesMAN TM 이라는이름으로 1999년이래현재까지활발한활동을하고있다 [8]. IEEE 802.16 에는 4개의 TG가존재하는데, 이중 TG3와 TG4는서로다른주파수대역을위한무선인터페이스표준 802.16a와 802.16b를작성함으로써기존의 802.16을확장시키는작업을하고있다. IEEE 802.16a는 2 11GHz 면허대역에서의사용을목적으로하는무선인터페이스표준이며, IEEE 802.16b는주로 5 6GHz대비 면허대역에서의사용을위한무선인터페이스표준이다. TG3는초기부터여러가지의물리계층제안을두고크게 OFDM 방식과 SCFDE(Single Carrier with Frequency Domain Equalization) 방식사이에경합을벌이다가, 결국 2001년 3월 OFDM 과 SC-FDE 두변조방식을모두지원하는것으로결정하고드래프트작성을개시하였다. 반면, TG4 는비면허대역을사용하는만큼여러가지환경에서유연하게동작하는더융통성있는시스템의구현을목적으로하였으며, 처음부터 IEEE 802.11a 의 OFDM 물리계층을기본으로하여 Wireless HUMAN TM 표준안을작성하고있다. Wireless HUMAN TM 을예를들어보면, 많은간섭현상으로협대역채널이유리한도심의밀집지역으로부터좀더넓은대역폭의채널이유리한비밀집지역에이르기까지여러가지시나리오에서동작할수있도록 5, 10, 20MHz의대역폭을사용하며, 지연시간에따 38
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 라 64, 256, 2048의 FFT 크기를사용하여여러가지환경에유연하게대응할수있도록되어있다. 에러정정을위하여는 1/2, 2/3, 3/4의컨볼루션부호기와 RS 부호기를사용하며, 부반송파변조에는 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM을부호기로사용하여채널의상황에따라가변전송률을지원한다. 5MHz 대역폭의사용은선택사항이며, 듀플렉싱방식으로는 TDD를이용하고, 64, 256 FFT 모드에는 TDMA를, 2048 FFT 모드에는 OFDMA를다중접속방식으로사용한다. OFDMA 방식을이용함으로써각가입자들에대하여좀더효율적으로자원을배분할수있으며, 각부채널에서의개별적인순방향전력제어 (forward APC) 가가능해진다. 즉, 각가입자까지의링크상황에따라적응적으로 ±6dB 의신호전력레벨을조정할수있다. 한편, 유럽의 ETSI BRAN에서도위와비슷한개념의 HIPER- ACCESS와 HIPERMAN의두가지프로젝트가진행중에있다. 3. Digital Broadcasting 현재지상파디지털라디오방송시스템은크게유럽식, 미국식, 일본식이있으며모두 OFDM 방식을채용하고있다. 이중유럽의 DAB(Digital Audio Broadcasting) 방식인 EUREKA-147은디지털변조방식으로지상파에서의다중경로페이딩에강건한 COFDM을사용하며, 1.5MHz 의전송대역폭을사용하여단일송신기로고음질의스테레오프로그램과데이터를다중화시켜방송할수있다 [9]. 이때가능한프로그램수는비트율, 오류정정, 데이터용량등에따라결정된다. 수신은간단한휩 (whip) 안테나로가능하며도심지등의다중경로가많은조건에서도잡음발생없이우수한성능을발휘한다. OFDM 방식은서로다른송신기에서전송한동일신호가특정한시간지연을두고수신될경우두신호의합은서로간섭을주지않으므로, 적은전력으로다수의방송국을이용하는단일주파수망 (Single Frequency Network: SFN) 구성에용이한장점이있다. 이외에도, OFDM 신호는랜덤신호의특성을 가지므로다른채널에단지랜덤잡음으로작용하는효과를나타내며, 널 (null) 부반송파를할당하기쉬우므로기존의채널과중첩될경우이를쉽게의도적으로회피할수있다. 유럽디지털 TV 및데이터방송을위한 DVB (Digital Video Broadcasting) 시스템에서는지상파 (DVB-T) 방송용변조방식으로 COFDM을사용한다 [10]. 위성및케이블채널과다르게지상파전송채널에는심각한다중경로, 상대적으로큰인위적인잡음, 그리고아날로그와디지털 TV 신호간의상호간섭이존재하는데, 이런다중경로의영향은아날로그텔레비전에서 Ghost 현상으로나타나고, 디지털텔레비전에서는심볼간간섭이나타나심할경우에는디코딩자체가불가능해진다. 한개의반송파에높은속도의디지털신호열을보낼때심볼주기가짧아져이런현상이더욱심해지기때문에, OFDM 방식을사용하여다중경로의영향을극복한다. 