직교 주파수 분할 다중 방식

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1. 개요
2. 주요 기능
- 2.1. 장점
- 2.2. 단점
3. 작동 특성 및 원리
4. 다중 접속 (Multiple Access)
- 4.1. OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)
- 4.2. MC-CDMA (Multi-Carrier Code Division Multiple Access)
5. 공간 다이버시티 (Space Diversity)
6. 선형 송신기 전력 증폭기 (Linear Transmitter Power Amplifier)
7. 효율성 비교
8. 이상적인 시스템 모델
- 8.1. 송신기 (Transmitter)
- 8.2. 수신기 (Receiver)
9. 수학적 설명
- 9.1. OFDM 신호 표현
10. 응용 분야
- 10.1. 유선 통신
- 10.2. 무선 통신
11. 역사
참조

1. 개요

직교 주파수 분할 다중 방식(OFDM)은 다른 변조 방식에 비해 높은 스펙트럼 효율을 가지며, 복잡한 시간 영역 등화기 없이도 채널 환경에 쉽게 적응할 수 있는 기술이다. 도플러 효과와 피크 대 평균 전력비(PAPR)에 민감하고, 사이클릭 프리픽스 및 보호 구간으로 인해 효율 손실이 발생할 수 있다. OFDM은 직교성을 통해 부채널 간 상호 간섭을 제거하고, 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용한 효율적인 구현을 가능하게 한다. 또한, 심볼 간 간섭을 제거하기 위한 가드 인터벌, 간략화된 등화, 채널 코딩 및 인터리빙, 적응형 전송, 다중 접속, 공간 다이버시티를 지원한다. 유선 및 무선 통신, 디지털 방송, 4G 및 5G 이동 통신 등 다양한 분야에 응용되며, ADSL, VDSL, Wi-Fi, WiMAX, DVB-T, LTE, 5G NR 등에 사용된다.

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직교 주파수 분할 다중 방식
개요
OFDM 블록 다이어그램
종류	OFDMA SC-FDMA
기술 정보
방식	FDM
관련 기술	DFT FFT IFFT
사용 분야	IEEE 802.11a/g/n/ac/ax IEEE 802.16 DAB DVB LTE 5G PLC 위성 통신
설명
정의	디지털 데이터를 여러 반송파 주파수로 인코딩하는 방식
특징	주파수 효율이 높음 다중 경로 페이딩에 강함 심볼 간 간섭에 강함 구현 복잡도가 높음
관련 용어
관련 용어	MCM FDM 다중 경로 페이딩 ISI
영문 명칭	orthogonal frequency-division multiplexing
약자	OFDM

2. 주요 기능

OFDM은 다수의 협대역 부반송파를 사용하여 데이터를 병렬로 전송하는 방식으로, 단일 반송파 시스템에 비해 주파수 선택적 페이딩 및 협대역 간섭에 강하다.

OFDM은 데이터를 다수의 반송파(서브 캐리어)에 실어 보내는 멀티 캐리어 변조 방식이다. 이 서브 캐리어들은 서로 직교하므로, 주파수 축에서 겹쳐질 정도로 밀집되어도 주파수 분할 다중화(FDM) 방식과 달리 서로 간섭하지 않는다. 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 사용하여 효율적으로 구별할 수 있다.

OFDM은 광대역 디지털 통신에서 널리 사용되며, 디지털 텔레비전, 광대역 인터넷 연결 등에 응용된다.

각 서브 캐리어는 직교 진폭 변조(QAM)처럼 낮은 심볼 속도로 변조되어, 동일 대역폭의 싱글 캐리어 변조와 비슷한 데이터 전송 속도를 가진다. OFDM은 복잡한 필터 회로 없이 열악한 채널 환경(긴 구리선에 의한 고주파 감쇠, 멀티패스에 의한 협대역 간섭 및 주파수 선택성 페이딩)에 대응할 수 있으며, 채널 이퀄라이저를 간단하게 처리할 수 있다.

심볼 속도가 낮아 심볼 간 가드 인터벌을 사용해 시간 축 확산에 대처하거나 심볼 간 간섭(ISI)을 제거할 수 있다. 또한 싱글 캐리어 네트워크 구성이 쉬운데, 이는 원거리 송신기 신호들이 서로 강화되도록 중첩될 수 있기 때문이다.

2. 1. 장점

다른 양측파대 변조 방식 또는 확산 스펙트럼 등에 비해 높은 스펙트럼 효율을 보인다.^[1]
복잡한 시간 영역 등화기 없이도 극심한 채널 환경에 쉽게 적응한다.^[1]
협대역 내 동일 채널 간섭에 강하다.^[1]
다중 경로 전파에 의해 유발되는 심볼 간 간섭(ISI) 및 페이딩에 대해 강하다.^[1]
고속 푸리에 변환(FFT)을 이용한 효율적 구현.^[1]
시간 동기화 오류에 대한 민감도가 낮다.^[1]
(기존 FDM과는 달리) 조정된 서브채널 수신기 필터가 불필요하다.^[1]
단일 주파수 네트워크(SFNs)를 용이하게 한다. (i.e., transmitter macrodiversity)^[1]

데이터를 다수의 반송파(서브 캐리어)에 실어 보내는 방식이므로, 멀티 캐리어 변조에 속한다. 이들 서브 캐리어는 서로 직교하기 때문에, 통상 주파수 축에서 겹쳐질 정도로 밀집되어 배치됨에도 불구하고, 기존의 주파수 분할 다중화(FDM) 방식과는 달리 서로 간섭하지 않는다는 장점이 있다. 서브 캐리어는 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 사용하여 효율적으로 구별할 수 있다.^[1]

OFDM은 광대역 디지털 통신에서 무선/유선의 구별 없이 널리 사용되고 있다. 구체적인 응용 분야로는 디지털 텔레비전이나 방송, 광대역 인터넷 연결 등이 있다.^[1]

각 서브 캐리어는 직교 진폭 변조(QAM) 등 기존의 방식과 같이 낮은 심볼 속도로 변조된다. 이 단계에서의 데이터 전송 속도는 동일한 대역폭의 싱글 캐리어 변조와 비교하면 비슷한 수준이다. 복잡한 필터 회로 없이도 열악한 전송로 (채널) 상황에 대응할 수 있다는 점이 장점이다. 구체적으로는 긴 구리선에 의한 고주파 감쇠, 멀티패스에 의한 협대역 간섭 및 주파수 선택성 (페이딩) 등에 강하다. OFDM은 고속 변조된 단일 광대역폭 신호가 아니라, 느린 변조를 거친 다수의 협대역폭 신호를 사용한다고 볼 수 있다. 이 때문에 채널의 이퀄라이저는 간단하게 처리할 수 있다.^[1]

심볼 속도가 낮기 때문에 심볼 간 가드 인터벌을 사용할 수 있어, 시간 축에서의 확산에 대처하거나 심볼 간 간섭(ISI)을 제거할 수 있다. 또한 싱글 캐리어 네트워크를 구성하기 쉬운 장점도 있다. 이는 원거리에 있는 여러 송신기에서 오는 신호끼리 서로 강화되도록 중첩시킬 수 있기 때문이다 (기존 방식에서는 신호 간섭으로 방해받는 것이 일반적이었다).^[1]

2. 2. 단점

도플러 편이에 민감하다.^[1]
주파수 동기화 문제에 민감하다.^[1]
높은 피크 대 평균 전력비(PAPR)로 인해 전력 효율이 낮은 선형 송신기 회로가 필요하다.^[1]
주기적 전치 부호 및 보호 구간에 의한 효율 손실이 발생한다.^[1]

3. 작동 특성 및 원리

OFDM은 데이터를 다수의 반송파(서브 캐리어)에 실어 보내는 멀티 캐리어 변조 방식이다. 이 서브 캐리어들은 서로 직교하기 때문에, 주파수 축에서 겹쳐질 정도로 밀집되어 배치됨에도 불구하고, 기존의 주파수 분할 다중화(FDM) 방식과는 달리 서로 간섭하지 않는다. 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 사용하여 효율적으로 구별할 수 있다.

