특집 2부에서는 국내 2.3 GHz 대역 휴대인터넷 서비스를 위한 기술 표준인 와이브로의 다중접속 방식에 대해 살펴본다.
먼저 와이브로 다중접속의 기본 전송 방식인 OFDM 전송 기술과 다중 안테나 기술에 대해 설명한 후 와이브로 관련 표준화 동향과 TTA에서 제정이 완료된 와이브로 1단계 표준안의 주요 내용에 대해 알아 볼 것이다. 또한 와이브로 다중접속 표준안의 요소 기술에 대해서도 살펴본다.
현재 휴대폰을 이용한 무선인터넷 사용자도 대략 3000만명에 이르는 것으로 추산되고 있다. 이는 전체 국민 대비 인터넷 사용자의 수적인 측면에서 보면 가히 세계적이라 할 수 있다.
그러나 현재 제공되고 있는 무선인터넷 서비스는 데이터 전송 속도에 제한이 있어 ADSL, VDSL 또는 케이블 모뎀 등의 유선망을 이용한 초고속 인터넷 서비스에 비해 멀티미디어 서비스를 포함한 실시간 인터넷 서비스가 불가능한 실정이다.
최근에는 도심지역 활동인구와 차량 내에서 활동하는 시간이 많아짐에 따라 유선망이 갖는 이러한 한계를 극복하고 정지 및 이동 중에 언제, 어디서나 저렴한 가격으로 초고속 인터넷 서비스를 제공할 수 있도록 하는 서비스 모델을 사용자 및 서비스 사업자들이 강력하게 요구하고 있다.
이에 따라 국내에서는 기존에 무선 가입자망(Wireless Local Loop: WLL)에 할당되었던 2.3GHz 주파수 대역을 활용하여 기존 시스템의 한계를 극복하고 ADSL 수준의 품질과 비용으로 정지 또는 중속 이동(최고 시속 60km) 중에도 노트북 PC, PDA, 스마트폰 및 전용 단말기를 사용하여 고속인터넷 접속이 가능한 무선인터넷 서비스로서 휴대인터넷을 2002년부터 개발하게 되었으며, 현재 사업자 선정 및 표준화 제정을 마무리한 상태이며, 관련 장비 및 부품의 개발에 박차를 가하고 있다.
휴대인터넷 서비스는 정액제의 ‘Always Connected’ 형태로 유선 ADSL과 유사한 수준의 전송률과 품질을 보장함으로써 기존의 이동통신 및 3세대 이동통신 서비스와 차별화를 추구하고 있다.
현재 국내의 휴대인터넷 표준인 와이브로는 사용자가 이동하고 있는 상태에서도 고속 데이터 서비스가 가능하도록 하기 위해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이라는 신호 전송 방식을 사용하고 있다. 또한, 여러 명의 사용자가 동시에 인터넷 서비스를 받을 수 있도록 OFDM에 근간을 둔 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)라는 다중접속 방식을 사용하고 있으며, 사용자에게 인터넷 서비스를 안정적으로 제공하기 위해 기지국과 단말기에 여러 개의 안테나를 장착하는 MIMO(multiple Input Multiple Output) 기술을 옵션으로 사용할 수 있도록 규정하고 있다.
이 기사에서는 조만간 실생활에서 자유롭게 사용하게 될 휴대인터넷 서비스에 대한 기본적인 원리의 이해를 돕고자 와이브로 표준의 다중접속 방식에 대한 내용을 다루고자 한다. 이와 관련하여 먼저 와이브로 표준의 기본 기술이 되는 OFDM 방식에 대한 원리와 통신 성능을 향상시킬 수 있는 MIMO 기술에 대하여 설명할 것이다.
다음으로는 와이브로의 표준화 진행 과정과 실제 와이브로 표준에 제시된 기본 규격에 대해 알아보고, 마지막으로 와이브로 표준의 기술적 내용에 관심 있는 독자들을 위해 실제 와이브로 표준을 구현하는 경우에 고려해야 하는 관련 기술들을 요약하여 설명할 것이다. 기술적인 설명이 딱딱하고 어렵게 느껴질 수 있겠지만 와이브로의 핵심 기술에 대해 꼼꼼히 파악하는 시간이라 생각하고 천천히 음미해 주길 바란다.
광대역 전송 기술
OFDM 전송 기술
다중경로 페이딩
무선 채널로 신호를 전송하는 경우 송신기와 수신기 사이에는 다양한 장애물들에 의해 전파가 반사되는 다중경로 채널 환경이 형성된다(<그림 1>). 다중경로가 존재하는 무선 채널은 마지막 반사 신호가 수신되는 시간인 ‘최대 지연 확산(maximum delay spread)’과 ‘전송 신호의 주기’로 그 특성을 정리할 수 있다.
시간축의 관점에서 최대 지연 확산보다 신호의 전송주기가 긴 경우에는 <그림 2(a)>와 같이 연속적으로 수신되는 신호 사이에 간섭이 발생하지 않는다. 이러한 채널을 주파수 비선택적 페이딩(frequency-nonselective fading) 채널이라고 한다. 이 채널을 통과하는 신호의 주파수 성분은 모두 유사한 주파수 특성으로 수신된다.
그러나 광대역을 사용하는 고속 전송의 경우에는 <그림 2(b)>와 같이 신호의 전송주기가 최대 지연 확산보다 짧아 연속된 수신 신호 사이에 간섭이 발생하여 수신된 신호는 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, 이하 ISI)을 받게 된다. 이 채널의 주파수 특성은 주파수 선택적 페이딩(frequency-selective fading)으로 주어지며, 이 채널을 통과한 신호의 서로 다른 주파수 성분은 서로 다른 형태로 변형되어 수신된다. 하나의 RF 주파수를 사용하여 신호를 변조하는 단일 반송파 전송 방식에서는 ISI를 제거하기 위해 수신단에서 등화기의 사용이 요구된다.
데이터 전송 속도가 높아져 전송신호 사이의 간격이 작아지는 경우에 ISI가 증가하게 되는데 이에 따라 등화기의 복잡도도 함께 증가하게 된다. 또한 DS-CDMA 방식을 사용하여 10Mbps 시스템을 구축하기 위해 처리이득을 10～100으로 할 경우 100Mcps～1Gcps의 칩 전송률(chip rate)이 필요하므로 모뎀의 복잡도가 크게 증가하게 된다.
이와 같이 DS-CDMA의 하드웨어 복잡도 또는 단일 반송파 전송 방식에서의 등화 문제를 해결하기 위한 대안으로 OFDM 방식이 개발되었다. 최근 유럽에서는 디지털 오디오 방송(DAB)과 디지털 지상 텔레비전 방송(DTTB)의 전송 방식으로 OFDM 방식을 채택했다. 또한 무선랜의 국제 표준인 IEEE 802.11a/g와 와이맥스로 불리는 IEEE 802.16a의 표준 전송 방식으로 채택됐으며, 국내 2.3GHz 대역 휴대인터넷 서비스 표준인 와이브로의 물리 계층 전송 방식으로 채택되었다.
직교 주파수 분할 다중화
OFDM 방식은 사용하고자 하는 주파수 대역을 여러 개의 작은 주파수 대역(부채널)으로 분할하여 데이터를 전송하는 주파수 분할 다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing) 방식의 일종으로 볼 수 있다. 즉, <그림 3>과 같이 전송하고자 하는 일련의 데이터 시퀀스를 부채널의 수만큼 병렬화하고 각각의 병렬 데이터로 각 부채널에 해당하는 부반송파를 변조시킴으로써, 전체 데이터 전송 속도는 원래의 전송 속도를 유지하면서 각 부채널에서의 심볼 주기는 부채널의 수만큼 길어지게 하여 <그림 2(a)>와 같은 효과를 얻게 되는 것이다.
그런데 <그림 3>을 살펴보면 각 부채널로 전송되는 신호는 대역 제한이 되지 않고 곧바로 부반송파에 의해 해당 통과대역(passband)으로 천이되는 것을 알 수 있다. 따라서 각 부채널의 전송 스펙트럼 모양은 <그림 4>와 같은 형태를 가지게 되며 이 때문에 인접한 부채널 사이에 간섭이 발생할 수 있는 가능성이 발생한다.
그러나 <그림 4>의 스펙트럼 특성을 살펴보면 1의 값을 갖는 중심 주파수 양쪽으로 주기적으로 0의 값을 갖는 것을 볼 수 있는데, 이 때 0이 되는 주기는 각 부채널의 전송주기의 역수가 된다. 따라서 각 부채널의 부반송파 위치를 0이 되는 위치에 배치하게 되면 부채널 사이에 간섭이 발생하지 않게 되어 결국 각 부반송파는 직교(orthogonal) 성질을 갖게 되는 것이다.
기저대역 고속 변복조
<그림 4>를 보면 N개의 부반송파를 사용하여 통과대역이 변조되는 것을 알 수 있는데 이를 위해서는 N개의 오실레이터가 사용되어야 한다. 오실레이터를 통과한 아날로그 신호는 모두 더해져서 무선 채널로 전송된다. 이 아날로그 신호의 중심 주파수를 DC로 변환하여 기저대역(baseband) 신호를 생성한 후 샘플링을 통해 이산시간 신호로 변환시킨다.
그 결과는 통과대역이 변조되기 이전 데이터 심볼들을 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)하는 결과와 동일하게 된다. 따라서 실제로는 다수의 통과대역 부반송파를 사용하는 것이 아니라 기저대역에서 N개의 데이터를 IDFT한다. 이후 그 결과 신호를 단일 오실레이터를 사용하여 원하는 주파수 대역으로 천이시킴으로써 통과대역 OFDM 변조를 이룰 수 있다.
수신단에서는 단일 오실레이터를 사용하여 통과대역 수신 신호를 기저대역으로 변환한 후 IDFT의 대응 연산인 DFT를 수행하여 이룰 수 있다. 또한 IDFT와 DFT는 전체 부반송파의 수가 2의 거듭제곱인 경우 이들의 고속연산인 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)와 FFT를 통해 구현하게 된다.
<그림 5>는 기저대역에서 부반송파를 할당하는 예를 나타낸 것이다. 이 그림에서 전체 전송 주파수 대역은 512개의 부채널로 분할됐으며, 512개의 부반송파 중 400개의 부반송파에 데이터를 전송하고 DC를 포함한 나머지 112개의 부반송파에는 데이터를 전송하지 않는다. 좌우 양쪽 끝의 부반송파를 비워두는 이유는 대역 밖으로 누설되는 잡음을 줄이기 위한 것으로 이를 가상 반송파(Virtual Carrier)라고 한다.
Cyclic Prefixv 주기적 전치 부호
OFDM 심볼의 전송은 블럭 단위로 처리가 이뤄지나 OFDM 심볼이 다중경로 채널을 통해 전송되는 동안 이전에 전송된 심볼에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 OFDM 심볼간 간섭을 방지하기 위해 연속된 OFDM 블럭 사이에 보호 구간(GI : Guard Interval)을 삽입한다. 이 때 보호 구간의 길이는 무선 채널의 최대 지연 확산보다 길어야 한다.
수신단에서는 보호구간을 제거한 후 나머지 수신 신호를 취하여 데이터 복조를 수행한다. 보호 구간에 삽입되는 신호를 ‘0’으로 할당하면 이전 심볼의 지연 성분을 모두 흡수할 수 있어 심볼간 간섭이 발생하지 않지만 채널간 간섭은 존재하게 된다.
만약 채널을 통과한 후 수신된 신호의 모든 부반송파가 지연 없이 수신되었다면 FFT 구간에서 직교성이 유지된다. 하지만 N개의 부반송파 중 어떤 부반송파가 시간 지연을 갖고 수신되었다면 그 부반송파는 FFT 구간 내에서 기본 주파수의 정수배 주기가 되지 않아 직교성이 파괴된다. 따라서 다른 부반송파에 왜곡을 주는 채널간 간섭이 발생하게 되는 것이다. 이러한 문제는 보호 구간 위치에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입함으로써 해결할 수 있다.
<그림 6>과 같이 CP를 삽입하게 되면 임의의 부반송파에 지연이 발생할 경우에도 FFT 구간 내에서 부반송파가 정수배 주기가 유지되어 직교성이 보장된다. 복조된 신호에는 단지 지연에 의한 위상의 회전만이 발생하게 되므로 채널간 간섭이 발생하지 않는다. 이러한 보호 구간의 삽입으로 대역폭 효율이 감소하게 된다. 보호 구간의 길이는 채널의 최대 지연 확산을 고려해서 결정하지만 통상 전체 심볼 주기의 1/4 이하가 되도록 해야 한다.
<그림 7>은 지금까지 설명한 OFDM 구조를 송신기와 수신기로 구분하여 블럭도로 나타낸 것이다. 이 구조에서 FEC(Forward Error Correction)는 데이터 전송 오류를 정정하기 위한 채널 부호화로 길쌈 부호, Reed-Solomon 부호, Low Density Parity Check(LDPC) 부호, 터보 부호 등이 사용될 수 있다.
다중 액세스 방식
방송용이 아닌 셀룰러 이동통신, 무선 ATM, 무선랜 등에 OFDM 전송 방식을 사용하는 경우에는 단일 반송파 전송 방식과 마찬가지로 다수의 사용자를 위한 다중 액세스 방식이 사용되어야 한다. 대표적 방식으로는 TDMA(Time-Division Multiple Access), FDMA(Frequency-Division Multiple Access), CDMA(Code-Division Multiple Access)가 있으며 OFDM과 이들 액세스 방식을 결합한 구조는 <그림 8>에서 비교해 보았다.
TDMA의 경우에는 전체 전송 대역이 N개의 부반송파로 구성되어 있고 각 사용자는 할당된 시간동안 모든 부반송파를 이용한다. FDMA는 전체 부반송파 중에서 일부 부반송파를 이용하여 시간에 제한받지 않고 데이터를 전송하는데 부반송파의 할당은 사용자의 상태에 따라 동적으로 변할 수 있다. CDMA는 각 사용자가 고유의 확산 부호를 사용하여 모든 시간과 부반송파를 이용하는데 확산 방식에 따라 MC-CDMA, multicarrier DS-CDMA, MT-CDMA로 구분할 수 있다.
패킷 전송을 하는 셀룰러 이동통신, 무선ATM, 무선랜에서는 상향과 하향의 듀플렉싱 방식으로 TDD(Time Division Duplexing)가 유리하며, 상향 전송시에는 동기식인 경우 사용자가 서비스 시간 동안 최대의 전송률을 가지도록 OFDM-TDMA가 적합하고, 하향전송에는 세 가지 방식이 모두 사용될 수 있다.
OFDM의 고려 사항
OFDM 방식에서는 다수의 데이터들을 IFFT함으로써 기저대역 변조를 이룬다. 이는 불규칙 위상을 갖는 다수의 데이터가 더해지는 것으로 볼 수 있으며, 그 결과 신호의 크기 변화가 크게 나타난다. 신호 크기의 변화 정도를 측정하는 방법으로 신호의 최대전력 대 평균전력의 비(PAR : Peak-to-Average Power Ratio)를 사용하는데 OFDM 방식은 단일 반송파 방식에 비해 큰 PAR를 갖는 것이 일반적이다.
이와 같이 큰 PAR는 D/A 및 A/D 변환기, 고출력 증폭기를 사용하는 경우에 커다란 단점으로 나타나게 된다. PAR를 감소시키기 위한 가장 간단한 방법으로 신호의 크기를 일정 레벨로 제한시키는 클리핑(clipping) 기법을 사용할 수 있다.
OFDM 방식에서는 각 부반송파에서의 페이딩을 보상하기 위해 단일탭 등화기를 사용하며 이를 위해 먼저 각 부반송파의 페이딩 정보를 추정하는 채널 추정을 수행해야 한다. 채널 추정을 위해서는 특정 부반송파에 파일럿 신호를 할당하는 기법과 훈련 심볼을 데이터 심볼 이전에 먼저 전송하는 기법이 사용될 수 있다.
하나의 OFDM 심볼이 전송되는 동안 수신기가 고속으로 이동하는 경우에는 무선 채널의 특성이 변하게 되며 이로 인해 부반송파 사이의 직교성이 파괴되어 수신 성능이 나빠진다. 따라서 고속 이동 환경에서 OFDM을 사용하는 경우에는 이에 대처할 수 있는 채널 추정이나 등화 기법을 사용해야 한다.
OFDM 방식의 수신단에서는 심볼 동기와 반송파 주파수 동기를 정확히 이뤄야 전송 데이터를 정확하게 복원할 수 있다. 심볼 동기는 변복조가 각각 IFFT와 FFT에 의해 이뤄지기 때문에 필요한 것으로 수신단에서 OFDM 심볼의 시작 위치를 찾아내어 FFT 수행한다.
또한, 송신기와 수신기에서 사용하는 오실레이터는 서로 다른 주파수를 가질 수 있어 복조 신호에는 반송파 주파수 오차가 발생할 수 있다. OFDM 심볼은 다수의 부반송파가 서로 인접하여 구성되므로 약간의 주파수 오차에도 민감한 특성을 갖는다. 따라서 수신단에서는 주파수 동기를 이루기 위한 기술을 사용해야 한다.