또한, OFDM 방식은 SFN의구현을가능하게하기때문에방송용주파수스펙트럼의포화현상을극복할수있다. 전송모드는 FFT 크기에따라 8K 모드와 2K 모드로나누어지며, 다시보호구간의길이에따라 4가지모드로나누어진다. 8K 모드는단일송신기를사용하는시스템이나다수의고출력송신기로 SFN을구성하기에적합하다. 8K 모드에서는 6,817 개의실제부반송파와 1,375개의가상부반송파를사용하고, 이 6,817 개의부반송파는 117 개의연속파일럿과 569개의분산파일럿을포함한다. 여기서연속파일럿은심볼에관계없이항상규정된복소신호를전송하는부반송파이며, 또한심볼에관계없이항상위상이연속이다. 그리고분산파일럿은연속파일럿과같이규정된복소신호를전송하나, 심볼에따라그위치가주기적으로변화한다. 2K 모드는단일송신기를사용하는시스템으로소출력송신기로 SFN을구성하는데적합하고, 1,705개의실제부반송파와 343개의가상부반송파로구성되며, 1,705개의부반송파에는 45개의연속파일럿과 143개의분산파일럿이포함된다. 대역폭은 7.61MHz이고 QPSK, 16-QAM, 64-QAM 39
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 변조방식을지원하여높은전송률 ( 코딩후 4.98 31.67Mbps) 을지원한다. 원천부호화와멀티플렉싱된데이터는 RS(204,188,8) 부호화를거쳐바이트단위로인터리빙되고, 컨볼루션 ( 부호화율 1/2, 구속장 7) 부호화된후, 비트단위로다시인터리빙된다. 그런다음원하는전송률에따라 QPSK, 16- QAM, 64-QAM 등으로변조된후, OFDM 심볼이생성되어전송되는구조로되어있다. 컨볼루션부호화는부호화후 puncturing 과정을통해 1/2부터 7/8까지 5가지의부호화율을지원한다. 4. ADSL/VDSL 기존의전화선을이용하는 ADSL(Asymmetric DSL) 은 DMT(Discrete Multi-Tone) 방식을사용하여 640kbps의업스트림과약 8Mbps 의다운스트림전송속도로인터넷접속과홈쇼핑등의비대칭서비스를제공한다 [11]. DMT 방식은고속의무선데이터전송에적합한 OFDM 방식과유사하나, 유선채널에필요한다음의추가적인기능을포함하고있다. 즉, DMT 방식에서는채널의전송용량을최대화하기위해주어진채널의주파수특성을측정하여각부채널의 SNR에따라 constellation 크기 (2 2 2 15 QAM) 를최적화하는 bit-loading 알고리즘을사용한다. 이러한 bit-loading 과정을통해서각부반송파마다최적의비트수를할당하여높은전송률을얻을수있다. 또한, 유선채널에서는임펄스응답이매우긴특징이있어심볼간간섭을막기위하여는 CP 구간이매우커지는단점이있기때문에, 이를줄이기위하여간단한시간영역등화기를사용하여임펄스응답을 CP 구간이내로단축하는기법을사용한다. 또한, 디지털 TV, SOHO 사용자의증가, 광케이블의보급등으로더욱고속의데이터전송이요구될것으로예상이되어, 최근고속의하향전송속도를갖는 VDSL(Very-high-rate DSL) 시스템에대하여많은연구와개발이이루어지고있다 [12]. VDSL 방식은약 12MHz의대역폭을이용하여가변적인비대칭성과함께 52Mbps 까지의초고속전 송률을지원하는데, 이를위하여역시 DMT 방식이제안되어있다. VDSL에사용되는 Zipper DMT 방식은 DMT 심볼간간섭의제거및부반송파간직교성유지를위한 Cyclic Prefix(CP) 이외에, 업스트림과다운스트림간의직교성을유지하여 NEXT (Near-End Cross-Talk) 의영향을없애주기위한 Cyclic Suffix(CS) 가 DMT 심볼의뒷부분에추가로삽입되는데, 그길이는선로의전송지연 (propagation delay) 시간에맞추어결정된다. Zipper DMT 방식에서는 ADSL에서와같이임펄스응답의길이를줄이기위하여시간영역등화기를사용하지않고심볼주기의값을크게설정함으로써, CP와 CS의오버헤드에따르는효율저하를보상한다. 따라서, 고속에서동작하는큰크기 (4K/8K) 의저전력 FFT를설계하는기술이필요하다. 또한, Zipper DMT 방식은대역내업스트림과다운스트림대역의할당이자유로운유연성을가지는장점이있는반면, NEXT의영향을완전히제거하기위하여는네트워크내의모든모뎀이동기화되어야한다는단점이있다. 