OFDM은 광대역 디지털 통신에서 무선/유선 구별 없이 널리 사용되며, 디지털 텔레비전, 방송, 광대역 인터넷 연결 등에 응용된다.

각 서브 캐리어는 직교 진폭 변조(QAM) 등 기존 방식과 같이 낮은 심볼 속도로 변조된다. 이 단계에서의 데이터 전송 속도는 동일 대역폭의 싱글 캐리어 변조와 비슷하지만, 복잡한 필터 회로 없이도 열악한 전송로(채널) 상황(고주파 감쇠, 멀티패스에 의한 협대역 간섭 및 주파수 선택성 (페이딩))에 강하다. OFDM은 고속 변조된 단일 광대역폭 신호가 아니라, 느린 변조를 거친 다수의 협대역폭 신호를 사용하므로 채널 이퀄라이저를 간단하게 처리할 수 있다.

심볼 속도가 낮기 때문에 심볼 간 가드 인터벌을 사용, 시간 축 확산에 대처하거나 심볼 간 간섭(ISI)을 제거할 수 있다. 또한 싱글 캐리어 네트워크를 구성하기 쉬운데, 이는 원거리의 여러 송신기 신호끼리 서로 강화되도록 중첩될 수 있기 때문이다(기존 방식에서는 신호 간섭으로 방해).

OFDM은 낮은 심볼 레이트 변조 방식(심볼이 채널 시간 특성과 비교하여 비교적 김)으로, 다중 경로로 인한 심볼 간 간섭이 억제된다. 즉, 단일 고속 심볼 레이트 전송보다 병렬로 몇 개의 저속 심볼 레이트 전송이 유리하다. 각 심볼이 길기 때문에 각 OFDM 심볼 사이에 가드 인터벌을 삽입하여 심볼 간 간섭을 제거할 수 있다.

가드 인터벌은 펄스 성형 필터 필요성을 없애고, 시간 동기화 문제 영향을 줄인다.

OFDM 기반 광대역 방송 규격은 수신기가 여러 공간적 송신기 신호를 동시에 수신하여 이점을 얻는다. 여러 송신기 신호 발신은 제한된 서브캐리어 간 간섭만 일으키며, 광범위한 신호 증강이 된다. 이는 여러 송신기가 같은 주파수 대역에서 같은 신호를 동시 송신하는 단일 주파수 네트워크(SFN, single frequency networks^영어)를 가능하게 한다. SFN은 송신 데이터를 다른 주파수로 재송신하는 기존 다중 주파수 네트워크(MFN, multi-frequency networks^영어)보다 스펙트럼을 효율적으로 이용한다. SFN은 다른 송신기 간 수신기에서도 다이버시티 이득 증가만 있을 뿐이다. 따라서 모든 서브캐리어 수신 신호 평균 강도가 증가하므로, MFN보다 커버리지 영역이 넓고, 사용자 필요 속도를 밑도는 확률은 감소한다.

가드 인터벌은 데이터에 중복성을 부여하지만, 방송 시스템 OFDM은 의도적으로 긴 가드 인터벌을 사용한다. 이는 SFN에서 송신기 간격을 크게, SFN 셀 크기를 확대하기 위함이다. SFN 송신기 간격 최대 거리는 신호가 가드 인터벌 기간 내 진행 거리와 동일하게 하는 것이 기준이다. 예로, 가드 인터벌이 200마이크로초면 송신기 간격은 최대 60km이다.

OFDM 신호는 독립 위상 서브캐리어를 결합하므로, 각 서브캐리어 위상 조합에 따라 높은 피크 전력을 가질 수 있다. 이 때문에 피크 대 평균 전력비(PAPR)가 높아지는 문제가 있다.

3. 1. 직교성 (Orthogonality)

OFDM은 특별한 주파수 분할 다중화(FDM) 방식이며, 통신 채널 내의 모든 부반송파 신호가 서로 직교한다는 추가적인 제약 조건을 갖는다.

OFDM에서 부반송파 주파수는 부반송파가 서로 직교하도록 선택되어 부채널 간의 상호 간섭이 제거되고 캐리어 간 보호 대역이 필요하지 않다. 이는 송신기와 수신기 설계를 크게 단순화한다. 기존 FDM과 달리 각 부채널에 대한 별도의 필터가 필요하지 않다.

직교성은 '''부반송파 간 간격'''이

\scriptstyle\Delta f \,=\, \frac{k}{T_U}

헤르츠가 되도록 요구한다. 여기서 ''T''_U 초는 유효 심볼 지속 시간(수신측 윈도우 크기)이고, ''k''는 일반적으로 1인 양의 정수이다. 이는 각 캐리어 주파수가 이전 캐리어보다 심볼 기간당 ''k''개의 더 완전한 사이클을 거치도록 규정한다. 따라서 ''N''개의 부반송파가 있으면 총 통과대역 대역폭은 ''B'' ≈ ''N''·Δ''f''(Hz)가 된다.

직교성은 또한 높은 스펙트럼 효율을 허용하며, 등가 기저대역 신호에 대한 나이퀴스트 속도에 가까운 총 심볼 속도를 갖는다(즉, 이중 측파대 물리적 통과대역 신호에 대한 나이퀴스트 속도의 절반에 가까움). 사용 가능한 거의 전체 주파수 대역을 사용할 수 있다. OFDM은 일반적으로 거의 '백색' 스펙트럼을 가지므로 다른 동일 채널 사용자에 대해 양호한 전자기 간섭 특성을 갖는다.

OFDM은 수신기와 송신기 간에 매우 정확한 주파수 동기화가 필요하다. 주파수 편차가 있으면 부반송파가 더 이상 직교하지 않아 '''캐리어 간 간섭'''(ICI)(즉, 부반송파 간의 상호 간섭)이 발생한다. 주파수 오프셋은 일반적으로 일치하지 않는 송신기 및 수신기 발진기 또는 이동으로 인한 도플러 편이로 인해 발생한다. 도플러 편이만으로는 수신기에서 보상할 수 있지만, 반사가 다양한 주파수 오프셋으로 나타나므로 다중 경로와 결합될 때 상황이 악화된다. 이는 수정하기가 훨씬 더 어렵다. 이러한 효과는 일반적으로 속도가 증가함에 따라 악화되며,^[12] 고속 차량에서 OFDM 사용을 제한하는 중요한 요소이다.

OFDM에서는 서브캐리어의 주파수가 서로 직교하도록 선택된다. 따라서 서브채널 간의 혼신이 없어 반송파 간섭 가드 밴드가 필요하지 않아 송수신기의 설계를 크게 단순화할 수 있다. 구체적으로는 기존 FDM과 달리 각 서브채널에 대해 별도의 필터를 준비할 필요가 없다.

직교성 덕분에 높은 스펙트럼 효율을 얻을 수 있으며, 이론상의 한계인 나이퀴스트 속도에 필적한다. 할당된 주파수 대역은 거의 전부 낭비 없이 이용할 수 있다. 일반적으로 OFDM은 "백색"에 가까운 스펙트럼을 가지며, 다른 공동 전송로 사용자에게 대한 전자기 간섭 특성이 양호하다.

OFDM에서는 그 직교성에 의해 FFT 알고리즘을 이용할 수 있으며, 변조기에서는 IFFT, 복조기에서는 FFT를 사용하여 효율적으로 구현할 수 있다. 그 원리와 이점은 1960년대부터 알려졌지만, 널리 사용되기 위해서는 FFT를 효율적으로 계산할 수 있는 저가 디지털 신호 처리 IC의 보급을 기다릴 필요가 있었다.