다중 안테나 OFDM 전송기술
다중 안테나 전송 기술은 송신기와 수신기에 다수의 안테나를 장착하여 신호를 송수신하는 기술을 말한다. 다중 안테나 기술을 사용하는 목적은 송신단과 수신단에 각각 하나의 안테나를 사용하여 통신을 하는 경우와 비교할 때 사용 목적 또는 구현 형태에 따라 수신 신호의 전력을 안정적인 수준에서 유지할 수 있고, 많은 양의 데이터를 동일 시간에 전송할 수도 있으며, 다중 사용자 환경에서 특정 사용자에게 안정적인 신호 전송이 가능하다는 장점을 갖는다. 여기에서는 다중 안테나 기술을 MIMO-OFDM 전송기술과 스마트 안테나 OFDM 기술로 나누어 설명한다.
MIMO-OFDM 기술
MIMO-OFDM 기술은 주파수 선택적 페이딩 채널 환경 하에서 OFDM과 MIMO 기법의 장점을 동시에 취할 수 있는 기술이다. 특히 MIMO-OFDM 기술은 시간과 공간만이 아니라 주파수 영역을 활용할 수 있기 때문에 기존의 시공간 MIMO 시스템을 유연하게 확장하여 OFDM에 적용시킬 수 있다.
이러한 MIMO-OFDM 기법은 다이버시티 이득과 부호화 이득을 목적으로 하는 다이버시티(diversity) 기법, 채널 용량을 증대시켜 전송률의 증가시키는 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing) 기법, 다이버시티와 공간 멀티플렉싱 기법을 결합한 기법 등으로 분류할 수 있다. 이 중 다이버시티 기법으로는 STC-OFDM 기법이 대표적이며 이에는 STTC(Space-Time Trellis Code)-OFDM, STBC(Space-Time Block Code)-OFDM, SFBC(Space-Frequency Block Code)-OFDM 등이 있다. <그림 9>는 MIMO-OFDM의 블럭도를 보여주고 있다.
STTC는 다중 송신 안테나를 사용하여 공간 다이버시티 효과를 얻을 수 있는 기법으로 대역폭 손실 없이 부호화 이득도 함께 얻을 수 있다. 입력 비트열은 STTC 부호화기에 의해 심볼로 변환되는데 이 때 미리 정해진 상태도에 따라 다이버시티 이득과 부호화 이득이 최대가 되도록 각 송신 안테나에 심볼이 맵핑된다.
할당된 심볼은 각각의 안테나를 통해 동시에 전송되며, 수신단에서는 비터비 복호기를 사용하여 전송 비트를 검출하게 된다. 이 방식은 설계 기준에 따라서 성상도의 크기와 다이버시티 이득, 트렐리스의 복잡도 및 전송률 사이의 트레이드 오프(trade-off)를 가진다.
STTC는 우수한 대역폭 사용 효율과 다이버시티 및 부호화 이득에도 불구하고 높은 복잡도로 인해 실제 적용하는데 있어 커다란 문제를 갖게 된다.
STBC는 이와 달리 송신단에서의 간단한 부호화와 수신단에서의 단순한 선형 결합을 사용하면서도 큰 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. STBC는 주파수 비선택적 페이딩 채널 환경을 기반으로 설계되었으며, OFDM 방식에서 각 부반송파는 근사적으로 주파수 비선택적 페이딩을 겪게 되므로 STBC-OFDM을 쉽게 구현할 수 있다.
STBC-OFDM에서 부호화는 전송 데이터의 간단한 변환에 의해 이뤄지며 송신 안테나의 수가 2인 경우 STTC와 마찬가지로 대역폭 손실 없이 공간 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 이 때 두 개의 채널이 독립적인 페이딩을 겪을 경우 큰 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
그러나 안테나의 수가 2 이상인 경우에는 최적의 복소수 부호를 얻기 위해 대역폭이 증가하게 되는 단점이 있다. 또한, 하나의 부호가 다수의 OFDM 심볼 주기 동안 전송되므로 도플러 주파수에 의한 채널 변화가 크게 발생할 경우 채널 오차에 의한 왜곡을 받게 된다.
시간적으로 연속된 두 OFDM 심볼간에 채널의 변화가 없을 경우 STBC-OFDM을 적용할 수 있으며 이 방식은 부반송파간 간격이 작고 유효 심볼의 길이가 짧은 무선랜과 같은 응용에서 유리하다. 반면, 채널의 시변 정도가 커서 연속된 OFDM 심볼 사이에 채널이 변화할 경우에는 STBC-OFDM은 적용이 어려워진다. 그러나 채널의 주파수 선택적 특성이 크지 않고, FFT 크기가 매우 커서 인접 부채널간의 채널 주파수 응답이 유사한 경우에는 주파수 영역에서 부호화를 적용하는 SFBC-OFDM을 적용할 수 있다.
BLAST-OFDM 방식은 리치 스캐터링(rich scattering) 환경에서 송수신단에 다중 안테나를 사용하여 각 송신 안테나마다에 신호를 전송함으로써 전송률을 향상시킬 수 있으며, 송신 신호가 채널의 동기 대역폭보다 작은 대역폭을 갖는 주파수 비선택적 페이딩을 가정하기 때문에 BLAST-OFDM 방식이 다중경로 환경에 쉽게 적용될 수 있다.
이러한 BLAST-OFDM 방식에서는 송신 다이버시티 기법과는 달리 수신 안테나의 수가 송신 안테나의 수보다 같거나 많아야 하고 독립적인 페이딩 채널이 형성되어야 하기 때문에 송수신단의 거리가 비교적 작고 노트북과 같이 다중 수신안테나를 사용할 수 있는 무선 랜 또는 무선 PAN(Personal Area Network)과 같은 환경에 적합하다.
스마트 안테나 OFDM 기술
스마트 안테나 기술은 phased array, SDMA(Space Division Multiple Access), 적응 배열 안테나 시스템, 빔 형성(beam forming), 공간처리 기술 등을 포함하며, 크게 switched 빔과 적응배열 안테나의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
Switched 빔 기법은 미리 정해진 빔 패턴(beam pattern) 중 수신 전력에 따라 최고의 성능을 줄 수 있는 빔 패턴을 선택하여 수신하는 방식이다. 이 방식은 무지향성 안테나(omni-antenna)에 비해 공간 선택으로 인한 수신 전력의 이득을 얻을 수 있으나 간섭 신호를 능동적으로 제거할 수 없어 성능 향상이 제한된다.
반면에 <그림 10>과 같은 적응 배열 안테나 시스템의 빔 형성 기법은 안테나 배열을 사용하여 각 엘리먼트별로 입사된 신호들을 특정 기준(예 : MMSE, ML, maximum SINR) 하에서 결합하여 다른 공간상의 위치한 co-channel 사용자로부터의 간섭 신호와 원하는 신호를 분리할 수 있는 기법으로 간섭 신호에 적응적으로 대처할 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 스마트 안테나 기술을 셀룰러 통신 시스템에 적용할 경우에 서비스 범위, SNR, 셀 허용 용량 등이 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 OFDM 기반의 셀룰러 시스템에선 소비 전력의 감소, 셀간 간섭의 회피, 다중경로 신호의 감소로 인한 OFDM의 신호 오버헤드(보호 구간) 감소 등의 효과가 있다.
빔 형성을 수행하기 위한 기술로는 공간상의 정보를 기반으로 하는 SRB(Spatial Reference-Based)-BF(Beamformer), 훈련 신호를 이용하여 공간 특성을 추정하는 TRB(Training Reference Based)-BF와 특정한 정보 없이 수신된 신호의 특성을 기반으로 빔을 형성하는 Blind BF의 세 가지로 크게 분류할 수 있다.
스마트 안테나 시스템에서 입사되는 광대역 신호들은 배열 안테나의 각 엘리먼트별로 다중경로를 경험하며 수신된다. 이러한 광대역 TRB 빔 형성은 공간상에서의 간섭뿐만 아니라, 시간 영역상의 다중 경로에 의한 왜곡/간섭(ICI, ISI)의 영향을 고려해야 한다. 이 경우 빔 형성은 시간 영역에서 TDL 형태의 FIR 필터 또는 주파수 영역에서 다수 개의 협대역 BF로써 수행될 수 있다.
이와 같이 광대역 신호에 대한 스마트 안테나 OFDM 시스템에서 적응 빔 형성을 위한 방식으로는 FFT 전단인 시간 영역에서 각 안테나별로 적응 필터링(TDL)을 수행하는 Pre-FFT BF와 각 안테나별로 FFT 후 주파수 영역에서 각 부반송파별로 적응 필터링(1-tap)을 수행하는 Post-FFT BF 형태를 고려할 수 있다. 스마트 안테나 관점에서 OFDM 시스템은 여러 개의 협대역 채널로 구성되어 있어, 전체 대역폭은 주파수 선택적 페이딩이다. 하지만 각 부반송파는 주파수 비선택적 페이딩을 경험하므로 각 부반송파별로 협대역 빔 형성을 수행할 수 있어 Post-DFT BF로의 구현이 용이하다.
다중 사용자를 고려하여 SDMA 뿐만 아니라 OFDMA(OFDM/FDMA)를 수행할 수 있으며, 스마트 안테나 OFDMA에서는 각 사용자에게 부분 대역을 할당하고 사용자별로 할당된 대역에서 빔 형성을 수행할 수 있다. TDD 시스템에서 프레임 내의 채널 변화가 없는 경우에 상향 링크와 하향 링크의 채널이 동일한 장점이 있어 상향 링크에서 계산된 빔 형성 계수를 하향 링크에 적용할 수 있다.
하지만 사용자가 이동하는 경우에 채널 변화에 대한 고려가 필요하며 또한 상향 링크와 하향 링크의 채널은 동일하더라도 간섭은 동일하지 않기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. 반면, FDD 시스템에서는 사용대역에 따라 다른 채널 응답을 갖기 때문에 각각 최적의 계수 값을 구해야 하며, 하향 링크에서 계수 값을 추정하기 위해서는 하향 링크 채널 정보를 기지국에 제공할 피드백 채널이 필요하다.
와이브로 다중접속 표준
표준화 동향
초기 무선 접속 기술은 MMDS나 LMDS로 대표되는 LOS(Line-Of-Sight) 환경에서의 고정 무선 접속 방식이 주류를 이루었다. 이후 Non-LOS에서도 많은 양의 데이터를 전송할 수 있는 광대역 무선 접속 방식에 대한 연구가 진행되어 왔다.
이 방식은 단순한 음성이나 데이터 서비스를 넘어 멀티미디어 서비스를 제공해줄 수 있어 사용자들의 다양한 욕구를 충족시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 광대역 무선 접속의 한계인 이동성 문제를 극복하기 위해 사용자의 이동성을 지원할 수 있는 휴대인터넷에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. <그림 11>은 휴대인터넷과 관련하여 광대역 무선 접속 기술의 진화 단계를 도식화한 것이다.
국내의 경우 2003년 6월 20일 제33차 정보통신표준총회에서 TTA 휴대인터넷 그룹(PG05)이 신설되어 총 52개 기관, 약 235명이 참여하여 표준화 활동을 전개했으며, 2004년 3월 PG302로 명칭을 변경했다. PG302에는 무선 접속 실무반, 서비스 및 네트워크 실무반, IPR Ad Hoc 그룹, 국제협력 Ad-Hoc 그룹, IOT/CT Task Force가 활동하고 있으며, 조정위원회에서 이들간의 업무 조정을 수행하고 있다.
이 프로젝트 그룹은 2004년 6월 25일에 1단계 30Mbps급 TTA 표준(Phase I)을 완성했다. 이 표준은 물리 계층(TTAS.KO-06.0064)과 매체접근 제어 계층(TTAS.KO-06.0065)으로 구성되어 있다. 2004년 7월부터 2단계 50Mbps급 TTA 표준(Phase II)에 대한 논의가 진행되고 있으며, 고속 데이터 전송률을 보장하는 기술에 중점을 두고 있다. 2004년부터는 ‘와이브로’라는 공식 명칭을 사용하고 있다.
한편, 2004년 7월 정보통신부는 국내 휴대인터넷 표준 선정 기준으로 IEEE 802.16e 표준과 호환되면서 여기에 5가지 조건을 만족시키는 것으로 결정했다고 발표했다. 다섯 가지 조건으로는 시속 60km로 이동시 최소 하향 512kbps, 128kbps의 전송 속도 구현, 9MHz 이상의 채널대역폭, 사업자 장비간 로밍, TDD 방식, 주파수 재사용 계수 1 등이 있다. 이에 TTA에서는 와이브로와 IEEE 802.16e와의 호환성 문제에 대한 검토를 진행하고 두 방식 사이의 차이점에 대한 해결책을 모색하고 있다. 정보통신부는 2005년 2월에 3개의 휴대인터넷 사업자를 선정하였으며 2006년에 중반에 상용 서비스를 목표로 하고 있다.
한편 국내의 휴대인터넷 표준과 유사한 형태의 국제 표준화 활동은 미국의 IEEE 802.16과 IEEE 802.20을 중심으로 휴대인터넷과 관련된 표준화를 진행하고 있다. IEEE 802.16은 최근 P802.16-REVd의 표준화 작업이 완료되어 IEEE 802.16-2004로 배포되었다. 한편 인텔이 중심이 된 와이맥스(WiMax) 포럼이 결성되어 IEEE 802.16a의 성공적인 표준화와 시장 진입을 위해 활동하고 있으며 이미 인텔에서는 와이맥스 칩을 개발하여 추후 상업화 성공 여부가 주목된다.
와이브로와 가장 유사한 규격은 앞서 언급한 IEEE 802.16e이며, 이 둘의 주요한 특성은 <표 1>과 같다. IEEE 802.16e의 경우 2005년 상반기에 규격화가 완료될 것으로 보이며 다중화 방식으로 TDD, FDD 둘 모두를 지원하며 변조 방식으로 SC2, OFDM, OFDMA 등을 지원한다. 주파수 대역은 2～6GHz이고 채널 대역폭은 가변적으로 할당할 수 있다.
물리 계층 표준 내용
휴대인터넷 시스템은 하향 링크와 상향 링크를 시간으로 구분하는 TDD 방식이 사용되며, 다중접속 방식으로는 OFDMA가 사용된다. OFDMA 심볼은 총 1024개의 부반송파로 이루어져 있으며, 데이터가 전송되는 데이터 부반송파, 채널 및 동기 등을 추정시 사용되는 파일럿 부반송파, 그리고 보호 밴드와 DC 부반송파가 포함된 널 부반송파로 구성된다.
보호 밴드의 목적은 OFDMA 신호의 스펙트럼이 ‘brick wall’ 형태를 갖도록 하는 것인데, 좌우 다수개의 부반송파에 ‘0’을 전송함으로써 인접 주파수 대역에 간섭으로 작용하는 신호 성분이 작아지도록 하는 것이다. 각 부반송파들은 부반송파 하위 집합으로 나뉘고 각 하위 집합은 부채널로 명명된다. 하향링크에서 부채널은 여러 다른 수신기를 위한 것이며 상향링크에서 송신기는 하나 이상의 부채널에 할당되고 동시에 여러 송신기가 신호를 전송할 수 있다. <그림 12>에서 이에 대한 개념을 예를 들어 나타냈다.
기본 시스템 변수는 5msec의 고정 프레임 구조로 설계되어 있으며, <표 2>에 기본 시스템 변수를 나타냈다. TDD 시스템의 상향 링크와 하향 링크는 전송시간으로 구분된다. 하향 링크 전송은 <그림 13>에서처럼 한 개의 프리앰블 심볼, FCH 및 DL-MAP, 데이터 심볼 순서로 시작된다. 상향 링크는 제어심볼 전송부터 시작되며, 상하향 전송 시간을 구분하기 위한 보호시간인 TTG(121.2㎲) 및 RTG(40.4㎲)는 프레임 중간과 마지막에서 하향 링크 및 상향 링크 사이에 삽입된다.
하향 링크 프리앰블은 초기 동기, 셀 탐색, 주파수 오프셋 및 채널 추정에 사용할 수 있다. 하향 링크의 데이터 전송 구간은 PUSC 부채널 구간과 다이버시티 부채널 구간 및 AMC 부채널 구간으로 나뉜다. PUSC 부채널은 두 개의 심볼에 걸쳐 분산된 부반송파로 구성되고, 다이버시티 부채널은 동일한 대역에 있는 여섯 개의 인접한 빈으로 구성된다. PUSC 심볼, 다이버시티 심볼 및 AMC 심볼의 구성은 단말들의 채널 분포에 따라 기지국이 결정한다. 하향 링크 후반부에 위치한 일부 심볼은 방송 서비스를 위해 사용할 수 있다.