이의극복을위한비동기식 Zipper DMT 방식에서는송신단에서 pulse shaping을사용하고, 수신단에서 windowing을사용하여 NEXT 영향을최소화하고 RFI(Radio Frequency Interference) 의영향을감쇄시킨다. 5. Cellular Internet Service AT&T에서는가까운미래에무선인터넷접속의수요가급속히증가할것으로예상하여 1998년에셀룰러환경에서무선인터넷서비스를제공하기위한 ACIS(Advanced Cellular Internet Service) 를제안하였으며, 2000년에이를개선한광대역무선데이터액세스방식을발표하였다 [13],[14]. 1998 년에제안한 ACIS는 2GHz 대역의매크로셀환경에서 1MHz의대역폭을사용하여이동가입자에게최대 1 2Mbps 전송률의인터넷서비스를제공하는것을목표로하였다. 2GHz 대역매크로셀환경에서는지연확산이약 40us까지이를수있기때문에단일반송파방식을사용하여고속에서전송할경우 40
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 수신단에서많은등화기탭수와긴등화기훈련시간을필요로하게되므로, ACIS에서는이와같은다경로지연확산의효과를줄이기위하여 OFDM 전송방식을도입하였다. 또한, 하향링크에서의 link budget을개선하기위하여 Clustered OFDM 방식을사용한다중기지국전송안테나와 2개의안테나를사용한수신다이버시티를결합하여약 10dB의 SNR 개선을이루도록하고있다. 각부반송파의데이터들을서로다른안테나를통해나누어전송하는 Clustered OFDM 구조의전송다이버시티는한안테나당전송되는부반송파의수를감소시킴으로써 PAR을최소화하고, 동시에 RS 부호와결합하여부호화이득을얻을수있다. 마지막으로, ACIS에서는주파수의효율적인사용을위하여 DPA(Dynamic Packet Assignment) 알고리즘을사용하였다. 이는기존의 CS(Channel Segregation) 개념에 interference-sensing 개념을추가한것으로서, 채널의상태를검사하여채널의우선순위를정한다음, 그우선순위에따라채널을패킷단위로할당하는방식이다. 채널할당시에인접기지국들이동시에같은채널을선택하는것을방지하기위하여한번에한기지국만이채널을할당할수있는 staggered 프레임구조를사용하였다. AT&T에서 2000년에제안한광대역무선데이터액세스방식역시셀룰러환경에서무선인터넷서비스를제공하기위하여 ACIS의발전된형태를취하고있다 [14]. 이방식에서는하향패킷데이터모드에서약 5MHz 대역폭의광대역 OFDM(W- OFDM) 구조를사용하여매크로셀환경에서 2 5Mbps, 마이크로셀환경이나실내환경에서약 10Mbps의전송률을지원한다. 또한, 이방식에서는 Sony가제안한 OFDM과 SFH(Slow Frequency Hopping)-TDMA 구조를결합한 BDMA(Band Division Multiple Access) 방식을채용하여시간및주파수다이버시티효과를지원하고있다. 즉, 기존 ACIS 방식에서는다중송신안테나를사용하여주파수다이버시티효과를얻었으나, 이방식에서는 5MHz의광대역 OFDM을사용하므로충분한수의 부채널이확보되어전송다이버시티없이한개의단일안테나로필요한주파수다이버시티효과를얻을수있다. AT&T 에서제안한이광대역 OFDM 방식은 OFDM 기반의물리계층에 DPA 기반의다중액세스방식을적용하였으며, 여기에적응변조및부호화, 스마트안테나, space-time coding을결합하여여러환경에서다양한비트전송률을제공할수있도록하였다. 또한, 이러한기술을이용하여고속의데이터서비스를필요로하는 large-resource와작은지연시간을갖는 small-resource 모두를지원하는프레임구조를제안하였다. ( 그림 4) 는광대역 OFDM 방식에서 DPA 자원할당을위한프레임구조를보여준다. 여기서하나의 OFDM 심볼은 528개의부반송파로이루어져있으며, 전체부반송파는 24개의부반송파로구성된 22개의클러스터로나누어진다. 이때부반송파간의간격은 8kHz이므로전체대역폭은 4.224MHz가되며, 시간적으로하나의프레임은 20ms 주기를갖고, 한프레임은 128개의 OFDM 블록으로구성된다. 이중초기부분의 24개 OFDM 블록은채널할당과 DPA를수행하는제어오버헤드부이며, 나머지 104개의 OFDM 블록은 13개의 OFDM 블록으로구성된 8개의시간슬롯으로나누어진다. 따라서, 이프레임구조에서는각프레임마다 22개의클러스터 (i.e., resource) 가 8번의주파수호핑을수행하게된다. 여기서 22개의클러스터에대한채널의할당은 staggered 프레임구조의 Frequency 24 OFDM Blocks 3 Control Channels Assignment Channel Paging Channel Pilot Channel 104 OFDM Blocks in 8 Slots 22 Packet Data Channels 528 Tones Divided into 22 24-Tone Clusters ( 그림 4) 광대역 OFDM 의 DPA 자원할당을위한프레임구조 41