OFDM에서는 수신기와 송신기에 매우 정확한 주파수 동기가 필요하다. 이는 주파수가 어긋나면 서브캐리어 간의 직교성이 무너져 반송파 간 간섭, 즉 서브캐리어 간 간섭(ICI)을 일으키기 때문이다. 주파수 오프셋은 일반적으로 송신기나 수신기의 국부 발진기의 발진 주파수의 어긋남, 혹은 이동에 따른 도플러 편이가 원인이다. 도플러 편이는 수신기에서 단독으로 보정하는 것이 가능하지만, 멀티패스 존재 하에서는 반사가 다양한 주파수 오프셋으로 나타나므로 더 수정하기 어려워 상황이 악화된다. 이러한 영향은 일반적으로 이동 속도가 증가할수록 악화되어, 고속 이동체에서의 OFDM 사용을 제한하는 중요한 요인이다.

3. 2. 고속 푸리에 변환 (FFT) 알고리즘을 이용한 구현

직교성은 수신 측에서 FFT 알고리즘을 사용하고 송신 측에서 역 FFT를 사용하여 효율적인 변조기 및 복조기 구현을 가능하게 한다. 1960년대부터 원리와 일부 이점들이 알려져 왔지만, OFDM은 FFT를 효율적으로 계산할 수 있는 저렴한 디지털 신호 처리 구성 요소 덕분에 오늘날 광대역 통신에 널리 사용된다.

역 FFT 또는 FFT를 계산하는 데 걸리는 시간은 각 심볼 시간보다 적어야 한다.^[16] 예를 들어 DVB-T의 경우 계산이 896 µs 이내에 완료되어야 함을 의미한다.

8192 포인트 FFT의 경우 다음과 같이 근사할 수 있다.^[16]

:

\begin{align}\mathrm{MIPS}&= \frac {\mathrm{계산\ 복잡도}}{T_\mathrm{심볼}} \times 1.3 \times 10^{-6} \\&= \frac{147\;456 \times 2}{896 \times 10^{-6}} \times 1.3 \times 10^{-6} \\&= 428\end{align}

MIPS: 백만 개의 명령(MIPS)

계산 수요는 FFT 크기에 따라 대략 선형적으로 증가하므로 FFT 크기가 두 배가 되면 시간이 두 배로 늘어나고 그 반대도 마찬가지이다.^[16] 비교를 위해 1.266 GHz의 인텔 펜티엄 III CPU는 FFTW를 사용하여 8192 포인트 FFT를 576 µs에 계산할 수 있다.^[17] 1.6 GHz의 인텔 펜티엄 M은 387 µs에 처리한다.^[18] 3.0 GHz의 인텔 코어 듀오는 96.8 µs에 처리한다.^[19]

OFDM에서는 그 직교성에 의해 FFT 알고리즘을 이용할 수 있으며, 변조기에서는 IFFT, 복조기에서는 FFT를 사용하여 효율적으로 구현할 수 있다. 그 원리와 이점은 1960년대부터 알려졌지만, 널리 사용되기 위해서는 FFT를 효율적으로 계산할 수 있는 저가 디지털 신호 처리 IC의 보급을 기다릴 필요가 있었다.

3. 3. 심볼 간 간섭 제거를 위한 가드 인터벌 (Guard Interval)

OFDM (직교 주파수 분할 다중 방식)은 심볼 속도가 낮은 변조 방식을 사용하여 심볼 간 간섭의 영향을 줄인다. 여러 개의 저속 스트림을 병렬로 전송하고, 각 심볼 사이에 가드 인터벌을 삽입하여 심볼 간 간섭을 제거한다.

가드 인터벌은 펄스 성형 필터의 필요성을 없애고, 시간 동기화 문제에 대한 민감도를 줄여준다.

간단한 예로, 무선 채널에서 초당 100만 개의 심볼을 전송할 때, 각 심볼의 지속 시간은 1마이크로초 이하가 된다. 이를 1,000개의 서브 채널로 분산하면 각 심볼의 지속 시간은 1밀리초로 길어진다. 각 심볼 사이에 심볼 길이의 1/8인 가드 인터벌(125 마이크로초)을 삽입하면, 다중 경로 시간 확산이 가드 인터벌보다 짧을 경우 심볼 간 간섭을 피할 수 있다. 이는 경로 길이 차이가 최대 37.5 킬로미터까지 허용됨을 의미한다.

가드 인터벌 동안 전송되는 순환 접두사는 OFDM 심볼의 끝 부분을 가드 인터벌에 복사한 것이다. 이는 수신기가 FFT를 사용하여 OFDM 복조를 수행할 때 다중 경로 각각에 대해 정수 개수의 사인파 주기를 적분하도록 하기 위함이다.

초광대역과 같은 일부 표준에서는 전송 전력 효율을 위해 순환 접두사를 생략하고 가드 인터벌 동안 아무것도 전송하지 않는다. 이 경우 수신기는 OFDM 심볼의 끝 부분을 복사하여 시작 부분에 추가함으로써 순환 접두사 기능을 모방해야 한다.

3. 4. 간략화된 등화 (Equalization)

주파수 선택적 채널 조건(예: 다중 경로 전파로 인한 페이딩)의 영향은 OFDM 서브 채널에서 일정하다고 간주할 수 있다. 이는 서브 채널이 충분히 협대역이거나, 서브 채널 수가 충분히 많은 경우에 해당한다. 이러한 특성 덕분에 OFDM은 기존의 단일 반송파 변조에서 사용되는 시간 영역 등화보다 훨씬 간단한 수신기에서 주파수 영역 등화를 가능하게 한다. OFDM에서 이퀄라이저는 각 OFDM 심볼의 각 감지된 서브캐리어(각 푸리에 계수)에 상수 복소수 또는 거의 변경되지 않는 값을 곱하기만 하면 된다.^[20]^[21] 기본적인 수준에서 간단한 디지털 이퀄라이저가 더 좋은데, 이는 더 적은 연산이 필요하고, 이는 이퀄라이저에서 더 적은 반올림 오류로 이어지기 때문이다. 이러한 반올림 오류는 수치적 잡음으로 볼 수 있으며 불가피하다.

'''단순한 예:'''

OFDM 등화는 서브캐리어 및 심볼당 하나의 복소수 값 곱셈을 필요로 한다. 즉, OFDM 심볼당 복소수 곱셈이 필요하다 (수신기에서 초당 백만 번의 곱셈). FFT 알고리즘은 OFDM 심볼당 복소수 값 곱셈을 필요로 한다 (수신기 및 송신기 측에서 초당 1,000만 번의 곱셈). (이때, FFT 연산에 사용되는 복소수 곱셈의 절반 이상은 1을 곱하는 것이므로 실제 연산량은 이보다 적다.)

이는 초당 백만 개의 심볼/초 단일 반송파 변조 사례와 비교해야 한다. 여기서 FIR 필터를 사용하여 125 마이크로초의 시간 확산을 등화하는 데는 단순한 구현에서 심볼당 125번의 곱셈이 필요하다 (초당 1억 2,500만 번의 곱셈). FFT 기술을 사용하면 FIR 필터 기반 시간 영역 이퀄라이저에 대한 곱셈 횟수를 OFDM과 비슷한 숫자로 줄일 수 있으며, 수신과 디코딩 사이의 지연 비용이 OFDM과 비슷해진다.

DPSK 또는 DQPSK와 같은 차동 변조가 각 서브캐리어에 적용되면 등화를 완전히 생략할 수 있다. 이러한 비간섭 방식이 천천히 변화하는 진폭 및 위상 왜곡에 민감하지 않기 때문이다.

일부 OFDM 심볼의 일부 서브캐리어는 채널 조건^[20]^[21](즉, 각 서브캐리어에 대한 이퀄라이저 이득 및 위상 이동)을 측정하기 위한 파일럿 신호를 전송할 수 있다. 파일럿 신호와 트레이닝 심볼(프리앰블)은 시간 동기화(심볼 간 간섭, ISI 방지) 및 주파수 동기화(도플러 시프트로 인한 반송파 간 간섭, ICI 방지)에도 사용될 수 있다.