상향 링크의 처음 세 심볼은 레인징 채널, ACK 채널 및 CQI 채널에 사용된다. 상향 링크에서 다이버시티 부채널을 구성하는 기본 단위는 타일이며 전체 주파수 대역에 분산된 세 개의 타일로 이루어진다. AMC 부채널을 구성하는 기본 단위는 빈이며, 하나의 AMC 부채널은 여섯 개의 빈으로 구성된다. 하향 링크에서처럼 AMC 및 다이버시티 부채널의 구성 비율은 프레임마다 변경 가능하다. <그림 14>는 타일과 빈의 구조를 나타낸다.
하향 링크의 첫 번째 심볼은 프리앰블이며 특정 PN 코드가 BPSK 변조되어 전송된다. 프리앰블 부반송파 집합은 세 가지 타입으로 나뉜다. 매 4번째 하향 링크 프레임에서 마지막 OFDM 심볼은 공용 동기 심볼로 사용할 수 있다. 기지국에서는 안테나 0을 통해 공용 동기 심볼을 전송한다. 주파수 영역에서 정의되는 공용 동기 심볼의 구조를 <그림 15>에 나타냈고, 시간 영역에서 정의되는 공용 동기 심볼의 구조를 <그림 16>에 나타냈다.
하향 링크 다이버시티 심볼과 상/하향 링크 AMC 심볼은 파일럿, 데이터 및 널 부반송파로 구성된다. 파일럿 부반송파의 할당은 연속되는 9개의 부반송파로 구성되는 빈 내에서 특정 부반송파 한 개를 할당함으로써 이루어진다. 빈 내에서 파일럿 부반송파의 위치는 심볼의 인덱스에 따라 달라진다. 빈 안의 9개의 부반송파의 인덱스를 0～8이라 하고 심볼의 인덱스를 m이라 할 때 파일럿 부반송파의 인덱스는 3l+1이 된다(l=m mod 3). <그림 17>은 하향 링크 다이버시티 심볼 및 상/하향 링크 AMC 심볼에서의 파일럿 부반송파의 할당을 나타낸다.
AMC 부채널을 구성하기 위해 각 심볼에서 널 부반송파를 제외한 전체 부반송파는 9개의 인접한 부반송파로 이루어진 빈이라는 단위로 나눠지고 이렇게 만들어진 인접한 빈 M개를 묶어서 밴드를 구성한다. AMC 부채널은 각 밴드 내에서 인접한 6개의 빈들로 구성된다. 인접한 빈 6개를 구성하는 방법은 주파수-시간축 상에서 1빈x6심볼 블록, 2빈x3 심볼 블록, 3빈x2심볼 블록으로 구성할 수 있으며, 마지막으로 각 밴드 내에서 주파수 축 방향 그리고 시간축 방향으로 순서대로 인덱스를 지정한 후 앞에서부터 6개씩 나누어 부채널을 구성할 수 있다.
다이버시티 부채널을 할당하기 위해, 슬롯 안에 있는 전체 데이터 부반송파는 서로 인접해 있는 데이터 부반송파 군들로 분할된다. 각 부채널은 이 군들로부터 하나씩 선택된 부반송파의 개수와 같은 48이 된다. 하나의 군 안에 있는 부반송파의 개수는 부채널의 개수 16과 동일하며, 부채널을 구성하는 분할 방법은 하향 링크 순열 공식이라고 불리는 수식에 따른다.
상향 링크 부채널 할당은 기본적으로 하향 링크에서와 동일하다. 다이버시티 부채널 심볼 이후의 나머지 모든 데이터 심볼들은 AMC 부채널에 할당한다. 상향 링크 AMC 부채널에서 파일럿 부반송파의 위치는 하향 링크에서 파일럿 부반송파의 위치와 동일한 방법으로 세 심볼을 주기로 같은 위치를 점유하게 된다. 상향 링크 다이버시티 부채널을 할당하기 위해, 연속되는 3 심볼 안의 부반송파 9개의 톤이 들어 있는 3x3 주파수-타임 블럭인 타일들로 분할한다.
전체 주파수 대역은 인접해 있는 타일들로 이뤄진 군들로 분할된다. 각 부채널은 6개의 타일로 구성되는데, 각 타일은 서로 다른 군에서 선택된다. 각 부채널은 6개의 타일로 구성되므로 48개의 데이터 부반송파와 6개의 파일럿 부반송파로 이루어진다. 부채널을 구성하는 방법은 상향 링크 순열 공식이라고 불리는 수식에 따른다.
상향 링크에는 하향 링크와 다른 미니 부채널이 존재하는데, 기존의 다이버시티 부채널과 동일하게 6개의 3x3 타일로 구성된다. 미니 부채널은 다이버시티 부채널을 심볼 방향으로 M (M=2, 3, 6)개 연결한 후, 세 심볼 각 구간에서 6/M개의 타일을 할당함으로써 전체 6개의 타일로 구성된다.
OFDMA 물리 계층에서는 4가지 레인징 모드를 정의한다. 상기 레인징 모드들은 초기 레인징, 주기적 레인징, 핸드오프 레인징 및 대역폭 요구 레인징으로 구성된다. 이 모드 중에서 대역폭 요구 레인징은 단말이 기지국에 대역폭을 요구하는 목적으로 사용되며, 이 외의 모든 모드는 단말과 기지국간의 상향 링크 동기 획득과 전력 제어 목적으로 사용된다.
레인징 신호는 동일한 시간에 다수의 단말로부터의 레인징 신호 송출이 허용되는데, 각 단말은 앞서 설명된 용도에 따라 레인징 모드를 구분 사용하게 된다. 레인징 신호 변조를 위하여 단말은 사용 가능한 레인징 부호 중에서 하나를 임의로 선정하고 BPSK 변조하여 송출한다. 이 때 단말은 임의로 선택한 레인징 부호로 레인징을 시도하기 때문에 레인징 채널 상에서 충돌될 수 있다. 레인징 채널에 할당된 부반송파의 수는 144이며, 3×3 타일 형태의 상향링크 다이버시티 부채널 8개를 할당해서 0～143번의 부반송파를 사용한다.
레인징 부호는 BPSK 변조되기 때문에 레인징 부호 길이 또한 144이다. 이 때 단말이 임의 선택하여 전송 가능한 해당 레인징 모드별 레인징 부호수는 시스템 배치 때 결정되는 시스템 운용 파라미터이다. 단말에게 허용된 레인징 전송 구간은 레인징 모드에 따라 다르다. 초기 레인징과 핸드오프 레인징 전송 슬롯은 상향 링크 프레임 구간에서 첫 번째와 두 번째 OFDMA 심볼로 구성되며, 주기적 레인징과 대역폭 요구 레인징 전송 슬롯은 상향 링크 프레임 구간에서 세 번째 OFDMA 심볼로 구성된다.
초기 레인징과 핸드오프 레인징의 경우, 상향 링크 동기가 전혀 확보되지 않은 상태에서 시도되므로 두 개의 연속된 OFDMA 심볼 구간으로 구성된다. <그림 18>과 같이 첫 번째 심볼은 기존의 OFDMA 심볼과 같은 구조로 두 번째 심볼은 보호 구간을 신호 뒷부분에 추가하여 두 OFDMA 심볼 구간의 경계 지점에서 파형의 불연속이 발생하지 않도록 한다.
레인징 부호는 <그림 19>의 PRBS에서 생성된 PN 부호가 레인징 부호로서 사용된다. PN 부호를 생성하기 위해 사용되는 생성 다항식은 ‘1+X1+X4+X7+X15’와 같고, 셀 구분을 위한 PN 부호 생성기의 초기화 부호가 셀마다 다르게 적용된다.
PN 생성기 레지스터는 ‘00101011’과 7비트의 셀 인식 번호에 의해 초기화된다. 단말은 개방루프 전력 제어를 통해 송출 전력을 조정한 다음 레인징 신호를 전송한다. 이에 따라 각 단말로부터 전송된 레인징 신호는 거의 동일한 신호 세기로 기지국에 수신되기 때문에 레인징 성공 확률이 높아진다.
휴대인터넷 기지국에서는 다중 안테나를 사용한 시공간 처리(STP : Space Time Processing) 기술을 사용할 수 있다. 시공간 처리 기술은 다수 개의 안테나를 가진 기지국에서의 하향 링크에 적용되어 전송 다이버시티를 통해 신호의 신뢰도를 증진시키게 된다. 또한 송수신 양측에 다수 개의 안테나를 사용하는 공간 다중 기법을 통해 주파수 효율성도 증가시킨다. 휴대인터넷 규격에서는 2개의 혹은 4개의 송신 안테나 시스템이 고려된다.
물리 계층으로 입력되는 MAC PDU의 크기가 허용된 입력 비트의 수가 아닐 경우 ‘1’이 MAC PDU의 뒤에 패딩된다. 패딩된 패킷은 랜덤화 블럭으로 입력되며, 랜덤화 과정은 데이터 버스트 별로 수행된다. PRBS 생성 다항식은 1 + X14 + X15이다.
이때 PRBS를 생성하기 위하여 초기화 벡터가 사용되는데, 전송하려고 하는 버스트의 비트를 MSB부터 연속적으로 랜덤화기에 입력한다. 생성된 PRBS와 버스트 비트의 XOR 과정을 통해 랜덤화 과정이 수행된다. 랜덤화기는 각 버스트에 대하여 초기화 벡터에 의해 초기화된다. 초기화 벡터는 IDcell의 하위 5비트를 초기화 벡터의 하위 5비트로 사용하며, 나머지 부분은 ‘1’로 설정한다.
랜덤화기를 통해 생성된 버스트는 H-ARQ가 적용될 경우 CRC 부호화된다. CRC의 크기는 16이며 ITU-R 권고안 X.25에 정의된 CRC-16-CCITT가 사용되며, CRC 부호가 추가된 패킷은 그 크기가 n*4800일 경우, n개의 4800 비트 블럭으로 분할되어 처리되고, 변조기 입력단에서 이전에 분리된 순서로 재조립된다.
또한 H-ARQ가 적용되지 않은 버스트의 경우 부호화 과정의 기본 단위는 부채널이고 이를 연접하여 부호화한다. 즉, 일정 규칙에 따라 연접된 부채널에 맵핑될 수 있는 입력 단위에 대하여 독립적으로 부호화를 적용한다. 따라서 하나의 버스트에 할당된 전체 부채널은 일정 단위로 연접된 부채널로 분할되고, 랜덤화기의 출력은 연접된 부채널에 맵핑될 수 있는 단위로 분할되어 부호화된다. 부호화된 신호열은 분할된 순서로 다시 조립된다. 휴대인터넷에서 사용되는 채널 부호는 컨볼루션 터보 부호이다.
컨볼루션 터보 부호기는 이중 이진 CRSC 부호를 사용하며, 부호화될 데이터의 비트는 교대로 A와 B로 입력된다. 또한 A와 B로 입력된 데이터는 CTC 인터리버를 통과한 후 부호화되어 출력 비트는 ABY1Y2W1W2가 된다. CTC 부호화기를 통과한 패킷은 인터리빙(inter-leaving)되며, 인터리빙은 서브블럭 분할, 인터리빙, 그룹화로 구성된다.
인터리빙된 부호 패킷들은 서브 패킷의 형태로 전송된다. 서브패킷은 인터리빙된 CTC 부호기 출력 비트열의 일부를 선택하여 생성한다. 각 기지국은 파일럿 패턴 및 데이터의 구분을 위해 파일럿과 데이터 부반송파에 기지국마다 할당된 고유의 스크램블링 수열이 곱해진다.
스크램블링된 트래픽 버스트의 비트들은 MSB부터 변조기에 입력되어 QPSK, 16QAM, 또는 64QAM 심볼에 그레이 방식으로 맵핑되며, 각 변조 방식별로 동일한 평균 파워를 얻기 위해 맵핑된 심볼에 c를 곱하여 정규화한다. 프리앰블의 경우 부반송파들은 BPSK 변조되며, 하향 링크와 상향 링크 파일럿 부반송파는 OFDMA 심볼 내의 부반송파 위치에 따라 스크램블링 신호열이 BPSK 변조되어 전송된다. 하향 링크와 상향 링크 파일럿 부반송파는 모두 데이터 부반송파 대비 2.5dB 부스팅되어 전송된다. 또한 레인징 부반송파들 역시 BPSK 변조되며, 데이터 부반송파와 동일한 적력으로 변조된다.
단말은 측정된 채널 CINR(carrier to interference and noise ratio) 값을 주기적으로 기지국에 보고해야 하며, CINR에 따라 4～6비트 정보로 부호화하여 CQI(channel quality indicator) 채널을 통해 전송한다. CQI 채널에는 다이버시티 사용자용 완전 CQI 피드백 모드와 AMC 사용자용 차등 CQI 모드의 두 가지 모드가 있다.
다이버시티 사용자용 완전 CQI 피드백 모드에서는 하향링크 프리앰블의 5비트(또는 4비트) 평균 CINR이 전송된다. AMC 사용자용 차등 CQI 모드에서는 선택된 대역용 5비트(또는 4비트) 차등 CINR 피드백이 단말을 통해 전송된다. 여기서 전송 비트 수는 5비트나 4비트 중 하나를 임의로 선택할 수 있다. 하나의 CQI 채널은 3×3 타일 형태의 상향링크 다이버시티 부채널 하나, 즉 18톤×3 심볼 형태로 구성된다. CQI 채널을 통해 보내는 정보비트 수는 6비트, 5비트, 4비트의 세 가지가 있다.
상향 링크 ACK는 하향 링크 H-ARQ에 대한 빠른 피드백을 제공한다. 단말은 하향 링크 패킷 데이터에 대한 ACK 또는 NAK 피드백을 전송한다. 3×3 타일 형태의 상향 링크 다이버시티 부채널 하나, 즉 18톤×3 심볼 형태에 두 개의 ACK 채널이 지원된다. 첫 번째 ACK 채널은 짝수 번째 타일들로 구성되고, 다른 ACK 채널은 홀수 번째 타일들로 구성된다.
와이브로 다중접속 요소 기술
다중접속은 시간, 주파수, 부호 등의 한정된 무선 자원을 여러 사용자나 시스템이 공유 및 분할하여 사용하는 것을 말한다. 다중접속을 위해 고려해야 할 사항으로 듀플렉스 방식과 MAC 및 PHY 계층이 있다. 듀플렉스 방식으로 크게 FDD 방식과 TDD 방식이 있다.
MAC 계층에서는 트래픽에 따라 효율적으로 자원을 할당하는 방식이 사용되며 IP 및 QoS를 지원해야 한다. 공정하고 효율적으로 스케쥴링을 수행할 수 있어야 하며 통신 환경을 모니터링하고 보고하는 기능을 수행해야 한다. PHY 계층은 주파수 재사용 효율을 증대시킬 수 있어야 하며 고속의 데이터를 전송할 수 있어야 한다.
채널 단위의 세분화 및 제어의 효율성이 뛰어나야 한다. 간섭에 강한 다중접속 기술을 제공해야 하며 이동성 및 핸드오프를 지원해야 한다.
와이브로는 듀플렉스 방식으로 TDD 방식을 채택하고 있으며 다중접속 기술로 OFDMA 방식을 사용하고 있다. TDD 방식은 비대칭적인 트래픽에 유연하게 적응할 수 있으며, 핫스팟 혹은 마이크로 셀에 사용하기에 적합하다. 상/하향 링크에서 발생하는 간섭을 제거하기 위해 보호 시간을 사용하며, 동일한 주파수 대역을 사용하므로 채널 추정과 링크 적응에 유리하다.
그러나 심볼 동기가 정확해야 하고 핸드오프 과정이 복잡하며 FDD에 비해 링크 버짓이 3dB 감소한다는 단점이 있다. OFDMA 방식은 시간과 부반송파를 적절히 분할하여 부채널을 형성하고 이를 사용자에게 할당해주는 방식으로 채널 제어의 유연성이 뛰어나 최대 동시 사용자 수를 증가시킬 수 있다.
또한, 시간과 부반송파의 채널 할당을 제어하거나 전송률을 조정하여 다양한 QoS를 지원할 수 있으며, 셀 내의 사용자들에 의해 발생하는 간섭이 거의 없다. 반면, 소프트 핸드오프가 복잡하고 고속 이동시 부반송파간 직교성이 파괴되어 간섭이 발생할 수 있으며 셀간 간섭의 영향을 받을 수 있다. 이 부분에서는 와이브로에서 다중접속을 위해 고려해야 할 주요 요소 기술에 대해 소개한다.
셀 탐색과 레인징
이동국은 하향 링크를 통해 여러 기지국에서 전송하는 프리앰블을 수신하고 이를 통해 초기 셀 탐색을 수행한다. 이 과정을 통해 이동국은 자신이 속한 기지국이나 섹터를 알 수 있으며 서비스를 위한 링크를 형성할 수 있다. 와이브로에서 각 기지국은 프리앰블을 생성할 때 고유의 IDCell 정보와 세그먼트 정보를 사용하며 이 두 가지 정보를 통해 이동국은 자신의 기지국을 구분할 수 있게 된다.