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 DPA 알고리즘에의하여간섭이최소화되도록수행된다. 즉, 각클러스터는주어진주파수호핑패턴에따라도약하며, 8개의트래픽슬롯에걸쳐서부호화가이루어지므로주파수다이버시티효과를얻을수있어페이딩채널에서성능향상을위한부호화이득을얻을수있다. 이구조에서한 OFDM 블록의주기는 156.25us, 보호구간은 31.25us을사용하였다. 총체적으로 OFDM 블록보호구간, 동기화, DPA 제어등의오버헤드를고려할경우 2.1296Mbps의전송률을얻을수있다. Smallresource 서비스를위해서는각시간슬롯을다시 4개의미니슬롯으로나누고, 각슬롯마다하나씩의작은 resource 를할당하여각미니슬롯마다주파수호핑을한번씩수행한다. 이경우는작은지연시간을요구하는서비스에는유리하지만증가되는 TDMA 오버헤드로인해전송률면에서는손실이있게된다. 마지막으로이구조에 120 섹터안테나를도입하고 1개의송신안테나와 2개의수신안테나를사용한빔형성및 interference suppression 테크닉을결합하면, 기지국마다약 2 5Mbps의전송률을갖는패킷데이터서비스의구현이가능하다. 한편, AT&T와 Nortel은 2000년 9월에 4G Access라고불리는무선네트워크를제안하였는데, 하향링크에는광대역 OFDM을사용하고, 상향링크에는기존의 EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution) 를채용하였다. 이방식에서는 800 khz의대역폭을사용하여저속의이동환경에서는약 10Mbps의전송률, 고속의이동환경에서는 384 kbps의전송률을제공한다. 또한, 인터넷기반의 4G 네트워크에서는순방향에서 20Mbps( 셀당 100 Mbps) 의전송률, 20bps/Hz/cell/carrier의주파수효율, 0.1초의 dormant-to-active transition time 이요구될것으로예상하였는데, 이는 3G UMTS의사양인 3.8Mbps 의전송률, 0.8의주파수효율, 2초의 transition time에비하여크게향상된것이다. 이러한사양을만족하기위하여필요한기술은광대역 software radio, FFT를포함한 DSP 코어, 다 중빔안테나, space-time coding, 비선형보상전력증폭기등의기술이될것으로예상한다. IV. OFDM 기반의 Mobile Access 를위한요소기술 1. OFDM 성능향상기법 OFDM 방식은주파수효율이높고, 다중경로페이딩을쉽게극복할수있으며, 환경에따라적응적으로전송률을쉽게가변할수있기때문에, 고속의전송을요구하는 IEEE 802.11a에효과적으로적용되었다. 이러한무선 LAN은옥내ㆍ외의좁은영역에서주로서비스를제공하기때문에, 지연확산이상대적으로적어 IEEE 802.11a 표준에정의된 800ns 의보호구간으로심볼간간섭을충분히보상할수있다. 그러나, 옥외에서무선으로데이터를전송할경우, 지연확산이커져긴보호구간이필요하게되며, 이러한오버헤드에따른효율감소를막기위하여는심볼주기가매우커져야한다. 이를위하여 IEEE 802.16b에서는최대 2K FFT를사용하고, VDSL에서는 8K FFT를사용한다. 그러나거의변하지않은시불변채널에서데이터를전송하는 IEEE 802.16b 나 VDSL과같은경우에는이와같이심볼주기가길어지는것이큰문제가되지않으나, 셀룰러환경에서와같이채널이빠른속도로변하는경우에는심볼주기내에서채널이변화하게되어 ICI(InterChanel Interference) 를발생시키게된다. 따라서, OFDM 방식을사용하여 Mobile Access를하고자할경우고속이동체에서의전송을위하여는 ICI 문제를해결할수있는기법이필요하다 [15],[16]. 또한, FFT의크기가커짐에따라증가하는 PAR의감소기법, 반송파주파수오프셋동기화기법에대한연구와고속에서저전력으로동작할수있는큰크기의 FFT 설계기술이필요하다. 특히, 전력증폭기는 4G 기지국에서사용되는부품비용의 70% 까지를차지할수있기때문에디지털 predistorter와같은비선형왜곡보상기설계기술을필요로한다 [17]. 42