OFDM은 처음에 유선 및 고정 무선 통신에 사용되었다. 그러나 고도로 이동하는 환경에서 작동하는 애플리케이션의 수가 증가함에 따라 다중 경로 전파 및 도플러 시프트의 조합으로 인한 분산 페이딩의 영향이 더 중요해졌다. 지난 10년 동안 이중 선택적 채널을 통해 OFDM 전송을 등화하는 방법에 대한 연구가 진행되었다.^[22]^[23]^[24]

3. 5. 채널 코딩 및 인터리빙 (Channel Coding and Interleaving)

OFDM은 항상 채널 부호화(순방향 오류 정정)와 함께 사용되며, 거의 항상 주파수 및/또는 시간 비트 인터리빙을 사용한다.

주파수(부반송파) 비트 인터리빙은 페이딩과 같은 주파수 선택적 채널 조건에 대한 저항력을 증가시킨다. 예를 들어, 채널 대역폭의 일부가 페이드되면 주파수 인터리빙은 페이드된 대역폭의 해당 부반송파에서 발생할 수 있는 비트 오류가 집중되는 대신 비트 스트림에 분산되도록 한다. 마찬가지로, 시간 인터리빙은 원래 비트 스트림에서 가깝게 함께 있던 비트가 시간상 멀리 전송되도록 하여 고속으로 이동할 때 발생할 수 있는 심각한 페이딩을 완화한다.

그러나 시간 인터리빙은 정지 수신과 같이 천천히 페이딩되는 채널에서는 거의 이점이 없으며, 주파수 인터리빙은 평탄 페이딩(전체 채널 대역폭이 동시에 페이드되는 경우)을 겪는 협대역 채널에는 거의 이점이 없다.

인터리빙이 OFDM에 사용되는 이유는 오류 정정 디코더에 제공되는 비트 스트림에서 오류를 분산시키기 위한 시도 때문이다. 이러한 디코더에 오류가 고농도로 제시되면 디코더는 모든 비트 오류를 정정할 수 없으며, 정정되지 않은 오류가 발생한다.

OFDM 기반 시스템에서 사용되는 고전적인 유형의 오류 정정 부호화는 컨볼루션 부호이며, 종종 연접 오류 정정 부호가 리드-솔로몬 오류 정정 부호와 연접된다. 일반적으로 두 계층의 부호화 사이에 추가적인 인터리빙(위에 언급된 시간 및 주파수 인터리빙 외에)이 구현된다. 외부 오류 정정 부호로 리드-솔로몬 부호화를 선택하는 것은 내부 컨볼루션 디코딩에 사용되는 비터비 디코더가 오류가 고농도로 집중될 때 짧은 오류 버스트를 생성한다는 관찰에 기초하며, 리드-솔로몬 부호는 오류 버스트를 정정하는 데 본질적으로 적합하다.

그러나 새로운 시스템은 일반적으로 터보 디코딩 원리를 사용하는 준 최적 유형의 오류 정정 부호를 채택하며, 여기서 디코더는 원하는 솔루션으로 반복한다. 이러한 오류 정정 부호화 유형의 예로는 터보 부호 및 LDPC 부호가 있으며, 이는 가산 백색 가우시안 잡음(AWGN) 채널에 대한 섀넌 한계에 가깝게 수행된다. 이러한 부호를 구현한 일부 시스템은 MediaFLO 시스템과 같이 리드-솔로몬 또는 BCH 부호(DVB-S2 시스템)와 연접하여 높은 신호 대 잡음비에서 이러한 부호에 내재된 오류 플로어를 개선했다.^[25]

3. 6. 적응형 전송 (Adaptive Transmission)

채널 상태가 좋지 않을 경우, 채널에 대한 정보를 반송 채널을 통해 전송하면 복원력을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 피드백 정보를 기반으로 모든 부반송파 또는 각 부반송파에 개별적으로 적응형 변조, 채널 코딩 및 전력 할당을 적용할 수 있다. 후자의 경우, 특정 주파수 범위가 간섭 또는 감쇠로 인해 문제가 발생하면 해당 범위 내의 반송파를 비활성화하거나 해당 부반송파에 더 강력한 변조 또는 오류 정정 부호를 적용하여 더 느리게 실행할 수 있다.

이산 다중 톤 변조(DMT)는 OFDM을 기반으로 하며, 비트 로딩이라고 불리는 기법을 사용하여 서브캐리어를 개별적으로 채널 상황에 적응시키는 통신 시스템이다. 이의 대표적인 예가 ADSL과 VDSL이다.

업링크와 다운링크의 속도는 목적에 따라 서브캐리어를 할당함으로써 가변적으로 설정할 수 있다. 적응형 속도 DSL은 실시간으로 서브캐리어 할당을 변경할 수 있다. 이를 통해 동일 채널에 의한 간섭에 적응할 수 있으며, 대역을 필요로 하는 사용자에게 할당할 수 있다.

4. 다중 접속 (Multiple Access)

OFDM은 기본적으로 하나의 통신 채널을 통해 하나의 비트 스트림을 전송하는 디지털 변조 기술이지만, 사용자의 시간, 주파수 또는 코딩 분리를 통해 다중 접속(멀티 액세스)과 결합될 수 있다.

OFDM을 이용한 다중 접속 방식으로 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)과 다중 반송파 코드 분할 다중 접속(MC-CDMA) 방식이 있다.

4. 1. OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)

직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)은 서로 다른 사용자에게 서로 다른 OFDM 부채널을 할당하여 주파수 분할 다중 접속을 달성하는 기술이다.^[1] OFDMA는 CDMA와 유사하게 서로 다른 사용자에게 서로 다른 수의 부반송파를 할당하여 차별화된 서비스 품질을 지원하며, 복잡한 패킷 스케줄링이나 매체 접근 제어 방식을 사용하지 않아도 된다.^[1]

OFDMA는 다음과 같은 기술들에 사용된다.^[1]

기술	설명
IEEE 802.16 (WiMAX)	무선 도시권 통신망(MAN) 표준의 이동성 모드. 일반적으로 WiMAX로 알려져 있다.
IEEE 802.20 (MBWA)	모바일 광대역 무선 접속(MBWA) 표준
3GPP LTE	4세대 모바일 광대역 표준 다운링크. 무선 인터페이스는 이전에 고속 OFDM 패킷 접속(HSOPA)으로 명명되었으나, 현재는 진화된 UMTS 지상파 무선 접속(E-UTRA)으로 불린다.
3GPP 5G NR	5세대 이동 통신망 표준 다운링크 및 업링크. 5G NR은 LTE의 후속 기술이다.
퀄컴/3GPP2 초고속 모바일 광대역 (UMB)	현재는 단종된 프로젝트. CDMA2000의 후속 기술로 의도되었지만 LTE로 대체되었다.
IEEE 802.22 WRAN	무선 지역 네트워크(WRAN)를 위한 후보 접근 방식. VHF-낮은 UHF 스펙트럼(TV 스펙트럼)에서 작동하는 최초의 인지 무선 기반 표준을 설계하는 것을 목표로 한다.
802.11ax	802.11 표준의 최신 개정판. 고효율 및 동시 통신을 위해 OFDMA가 포함되어 있다.