<그림 20>은 하향 링크 프리앰블을 생성하는 과정을 보여준다. 이 프리앰블은 초기 동기와 셀 탐색뿐만 아니라 주파수 옵셋과 채널 추정에도 사용될 수 있다. 각 기지국은 IDCell 정보와 세그먼트(segment) 정보에 의해 표준에 주어진 PN 수열 중 하나를 선택할 수 있다. 이 PN 수열은 부스팅된 BPSK에 의해 변조된다. 변조된 PN 수열은 PreambleCarrierSetn 정보에 의해 적절한 위치의 부반송파에 할당된다. 셀 탐색을 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있으나 여기에서는 다음의 방법을 예시한다.
먼저, 초기 시간과 주파수 동기를 수행하고 CP를 제거한 후, FFT를 수행하여 시간 영역 신호를 주파수 영역으로 변환한다. 이렇게 수신된 주파수 영역 신호와 이미 알고 있는 각 세그먼트의 PN 수열 부호비트와의 합을 구한다. 이 합의 결과 중 제일 큰 값을 갖는 수열을 선택하면 그 수열에 해당하는 IDCell 정보와 세그먼트 정보를 얻을 수 있다.
레인징은 이동국과 기지국간의 상향링크 동기 획득과 전력 제어, 이동국의 대역폭 요구 등을 위해 사용된다. 와이브로는 초기 레인징, 주기적 레인징, 핸드오프 레인징, 대역폭 요구 레인징의 4가지 모드를 정의하고 있다. 초기 레인징은 처음으로 시스템 채널과 상향링크 동기화를 하고자 하는 이동국에 의해 이뤄진다. 핸드오프 레인징은 핸드오프 처리가 되는 동안 다른 기지국과 동기화를 하고자 하는 이동국에 의해 이루어진다.
초기 레인징과 핸드오프 레인징은 상향 링크 동기가 전혀 확보되지 않은 상태에서 시도되므로 2개의 연속된 OFDMA 심볼 구간을 통해 동일한 레인징 부호가 전송된다. 주기적인 레인징은 동기 추적을 위해 주기적으로 전송되며, 대역폭 요구 레인징은 이동국이 기지국에 대역폭을 요구할 경우 사용된다.
이 두 가지 레인징 신호들은 동기가 확보된 상태에서 사용되므로 하나의 OFDMA 심볼 구간에 전송된다. 레인징 신호는 동일한 시간에 다수의 이동국에 의해 전송되며, 각 이동국은 앞서 언급한 4가지 모드 중 용도에 따라 레이징 모드를 선택하고 사용 가능한 레인징 부호 중에서 하나를 임의로 선정하고 BPSK 변조하여 전송한다. 임의로 선택한 부호를 사용하여 레이징을 시도하기 때문에 레이징 채널상에서 충돌이 발생할 수 있다.
레인징 채널에 할당된 부반송파의 수는 144이며, 33 타일 형태의 상향 링크 다이버시티 부채널 8개를 할당하여 사용한다. 이동국은 개방 루프 전력 제어를 통해 송출전력을 조정한 다음 레인징 신호를 전송하기 때문에 각 이동국으로부터 전송된 레인징 신호는 거의 동일한 신호세기로 기지국에 수신된다.
동기 기술
동기 기술은 수신된 신호를 복조하는 과정에서 발생하는 주파수 옵셋, 심볼 동기 옵셋, 샘플 타이밍 옵셋 등을 추정하고 보상하는 작업을 말한다. 주파수 옵셋은 송/수신단 발진기의 영향이나 채널에 의한 Doppler 천이 등으로 발생한다. 주파수 옵셋으로 인해 부반송파의 심볼 위치가 순환 이동하거나 ICI(Inter-Carrier Interference)가 발생하여 시스템 성능이 심각하게 열화될 수 있다. 심볼 동기 옵셋은 다중경로 페이딩 채널을 통과한 신호를 복조할 때 발생한다.
동기가 CP 구간 내에서 이루어질 경우 위상 왜곡이 발생하고, CP 구간 밖에서 이루어질 경우 ISI와 이로 인한 ICI가 발생하여 성능이 열화된다. 샘플 타이밍 옵셋은 위상 왜곡을 유발시키며 타이밍 지터는 위상잡음으로 작용하여 시스템의 성능을 열화시킨다. OFDMA 시스템에서 동기기술은 복잡도, 비용, 성능 등에 따라 시간영역 혹은 주파수 영역에서 구현될 수 있다.
OFDMA 시스템은 프레임(혹은 패킷) 단위로 정보가 전송되므로 수신 여부를 확인하기 위해 프레임 동기를 수행해야 한다. 프레임 동기는 프레임의 시작 위치를 정확하게 찾기보다는 대략적인 위치를 찾는 것을 목적으로 하며 이후의 다른 동기 알고리즘이 안정적으로 사용될 수 있도록 해준다. 대표적인 방식으로 더블 슬라이딩 윈도우 방식이 있다.
수신된 OFDMA 심볼을 FFT를 통해 복조하기 위해서는 심볼의 시작 위치를 정확히 알아야 한다. 심볼의 시작 위치를 찾는 과정을 심볼 동기라고 하며, 크게 프리앰블의 자기 상관 및 상호 상관을 사용하는 방식과 CP를 사용하는 방식으로 나뉜다. 대표적인 심볼 동기 방식으로 Schmidl & Cox 알고리즘이 사용된다. 이 방식은 반송파 주파수 옵셋 및 페이딩에 강건한 특성을 갖는다.
주파수 옵셋은 정수배와 소수배 옵셋으로 나뉘며 성능의 극대화를 위해 따로 추정한다. 정수배 주파수 옵셋은 일반적으로 송수신기가 이미 알고 있는 훈련 심볼을 사용하여 추정한다. 훈련 심볼의 배치 및 구성에 따라 추정방식이 달라질 수 있으나, 수신된 주파수 영역 심볼과 특정 위치에 할당된 훈련 심볼을 매 시점마다 순차적으로 회전 천이시키면서 상관을 구하는 방식이 흔히 사용된다.
소수배 주파수 옵셋을 추정하는 방식으로는 크게 자기상관을 사용하는 방식과 CP를 사용하는 방식이 있다. 대표적인 자기상관 방식으로 Moose 알고리즘 있다. 이 방식은 동일한 두 개의 OFDM 심볼을 보호구간 없이 전송하여 주파수 옵셋을 추정한다.
와이브로 하향 링크의 경우 각 이동국은 기지국이 전송한 프리앰블을 통해 주파수 및 시간 동기를 맞추게 되는데, 이 프리앰블을 어떻게 사용하는 가에 따라 여러 가지 동기방식이 사용될 수 있다. 상향 링크는 레인징 과정을 통해 동기가 이루어진다. 기지국은 다수의 이동국에 의해 전송된 레인징 신호를 수신하게 되는데, 이 신호들이 동일한 시간에 동일한 전력으로 수신된다면 FFT 처리와 레인징 부호의 상관 특성을 통해 쉽게 동기를 이룰 수 있다.
그러나 이동국마다 채널 환경이 다르기 때문에 신호의 수신 시점이 달라질 수 있고 전력의 크기 또한 달라질 수 있다. 와이브로는 초기 및 핸드오프 레인징을 수행할 때 연속된 OFDMA 심볼 구간을 통해 동일한 레인징 부호를 전송하기 때문에 동기 범위가 넓고 성공 확률 또한 높다. 이와 더불어 주기적인 레인징을 수행하기 때문에 각 이동국의 동기를 추적하고 조정할 수도 있다.
채널 추정 기술
다중경로 페이딩에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 추정하고 보상하는 과정을 채널 추정이라고 한다. 채널을 추정하기 위해 사용하는 데이터의 형태에 따라 크게 훈련 심볼을 사용하는 방식과 데이터를 사용하는 방식이 있다. 훈련 심볼을 사용하는 방식은 다시 프리앰블과 같이 모든 부반송파를 파일럿으로 사용하는 방식와 데이터 부반송파 사이에 파일럿을 삽입하는 방식으로 나뉜다.
데이터를 사용하는 방식은 훈련 심볼을 사용하지 않기 때문에 전송효율이 좋다는 장점이 있다. 이 방식은 수신된 데이터를 검파하고 재생성하여 채널을 추정하는 방식이다. 채널 추정을 위해 사용한 기준에 따라 채널 추정 방식을 분류하기도 한다. 대표적인 추정기로 LS(Least Square) 채널 추정기와 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error) 채널 추정기가 있다.
와이브로는 프리앰블과 파일럿을 사용하여 채널을 추정한다. 프리앰블을 사용할 경우 앞에서 언급한 방식 중 하나를 선택하여 사용할 수 있는데, 구현의 용이한 LS 방식이 적합할 것으로 보인다. 파일럿을 이용하여 채널을 추정할 경우 LS 방식과 보간 기술을 혼용하여 채널을 추정한다.
보간 기술로 선형 보간, 이차 보간, 큐빅 스플라인 보간, 저역통과 필터를 이용한 보간, DFT/IDFT를 이용한 보간 등이 있다. 일반적으로 채널 추정을 시간이나 주파수 영역 중 어느 한 곳에서만 수행하는 1차원 방식이 사용되지만, 성능을 높이기 위해 시간과 주파수 영역 모두에서 채널 추정을 수행하는 2차원 방식이 사용되기도 한다. 채널 추정 방식이나 형태는 시스템의 요구 조건과 파일럿의 배치 등에 따라 달라질 수 있다.
와이브로에서 하향 링크 다이버시티 심볼과 상/하향 링크 AMC 심볼은 파일럿, 데이터 및 널 부반송파로 구성된다. 파일럿과 널 부반송파들를 배치한 후 데이터 부반송파를 배치하도록 할당 순서가 정해져 있다. 파일럿 부반송파의 할당은 연속되는 9개의 부반송파로 구성되는 빈 내에서 특정 부반송파 한 개를 할당함으로써 이뤄진다. 빈 내에서 파일럿 부반송파의 위치는 심볼의 인덱스에 따라 달라진다.
정확한 파일럿 부반송파의 위치는 9k+3m+1에 의해 결정된다. 여기서, k는 0～95의 값을 가지며 m=[symbol index] mod 3에 의해 정해진다. 이것과는 달리 상향 링크 다이버시티 심볼은 33 주파수-시간 블록인 타일 단위로 처리되며 이 타일의 중앙에 하나의 파일럿이 삽입된다. 하향 링크 다이버시티 심볼이나 AMC 심볼의 경우, 각 이동국은 OFDMA 심볼 내에 삽입된 모든 파일럿 심볼을 사용하여 채널을 추정할 수 있다. 상향 링크 다이버시티 심볼이나 AMC 심볼의 경우, 기지국은 서로 다른 채널 환경을 통과한 여러 이동국의 신호를 수신하므로 각 사용자마다 채널을 추정해줘야 한다.
전력 제어
전력 제어는 자기 기지국 용량의 최대화, 배터리 수명 연장, 인접 기지국 용량 최대화, 균일한 서비스 품질 유지 등을 위해 사용된다. 전력 제어로는 개방루프 전력 제어, 폐루프 전력 제어, 순방향 전력 제어, 외부루프 전력 제어, 순방향/역방향 과부하 제어 등이 있다. 와이브로는 하향 링크에서 순방향 전력 제어를, 상향 링크에서 개방루프 전력 제어를 수행한다.
순방향 전력 제어는 기지국으로부터 멀리 있거나 전파 상태가 좋지 않은 이동국에게는 더 큰 출력으로 송신하고 반대의 경우에는 작은 출력으로 송신하는 방식이다. 개방루프 전력 제어는 기지국으로부터 가까이 있는 이동국은 출력을 작게, 멀리 있는 이동국은 출력을 크게 송신하는 방식으로써, 이동국은 단지 기지국으로부터의 신호세기에 따라 출력을 결정하게 된다. 즉, 기지국으로부터의 수신 전력이 크면 이동국 출력을 작게, 수신 전력이 작으면 이동국 출력을 크게 함으로써 근사적으로 기지국에 도달하는 이동국 출력을 최소화할 수 있다.
정리하자면 다중접속 방식으로 OFDMA를 사용하는 와이브로는 하향 링크 전력 제어를 위해 부채널 별로 전 력할당을 조정할 수 있고, 상향링크 전력 제어를 위해 하향 링크 수신 전력에 따라 상향 링크의 송신 전력을 조정할 수 있다.
핸드오프
서비스 중 기지국과 기지국 사이를 이동하는 이동국의 서비스가 원활히 유지되도록 하는 과정을 핸드오프라고 한다. 핸드오프는 소프터 핸드오프, 소프트 핸드오프, 하드 핸드오프로 구분된다. 소프트 핸드오프는 서비스 중 이동국이 기지국과 기지국간을 이동할 때 양쪽 기지국의 신호를 동시에 잡는 중간 과정을 거쳐 서비스를 연결해주는 방식으로 ‘make before break’라고 한다.
소프트 핸드오프는 기지국의 섹터간에 이루어지는 핸드오프를 말하며, 한 섹터를 버리고 새로운 섹터를 취하는 스왑 과정에 의해 이루어진다. 하드 핸드오프는 이동국이 인접 기지국간을 이동할 때 순간적으로 서비스 절단을 발생시키지만 사용자가 서비스의 지장을 느끼지 못하는 순간에 다음 기지국으로 서비스를 재연결시켜 준다. 하드 핸드오프를 make after break라고도 한다. 교환기간이나 주파수간에 주로 하드 핸드오프가 사용된다. 와이브로는 하드 핸드오프 방식을 사용할 것으로 보인다.
간섭제거 기술
이동통신 시스템에서 주로 발생하는 간섭으로 셀간 간섭과 셀내 간섭이 있다. 셀간 간섭은 동일한 중심 주파수를 사용하는 셀들간에 발생하는 간섭을 말하다. 셀내 간섭은 셀내에 존재하는 이동국간에 발생하는 간섭을 말한다. 와이브로는 주파수 재사용률이 1이므로 모든 기지국은 동일한 중심 주파수를 사용하며 이로 인해 셀간 간섭이 발생할 수 있다.
이 간섭을 줄이기 위해 각 기지국마다 부채널의 할당을 달리하는 방식과 일부의 부채널만을 사용하고 나머지 부채널은 비워두는 PUSC(Partial Usage of Subchannels) 채널 등이 사용된다. 그러나 인접한 기지국들이 모든 부채널을 사용한다면 셀간 간섭은 심각한 수준에 이르게 되므로 이를 해결할 방안에 대한 연구가 필요하다. 셀내 사용자간 간섭은 OFDMA 방식이기 때문에 존재하지 않는다고 해석한다.
‘이동 중’이라는 새로운 차원의 서비스
지금까지 우리는 내년 중반에 서비스가 이루어질 국내 휴대인터넷 서비스 표준인 와이브로의 기술적인 특징에 대해 다루었다. 기본적인 와이브로 1단계 표준에 대해 살펴보았으며 와이브로 다중접속을 위해 사용되는 OFDM 기술과 MIMO 기술을 개념적으로 설명했다. 또한, 와이브로 표준의 구현시 실제로 고려해야 하는 필수적인 기술들을 정리했다. 현재 국내 정보통신 표준화 단체인 TTA에는 휴대인터넷을 위한 2단계 표준화 작업을 진행하고 있으며 이것이 완성될 경우 더욱 빠른 속도의 인터넷 서비스를 누릴 수 있을 것이다.
휴대인터넷은 지금까지 경험한 인터넷 서비스 환경과는 차원이 다른 ‘이동 중’이라는 새로운 차원의 서비스 사용 환경을 제공하게 될 것이며, 그 결과 지하철에서 스포츠신문이나 책을 읽는 사람, 하릴 없이 창밖을 바라보는 사람, 차창에 머리를 기대고 자는 사람들의 모습은 점차 사라지고 저마다의 단말기를 손에 들고 열심히 정보의 바다를 항해하는 사람들의 모습을 쉽게 찾아볼 수 있을 것이다.@
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원본 : http://www.zdnet.co.kr/builder/system/etc/0,39031682,39136689,00.htm
먼저 와이브로 다중접속의 기본 전송 방식인 OFDM 전송 기술과 다중 안테나 기술에 대해 설명한 후 와이브로 관련 표준화 동향과 TTA에서 제정이 완료된 와이브로 1단계 표준안의 주요 내용에 대해 알아 볼 것이다. 또한 와이브로 다중접속 표준안의 요소 기술에 대해서도 살펴본다.
현재 휴대폰을 이용한 무선인터넷 사용자도 대략 3000만명에 이르는 것으로 추산되고 있다. 이는 전체 국민 대비 인터넷 사용자의 수적인 측면에서 보면 가히 세계적이라 할 수 있다.
그러나 현재 제공되고 있는 무선인터넷 서비스는 데이터 전송 속도에 제한이 있어 ADSL, VDSL 또는 케이블 모뎀 등의 유선망을 이용한 초고속 인터넷 서비스에 비해 멀티미디어 서비스를 포함한 실시간 인터넷 서비스가 불가능한 실정이다.