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 또한, OFDM 방식을사용하여 Mobile Access를하고자할경우에는유선환경인 ADSL과 VDSL에서사용되는 bit-loading 알고리즘과유사한기법을적용하여주어진채널에최적화된적응변조기법으로고속의전송률을제공할수있다. 특히, Beyond IMT-2000 시스템에서는고속의데이터전송을위하여 20MHz의광대역을사용할예정이기때문에채널의주파수선택성 (frequency selectivity) 이더욱커지게되며, 이경우현재와같이모든부채널에동일한변조방식을적용할경우매우비효율적이된다. 즉, 주어진부채널의 SNR 상황에따라최적의변조방식을사용하여다른변조방식을사용할경우, 주어진채널의용량을극대화할수있다. 이경우, reliable한피드백채널이반드시필요하게되어이에대한연구가필요하다. 2. MIMO/ 스마트안테나순방향에서의 link budget을향상시키기위하여단말기에적은수의안테나에의한다이버시티를활용하면서기지국에다중안테나를사용하는기법에대한연구가최근활발히이루어지고있다. 즉, 송ㆍ수신단에다중안테나를사용함으로써독립적인페이딩채널을다수개형성하여다이버시티이득과코딩이득을동시에얻으며, 이로인하여순방향의고속데이터전송에요구되는높은 link budget을어느정도해결할수있도록한다 [18],[19]. 현재널리사용되는 open loop 방식으로는 3GPP W- CDMA 표준으로채택된 STBC(Space-Time Block Code) 와이러한다이버시티이득과트렐리스부호화의이득을동시에얻을수있는 STTC(Space- Time Trellis Code) 가있다. 이러한방식을 OFDM 전송기법에적용하기위하여는시간과공간을이용하여부호화하는기존의 STBC를각부반송파에대하여시간과공간으로부호화하는형태로수정한 SFBC(Space-Frequency Block Code) 가필요하고, 시간과공간에대하여부호화한기존의 STTC 를공간과부반송파에대하여부호화하는 SFTC (Space-Frequency Trellis Code) 가요구된다. 또 한, 전술한바와같이긴 OFDM 심볼을고속에서전송할경우채널간간섭이발생하기때문에 SFBC 방식을그대로사용할경우성능저하가크게발생하여이를개선할수있는방식이요구되며, 다중안테나를사용한 OFDM 시스템의파일럿톤설계시 orthogonality가만족되지않으면파일럿톤이간섭신호로작용하므로이에대한고려가필요하다. 최근 Bell Lab에서제안한 BLAST(Bell Lab Layered Space Time) 의 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 방식역시 OFDM 전송기법에적용할경우데이터전송속도를크게향상시킬수있다. 또한, 기지국에스마트안테나기법을적용함으로써다른방향에서입사되는 co-channel interference를감소시켜, 순방향의고속데이터전송에요구되는 link budget 또는채널용량을크게향상시킬수있다. 현재제안되어있는많은스마트안테나기법들이 OFDM 시스템에쉽게적용될수있으나, OFDM 시스템에서는출력신호가 FFT의출력으로주파수영역신호이고스마트안테나는시간영역에서동작하기때문에, 출력신호를이용하여 OFDM 기반의스마트안테나를설계하고자할경우에는이에대한고려가필요하다. 3. 다중접속방식 OFDM 방식을상향링크에서사용하고자할경우에는각단말기마다전송지연, 도플러주파수등이모두다르기때문에, OFDMA 나 OFDM-CDMA 방식을적용하기가쉽지않아일반적으로 OFDM- TDMA 방식을사용한다. 또는, 일반적으로상향링크에서요구되는전송률은높지않으므로기존의 EDGE 또는 CDMA 방식을그대로사용할수있다. 하향링크에서 OFDM 방식을사용하고자할경우에는위의세가지방식을모두적용할수있다. 그중 OFDM-TDMA 방식은각사용자마다전체의대역폭이주어지므로사용자가요구하는전송속도에따라각프레임내에서할당되는 OFDM 심볼의수를변화시킴으로자원할당이이루어진다. 이 OFDM- TDMA 방식에서는각사용자마다데이터를수신하 43