4. 2. MC-CDMA (Multi-Carrier Code Division Multiple Access)

다중 반송파 코드 분할 다중 접속(MC-CDMA)은 OFDM-CDMA라고도 하며, OFDM을 CDMA 확산 스펙트럼 통신과 결합하여 사용자의 코딩 분리를 수행하는 방식이다. 동일 채널 간섭을 완화할 수 있으며, 이는 수동 고정 채널 할당(FCA) 주파수 계획을 단순화하거나 복잡한 동적 채널 할당(DCA) 방식을 피할 수 있음을 의미한다.^[1]

MC-CDMA에서는 사용자의 코딩 분리를 위해 CDMA의 스펙트럼 확산 통신과 OFDM이 결합된다. 수동 고정 채널 할당(FCA, fixed channel allocation^영어)의 주파수 설정이 단순화되거나, 복잡한 동적 채널 할당(DCA, dynamic channel allocation^영어) 설정을 회피할 수 있고, 동일 채널 간섭을 줄일 수 있다는 장점이 있다.^[1]

5. 공간 다이버시티 (Space Diversity)

OFDM 기반 광역 방송에서 수신기는 공간적으로 분산된 여러 송신기로부터 신호를 동시에 수신하여 이점을 얻을 수 있다. 송신기는 제한된 수의 부반송파에서만 서로 파괴적으로 간섭하는 반면, 일반적으로 광범위한 지역에서 실제로 커버리지를 강화하기 때문이다. 이는 많은 국가에서 매우 유익하며, 여러 송신기가 동일한 신호를 동일한 채널 주파수에서 동시에 전송하는 국가적인 단일 주파수 네트워크(SFN)의 운영을 허용한다. SFN은 프로그램 콘텐츠가 다른 반송파 주파수에서 복제되는 기존의 다중 주파수 방송 네트워크(MFN)보다 사용 가능한 스펙트럼을 더 효과적으로 사용한다. SFN은 또한 송신기의 중간에 위치한 수신기에서 다이버시티 이득을 얻는다. 모든 부반송파에 걸쳐 평균화된 수신 신호 강도가 증가하여 MFN에 비해 커버리지 영역이 증가하고 정전 확률이 감소한다.

보호 간격은 중복 데이터만 포함하므로 용량을 줄이지만, 일부 방송 시스템과 같은 일부 OFDM 기반 시스템은 송신기가 SFN에서 더 멀리 떨어져 있도록 하기 위해 의도적으로 긴 보호 간격을 사용하며, 더 긴 보호 간격은 더 큰 SFN 셀 크기를 허용한다. SFN에서 송신기 간의 최대 거리에 대한 경험 법칙은 보호 간격 동안 신호가 이동하는 거리와 같다. 예를 들어, 200μs의 보호 간격은 송신기가 60km 떨어져 배치되도록 허용한다.

''단일 주파수 네트워크''는 송신기 매크로다이버시티의 한 형태이다. 이 개념은 SFN 그룹화가 타임 슬롯별로 변경되는 ''동적 단일 주파수 네트워크''(DSFN)에서 더 사용할 수 있다.

OFDM은 안테나 배열 및 MIMO 채널과 같은 다른 형태의 공간 다이버시티와 결합될 수 있다. 이는 IEEE 802.11 무선 LAN 표준에서 수행된다.

6. 선형 송신기 전력 증폭기 (Linear Transmitter Power Amplifier)

OFDM 신호는 여러 부반송파의 위상이 독립적이어서 결합될 때 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR)를 갖는다. 높은 PAPR을 처리하려면 다음이 필요하다.

송신기의 고해상도 디지털-아날로그 변환기 (DAC)
수신기의 고해상도 아날로그-디지털 변환기 (ADC)
선형 신호 체인

신호 체인에 비선형성이 있으면 상호 변조 왜곡이 발생하여 다음과 같은 문제가 발생한다.

노이즈 플로어 상승
반송파간 간섭 유발 가능성
대역 외 스퓨리어스 방사 생성

선형성 요구 사항은 송신기 RF 출력 회로에서 특히 까다롭다. 실제 OFDM 시스템에서는 PAPR을 제한하기 위해 약간의 피크 클리핑이 허용되지만, 송신기 출력 필터는 클리핑된 피크 레벨을 복원하는 효과가 있어 클리핑은 PAPR을 줄이는 효과적인 방법이 아니다.

OFDM의 스펙트럼 효율성은 지상 및 우주 통신 모두에 매력적이지만, 높은 PAPR 요구 사항으로 인해 현재까지 지상 시스템에 주로 응용되고 있다.

7. 효율성 비교

OFDM^영어은 다중 반송파 시스템의 일종으로, 단일 반송파 시스템에 비해 대역폭 효율이 높다는 장점이 있다.

다음 표는 단일 반송파 시스템과 다중 반송파 시스템 (64-QAM)의 대역폭 효율을 비교한 것이다.^[30]

번호	전송 유형	M in M-QAM	부반송파 수	비트율 (Gbit/s)	섬유 길이 (km)	BER 10⁻⁹에서의 수신 전력 (dBm)	대역폭 효율 (bit/s/Hz)
1	단일 반송파	64	1	10	20	−37.3	6.0000
2	다중 반송파	64	128	10	20	−36.3	10.6022

표에서 볼 수 있듯이, 다중 반송파 시스템은 수신기 전력이 1dB만 증가했지만 대역폭 효율은 76.7% 향상되었다. 이는 OFDM^영어 방식이 다중 반송파 변조를 통해 대역폭을 절약하기 때문이다.

다중 반송파 시스템의 대역폭 효율은 다음과 같이 정의된다.^[30]

: $\eta = 2 \frac{R_s}{B_\text{OFDM}}$

여기서 $R_s$ 는 기가 심볼/초(Gsps) 단위의 심볼 속도이고, $B_\text{OFDM}$ 는 OFDM^영어 신호의 대역폭이며, 2는 섬유의 두 편광 상태 때문이다.

8. 이상적인 시스템 모델

이 절에서는 시불변 AWGN 채널에 적합한 간단한 이상적인 OFDM 시스템 모델에 대해 설명한다.

8. 1. 송신기 (Transmitter)

OFDM 반송파 신호는 여러 개의 직교 부반송파의 합이며, 각 부반송파의 베이스밴드 데이터는 일반적으로 직교 진폭 변조(QAM) 또는 위상 편이 변조(PSK)를 사용하여 독립적으로 변조된다. 이 복합 베이스밴드 신호는 일반적으로 주 RF 반송파를 변조하는 데 사용된다.

s[n]

은 일련의 바이너리 숫자 스트림이다. 역 다중화를 통해 먼저

N

개의 병렬 스트림으로 분할된 다음, 일부 변조 성좌(QAM, PSK 등)를 사용하여 각 스트림을 (가능한 복소수) 심볼 스트림에 매핑한다. 성좌가 다를 수 있으므로, 일부 스트림은 다른 스트림보다 더 높은 비트 전송률을 가질 수 있다.

각 심볼 집합에 대해 역 FFT이 계산되어 복소수 시간 도메인 샘플 집합이 제공된다. 그런 다음 이러한 샘플은 표준 방식으로 직교 위상 혼합되어 통과 대역으로 이동한다. 실수 및 허수 성분은 먼저 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 사용하여 아날로그 도메인으로 변환된다. 그런 다음 아날로그 신호는 각각 코사인 및 사인 파를 반송파 주파수

f_\text{c}

에서 변조하는 데 사용된다. 그런 다음 이러한 신호를 합산하여 전송 신호

s(t)

를 제공한다.

직교 진폭 변조나 위상 편이 변조 등에 의한 변조를 "1차 변조", 그것들을 더 IFFT하는 것을 "2차 변조"라고 부르는 경우가 있다.

8. 2. 수신기 (Receiver)

수신기는 수신 신호

r(t)

를 반송파 주파수의 코사인파와 사인파를 사용하여 직교 변조(다운 컨버전)하여 베이스밴드 신호로 만든다. 이때 중심 주파수

2f_c

의 신호가 생성되므로 로우패스 필터를 사용하여 제거한다. 이 베이스밴드 신호를 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 사용하여 샘플링 및 디지털 신호화하고, 고속 푸리에 변환(FFT)를 사용하여 주파수 영역의 데이터로 되돌린다.