최근에는 도심지역 활동인구와 차량 내에서 활동하는 시간이 많아짐에 따라 유선망이 갖는 이러한 한계를 극복하고 정지 및 이동 중에 언제, 어디서나 저렴한 가격으로 초고속 인터넷 서비스를 제공할 수 있도록 하는 서비스 모델을 사용자 및 서비스 사업자들이 강력하게 요구하고 있다.
이에 따라 국내에서는 기존에 무선 가입자망(Wireless Local Loop: WLL)에 할당되었던 2.3GHz 주파수 대역을 활용하여 기존 시스템의 한계를 극복하고 ADSL 수준의 품질과 비용으로 정지 또는 중속 이동(최고 시속 60km) 중에도 노트북 PC, PDA, 스마트폰 및 전용 단말기를 사용하여 고속인터넷 접속이 가능한 무선인터넷 서비스로서 휴대인터넷을 2002년부터 개발하게 되었으며, 현재 사업자 선정 및 표준화 제정을 마무리한 상태이며, 관련 장비 및 부품의 개발에 박차를 가하고 있다.
휴대인터넷 서비스는 정액제의 ‘Always Connected’ 형태로 유선 ADSL과 유사한 수준의 전송률과 품질을 보장함으로써 기존의 이동통신 및 3세대 이동통신 서비스와 차별화를 추구하고 있다.
현재 국내의 휴대인터넷 표준인 와이브로는 사용자가 이동하고 있는 상태에서도 고속 데이터 서비스가 가능하도록 하기 위해 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이라는 신호 전송 방식을 사용하고 있다. 또한, 여러 명의 사용자가 동시에 인터넷 서비스를 받을 수 있도록 OFDM에 근간을 둔 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)라는 다중접속 방식을 사용하고 있으며, 사용자에게 인터넷 서비스를 안정적으로 제공하기 위해 기지국과 단말기에 여러 개의 안테나를 장착하는 MIMO(multiple Input Multiple Output) 기술을 옵션으로 사용할 수 있도록 규정하고 있다.
이 기사에서는 조만간 실생활에서 자유롭게 사용하게 될 휴대인터넷 서비스에 대한 기본적인 원리의 이해를 돕고자 와이브로 표준의 다중접속 방식에 대한 내용을 다루고자 한다. 이와 관련하여 먼저 와이브로 표준의 기본 기술이 되는 OFDM 방식에 대한 원리와 통신 성능을 향상시킬 수 있는 MIMO 기술에 대하여 설명할 것이다.
다음으로는 와이브로의 표준화 진행 과정과 실제 와이브로 표준에 제시된 기본 규격에 대해 알아보고, 마지막으로 와이브로 표준의 기술적 내용에 관심 있는 독자들을 위해 실제 와이브로 표준을 구현하는 경우에 고려해야 하는 관련 기술들을 요약하여 설명할 것이다. 기술적인 설명이 딱딱하고 어렵게 느껴질 수 있겠지만 와이브로의 핵심 기술에 대해 꼼꼼히 파악하는 시간이라 생각하고 천천히 음미해 주길 바란다.
광대역 전송 기술
OFDM 전송 기술
다중경로 페이딩
무선 채널로 신호를 전송하는 경우 송신기와 수신기 사이에는 다양한 장애물들에 의해 전파가 반사되는 다중경로 채널 환경이 형성된다(<그림 1>). 다중경로가 존재하는 무선 채널은 마지막 반사 신호가 수신되는 시간인 ‘최대 지연 확산(maximum delay spread)’과 ‘전송 신호의 주기’로 그 특성을 정리할 수 있다.
시간축의 관점에서 최대 지연 확산보다 신호의 전송주기가 긴 경우에는 <그림 2(a)>와 같이 연속적으로 수신되는 신호 사이에 간섭이 발생하지 않는다. 이러한 채널을 주파수 비선택적 페이딩(frequency-nonselective fading) 채널이라고 한다. 이 채널을 통과하는 신호의 주파수 성분은 모두 유사한 주파수 특성으로 수신된다.
그러나 광대역을 사용하는 고속 전송의 경우에는 <그림 2(b)>와 같이 신호의 전송주기가 최대 지연 확산보다 짧아 연속된 수신 신호 사이에 간섭이 발생하여 수신된 신호는 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference, 이하 ISI)을 받게 된다. 이 채널의 주파수 특성은 주파수 선택적 페이딩(frequency-selective fading)으로 주어지며, 이 채널을 통과한 신호의 서로 다른 주파수 성분은 서로 다른 형태로 변형되어 수신된다. 하나의 RF 주파수를 사용하여 신호를 변조하는 단일 반송파 전송 방식에서는 ISI를 제거하기 위해 수신단에서 등화기의 사용이 요구된다.
데이터 전송 속도가 높아져 전송신호 사이의 간격이 작아지는 경우에 ISI가 증가하게 되는데 이에 따라 등화기의 복잡도도 함께 증가하게 된다. 또한 DS-CDMA 방식을 사용하여 10Mbps 시스템을 구축하기 위해 처리이득을 10～100으로 할 경우 100Mcps～1Gcps의 칩 전송률(chip rate)이 필요하므로 모뎀의 복잡도가 크게 증가하게 된다.
이와 같이 DS-CDMA의 하드웨어 복잡도 또는 단일 반송파 전송 방식에서의 등화 문제를 해결하기 위한 대안으로 OFDM 방식이 개발되었다. 최근 유럽에서는 디지털 오디오 방송(DAB)과 디지털 지상 텔레비전 방송(DTTB)의 전송 방식으로 OFDM 방식을 채택했다. 또한 무선랜의 국제 표준인 IEEE 802.11a/g와 와이맥스로 불리는 IEEE 802.16a의 표준 전송 방식으로 채택됐으며, 국내 2.3GHz 대역 휴대인터넷 서비스 표준인 와이브로의 물리 계층 전송 방식으로 채택되었다.
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| <그림 1> 다중경로 전파 환경 |
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| <그림 2> 전송 속도에 따른 수신신호 특성 |
직교 주파수 분할 다중화
OFDM 방식은 사용하고자 하는 주파수 대역을 여러 개의 작은 주파수 대역(부채널)으로 분할하여 데이터를 전송하는 주파수 분할 다중화(FDM : Frequency Division Multiplexing) 방식의 일종으로 볼 수 있다. 즉, <그림 3>과 같이 전송하고자 하는 일련의 데이터 시퀀스를 부채널의 수만큼 병렬화하고 각각의 병렬 데이터로 각 부채널에 해당하는 부반송파를 변조시킴으로써, 전체 데이터 전송 속도는 원래의 전송 속도를 유지하면서 각 부채널에서의 심볼 주기는 부채널의 수만큼 길어지게 하여 <그림 2(a)>와 같은 효과를 얻게 되는 것이다.
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| <그림 3> 다수 반송파를 사용하는 주파수 분할 다중화 |
그런데 <그림 3>을 살펴보면 각 부채널로 전송되는 신호는 대역 제한이 되지 않고 곧바로 부반송파에 의해 해당 통과대역(passband)으로 천이되는 것을 알 수 있다. 따라서 각 부채널의 전송 스펙트럼 모양은 <그림 4>와 같은 형태를 가지게 되며 이 때문에 인접한 부채널 사이에 간섭이 발생할 수 있는 가능성이 발생한다.
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| <그림 4> 특정 부반송파의 전송 스펙트럼 |
그러나 <그림 4>의 스펙트럼 특성을 살펴보면 1의 값을 갖는 중심 주파수 양쪽으로 주기적으로 0의 값을 갖는 것을 볼 수 있는데, 이 때 0이 되는 주기는 각 부채널의 전송주기의 역수가 된다. 따라서 각 부채널의 부반송파 위치를 0이 되는 위치에 배치하게 되면 부채널 사이에 간섭이 발생하지 않게 되어 결국 각 부반송파는 직교(orthogonal) 성질을 갖게 되는 것이다.
기저대역 고속 변복조
<그림 4>를 보면 N개의 부반송파를 사용하여 통과대역이 변조되는 것을 알 수 있는데 이를 위해서는 N개의 오실레이터가 사용되어야 한다. 오실레이터를 통과한 아날로그 신호는 모두 더해져서 무선 채널로 전송된다. 이 아날로그 신호의 중심 주파수를 DC로 변환하여 기저대역(baseband) 신호를 생성한 후 샘플링을 통해 이산시간 신호로 변환시킨다.
그 결과는 통과대역이 변조되기 이전 데이터 심볼들을 IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)하는 결과와 동일하게 된다. 따라서 실제로는 다수의 통과대역 부반송파를 사용하는 것이 아니라 기저대역에서 N개의 데이터를 IDFT한다. 이후 그 결과 신호를 단일 오실레이터를 사용하여 원하는 주파수 대역으로 천이시킴으로써 통과대역 OFDM 변조를 이룰 수 있다.
수신단에서는 단일 오실레이터를 사용하여 통과대역 수신 신호를 기저대역으로 변환한 후 IDFT의 대응 연산인 DFT를 수행하여 이룰 수 있다. 또한 IDFT와 DFT는 전체 부반송파의 수가 2의 거듭제곱인 경우 이들의 고속연산인 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)와 FFT를 통해 구현하게 된다.
<그림 5>는 기저대역에서 부반송파를 할당하는 예를 나타낸 것이다. 이 그림에서 전체 전송 주파수 대역은 512개의 부채널로 분할됐으며, 512개의 부반송파 중 400개의 부반송파에 데이터를 전송하고 DC를 포함한 나머지 112개의 부반송파에는 데이터를 전송하지 않는다. 좌우 양쪽 끝의 부반송파를 비워두는 이유는 대역 밖으로 누설되는 잡음을 줄이기 위한 것으로 이를 가상 반송파(Virtual Carrier)라고 한다.
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| <그림 5> 전체 부반송파의 수가 512인 경우의 부반송파 할당 예 |
Cyclic Prefixv 주기적 전치 부호
OFDM 심볼의 전송은 블럭 단위로 처리가 이뤄지나 OFDM 심볼이 다중경로 채널을 통해 전송되는 동안 이전에 전송된 심볼에 의해 영향을 받게 된다. 이러한 OFDM 심볼간 간섭을 방지하기 위해 연속된 OFDM 블럭 사이에 보호 구간(GI : Guard Interval)을 삽입한다. 이 때 보호 구간의 길이는 무선 채널의 최대 지연 확산보다 길어야 한다.
수신단에서는 보호구간을 제거한 후 나머지 수신 신호를 취하여 데이터 복조를 수행한다. 보호 구간에 삽입되는 신호를 ‘0’으로 할당하면 이전 심볼의 지연 성분을 모두 흡수할 수 있어 심볼간 간섭이 발생하지 않지만 채널간 간섭은 존재하게 된다.
만약 채널을 통과한 후 수신된 신호의 모든 부반송파가 지연 없이 수신되었다면 FFT 구간에서 직교성이 유지된다. 하지만 N개의 부반송파 중 어떤 부반송파가 시간 지연을 갖고 수신되었다면 그 부반송파는 FFT 구간 내에서 기본 주파수의 정수배 주기가 되지 않아 직교성이 파괴된다. 따라서 다른 부반송파에 왜곡을 주는 채널간 간섭이 발생하게 되는 것이다. 이러한 문제는 보호 구간 위치에 CP(Cyclic Prefix)를 삽입함으로써 해결할 수 있다.
<그림 6>과 같이 CP를 삽입하게 되면 임의의 부반송파에 지연이 발생할 경우에도 FFT 구간 내에서 부반송파가 정수배 주기가 유지되어 직교성이 보장된다. 복조된 신호에는 단지 지연에 의한 위상의 회전만이 발생하게 되므로 채널간 간섭이 발생하지 않는다. 이러한 보호 구간의 삽입으로 대역폭 효율이 감소하게 된다. 보호 구간의 길이는 채널의 최대 지연 확산을 고려해서 결정하지만 통상 전체 심볼 주기의 1/4 이하가 되도록 해야 한다.
<그림 7>은 지금까지 설명한 OFDM 구조를 송신기와 수신기로 구분하여 블럭도로 나타낸 것이다. 이 구조에서 FEC(Forward Error Correction)는 데이터 전송 오류를 정정하기 위한 채널 부호화로 길쌈 부호, Reed-Solomon 부호, Low Density Parity Check(LDPC) 부호, 터보 부호 등이 사용될 수 있다.
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| <그림 6> 심볼간 간섭과 채널간 간섭을 방지하기 위한 CP의 삽입 방법 |
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| <그림 7> OFDM 방식의 송신기와 수신기 블럭도 |
다중 액세스 방식
방송용이 아닌 셀룰러 이동통신, 무선 ATM, 무선랜 등에 OFDM 전송 방식을 사용하는 경우에는 단일 반송파 전송 방식과 마찬가지로 다수의 사용자를 위한 다중 액세스 방식이 사용되어야 한다. 대표적 방식으로는 TDMA(Time-Division Multiple Access), FDMA(Frequency-Division Multiple Access), CDMA(Code-Division Multiple Access)가 있으며 OFDM과 이들 액세스 방식을 결합한 구조는 <그림 8>에서 비교해 보았다.
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| <그림 8> 다중 액세스 방식의 비교 |
TDMA의 경우에는 전체 전송 대역이 N개의 부반송파로 구성되어 있고 각 사용자는 할당된 시간동안 모든 부반송파를 이용한다. FDMA는 전체 부반송파 중에서 일부 부반송파를 이용하여 시간에 제한받지 않고 데이터를 전송하는데 부반송파의 할당은 사용자의 상태에 따라 동적으로 변할 수 있다. CDMA는 각 사용자가 고유의 확산 부호를 사용하여 모든 시간과 부반송파를 이용하는데 확산 방식에 따라 MC-CDMA, multicarrier DS-CDMA, MT-CDMA로 구분할 수 있다.
패킷 전송을 하는 셀룰러 이동통신, 무선ATM, 무선랜에서는 상향과 하향의 듀플렉싱 방식으로 TDD(Time Division Duplexing)가 유리하며, 상향 전송시에는 동기식인 경우 사용자가 서비스 시간 동안 최대의 전송률을 가지도록 OFDM-TDMA가 적합하고, 하향전송에는 세 가지 방식이 모두 사용될 수 있다.
OFDM의 고려 사항
OFDM 방식에서는 다수의 데이터들을 IFFT함으로써 기저대역 변조를 이룬다. 이는 불규칙 위상을 갖는 다수의 데이터가 더해지는 것으로 볼 수 있으며, 그 결과 신호의 크기 변화가 크게 나타난다. 신호 크기의 변화 정도를 측정하는 방법으로 신호의 최대전력 대 평균전력의 비(PAR : Peak-to-Average Power Ratio)를 사용하는데 OFDM 방식은 단일 반송파 방식에 비해 큰 PAR를 갖는 것이 일반적이다.
이와 같이 큰 PAR는 D/A 및 A/D 변환기, 고출력 증폭기를 사용하는 경우에 커다란 단점으로 나타나게 된다. PAR를 감소시키기 위한 가장 간단한 방법으로 신호의 크기를 일정 레벨로 제한시키는 클리핑(clipping) 기법을 사용할 수 있다.
OFDM 방식에서는 각 부반송파에서의 페이딩을 보상하기 위해 단일탭 등화기를 사용하며 이를 위해 먼저 각 부반송파의 페이딩 정보를 추정하는 채널 추정을 수행해야 한다. 채널 추정을 위해서는 특정 부반송파에 파일럿 신호를 할당하는 기법과 훈련 심볼을 데이터 심볼 이전에 먼저 전송하는 기법이 사용될 수 있다.
하나의 OFDM 심볼이 전송되는 동안 수신기가 고속으로 이동하는 경우에는 무선 채널의 특성이 변하게 되며 이로 인해 부반송파 사이의 직교성이 파괴되어 수신 성능이 나빠진다. 따라서 고속 이동 환경에서 OFDM을 사용하는 경우에는 이에 대처할 수 있는 채널 추정이나 등화 기법을 사용해야 한다.
OFDM 방식의 수신단에서는 심볼 동기와 반송파 주파수 동기를 정확히 이뤄야 전송 데이터를 정확하게 복원할 수 있다. 심볼 동기는 변복조가 각각 IFFT와 FFT에 의해 이뤄지기 때문에 필요한 것으로 수신단에서 OFDM 심볼의 시작 위치를 찾아내어 FFT 수행한다.
또한, 송신기와 수신기에서 사용하는 오실레이터는 서로 다른 주파수를 가질 수 있어 복조 신호에는 반송파 주파수 오차가 발생할 수 있다. OFDM 심볼은 다수의 부반송파가 서로 인접하여 구성되므로 약간의 주파수 오차에도 민감한 특성을 갖는다. 따라서 수신단에서는 주파수 동기를 이루기 위한 기술을 사용해야 한다.