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 기전에프리앰블을사용하여초기화를하여야하므로전송효율이감소하게된다. 따라서, 이경우오버헤드를줄이기위하여상대적으로큰페이로드가적용된다. 예를들어, IEEE 802.11a는이더넷기반에서동작하므로페이로드가크고채널환경의변화가없기때문에 OFDM-TDMA를상ㆍ하향링크에서적용하며, 이와같이작은크기의 FFT를사용할경우에는일반적으로 OFDM-TDMA가적절한선택이된다. OFDMA 는각사용자가요구하는전송속도에따라부반송파의개수를다르게할당함으로써자원분배를효율적으로할수있다. 이방식은특히부반송파의개수가많을경우일반적으로각부반송파마다채널상황이다르기때문에, 부채널의 SNR 에따라다른변조방식을사용하여채널용량을최적화시킬수있다. 따라서, 큰크기의 FFT를사용할경우에는 OFDMA 방식이유리하다. 예를들어, IEEE 802.16ab에서는 512 이하의 FFT를사용할경우에는 OFDM-TDMA를적용하고, 512 4096 FFT를사용할경우에는 OFDMA를적용한다. 셀룰러환경에서광대역 OFDM을사용할경우동적채널할당기법과결합함으로써매우높은주파수효율을얻을수있다. 1세대와 2세대셀룰러시스템에서는일반적으로고정채널할당방식을사용하고, DS-CDMA 또는 WCDMA에서는 interference averaging 방식을사용한다. 이러한 interference averaging 방식은고정채널할당방식에비하여간섭신호를제거하는데우수한성능을보이나, 동적채널할당기법과같은 interference avoidance 방식을사용할경우 interference averaging 방식에비하여 2 3배높은주파수효율을얻을수있다. 이러한동적채널할당기법을구현하기위하여광범위한신호측정과빠른채널재할당이요구되는데, 기존의시스템에서는이것을적용하기가쉽지않았으나, OFDM 방식에서는시간과주파수축에서 orthogonal 한부채널이잘정의되어있고 OFDM의특성상모든부채널에서간섭신호와경로손실을빠르게측정할수있으므로동적채널할당기법을쉽게적용할수있는장점이있다. < 표 2> Beyond IMT-2000 시스템의 Mobile Access 를위한주요 OFDM 파라미터 이동성다이버시티구조변조방식부호화율전송률 (Mbps) FFT 크기심볼길이 (us) 3km/h 60km/h 250km/h QPSK 25.496 16 QAM 51.892 STBC 64 QAM 77.838-256 QAM 103.784 SFTC QPSK 25.496 16 QAM 51.892 Clustered OFDM 64 QAM 2/3 51.892 3/4 58.378 STBC QPSK - 24.000 SFTC QPSK - 24.000 16 QAM 1/2 24.000 Clustered OFDM QPSK 3/4 18.000 QPSK 1/2 12.000 Clustered OFDM BPSK 1/2 QPSK 1/2 STBC BPSK - SFBC SFTC QPSK - 6.000 6.486 12.000 12.973 10.000 12.000 12.973 20.000 24.000 25.945 4096 236.8 2048 128.0 2048 4096 2048 4096 1024 2048 4096 1024 2048 4096 128.0 236.8 128.0 236.8 76.8 128.0 236.8 76.8 128.0 236.8 44
Beyond IMT-2000 시스템을위한 OFDM 무선전송기술 BER BER 1E+0 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 Data Rate(Mbps) SFTC - 25.496 STBC - 25.496 SFTC - 51.892 STBC - 51.892 STBC - 77.838 STBC - 103.784 Clustered - 51.892 Clustered - 58.378 1E-7 0 4 8 12 16 20 24 28 32 EbN0 BER 1E+0 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E+0 1E-1 1E-2 1E-3 (a) 3km Data Rate(Mbps) STBC 24 SFTC 24 Clustered 12 Clustered - 18 Clustered - 24 0 4 8 12 16 20 EbN0 (b) 60km 4096-FFT Clustered-BPSK Clustered-QPSK SFTC-QPSK SFBC-QPSK STBC-BPSK 1E-4 2048-FFT 2048-FFT 1E-5 1024-FFT 0 4 8 12 16 20 24 28 32 EbN0 (c) 250km ( 그림 5) 이동속도에따른 OFDM 시스템의 BER 성능 4. 