이 과정을 통해

N

개의 병렬 데이터가 생성되며, 각 데이터는 적절한 심볼 검출기를 사용하여 2진 데이터로 변환된다. 이 데이터들은 다시 직렬 데이터 열

\hat{s}[n]

로 결합되어, 송신된 원래 2진 데이터의 추정치가 된다.

여기서는 시불변 AWGN 채널에 적합한 간단한 이상적인 OFDM 시스템 모델에 대해 설명한다.

9. 수학적 설명

OFDM은 여러 개의 부반송파를 사용하여 데이터를 병렬로 전송하는 방식이며, 각 부반송파는 서로 직교성을 가지도록 설계되어 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.

하위 절 "OFDM 신호 표현"에서는 OFDM 신호의 기본적인 수학적 표현과 부반송파 간의 직교성에 대해 설명한다. 다중 경로 페이딩 환경에서 심볼 간 간섭을 줄이기 위해 보호 구간(guard interval)을 삽입하고, 이 구간에 사이클릭 프리픽스(cyclic prefix)를 사용하는 방법을 설명한다.

마지막으로, 저역 통과 등가 신호를 이용한 기저대역 전송 방식과 반송파 주파수를 이용한 상향 변환 방식, 그리고 유선(DSL) 및 무선 응용 분야에서의 활용 예를 제시한다.

9. 1. OFDM 신호 표현

N

개의 부반송파가 사용되고, 각 부반송파가

M

개의 대체 심볼을 사용하여 변조되는 경우, OFDM 심볼 알파벳은

M^N

개의 결합된 심볼로 구성된다.

저역 통과 등가 OFDM 필터는 다음과 같이 표현된다.

:

\nu(t) = \sum_{k=0}^{N-1} X_k e^{j2\pi kt/T},\quad 0 \le t < T,

여기서

\{X_k\}

는 데이터 심볼이고,

N

은 부반송파의 수이며,

T

는 OFDM 심볼 시간이다. 부반송파 간격

\frac{1}{T}

은 각 심볼 기간 동안 부반송파를 직교하게 만든다. 이 속성은 다음과 같이 표현된다.

:

\begin{align}&\frac{1}{T}\int_0^{T}\left(e^{j2\pi k_1 t/T}\right)^*\left(e^{j2\pi k_2t/T}\right)dt \\{}={} &\frac{1}{T}\int_0^{T} e^{j2\pi\left(k_2 - k_1\right)t/T}dt = \delta_{k_1 k_2}\end{align}

여기서

(\cdot)^*

는 켤레 복소수 연산자를 나타내고,

\delta\,

는 크로네커 델타이다.

다중 경로 페이딩 채널에서 심볼 간 간섭을 방지하기 위해, OFDM 블록 앞에 길이

T_\text{g}

의 가드 인터벌이 삽입된다. 이 인터벌 동안, 신호가 인터벌

-T_\text{g} \le t < 0

에서 인터벌

(T - T_\text{g}) \le t < T

에서의 신호와 같도록 하는 "사이클릭 프리픽스"가 전송된다. 따라서 사이클릭 프리픽스가 있는 OFDM 신호는 다음과 같다.

:

\nu(t) = \sum_{k=0}^{N-1}X_k e^{j2\pi kt/T}, \quad -T_\text{g} \le t < T

위의 저역 통과 신호 필터는 실수 또는 복소수 값을 가질 수 있다. 실수 값 저역 통과 등가 신호는 일반적으로 기저대역에서 전송된다. DSL과 같은 유선 응용 분야는 이 방식을 사용한다. 무선 응용 분야의 경우, 저역 통과 신호는 일반적으로 복소수 값을 가지며, 이 경우 전송된 신호는 반송파 주파수

f_\text{c}

로 상향 변환된다. 일반적으로, 전송된 신호는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

\begin{align}s(t) &= \Re\left\{\nu(t) e^{j2\pi f_c t}\right\} \\&= \sum_{k=0}^{N-1}|X_k|\cos\left(2\pi \left[f_\text{c} + \frac{k}{T}\right]t + \arg[X_k]\right)\end{align}

10. 응용 분야

OFDM은 다음과 같은 다양한 분야에서 응용되고 있다.

디지털 라디오 몬디알 (DRM)
디지털 오디오 방송 (DAB)
디지털 텔레비전 DVB-T/T2 (지상파), ATSC 3.0 (지상파), DVB-H (휴대용), DMB-T/H, DVB-C2 (케이블)
무선 LAN IEEE 802.11a, IEEE 802.11g, IEEE 802.11n, IEEE 802.11ac, 및 IEEE 802.11ad
와이맥스
Li-Fi
ADSL (G.dmt/ITU G.992.1)
LTE 및 LTE Advanced 4G 이동 통신망
DECT 무선 전화기
최신 협대역 및 광대역 전력선 통신^[31]

표준 이름	DAB 유레카 147	DVB-T	DVB-H	DTMB	DVB-T2	IEEE 802.11a
비준 연도	1995	1997	2004	2006	2007	1999
주파수 범위(MHz)	174–240, 1,452–1,492	470–862, 174–230	470–862	48–870	해당사항 없음	4,915–6,100
채널 간격, B (MHz)	1.712	6, 7, 8	5, 6, 7, 8	6, 7, 8	1.7, 5, 6, 7, 8, 10	20
FFT 크기, k = 1,024	모드 I: 2k 모드 II: 512 모드 III: 256 모드 IV: 1k	2k, 8k	2k, 4k, 8k	1 (단일 캐리어) 4k (멀티 캐리어)	1k, 2k, 4k, 8k, 16k, 32k	64
비-사일런트 부반송파 수, N	모드 I: 1,536 모드 II: 384 모드 III: 192 모드 IV: 768	2K 모드: 1,705 8K 모드: 6,817	1,705, 3,409, 6,817	1 (단일 캐리어) 3,780 (멀티 캐리어)	853–27,841 (1K 일반 모드 ~ 32K 확장 캐리어 모드)	52
부반송파 변조 방식	π/4-DQPSK	QPSK,^[32] 16QAM, 64QAM	QPSK,^[32] 16QAM, 64QAM	4QAM,^[32] 4QAM-NR,^[33] 16QAM, 32QAM, 64QAM	QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM	BPSK, QPSK,^[32] 16QAM, 64QAM
유효 심볼 길이, T_U (μs)	모드 I: 1,000 모드 II: 250 모드 III: 125 모드 IV: 500	2K 모드: 224 8K 모드: 896	224, 448, 896	500 (멀티 캐리어)	112–3,584 (8 MHz 채널)	3.2
추가 가드 간격, T_G/T_U	24.6% (모든 모드)	1/4, 1/8, 1/16, 1/32	1/4, 1/8, 1/16, 1/32	1/4, 1/6, 1/9	1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128, 1/4 (32k 모드 최대 1/8)	1/4
부반송파 간격, (Hz)	모드 I: 1,000 모드 II: 4,000 모드 III: 8,000 모드 IV: 2,000	2K 모드: 4,464 8K 모드: 1,116	4,464, 2,232, 1,116	8 M (단일 캐리어) 2,000 (멀티 캐리어)	279–8,929 (32K ~ 1K 모드)	312.5 K
순 데이터 전송률, R (Mbit/s)	0.576–1.152	4.98–31.67 (일반적으로 24.13)	3.7–23.8	4.81–32.49	일반적으로 35.4	6–54
링크 스펙트럼 효율, R/B (bit/s·Hz)	0.34–0.67	0.62–4.0 (일반적으로 3.0)	0.62–4.0	0.60–4.1	0.87–6.65	0.30–2.7
내부 FEC	컨볼루션 코딩 동일 오류 보호 코드: 1/4, 3/8, 4/9, 1/2, 4/7, 2/3, 3/4, 4/5 평균 코드 속도: ~0.34, 0.41, 0.50, 0.60, 0.75 (불균등 오류 보호)	컨볼루션 코딩 코드 속도: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8	컨볼루션 코딩 코드 속도: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8	LDPC 코드 속도: 0.4, 0.6, 0.8	LDPC: 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6	컨볼루션 코딩 코드 속도: 1/2, 2/3, 3/4
외부 FEC	선택적 RS (120, 110, t=5)	RS (204, 188, t=8)	RS (204, 188, t=8) + MPE-FEC	BCH 코드 (762, 752)	BCH 코드	없음
최대 이동 속도 (km/h)	200–600	53–185 (전송 주파수에 따라 다름)	해당사항 없음	해당사항 없음	해당사항 없음	해당사항 없음
시간 인터리빙 깊이 (ms)	384	0.6–3.5	0.6–3.5	200–500	최대 250 (확장 프레임 시 500)	해당사항 없음
적응형 전송	없음	없음	없음	해당사항 없음	없음	해당사항 없음
다중 접속 방식	없음	없음	없음	해당사항 없음	없음	해당사항 없음
일반적인 소스 코딩	192 kbit/s MPEG2 오디오 레이어 2	2–18 Mbit/s 표준 – HDTV H.264 또는 MPEG2	H.264	정의되지 않음 (비디오: MPEG-2, H.264, H.265 및/또는 AVS+; 오디오: MP2 또는 DRA 또는 AC-3)	H.264 또는 MPEG2 (오디오: AAC HE, 돌비 디지털 AC-3 (A52), MPEG-2 AL 2)	해당사항 없음