다중 안테나 OFDM 전송기술
다중 안테나 전송 기술은 송신기와 수신기에 다수의 안테나를 장착하여 신호를 송수신하는 기술을 말한다. 다중 안테나 기술을 사용하는 목적은 송신단과 수신단에 각각 하나의 안테나를 사용하여 통신을 하는 경우와 비교할 때 사용 목적 또는 구현 형태에 따라 수신 신호의 전력을 안정적인 수준에서 유지할 수 있고, 많은 양의 데이터를 동일 시간에 전송할 수도 있으며, 다중 사용자 환경에서 특정 사용자에게 안정적인 신호 전송이 가능하다는 장점을 갖는다. 여기에서는 다중 안테나 기술을 MIMO-OFDM 전송기술과 스마트 안테나 OFDM 기술로 나누어 설명한다.
MIMO-OFDM 기술
MIMO-OFDM 기술은 주파수 선택적 페이딩 채널 환경 하에서 OFDM과 MIMO 기법의 장점을 동시에 취할 수 있는 기술이다. 특히 MIMO-OFDM 기술은 시간과 공간만이 아니라 주파수 영역을 활용할 수 있기 때문에 기존의 시공간 MIMO 시스템을 유연하게 확장하여 OFDM에 적용시킬 수 있다.
이러한 MIMO-OFDM 기법은 다이버시티 이득과 부호화 이득을 목적으로 하는 다이버시티(diversity) 기법, 채널 용량을 증대시켜 전송률의 증가시키는 공간 멀티플렉싱(spatial multiplexing) 기법, 다이버시티와 공간 멀티플렉싱 기법을 결합한 기법 등으로 분류할 수 있다. 이 중 다이버시티 기법으로는 STC-OFDM 기법이 대표적이며 이에는 STTC(Space-Time Trellis Code)-OFDM, STBC(Space-Time Block Code)-OFDM, SFBC(Space-Frequency Block Code)-OFDM 등이 있다. <그림 9>는 MIMO-OFDM의 블럭도를 보여주고 있다.
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| <그림 9> MIMO-OFDM 블럭도 |
STTC는 다중 송신 안테나를 사용하여 공간 다이버시티 효과를 얻을 수 있는 기법으로 대역폭 손실 없이 부호화 이득도 함께 얻을 수 있다. 입력 비트열은 STTC 부호화기에 의해 심볼로 변환되는데 이 때 미리 정해진 상태도에 따라 다이버시티 이득과 부호화 이득이 최대가 되도록 각 송신 안테나에 심볼이 맵핑된다.
할당된 심볼은 각각의 안테나를 통해 동시에 전송되며, 수신단에서는 비터비 복호기를 사용하여 전송 비트를 검출하게 된다. 이 방식은 설계 기준에 따라서 성상도의 크기와 다이버시티 이득, 트렐리스의 복잡도 및 전송률 사이의 트레이드 오프(trade-off)를 가진다.
STTC는 우수한 대역폭 사용 효율과 다이버시티 및 부호화 이득에도 불구하고 높은 복잡도로 인해 실제 적용하는데 있어 커다란 문제를 갖게 된다.
STBC는 이와 달리 송신단에서의 간단한 부호화와 수신단에서의 단순한 선형 결합을 사용하면서도 큰 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. STBC는 주파수 비선택적 페이딩 채널 환경을 기반으로 설계되었으며, OFDM 방식에서 각 부반송파는 근사적으로 주파수 비선택적 페이딩을 겪게 되므로 STBC-OFDM을 쉽게 구현할 수 있다.
STBC-OFDM에서 부호화는 전송 데이터의 간단한 변환에 의해 이뤄지며 송신 안테나의 수가 2인 경우 STTC와 마찬가지로 대역폭 손실 없이 공간 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 이 때 두 개의 채널이 독립적인 페이딩을 겪을 경우 큰 다이버시티 이득을 얻을 수 있다.
그러나 안테나의 수가 2 이상인 경우에는 최적의 복소수 부호를 얻기 위해 대역폭이 증가하게 되는 단점이 있다. 또한, 하나의 부호가 다수의 OFDM 심볼 주기 동안 전송되므로 도플러 주파수에 의한 채널 변화가 크게 발생할 경우 채널 오차에 의한 왜곡을 받게 된다.
시간적으로 연속된 두 OFDM 심볼간에 채널의 변화가 없을 경우 STBC-OFDM을 적용할 수 있으며 이 방식은 부반송파간 간격이 작고 유효 심볼의 길이가 짧은 무선랜과 같은 응용에서 유리하다. 반면, 채널의 시변 정도가 커서 연속된 OFDM 심볼 사이에 채널이 변화할 경우에는 STBC-OFDM은 적용이 어려워진다. 그러나 채널의 주파수 선택적 특성이 크지 않고, FFT 크기가 매우 커서 인접 부채널간의 채널 주파수 응답이 유사한 경우에는 주파수 영역에서 부호화를 적용하는 SFBC-OFDM을 적용할 수 있다.
BLAST-OFDM 방식은 리치 스캐터링(rich scattering) 환경에서 송수신단에 다중 안테나를 사용하여 각 송신 안테나마다에 신호를 전송함으로써 전송률을 향상시킬 수 있으며, 송신 신호가 채널의 동기 대역폭보다 작은 대역폭을 갖는 주파수 비선택적 페이딩을 가정하기 때문에 BLAST-OFDM 방식이 다중경로 환경에 쉽게 적용될 수 있다.
이러한 BLAST-OFDM 방식에서는 송신 다이버시티 기법과는 달리 수신 안테나의 수가 송신 안테나의 수보다 같거나 많아야 하고 독립적인 페이딩 채널이 형성되어야 하기 때문에 송수신단의 거리가 비교적 작고 노트북과 같이 다중 수신안테나를 사용할 수 있는 무선 랜 또는 무선 PAN(Personal Area Network)과 같은 환경에 적합하다.
스마트 안테나 OFDM 기술
스마트 안테나 기술은 phased array, SDMA(Space Division Multiple Access), 적응 배열 안테나 시스템, 빔 형성(beam forming), 공간처리 기술 등을 포함하며, 크게 switched 빔과 적응배열 안테나의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
Switched 빔 기법은 미리 정해진 빔 패턴(beam pattern) 중 수신 전력에 따라 최고의 성능을 줄 수 있는 빔 패턴을 선택하여 수신하는 방식이다. 이 방식은 무지향성 안테나(omni-antenna)에 비해 공간 선택으로 인한 수신 전력의 이득을 얻을 수 있으나 간섭 신호를 능동적으로 제거할 수 없어 성능 향상이 제한된다.
반면에 <그림 10>과 같은 적응 배열 안테나 시스템의 빔 형성 기법은 안테나 배열을 사용하여 각 엘리먼트별로 입사된 신호들을 특정 기준(예 : MMSE, ML, maximum SINR) 하에서 결합하여 다른 공간상의 위치한 co-channel 사용자로부터의 간섭 신호와 원하는 신호를 분리할 수 있는 기법으로 간섭 신호에 적응적으로 대처할 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 스마트 안테나 기술을 셀룰러 통신 시스템에 적용할 경우에 서비스 범위, SNR, 셀 허용 용량 등이 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 OFDM 기반의 셀룰러 시스템에선 소비 전력의 감소, 셀간 간섭의 회피, 다중경로 신호의 감소로 인한 OFDM의 신호 오버헤드(보호 구간) 감소 등의 효과가 있다.
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| <그림 10> 협대역 적응 빔 형성기 |
빔 형성을 수행하기 위한 기술로는 공간상의 정보를 기반으로 하는 SRB(Spatial Reference-Based)-BF(Beamformer), 훈련 신호를 이용하여 공간 특성을 추정하는 TRB(Training Reference Based)-BF와 특정한 정보 없이 수신된 신호의 특성을 기반으로 빔을 형성하는 Blind BF의 세 가지로 크게 분류할 수 있다.
스마트 안테나 시스템에서 입사되는 광대역 신호들은 배열 안테나의 각 엘리먼트별로 다중경로를 경험하며 수신된다. 이러한 광대역 TRB 빔 형성은 공간상에서의 간섭뿐만 아니라, 시간 영역상의 다중 경로에 의한 왜곡/간섭(ICI, ISI)의 영향을 고려해야 한다. 이 경우 빔 형성은 시간 영역에서 TDL 형태의 FIR 필터 또는 주파수 영역에서 다수 개의 협대역 BF로써 수행될 수 있다.
이와 같이 광대역 신호에 대한 스마트 안테나 OFDM 시스템에서 적응 빔 형성을 위한 방식으로는 FFT 전단인 시간 영역에서 각 안테나별로 적응 필터링(TDL)을 수행하는 Pre-FFT BF와 각 안테나별로 FFT 후 주파수 영역에서 각 부반송파별로 적응 필터링(1-tap)을 수행하는 Post-FFT BF 형태를 고려할 수 있다. 스마트 안테나 관점에서 OFDM 시스템은 여러 개의 협대역 채널로 구성되어 있어, 전체 대역폭은 주파수 선택적 페이딩이다. 하지만 각 부반송파는 주파수 비선택적 페이딩을 경험하므로 각 부반송파별로 협대역 빔 형성을 수행할 수 있어 Post-DFT BF로의 구현이 용이하다.
다중 사용자를 고려하여 SDMA 뿐만 아니라 OFDMA(OFDM/FDMA)를 수행할 수 있으며, 스마트 안테나 OFDMA에서는 각 사용자에게 부분 대역을 할당하고 사용자별로 할당된 대역에서 빔 형성을 수행할 수 있다. TDD 시스템에서 프레임 내의 채널 변화가 없는 경우에 상향 링크와 하향 링크의 채널이 동일한 장점이 있어 상향 링크에서 계산된 빔 형성 계수를 하향 링크에 적용할 수 있다.
하지만 사용자가 이동하는 경우에 채널 변화에 대한 고려가 필요하며 또한 상향 링크와 하향 링크의 채널은 동일하더라도 간섭은 동일하지 않기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. 반면, FDD 시스템에서는 사용대역에 따라 다른 채널 응답을 갖기 때문에 각각 최적의 계수 값을 구해야 하며, 하향 링크에서 계수 값을 추정하기 위해서는 하향 링크 채널 정보를 기지국에 제공할 피드백 채널이 필요하다.
와이브로 다중접속 표준
표준화 동향
초기 무선 접속 기술은 MMDS나 LMDS로 대표되는 LOS(Line-Of-Sight) 환경에서의 고정 무선 접속 방식이 주류를 이루었다. 이후 Non-LOS에서도 많은 양의 데이터를 전송할 수 있는 광대역 무선 접속 방식에 대한 연구가 진행되어 왔다.
이 방식은 단순한 음성이나 데이터 서비스를 넘어 멀티미디어 서비스를 제공해줄 수 있어 사용자들의 다양한 욕구를 충족시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 광대역 무선 접속의 한계인 이동성 문제를 극복하기 위해 사용자의 이동성을 지원할 수 있는 휴대인터넷에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. <그림 11>은 휴대인터넷과 관련하여 광대역 무선 접속 기술의 진화 단계를 도식화한 것이다.
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| <그림 11> 광대역 무선 접속 기술 |
국내의 경우 2003년 6월 20일 제33차 정보통신표준총회에서 TTA 휴대인터넷 그룹(PG05)이 신설되어 총 52개 기관, 약 235명이 참여하여 표준화 활동을 전개했으며, 2004년 3월 PG302로 명칭을 변경했다. PG302에는 무선 접속 실무반, 서비스 및 네트워크 실무반, IPR Ad Hoc 그룹, 국제협력 Ad-Hoc 그룹, IOT/CT Task Force가 활동하고 있으며, 조정위원회에서 이들간의 업무 조정을 수행하고 있다.
이 프로젝트 그룹은 2004년 6월 25일에 1단계 30Mbps급 TTA 표준(Phase I)을 완성했다. 이 표준은 물리 계층(TTAS.KO-06.0064)과 매체접근 제어 계층(TTAS.KO-06.0065)으로 구성되어 있다. 2004년 7월부터 2단계 50Mbps급 TTA 표준(Phase II)에 대한 논의가 진행되고 있으며, 고속 데이터 전송률을 보장하는 기술에 중점을 두고 있다. 2004년부터는 ‘와이브로’라는 공식 명칭을 사용하고 있다.
한편, 2004년 7월 정보통신부는 국내 휴대인터넷 표준 선정 기준으로 IEEE 802.16e 표준과 호환되면서 여기에 5가지 조건을 만족시키는 것으로 결정했다고 발표했다. 다섯 가지 조건으로는 시속 60km로 이동시 최소 하향 512kbps, 128kbps의 전송 속도 구현, 9MHz 이상의 채널대역폭, 사업자 장비간 로밍, TDD 방식, 주파수 재사용 계수 1 등이 있다. 이에 TTA에서는 와이브로와 IEEE 802.16e와의 호환성 문제에 대한 검토를 진행하고 두 방식 사이의 차이점에 대한 해결책을 모색하고 있다. 정보통신부는 2005년 2월에 3개의 휴대인터넷 사업자를 선정하였으며 2006년에 중반에 상용 서비스를 목표로 하고 있다.
한편 국내의 휴대인터넷 표준과 유사한 형태의 국제 표준화 활동은 미국의 IEEE 802.16과 IEEE 802.20을 중심으로 휴대인터넷과 관련된 표준화를 진행하고 있다. IEEE 802.16은 최근 P802.16-REVd의 표준화 작업이 완료되어 IEEE 802.16-2004로 배포되었다. 한편 인텔이 중심이 된 와이맥스(WiMax) 포럼이 결성되어 IEEE 802.16a의 성공적인 표준화와 시장 진입을 위해 활동하고 있으며 이미 인텔에서는 와이맥스 칩을 개발하여 추후 상업화 성공 여부가 주목된다.
와이브로와 가장 유사한 규격은 앞서 언급한 IEEE 802.16e이며, 이 둘의 주요한 특성은 <표 1>과 같다. IEEE 802.16e의 경우 2005년 상반기에 규격화가 완료될 것으로 보이며 다중화 방식으로 TDD, FDD 둘 모두를 지원하며 변조 방식으로 SC2, OFDM, OFDMA 등을 지원한다. 주파수 대역은 2～6GHz이고 채널 대역폭은 가변적으로 할당할 수 있다.
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| <표 1> IEEE 802.16e와 와이브로의 특성 비교 |
물리 계층 표준 내용
휴대인터넷 시스템은 하향 링크와 상향 링크를 시간으로 구분하는 TDD 방식이 사용되며, 다중접속 방식으로는 OFDMA가 사용된다. OFDMA 심볼은 총 1024개의 부반송파로 이루어져 있으며, 데이터가 전송되는 데이터 부반송파, 채널 및 동기 등을 추정시 사용되는 파일럿 부반송파, 그리고 보호 밴드와 DC 부반송파가 포함된 널 부반송파로 구성된다.
보호 밴드의 목적은 OFDMA 신호의 스펙트럼이 ‘brick wall’ 형태를 갖도록 하는 것인데, 좌우 다수개의 부반송파에 ‘0’을 전송함으로써 인접 주파수 대역에 간섭으로 작용하는 신호 성분이 작아지도록 하는 것이다. 각 부반송파들은 부반송파 하위 집합으로 나뉘고 각 하위 집합은 부채널로 명명된다. 하향링크에서 부채널은 여러 다른 수신기를 위한 것이며 상향링크에서 송신기는 하나 이상의 부채널에 할당되고 동시에 여러 송신기가 신호를 전송할 수 있다. <그림 12>에서 이에 대한 개념을 예를 들어 나타냈다.
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| <그림 12> OFDMA 부반송파의 부채널 할당 방법 |
기본 시스템 변수는 5msec의 고정 프레임 구조로 설계되어 있으며, <표 2>에 기본 시스템 변수를 나타냈다. TDD 시스템의 상향 링크와 하향 링크는 전송시간으로 구분된다. 하향 링크 전송은 <그림 13>에서처럼 한 개의 프리앰블 심볼, FCH 및 DL-MAP, 데이터 심볼 순서로 시작된다. 상향 링크는 제어심볼 전송부터 시작되며, 상하향 전송 시간을 구분하기 위한 보호시간인 TTG(121.2㎲) 및 RTG(40.4㎲)는 프레임 중간과 마지막에서 하향 링크 및 상향 링크 사이에 삽입된다.
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| <그림 12> OFDMA 부반송파의 부채널 할당 방법 |
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| <그림 13> 프레임 구조 |
하향 링크 프리앰블은 초기 동기, 셀 탐색, 주파수 오프셋 및 채널 추정에 사용할 수 있다. 하향 링크의 데이터 전송 구간은 PUSC 부채널 구간과 다이버시티 부채널 구간 및 AMC 부채널 구간으로 나뉜다. PUSC 부채널은 두 개의 심볼에 걸쳐 분산된 부반송파로 구성되고, 다이버시티 부채널은 동일한 대역에 있는 여섯 개의 인접한 빈으로 구성된다. PUSC 심볼, 다이버시티 심볼 및 AMC 심볼의 구성은 단말들의 채널 분포에 따라 기지국이 결정한다. 하향 링크 후반부에 위치한 일부 심볼은 방송 서비스를 위해 사용할 수 있다.