모의실험 Beyond IMT-2000 시스템의 Mobile Access에서 OFDM 전송방식의적용가능성을살펴보기위 하여수행한모의실험결과를요약하면다음과같다. ITU-R WP8F 의보고서에명기된권장사항을따라각 3km/h, 60km/h, 250km/h의이동환경하에서 OFDM 방식의성능을확인하기위하여, < 표 2> 에각각의환경에적합한다이버시티기법및주요 OFDM 파라미터를제시하였다. 이표의파라미터들은이동성정도에따른채널간간섭의영향및요구되는전송률등을고려하여설정되었으며, 모두 2개의송신안테나와 2개의수신안테나를사용하였다. ( 그림 5) 는이경우이동속도에따른 OFDM 시스템의 BER 성능을보여준다. 3km/h 환경의경우 QPSK~ 256QAM 변복조를사용하여 25.496~103.784 Mbps의전송률을낼수있다. 권고사항에서요구하는 100Mbps의전송률이이상황하에서가능하나높은 SNR이요구되며, 요구 SNR을낮추기위해서는안테나수를증가시키는방법등을필요로한다. < 표 2> 와 ( 그림 5) 로부터 60km/h 환경의경우 24 Mbps, 250km/h 환경의경우 6Mbps의전송률이가능함을알수있으며 (10-4 의 BER에서 8dB SNR 기준 ), 이는 ITU-R WP8F 의보고서에명기된권장사항을모두만족한다. V. 결론 본고에서는 Beyond IMT-2000 시스템의 Mobile Access에서요구되는고속데이터전송을위하여 OFDM 방식을사용한기존의통신시스템에대하여요약한후, Mobile Access에 OFDM 전송방식을적용할경우의성능을모의실험을통하여살펴보았다. OFDM 방식은주파수효율이높고, 간단한단일탭등화기로고속전송시급격히증가하는심볼간간섭의보상이가능하며, FFT를사용하여고속으로구현할수있기때문에최근고속데이터무선통신을위한전송방식으로무선 LAN 등에채택되어왔다. 특히, 이동통신시스템에서는저 / 중 / 고속의데이터율을동일한무선전송플랫폼에서지원하는것이바람직하기때문에, 부반송파수와부채널의변조방식을채널상황에따라조절함으로써서비 45
전자통신동향분석제 17 권제 1 호 2002 년 2 월 스의종류를쉽게다양화할수있는 OFDM 기반기술은 Mobile Access 전송방식후보중에가장가능성있는방식이될수있다. 또한, OFDM 방식은부채널의특성을쉽게모니터링할수있기때문에동적채널할당기법과같은효율적인자원할당기법과결합하여주파수효율을크게향상시킬수있으며, OFDM 방식은 WP8F 보고서에서 IMT-2000 이후의기술로제안된 MIMO와스마트안테나기술과결합하여무선 link budget 또는채널용량을크게증가시킬수있다. 단지, OFDM 방식은무선 LAN 과같이이동성을많이필요로하지않는응용분야에현재까지주로적용되어왔던이유로하여, OFDM 기반무선전송기술에여하히이동성을부여하느냐는것이가장큰고려사항이될수있다. 물론, 2세대와 3세대시스템과의 backward compatibility를고려하여야하는문제가있으나, 이는현재와가까운미래에서의실용가능한기술을선별할경우, Beyond IMT-2000 시스템이 2세대나 3세대시스템으로부터의 evolution 보다는별도의시스템으로구현되어전체적으로 (configurable) multi-mode 시스템으로존재할가능성을배제할수없으며, 이경우 SDR(Software Defined Radio) 개념을도입한구현에의존할확률이높다. SDR 기술의응용에서는여러가지로물리적인제약이따르는단말기보다는기지국에의활용이보다적극적이고선도적일것으로보인다. 참고문헌 [1] ITU-R WP8F, Report of the Fifth Meeting of Working Party 8F, Document 8F/375-E, Aug. 2001. [2] ITU-R WP8F, Preliminary Draft New Recommendation(PDNR): Vision Framework and Overall Objective of the Future Development of IMT-2000 and of Systems beyond IMT-2000, Document 8F/TEMP121-E, July 2001. [3] 조용수, 