유럽과 아시아에서는 디지털 텔레비전 및 라디오 규격에 OFDM이 주로 사용된다. 일본과 브라질에서는 일본방송협회가 제정한 ISDB-T가, 유럽과 아시아의 많은 지역에서는 DVB-T가 채택되고 있다.

OFDM을 사용하면 아날로그 방송에서 고스트 현상으로 문제되었던 멀티패스 문제가 완화되고, 단일 주파수 네트워크(SFN)이 가능해져 중계 시 주파수 변환 없이 재송신할 수 있어 주파수 활용도가 높아진다.

10. 1. 유선 통신

OFDM은 POTS(구형 전화 서비스) 구리 배선을 사용하는 ADSL 및 VDSL과 같은 광대역 통신 접속에 사용된다.^[34] DSL은 기존 구리선을 통해 고속 데이터 연결을 가능하게 한다. OFDM은 ADSL2, ADSL2+, VDSL, VDSL2, G.fast와 같은 후속 표준에서도 사용된다. ADSL2는 BPSK에서 32768QAM에 이르는 가변 부반송파 변조를 사용한다(ADSL 용어로는 비트 로딩 또는 톤당 비트, 부반송파당 1~15비트로 지칭됨).^[34]

긴 구리선은 고주파에서 감쇠를 겪는다. OFDM이 이러한 주파수 선택적 감쇠와 협대역 간섭에 대처할 수 있다는 사실은 ADSL 모뎀과 같은 애플리케이션에서 자주 사용되는 주요 이유이다. 그러나 DSL은 모든 구리선 쌍에서 사용할 수 있는 것은 아니다. 전화 교환국에 들어있는 전화 회선의 25% 이상이 DSL에 사용될 경우, 간섭이 큰 문제가 될 수 있다.

실험용 아마추어 무선 용도로는 사용자가 상업적으로 구매할 수 있는 ADSL 기기에, 해당 사용자가 인가받은 무선 주파수 대역으로 주파수를 이동시키는 무선 트랜시버를 부착하기도 했다.

OFDM은 가정 내 전력선을 사용하여 통신 회선을 구축하는 전력선 통신에 사용되고 있다.^[35] OFDM에서 가능한 적응 변조(예: QPSK에서 16-QAM으로 변경)는 특히 전력선과 같이 잡음이 많은 전송로에 대해 중요해진다.

고속 PLC에서는 누설 전파 (전자 양립성의 에미션) 등의 문제로 OFDM 신호에 "노치"라고 불리는 특정 주파수 대역을 감쇠시키는 기술이 사용된다. 노치 대역을 만들기 위해서는 OFDM의 일부 서브 캐리어를 사용 중지한다.

ITU-T G.hn은 기존 가정 배선 (전력선, 전화선 및 동축 케이블)을 이용한 고속 근거리 통신망 표준으로, 적응형 변조 및 저밀도 패리티 검사(LDPC) FEC 코드를 사용하여 OFDM을 지정하는 PHY 계층을 기반으로 한다.^[31]

MoCA 홈 네트워크도 OFDM을 사용한다.

10. 2. 무선 통신

OFDM은 IEEE 802.11a/g/n 및 와이맥스를 포함한 무선 LAN 및 MAN 애플리케이션에 광범위하게 사용된다.^[3]

2.4 및 5 GHz 대역에서 작동하는 IEEE 802.11a/g/n은 스트림당 6~54 Mbit/s의 전송 속도를 갖는다. 두 장치 모두 "HT 모드"(802.11n에서 추가됨)를 사용할 수 있는 경우, 최고 20 MHz 스트림당 속도는 72.2 Mbit/s로 증가하며, 40 MHz 채널을 사용하여 13.5~150 Mbit/s 사이의 데이터 속도를 선택할 수 있다. BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM의 네 가지 변조 방식과 1/2~5/6의 오류 정정 속도가 사용된다. 다양한 선택 사항을 통해 시스템은 현재 신호 조건에 맞는 최적의 데이터 속도를 조정할 수 있다.

대부분의 유럽과 아시아 지역에서는 지상파 디지털 텔레비전 방송(DVB-T, DVB-H 및 T-DMB)과 라디오 방송(EUREKA 147 DAB, 디지털 라디오 몬디알, HD 라디오 및 T-DMB)을 위해 OFDM 방식을 채택했다.

유럽 위원회의 지침에 따라, 유럽 공동체 시청자에게 전송되는 모든 텔레비전 서비스는 인정된 유럽 표준화 기구에서 표준화된 전송 시스템을 사용해야 하며,^[37] 이러한 표준은 DVB 프로젝트(''디지털 비디오 방송(DVB); 디지털 지상파 텔레비전용 프레이밍 구조, 채널 코딩 및 변조'')에 의해 개발되고 문서화되었다.^[38] 일반적으로 DVB-T로 불리는 이 표준은 변조에 COFDM을 사용한다. DVB-T는 현재 유럽 및 기타 지역에서 지상파 디지털 TV에 널리 사용되고 있다.

위성 라디오 서비스인 SDARS(Digital Audio Radio Service) 시스템의 지상 부분은 COFDM(Coded OFDM, 부호화 직교 주파수 분할 다중 방식)을 사용하여 전송된다.^[39] "부호화"라는 단어는 순방향 오류 정정(FEC)의 사용에서 유래되었다.^[3]

COFDM과 8VSB 간의 지상파 디지털 텔레비전 기술적 장점에 대한 문제는 일부 논란이 있었으며, 특히 유럽과 북미 기술자 및 규제 기관 사이에서 그러했다. 미국은 COFDM 기반의 DVB-T 시스템을 자국의 디지털 텔레비전 서비스에 채택하려는 여러 제안을 거부하고, 수년 동안 지상파 디지털 텔레비전에 8VSB (잔류 측파대 변조)만을 사용하기로 했다.^[40] 그러나 2017년 11월, FCC는 COFDM을 기반으로 하는 새로운 방송 표준인 ATSC 3.0으로의 자발적인 전환을 승인했다.

COFDM은 다중 경로 왜곡 및 대기 조건 또는 통과하는 항공기로 인한 신호 페이딩에 대해 라디오 방송을 비교적 강하게 만든다. COFDM 지지자들은 8VSB보다 다중 경로에 훨씬 더 잘 저항한다고 주장한다. 초기 8VSB 디지털 텔레비전 (DTV) 수신기는 신호를 수신하는 데 어려움을 겪는 경우가 많았다. 또한 COFDM은 단일 주파수 네트워크를 허용하지만, 8VSB에서는 불가능하다.