상향 링크의 처음 세 심볼은 레인징 채널, ACK 채널 및 CQI 채널에 사용된다. 상향 링크에서 다이버시티 부채널을 구성하는 기본 단위는 타일이며 전체 주파수 대역에 분산된 세 개의 타일로 이루어진다. AMC 부채널을 구성하는 기본 단위는 빈이며, 하나의 AMC 부채널은 여섯 개의 빈으로 구성된다. 하향 링크에서처럼 AMC 및 다이버시티 부채널의 구성 비율은 프레임마다 변경 가능하다. <그림 14>는 타일과 빈의 구조를 나타낸다.
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| <그림 14> 타일 및 빈의 구조 |
하향 링크의 첫 번째 심볼은 프리앰블이며 특정 PN 코드가 BPSK 변조되어 전송된다. 프리앰블 부반송파 집합은 세 가지 타입으로 나뉜다. 매 4번째 하향 링크 프레임에서 마지막 OFDM 심볼은 공용 동기 심볼로 사용할 수 있다. 기지국에서는 안테나 0을 통해 공용 동기 심볼을 전송한다. 주파수 영역에서 정의되는 공용 동기 심볼의 구조를 <그림 15>에 나타냈고, 시간 영역에서 정의되는 공용 동기 심볼의 구조를 <그림 16>에 나타냈다.
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| <그림 15> 공용동기 심볼 구조(주파수 영역) |
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| <그림 16> 공용동기 심볼 구조(시간 영역) |
하향 링크 다이버시티 심볼과 상/하향 링크 AMC 심볼은 파일럿, 데이터 및 널 부반송파로 구성된다. 파일럿 부반송파의 할당은 연속되는 9개의 부반송파로 구성되는 빈 내에서 특정 부반송파 한 개를 할당함으로써 이루어진다. 빈 내에서 파일럿 부반송파의 위치는 심볼의 인덱스에 따라 달라진다. 빈 안의 9개의 부반송파의 인덱스를 0～8이라 하고 심볼의 인덱스를 m이라 할 때 파일럿 부반송파의 인덱스는 3l+1이 된다(l=m mod 3). <그림 17>은 하향 링크 다이버시티 심볼 및 상/하향 링크 AMC 심볼에서의 파일럿 부반송파의 할당을 나타낸다.
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| <그림 17> 하향 링크 다이버시티 심볼 및 상/하향 링크 AMC 심볼에서의 파일럿 부반송파 할당 |
AMC 부채널을 구성하기 위해 각 심볼에서 널 부반송파를 제외한 전체 부반송파는 9개의 인접한 부반송파로 이루어진 빈이라는 단위로 나눠지고 이렇게 만들어진 인접한 빈 M개를 묶어서 밴드를 구성한다. AMC 부채널은 각 밴드 내에서 인접한 6개의 빈들로 구성된다. 인접한 빈 6개를 구성하는 방법은 주파수-시간축 상에서 1빈x6심볼 블록, 2빈x3 심볼 블록, 3빈x2심볼 블록으로 구성할 수 있으며, 마지막으로 각 밴드 내에서 주파수 축 방향 그리고 시간축 방향으로 순서대로 인덱스를 지정한 후 앞에서부터 6개씩 나누어 부채널을 구성할 수 있다.
다이버시티 부채널을 할당하기 위해, 슬롯 안에 있는 전체 데이터 부반송파는 서로 인접해 있는 데이터 부반송파 군들로 분할된다. 각 부채널은 이 군들로부터 하나씩 선택된 부반송파의 개수와 같은 48이 된다. 하나의 군 안에 있는 부반송파의 개수는 부채널의 개수 16과 동일하며, 부채널을 구성하는 분할 방법은 하향 링크 순열 공식이라고 불리는 수식에 따른다.
상향 링크 부채널 할당은 기본적으로 하향 링크에서와 동일하다. 다이버시티 부채널 심볼 이후의 나머지 모든 데이터 심볼들은 AMC 부채널에 할당한다. 상향 링크 AMC 부채널에서 파일럿 부반송파의 위치는 하향 링크에서 파일럿 부반송파의 위치와 동일한 방법으로 세 심볼을 주기로 같은 위치를 점유하게 된다. 상향 링크 다이버시티 부채널을 할당하기 위해, 연속되는 3 심볼 안의 부반송파 9개의 톤이 들어 있는 3x3 주파수-타임 블럭인 타일들로 분할한다.
전체 주파수 대역은 인접해 있는 타일들로 이뤄진 군들로 분할된다. 각 부채널은 6개의 타일로 구성되는데, 각 타일은 서로 다른 군에서 선택된다. 각 부채널은 6개의 타일로 구성되므로 48개의 데이터 부반송파와 6개의 파일럿 부반송파로 이루어진다. 부채널을 구성하는 방법은 상향 링크 순열 공식이라고 불리는 수식에 따른다.
상향 링크에는 하향 링크와 다른 미니 부채널이 존재하는데, 기존의 다이버시티 부채널과 동일하게 6개의 3x3 타일로 구성된다. 미니 부채널은 다이버시티 부채널을 심볼 방향으로 M (M=2, 3, 6)개 연결한 후, 세 심볼 각 구간에서 6/M개의 타일을 할당함으로써 전체 6개의 타일로 구성된다.
OFDMA 물리 계층에서는 4가지 레인징 모드를 정의한다. 상기 레인징 모드들은 초기 레인징, 주기적 레인징, 핸드오프 레인징 및 대역폭 요구 레인징으로 구성된다. 이 모드 중에서 대역폭 요구 레인징은 단말이 기지국에 대역폭을 요구하는 목적으로 사용되며, 이 외의 모든 모드는 단말과 기지국간의 상향 링크 동기 획득과 전력 제어 목적으로 사용된다.
레인징 신호는 동일한 시간에 다수의 단말로부터의 레인징 신호 송출이 허용되는데, 각 단말은 앞서 설명된 용도에 따라 레인징 모드를 구분 사용하게 된다. 레인징 신호 변조를 위하여 단말은 사용 가능한 레인징 부호 중에서 하나를 임의로 선정하고 BPSK 변조하여 송출한다. 이 때 단말은 임의로 선택한 레인징 부호로 레인징을 시도하기 때문에 레인징 채널 상에서 충돌될 수 있다. 레인징 채널에 할당된 부반송파의 수는 144이며, 3×3 타일 형태의 상향링크 다이버시티 부채널 8개를 할당해서 0～143번의 부반송파를 사용한다.
레인징 부호는 BPSK 변조되기 때문에 레인징 부호 길이 또한 144이다. 이 때 단말이 임의 선택하여 전송 가능한 해당 레인징 모드별 레인징 부호수는 시스템 배치 때 결정되는 시스템 운용 파라미터이다. 단말에게 허용된 레인징 전송 구간은 레인징 모드에 따라 다르다. 초기 레인징과 핸드오프 레인징 전송 슬롯은 상향 링크 프레임 구간에서 첫 번째와 두 번째 OFDMA 심볼로 구성되며, 주기적 레인징과 대역폭 요구 레인징 전송 슬롯은 상향 링크 프레임 구간에서 세 번째 OFDMA 심볼로 구성된다.
초기 레인징과 핸드오프 레인징의 경우, 상향 링크 동기가 전혀 확보되지 않은 상태에서 시도되므로 두 개의 연속된 OFDMA 심볼 구간으로 구성된다. <그림 18>과 같이 첫 번째 심볼은 기존의 OFDMA 심볼과 같은 구조로 두 번째 심볼은 보호 구간을 신호 뒷부분에 추가하여 두 OFDMA 심볼 구간의 경계 지점에서 파형의 불연속이 발생하지 않도록 한다.
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| <그림 18> OFDMA에 대한 초기 및 핸드오프 레인징 신호 |
레인징 부호는 <그림 19>의 PRBS에서 생성된 PN 부호가 레인징 부호로서 사용된다. PN 부호를 생성하기 위해 사용되는 생성 다항식은 ‘1+X1+X4+X7+X15’와 같고, 셀 구분을 위한 PN 부호 생성기의 초기화 부호가 셀마다 다르게 적용된다.
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| <그림 19> 레인징 부호 생성을 위한 PRBS |
PN 생성기 레지스터는 ‘00101011’과 7비트의 셀 인식 번호에 의해 초기화된다. 단말은 개방루프 전력 제어를 통해 송출 전력을 조정한 다음 레인징 신호를 전송한다. 이에 따라 각 단말로부터 전송된 레인징 신호는 거의 동일한 신호 세기로 기지국에 수신되기 때문에 레인징 성공 확률이 높아진다.
휴대인터넷 기지국에서는 다중 안테나를 사용한 시공간 처리(STP : Space Time Processing) 기술을 사용할 수 있다. 시공간 처리 기술은 다수 개의 안테나를 가진 기지국에서의 하향 링크에 적용되어 전송 다이버시티를 통해 신호의 신뢰도를 증진시키게 된다. 또한 송수신 양측에 다수 개의 안테나를 사용하는 공간 다중 기법을 통해 주파수 효율성도 증가시킨다. 휴대인터넷 규격에서는 2개의 혹은 4개의 송신 안테나 시스템이 고려된다.
물리 계층으로 입력되는 MAC PDU의 크기가 허용된 입력 비트의 수가 아닐 경우 ‘1’이 MAC PDU의 뒤에 패딩된다. 패딩된 패킷은 랜덤화 블럭으로 입력되며, 랜덤화 과정은 데이터 버스트 별로 수행된다. PRBS 생성 다항식은 1 + X14 + X15이다.
이때 PRBS를 생성하기 위하여 초기화 벡터가 사용되는데, 전송하려고 하는 버스트의 비트를 MSB부터 연속적으로 랜덤화기에 입력한다. 생성된 PRBS와 버스트 비트의 XOR 과정을 통해 랜덤화 과정이 수행된다. 랜덤화기는 각 버스트에 대하여 초기화 벡터에 의해 초기화된다. 초기화 벡터는 IDcell의 하위 5비트를 초기화 벡터의 하위 5비트로 사용하며, 나머지 부분은 ‘1’로 설정한다.
랜덤화기를 통해 생성된 버스트는 H-ARQ가 적용될 경우 CRC 부호화된다. CRC의 크기는 16이며 ITU-R 권고안 X.25에 정의된 CRC-16-CCITT가 사용되며, CRC 부호가 추가된 패킷은 그 크기가 n*4800일 경우, n개의 4800 비트 블럭으로 분할되어 처리되고, 변조기 입력단에서 이전에 분리된 순서로 재조립된다.
또한 H-ARQ가 적용되지 않은 버스트의 경우 부호화 과정의 기본 단위는 부채널이고 이를 연접하여 부호화한다. 즉, 일정 규칙에 따라 연접된 부채널에 맵핑될 수 있는 입력 단위에 대하여 독립적으로 부호화를 적용한다. 따라서 하나의 버스트에 할당된 전체 부채널은 일정 단위로 연접된 부채널로 분할되고, 랜덤화기의 출력은 연접된 부채널에 맵핑될 수 있는 단위로 분할되어 부호화된다. 부호화된 신호열은 분할된 순서로 다시 조립된다. 휴대인터넷에서 사용되는 채널 부호는 컨볼루션 터보 부호이다.
컨볼루션 터보 부호기는 이중 이진 CRSC 부호를 사용하며, 부호화될 데이터의 비트는 교대로 A와 B로 입력된다. 또한 A와 B로 입력된 데이터는 CTC 인터리버를 통과한 후 부호화되어 출력 비트는 ABY1Y2W1W2가 된다. CTC 부호화기를 통과한 패킷은 인터리빙(inter-leaving)되며, 인터리빙은 서브블럭 분할, 인터리빙, 그룹화로 구성된다.
인터리빙된 부호 패킷들은 서브 패킷의 형태로 전송된다. 서브패킷은 인터리빙된 CTC 부호기 출력 비트열의 일부를 선택하여 생성한다. 각 기지국은 파일럿 패턴 및 데이터의 구분을 위해 파일럿과 데이터 부반송파에 기지국마다 할당된 고유의 스크램블링 수열이 곱해진다.
스크램블링된 트래픽 버스트의 비트들은 MSB부터 변조기에 입력되어 QPSK, 16QAM, 또는 64QAM 심볼에 그레이 방식으로 맵핑되며, 각 변조 방식별로 동일한 평균 파워를 얻기 위해 맵핑된 심볼에 c를 곱하여 정규화한다. 프리앰블의 경우 부반송파들은 BPSK 변조되며, 하향 링크와 상향 링크 파일럿 부반송파는 OFDMA 심볼 내의 부반송파 위치에 따라 스크램블링 신호열이 BPSK 변조되어 전송된다. 하향 링크와 상향 링크 파일럿 부반송파는 모두 데이터 부반송파 대비 2.5dB 부스팅되어 전송된다. 또한 레인징 부반송파들 역시 BPSK 변조되며, 데이터 부반송파와 동일한 적력으로 변조된다.
단말은 측정된 채널 CINR(carrier to interference and noise ratio) 값을 주기적으로 기지국에 보고해야 하며, CINR에 따라 4～6비트 정보로 부호화하여 CQI(channel quality indicator) 채널을 통해 전송한다. CQI 채널에는 다이버시티 사용자용 완전 CQI 피드백 모드와 AMC 사용자용 차등 CQI 모드의 두 가지 모드가 있다.
다이버시티 사용자용 완전 CQI 피드백 모드에서는 하향링크 프리앰블의 5비트(또는 4비트) 평균 CINR이 전송된다. AMC 사용자용 차등 CQI 모드에서는 선택된 대역용 5비트(또는 4비트) 차등 CINR 피드백이 단말을 통해 전송된다. 여기서 전송 비트 수는 5비트나 4비트 중 하나를 임의로 선택할 수 있다. 하나의 CQI 채널은 3×3 타일 형태의 상향링크 다이버시티 부채널 하나, 즉 18톤×3 심볼 형태로 구성된다. CQI 채널을 통해 보내는 정보비트 수는 6비트, 5비트, 4비트의 세 가지가 있다.
상향 링크 ACK는 하향 링크 H-ARQ에 대한 빠른 피드백을 제공한다. 단말은 하향 링크 패킷 데이터에 대한 ACK 또는 NAK 피드백을 전송한다. 3×3 타일 형태의 상향 링크 다이버시티 부채널 하나, 즉 18톤×3 심볼 형태에 두 개의 ACK 채널이 지원된다. 첫 번째 ACK 채널은 짝수 번째 타일들로 구성되고, 다른 ACK 채널은 홀수 번째 타일들로 구성된다.
와이브로 다중접속 요소 기술
다중접속은 시간, 주파수, 부호 등의 한정된 무선 자원을 여러 사용자나 시스템이 공유 및 분할하여 사용하는 것을 말한다. 다중접속을 위해 고려해야 할 사항으로 듀플렉스 방식과 MAC 및 PHY 계층이 있다. 듀플렉스 방식으로 크게 FDD 방식과 TDD 방식이 있다.
MAC 계층에서는 트래픽에 따라 효율적으로 자원을 할당하는 방식이 사용되며 IP 및 QoS를 지원해야 한다. 공정하고 효율적으로 스케쥴링을 수행할 수 있어야 하며 통신 환경을 모니터링하고 보고하는 기능을 수행해야 한다. PHY 계층은 주파수 재사용 효율을 증대시킬 수 있어야 하며 고속의 데이터를 전송할 수 있어야 한다.
채널 단위의 세분화 및 제어의 효율성이 뛰어나야 한다. 간섭에 강한 다중접속 기술을 제공해야 하며 이동성 및 핸드오프를 지원해야 한다.
와이브로는 듀플렉스 방식으로 TDD 방식을 채택하고 있으며 다중접속 기술로 OFDMA 방식을 사용하고 있다. TDD 방식은 비대칭적인 트래픽에 유연하게 적응할 수 있으며, 핫스팟 혹은 마이크로 셀에 사용하기에 적합하다. 상/하향 링크에서 발생하는 간섭을 제거하기 위해 보호 시간을 사용하며, 동일한 주파수 대역을 사용하므로 채널 추정과 링크 적응에 유리하다.
그러나 심볼 동기가 정확해야 하고 핸드오프 과정이 복잡하며 FDD에 비해 링크 버짓이 3dB 감소한다는 단점이 있다. OFDMA 방식은 시간과 부반송파를 적절히 분할하여 부채널을 형성하고 이를 사용자에게 할당해주는 방식으로 채널 제어의 유연성이 뛰어나 최대 동시 사용자 수를 증가시킬 수 있다.
또한, 시간과 부반송파의 채널 할당을 제어하거나 전송률을 조정하여 다양한 QoS를 지원할 수 있으며, 셀 내의 사용자들에 의해 발생하는 간섭이 거의 없다. 반면, 소프트 핸드오프가 복잡하고 고속 이동시 부반송파간 직교성이 파괴되어 간섭이 발생할 수 있으며 셀간 간섭의 영향을 받을 수 있다. 이 부분에서는 와이브로에서 다중접속을 위해 고려해야 할 주요 요소 기술에 대해 소개한다.