무선멀티미디어통신을위한 OFDM 기초, 대영사, 2001. [4] 김재석, 조용수, 조중휘, 이동통신용모뎀의 VLSI 설계 - CDMA, OFDM, MC-CDMA, 대영사, 2000. [5] ISO 8802-11, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications, Jan. 1999. [6] IEEE 802.11a, High Speed Physical Layer in the 5GHz Band, 1999. [7] ETSI BRAN, Broadband Radio Access Networks(BRAN) HIPERLAN Type 2; Physical(PHY) Layer, TS 101 475 v1.1.1 Apr. 2000. [8] IEEE 802.16ab-01/01r1, An Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Part A: Systems between 2 and 11GHz, July 2001. [9] ETSI EN 300 401, Radio Broadcasting Systems: Digital Audio Broadcasting(DAB) to Mobile, Portable and Fixed Receivers, Sep. 2000. [10] ETSI EN 300 799, Digital Video Broadcasting(DVB); Framing, Structure, Channel Coding, and Modulation for Digital Terrestrial Television, June 1999. [11] ANSI T1E1.4/97-007R6, Asymmetric Digital Subscriber Line(ADSL) Metallic Interface, Sep. 1997. [12] ANSI T1E1.4/2000-013R4, Very-high bit-rate Digital Subscriber Lines(VDSL) Metallic Interface, Part 3: Technical Specification of a Multi-Carrier Modulation Transceiver, Nov. 2000. [13] L.J. Cimini, J. Chuang, and N.R. Sollenberger, Advanced Cellular Internet Service(ACIS), IEEE Communication Magazine, Oct. 1998, pp. 150-159. [14] J. Chuang and N.R. Sollenberger, Beyond 3G: Wideband Wireless Data Access Based on OFDM and Dynamic Packet Assignment, IEEE Communication Magazine, July 2000, pp. 78-87. [15] W.G. Jeon, K.H. Chang, and Y.S. Cho, An Equalization Technique for OFDM Systems in Timevariant Multipath Channels, IEEE Tran. on Communications, Vol. 47, No. 1, Jan. 1999, pp. 27-32. [16] Y. Li, N. Seshadri, and S. Ariyavisitakul, Channel Estimation for OFDM Systems with Transmitter Diversity in Mobile Wireless Channels, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 17, No. 3, Mar. 1999, pp. 461-471. [17] W.G. Jeon, K.H. Chang, and Y.S. Cho, An Adaptive Data Predistorter for Compensation of Nonlinear Distortion in OFDM Systems, IEEE Tran. on Communication, Vol. 45, No. 10, Oct. 1997, pp. 1167 1171. 46
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