그러나 최신 8VSB 수신기는 다중 경로를 처리하는 데 훨씬 더 능숙하므로, 이퀄라이저 설계의 발전에 따라 성능 차이가 줄어들 수 있다.^[42]

COFDM은 디지털 오디오 방송(DAB) 표준, VHF 주파수에서 디지털 오디오 방송 표준, 디지털 라디오 몬디알(DRM) 표준, 단파 및 중파 주파수(30MHz 미만)에서 디지털 방송 표준, 그리고 최근에 도입된 DRM+ 표준, VHF 주파수에서 디지털 오디오 방송 표준(30~174MHz)에 사용된다.

미국은 iBiquity가 개발한 ''HD 라디오''라는 대체 표준을 사용한다. 그러나, AM(중파) 및 FM 방송에 디지털 오디오를 추가하기 위해 COFDM을 기본 방송 기술로 사용한다.

디지털 라디오 몬디알과 HD 라디오는 별도의 VHF 또는 극초단파 주파수 대역을 사용하는 Eureka 147(DAB: 디지털 오디오 방송)과는 달리 동일 채널 내 시스템으로 분류된다.

''대역 분할 전송 직교 주파수 분할 다중 방식''(BST-OFDM)은 일본을 위해 제안된 ISDB-T, ISDB-TSB, ISDB-C 방송 시스템에서 사용되며, 동일한 다중화 내에서 일부 OFDM 반송파가 다른 반송파와 다르게 변조될 수 있다는 사실을 이용하여 COFDM을 개선한 방식이다.

초광대역 (UWB) 무선 개인 통신망 기술 역시 OFDM을 사용할 수 있으며, 이는 멀티밴드 OFDM (MB-OFDM)에서 사용된다. 이 UWB 규격은 WiMedia Alliance에서 주창하며, 경쟁적인 UWB 무선 인터페이스 중 하나이다.

''빠르고 낮은 지연 시간으로 원활한 핸드오프를 제공하는 직교 주파수 분할 다중 방식'' (Flash-OFDM), 또는 F-OFDM은 OFDM을 기반으로 하며, 더 높은 프로토콜 계층도 규정했다. 이 기술은 Flarion에 의해 개발되었으며, 2006년 1월 퀄컴(Qualcomm)에 인수되었다.^[43]^[44]

기존 OFDM 기반 표준 및 제품은 다음과 같다.

무선랜(WLAN) 무선 인터페이스 IEEE 802.11a, g, n, ac, ah 및 HIPERLAN/2
디지털 라디오 시스템 DAB/EUREKA 147, DAB+, 디지털 라디오 몬디알, HD 라디오, T-DMB 및 ISDB-TSB
지상파 디지털 TV 시스템 DVB-T 및 ISDB-T
지상파 이동형 TV 시스템 DVB-H, T-DMB, ISDB-T 및 MediaFLO 순방향 링크
무선 근거리 통신망(PAN) 초광대역(UWB) IEEE 802.15.3a 구현(WiMedia Alliance에서 제안)
Wi-SUN(스마트 유비쿼터스 네트워크)

OFDM 기반의 다중 접속 기술인 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)은 여러 4G 및 4G 이전 셀룰러 네트워크, 이동 광대역 표준, 차세대 WLAN 및 하이브리드 광 동축 케이블 네트워크의 유선 부분에서도 사용된다.

무선 MAN/광대역 무선 접속(BWA) 표준 IEEE 802.16e (또는 Mobile-WiMAX)의 이동성 모드
이동 광대역 무선 접속(MBWA) 표준 IEEE 802.20
3GPP Long Term Evolution(LTE) 4세대 이동 광대역 표준의 다운 링크. 이 무선 인터페이스는 이전에 ''고속 OFDM 패킷 접속''(HSOPA)으로 명명되었으나, 현재는 Evolved UMTS Terrestrial Radio Access(E-UTRA)로 명명됨
WLAN IEEE 802.11ax
DOCSIS 3.1 업스트림^[11]

11. 역사

1957년: R.R. Mosier와 R.G. Clabaugh가 Kineplex 다중 캐리어 HF 모뎀을 개발하였다.^[59]^[60]
1966년: 벨 연구소의 창(Chang)이 OFDM에 관한 논문을 발표하고 특허를 획득하였다.^[61]^[62]
1971년: 웨인스타인(Weinstein)과 에버트(Ebert)가 고속 푸리에 변환(FFT) 및 가드 간격을 OFDM에 사용하는 것을 제안하였다.^[63]
1985년: 시미니(Cimini)가 이동 통신 환경에서 OFDM을 사용하는 방법을 설명하였다.
1985년: 텔레비트(Telebit)에서 512캐리어 패킷 앙상블 프로토콜(18432bit/s)을 사용하는 Trailblazer 모뎀을 출시하였다.
1987년: 알라드(Alard)와 라살(Lasalle)이 디지털 방송을 위한 COFDM 기술을 개발하였다.^[6]
1988년 9월: TH-CSF LER이 파리 지역에서 OFDM을 사용한 최초의 실험적인 디지털 TV 링크를 선보였다.
1989년: OFDM 국제 특허가 출원되었다.^[64]
1990년 10월: TH-CSF LER이 파리 지역에서 8 MHz 채널에서 34 Mbit/s 속도를 제공하는 최초의 OFDM 장비 현장 테스트를 실시하였다.
1990년 12월: TH-CSF LER이 미국 프린스턴에서 VSB와 최초의 OFDM 테스트 베드 비교를 수행하였다.
1992년 9월: TH-CSF LER이 독일 부퍼탈에서 8 MHz 채널에서 70 Mbit/s 속도를 제공하고 이중 편파를 사용하는 2세대 장비 현장 테스트를 실시하였다.
1992년 10월: TH-CSF LER이 영국 런던 근처에서 BBC와 함께 2세대 현장 테스트 및 테스트 베드를 운영하였다.
1993년: TH-CSF가 스위스 몽트뢰에서 4개의 TV 채널과 하나의 HDTV 채널을 단일 8 MHz 채널에서 시연하였다.
1993년: 모리스(Morris)가 실험적인 150 Mbit/s OFDM 무선 LAN을 개발하였다.
1995년: ETSI 디지털 오디오 방송 표준 EUreka가 최초의 OFDM 기반 표준으로 채택되었다.
1997년: ETSI DVB-T 표준이 제정되었다.
1998년: Magic WAND 프로젝트에서 무선 LAN용 OFDM 모뎀을 시연하였다.
1999년: IEEE 802.11a 무선 LAN 표준(Wi-Fi)이 발표되었다.^[65]
2000년: 독점적 고정 무선 접속(V-OFDM, FLASH-OFDM 등) 기술이 등장하였다.
2001년 5월: 미국 연방 통신 위원회(FCC)가 2.4 GHz 면허 면제 대역에서 OFDM 사용을 허용하였다.^[66]
2002년: IEEE 802.11g 무선 LAN 표준이 발표되었다.^[67]
2004년: IEEE 802.16 무선 MAN 표준(WiMAX)이 발표되었다.^[68]
2004년: ETSI DVB-H 표준이 제정되었다.
2004년: 무선 PAN(MB-OFDM)용 IEEE 802.15.3a 표준 후보가 제안되었다.
2004년: 차세대 무선 LAN용 IEEE 802.11n 표준 후보가 제안되었다.
2005년: OFDMA가 3GPP 롱 텀 에볼루션(LTE) 공중 인터페이스 E-UTRA 다운링크의 후보로 선정되었다.
2007년: OFDM-MIMO, SC-FDMA 및 다중 사용자 MIMO 업링크를 포함한 최초의 완전한 LTE 공중 인터페이스 구현이 시연되었다.^[69]

참조

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