셀 탐색과 레인징
이동국은 하향 링크를 통해 여러 기지국에서 전송하는 프리앰블을 수신하고 이를 통해 초기 셀 탐색을 수행한다. 이 과정을 통해 이동국은 자신이 속한 기지국이나 섹터를 알 수 있으며 서비스를 위한 링크를 형성할 수 있다. 와이브로에서 각 기지국은 프리앰블을 생성할 때 고유의 IDCell 정보와 세그먼트 정보를 사용하며 이 두 가지 정보를 통해 이동국은 자신의 기지국을 구분할 수 있게 된다.
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| <그림 20> 프리앰블 생성 과정 |
<그림 20>은 하향 링크 프리앰블을 생성하는 과정을 보여준다. 이 프리앰블은 초기 동기와 셀 탐색뿐만 아니라 주파수 옵셋과 채널 추정에도 사용될 수 있다. 각 기지국은 IDCell 정보와 세그먼트(segment) 정보에 의해 표준에 주어진 PN 수열 중 하나를 선택할 수 있다. 이 PN 수열은 부스팅된 BPSK에 의해 변조된다. 변조된 PN 수열은 PreambleCarrierSetn 정보에 의해 적절한 위치의 부반송파에 할당된다. 셀 탐색을 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있으나 여기에서는 다음의 방법을 예시한다.
먼저, 초기 시간과 주파수 동기를 수행하고 CP를 제거한 후, FFT를 수행하여 시간 영역 신호를 주파수 영역으로 변환한다. 이렇게 수신된 주파수 영역 신호와 이미 알고 있는 각 세그먼트의 PN 수열 부호비트와의 합을 구한다. 이 합의 결과 중 제일 큰 값을 갖는 수열을 선택하면 그 수열에 해당하는 IDCell 정보와 세그먼트 정보를 얻을 수 있다.
레인징은 이동국과 기지국간의 상향링크 동기 획득과 전력 제어, 이동국의 대역폭 요구 등을 위해 사용된다. 와이브로는 초기 레인징, 주기적 레인징, 핸드오프 레인징, 대역폭 요구 레인징의 4가지 모드를 정의하고 있다. 초기 레인징은 처음으로 시스템 채널과 상향링크 동기화를 하고자 하는 이동국에 의해 이뤄진다. 핸드오프 레인징은 핸드오프 처리가 되는 동안 다른 기지국과 동기화를 하고자 하는 이동국에 의해 이루어진다.
초기 레인징과 핸드오프 레인징은 상향 링크 동기가 전혀 확보되지 않은 상태에서 시도되므로 2개의 연속된 OFDMA 심볼 구간을 통해 동일한 레인징 부호가 전송된다. 주기적인 레인징은 동기 추적을 위해 주기적으로 전송되며, 대역폭 요구 레인징은 이동국이 기지국에 대역폭을 요구할 경우 사용된다.
이 두 가지 레인징 신호들은 동기가 확보된 상태에서 사용되므로 하나의 OFDMA 심볼 구간에 전송된다. 레인징 신호는 동일한 시간에 다수의 이동국에 의해 전송되며, 각 이동국은 앞서 언급한 4가지 모드 중 용도에 따라 레이징 모드를 선택하고 사용 가능한 레인징 부호 중에서 하나를 임의로 선정하고 BPSK 변조하여 전송한다. 임의로 선택한 부호를 사용하여 레이징을 시도하기 때문에 레이징 채널상에서 충돌이 발생할 수 있다.
레인징 채널에 할당된 부반송파의 수는 144이며, 33 타일 형태의 상향 링크 다이버시티 부채널 8개를 할당하여 사용한다. 이동국은 개방 루프 전력 제어를 통해 송출전력을 조정한 다음 레인징 신호를 전송하기 때문에 각 이동국으로부터 전송된 레인징 신호는 거의 동일한 신호세기로 기지국에 수신된다.
동기 기술
동기 기술은 수신된 신호를 복조하는 과정에서 발생하는 주파수 옵셋, 심볼 동기 옵셋, 샘플 타이밍 옵셋 등을 추정하고 보상하는 작업을 말한다. 주파수 옵셋은 송/수신단 발진기의 영향이나 채널에 의한 Doppler 천이 등으로 발생한다. 주파수 옵셋으로 인해 부반송파의 심볼 위치가 순환 이동하거나 ICI(Inter-Carrier Interference)가 발생하여 시스템 성능이 심각하게 열화될 수 있다. 심볼 동기 옵셋은 다중경로 페이딩 채널을 통과한 신호를 복조할 때 발생한다.
동기가 CP 구간 내에서 이루어질 경우 위상 왜곡이 발생하고, CP 구간 밖에서 이루어질 경우 ISI와 이로 인한 ICI가 발생하여 성능이 열화된다. 샘플 타이밍 옵셋은 위상 왜곡을 유발시키며 타이밍 지터는 위상잡음으로 작용하여 시스템의 성능을 열화시킨다. OFDMA 시스템에서 동기기술은 복잡도, 비용, 성능 등에 따라 시간영역 혹은 주파수 영역에서 구현될 수 있다.
OFDMA 시스템은 프레임(혹은 패킷) 단위로 정보가 전송되므로 수신 여부를 확인하기 위해 프레임 동기를 수행해야 한다. 프레임 동기는 프레임의 시작 위치를 정확하게 찾기보다는 대략적인 위치를 찾는 것을 목적으로 하며 이후의 다른 동기 알고리즘이 안정적으로 사용될 수 있도록 해준다. 대표적인 방식으로 더블 슬라이딩 윈도우 방식이 있다.
수신된 OFDMA 심볼을 FFT를 통해 복조하기 위해서는 심볼의 시작 위치를 정확히 알아야 한다. 심볼의 시작 위치를 찾는 과정을 심볼 동기라고 하며, 크게 프리앰블의 자기 상관 및 상호 상관을 사용하는 방식과 CP를 사용하는 방식으로 나뉜다. 대표적인 심볼 동기 방식으로 Schmidl & Cox 알고리즘이 사용된다. 이 방식은 반송파 주파수 옵셋 및 페이딩에 강건한 특성을 갖는다.
주파수 옵셋은 정수배와 소수배 옵셋으로 나뉘며 성능의 극대화를 위해 따로 추정한다. 정수배 주파수 옵셋은 일반적으로 송수신기가 이미 알고 있는 훈련 심볼을 사용하여 추정한다. 훈련 심볼의 배치 및 구성에 따라 추정방식이 달라질 수 있으나, 수신된 주파수 영역 심볼과 특정 위치에 할당된 훈련 심볼을 매 시점마다 순차적으로 회전 천이시키면서 상관을 구하는 방식이 흔히 사용된다.
소수배 주파수 옵셋을 추정하는 방식으로는 크게 자기상관을 사용하는 방식과 CP를 사용하는 방식이 있다. 대표적인 자기상관 방식으로 Moose 알고리즘 있다. 이 방식은 동일한 두 개의 OFDM 심볼을 보호구간 없이 전송하여 주파수 옵셋을 추정한다.
와이브로 하향 링크의 경우 각 이동국은 기지국이 전송한 프리앰블을 통해 주파수 및 시간 동기를 맞추게 되는데, 이 프리앰블을 어떻게 사용하는 가에 따라 여러 가지 동기방식이 사용될 수 있다. 상향 링크는 레인징 과정을 통해 동기가 이루어진다. 기지국은 다수의 이동국에 의해 전송된 레인징 신호를 수신하게 되는데, 이 신호들이 동일한 시간에 동일한 전력으로 수신된다면 FFT 처리와 레인징 부호의 상관 특성을 통해 쉽게 동기를 이룰 수 있다.
그러나 이동국마다 채널 환경이 다르기 때문에 신호의 수신 시점이 달라질 수 있고 전력의 크기 또한 달라질 수 있다. 와이브로는 초기 및 핸드오프 레인징을 수행할 때 연속된 OFDMA 심볼 구간을 통해 동일한 레인징 부호를 전송하기 때문에 동기 범위가 넓고 성공 확률 또한 높다. 이와 더불어 주기적인 레인징을 수행하기 때문에 각 이동국의 동기를 추적하고 조정할 수도 있다.
채널 추정 기술
다중경로 페이딩에 의해 발생하는 신호의 왜곡을 추정하고 보상하는 과정을 채널 추정이라고 한다. 채널을 추정하기 위해 사용하는 데이터의 형태에 따라 크게 훈련 심볼을 사용하는 방식과 데이터를 사용하는 방식이 있다. 훈련 심볼을 사용하는 방식은 다시 프리앰블과 같이 모든 부반송파를 파일럿으로 사용하는 방식와 데이터 부반송파 사이에 파일럿을 삽입하는 방식으로 나뉜다.
데이터를 사용하는 방식은 훈련 심볼을 사용하지 않기 때문에 전송효율이 좋다는 장점이 있다. 이 방식은 수신된 데이터를 검파하고 재생성하여 채널을 추정하는 방식이다. 채널 추정을 위해 사용한 기준에 따라 채널 추정 방식을 분류하기도 한다. 대표적인 추정기로 LS(Least Square) 채널 추정기와 LMMSE(Linear Minimum Mean Square Error) 채널 추정기가 있다.
와이브로는 프리앰블과 파일럿을 사용하여 채널을 추정한다. 프리앰블을 사용할 경우 앞에서 언급한 방식 중 하나를 선택하여 사용할 수 있는데, 구현의 용이한 LS 방식이 적합할 것으로 보인다. 파일럿을 이용하여 채널을 추정할 경우 LS 방식과 보간 기술을 혼용하여 채널을 추정한다.
보간 기술로 선형 보간, 이차 보간, 큐빅 스플라인 보간, 저역통과 필터를 이용한 보간, DFT/IDFT를 이용한 보간 등이 있다. 일반적으로 채널 추정을 시간이나 주파수 영역 중 어느 한 곳에서만 수행하는 1차원 방식이 사용되지만, 성능을 높이기 위해 시간과 주파수 영역 모두에서 채널 추정을 수행하는 2차원 방식이 사용되기도 한다. 채널 추정 방식이나 형태는 시스템의 요구 조건과 파일럿의 배치 등에 따라 달라질 수 있다.
와이브로에서 하향 링크 다이버시티 심볼과 상/하향 링크 AMC 심볼은 파일럿, 데이터 및 널 부반송파로 구성된다. 파일럿과 널 부반송파들를 배치한 후 데이터 부반송파를 배치하도록 할당 순서가 정해져 있다. 파일럿 부반송파의 할당은 연속되는 9개의 부반송파로 구성되는 빈 내에서 특정 부반송파 한 개를 할당함으로써 이뤄진다. 빈 내에서 파일럿 부반송파의 위치는 심볼의 인덱스에 따라 달라진다.
정확한 파일럿 부반송파의 위치는 9k+3m+1에 의해 결정된다. 여기서, k는 0～95의 값을 가지며 m=[symbol index] mod 3에 의해 정해진다. 이것과는 달리 상향 링크 다이버시티 심볼은 33 주파수-시간 블록인 타일 단위로 처리되며 이 타일의 중앙에 하나의 파일럿이 삽입된다. 하향 링크 다이버시티 심볼이나 AMC 심볼의 경우, 각 이동국은 OFDMA 심볼 내에 삽입된 모든 파일럿 심볼을 사용하여 채널을 추정할 수 있다. 상향 링크 다이버시티 심볼이나 AMC 심볼의 경우, 기지국은 서로 다른 채널 환경을 통과한 여러 이동국의 신호를 수신하므로 각 사용자마다 채널을 추정해줘야 한다.
전력 제어
전력 제어는 자기 기지국 용량의 최대화, 배터리 수명 연장, 인접 기지국 용량 최대화, 균일한 서비스 품질 유지 등을 위해 사용된다. 전력 제어로는 개방루프 전력 제어, 폐루프 전력 제어, 순방향 전력 제어, 외부루프 전력 제어, 순방향/역방향 과부하 제어 등이 있다. 와이브로는 하향 링크에서 순방향 전력 제어를, 상향 링크에서 개방루프 전력 제어를 수행한다.
순방향 전력 제어는 기지국으로부터 멀리 있거나 전파 상태가 좋지 않은 이동국에게는 더 큰 출력으로 송신하고 반대의 경우에는 작은 출력으로 송신하는 방식이다. 개방루프 전력 제어는 기지국으로부터 가까이 있는 이동국은 출력을 작게, 멀리 있는 이동국은 출력을 크게 송신하는 방식으로써, 이동국은 단지 기지국으로부터의 신호세기에 따라 출력을 결정하게 된다. 즉, 기지국으로부터의 수신 전력이 크면 이동국 출력을 작게, 수신 전력이 작으면 이동국 출력을 크게 함으로써 근사적으로 기지국에 도달하는 이동국 출력을 최소화할 수 있다.
정리하자면 다중접속 방식으로 OFDMA를 사용하는 와이브로는 하향 링크 전력 제어를 위해 부채널 별로 전 력할당을 조정할 수 있고, 상향링크 전력 제어를 위해 하향 링크 수신 전력에 따라 상향 링크의 송신 전력을 조정할 수 있다.
핸드오프
서비스 중 기지국과 기지국 사이를 이동하는 이동국의 서비스가 원활히 유지되도록 하는 과정을 핸드오프라고 한다. 핸드오프는 소프터 핸드오프, 소프트 핸드오프, 하드 핸드오프로 구분된다. 소프트 핸드오프는 서비스 중 이동국이 기지국과 기지국간을 이동할 때 양쪽 기지국의 신호를 동시에 잡는 중간 과정을 거쳐 서비스를 연결해주는 방식으로 ‘make before break’라고 한다.
소프트 핸드오프는 기지국의 섹터간에 이루어지는 핸드오프를 말하며, 한 섹터를 버리고 새로운 섹터를 취하는 스왑 과정에 의해 이루어진다. 하드 핸드오프는 이동국이 인접 기지국간을 이동할 때 순간적으로 서비스 절단을 발생시키지만 사용자가 서비스의 지장을 느끼지 못하는 순간에 다음 기지국으로 서비스를 재연결시켜 준다. 하드 핸드오프를 make after break라고도 한다. 교환기간이나 주파수간에 주로 하드 핸드오프가 사용된다. 와이브로는 하드 핸드오프 방식을 사용할 것으로 보인다.
간섭제거 기술
이동통신 시스템에서 주로 발생하는 간섭으로 셀간 간섭과 셀내 간섭이 있다. 셀간 간섭은 동일한 중심 주파수를 사용하는 셀들간에 발생하는 간섭을 말하다. 셀내 간섭은 셀내에 존재하는 이동국간에 발생하는 간섭을 말한다. 와이브로는 주파수 재사용률이 1이므로 모든 기지국은 동일한 중심 주파수를 사용하며 이로 인해 셀간 간섭이 발생할 수 있다.
이 간섭을 줄이기 위해 각 기지국마다 부채널의 할당을 달리하는 방식과 일부의 부채널만을 사용하고 나머지 부채널은 비워두는 PUSC(Partial Usage of Subchannels) 채널 등이 사용된다. 그러나 인접한 기지국들이 모든 부채널을 사용한다면 셀간 간섭은 심각한 수준에 이르게 되므로 이를 해결할 방안에 대한 연구가 필요하다. 셀내 사용자간 간섭은 OFDMA 방식이기 때문에 존재하지 않는다고 해석한다.
‘이동 중’이라는 새로운 차원의 서비스
지금까지 우리는 내년 중반에 서비스가 이루어질 국내 휴대인터넷 서비스 표준인 와이브로의 기술적인 특징에 대해 다루었다. 기본적인 와이브로 1단계 표준에 대해 살펴보았으며 와이브로 다중접속을 위해 사용되는 OFDM 기술과 MIMO 기술을 개념적으로 설명했다. 또한, 와이브로 표준의 구현시 실제로 고려해야 하는 필수적인 기술들을 정리했다. 현재 국내 정보통신 표준화 단체인 TTA에는 휴대인터넷을 위한 2단계 표준화 작업을 진행하고 있으며 이것이 완성될 경우 더욱 빠른 속도의 인터넷 서비스를 누릴 수 있을 것이다.
휴대인터넷은 지금까지 경험한 인터넷 서비스 환경과는 차원이 다른 ‘이동 중’이라는 새로운 차원의 서비스 사용 환경을 제공하게 될 것이며, 그 결과 지하철에서 스포츠신문이나 책을 읽는 사람, 하릴 없이 창밖을 바라보는 사람, 차창에 머리를 기대고 자는 사람들의 모습은 점차 사라지고 저마다의 단말기를 손에 들고 열심히 정보의 바다를 항해하는 사람들의 모습을 쉽게 찾아볼 수 있을 것이다.@
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원본 : http://www.zdnet.co.kr/builder/system/etc/0,39031682,39136689,00.htm