이전 포스팅에서 CP-OFDM은 높은 PAPR (peak-to-average power ratio)을 가지는 문제점을 가지고 있습니다. 따라서 OFDM의 장점을 살리면서 PAPR을 낮출 수 있는 기법인 DFT-s-OFDM (DFT-spread-OFDM)가 상황에 따라 사용되기도 합니다. DFT-s-OFDM는 PAPR이 낮아 적은 비용으로 높은 전력 효율을 가질 수 있기 때문에 NR 상향링크 전송에 CP-OFDM과 더불어 이용됩니다. (※ 참고로 NR 하향링크 전송에서는 CP-OFDM만 사용됩니다.)
DFT-s-OFDM이란?
CP-OFDM의 높은 피크 파워는 complex symbol이 개별 subcarrier에 맵핑되어 동일한 위상으로 중첩될 때 발생합니다. 따라서 DFT-s-OFDM은 하나의 complex symbol을 하나의 subcarrier에 실어 보내지 않고, 여러 subcarrier에 분산(spreading)하는 것이 핵심입니다. 이때 DFT가 이용되기 때문에 이를 DFT spreading이라고 합니다. 이를 통해 subcarrier 중첩을 줄이고, 단일 캐리어 전송처럼 보이게 하여 OFDM waveform의 피크 파워를 낮출 수 있습니다.
아래 [그림 2]의 DFT-s-OFDM의 block diagram을 보시면 DFT spreading과 subcarrier 맵핑을 제외하면 CP-OFDM 과정과 동일한 것을 알 수 있습니다.
1) DFT spreading: $M$ 개의 complex symbol $\{X_k\}_{k=0}^{M-1}$은 먼저 $M$-point DFT spreading 과정을 거칩니다. DFT를 거치면 하나의 complex symbol은 $M$개의 주파수 성분으로 분산되어 출력됩니다. 이러한 DFT spreading 과정은 실제로는 precoding 형태로 전처리되는데, 이를 DFT precoding이라 하고 NR 표준에서는 transform precoding이라고 합니다.
2) Subcarrier mapping: $M$ 개의 주파수 성분은 그대로 IFFT에 들어가지 않고 적절한 subcarrier로 주파수가 바뀌어 맵핑됩니다. 연속하는 인접 subcarrier들에 할당되는 localized 맵핑 방식이 주로 사용됩니다. 맵핑되지 않은 subcarrier에는 zero padding되어 upsampling이 일어납니다.
3) IFFT: Subcarrier mapping 이후 $N$-point ($N>M$) IFFT를 통해 $N$ 개의 시간 영역 OFDM symbol 샘플인 $\{x_n\}_{n=0}^{N-1}$으로 변환됩니다.
DFT-s-OFDM 역시 다중 접속이 가능하며 이를 DFT-s-OFDMA (DFT-spread-OFDMA)라고 합니다. $N=K\cdot M$이라 하면 $K$는 동시에 다중 접속될 수 있는 최대 단말 수를 의미합니다. DFT-s-OFDMA는 SC-FDMA (single-carrier FDMA)로 불리기도 합니다. 전체 대역폭 ($N$ 개 subcarrier)을 최대 $K$ 개의 단말이 나누어 사용해 FDMA처럼 보이며, 하나의 사용자는 $M$ 개의 연속된 subcarrier에 데이터를 분산시켜 실어서 단일 캐리어 전송처럼 보이기 때문입니다.
DFT-s-OFDM의 장점
DFT-s-OFDM은 CP-OFDM에 비해 2~3 dB 정도 낮은 PAPR을 가지고 있다고 알려져 있으며 이를 통한 여러 가지 장점이 있습니다.
- 낮은 PA (power amplifier) 비용: PAPR이 작으면 선형 구간이 긴 값비싼 PA를 쓰지 않아도 되어 단말 입장에서는 비용 절감 효과가 있습니다.
- 넓은 셀 커버리지: 낮은 PAPR 때문에 전력을 충분히 증폭하여 전송할 수 있으므로 커버리지가 늘어나게 됩니다. DFT-s-OFDM은 상향링크 전송에 주로 사용하므로, 셀 경계에 있는 단말의 상향링크 전송의 성능을 증가시킵니다.
- 높은 전력 효율: PAPR이 낮기 때문에 전력이 제한된 상황에서 낮은 MCS (modulation and coding scheme)를 사용할 때 높은 링크 성능 이득을 제공할 수 있습니다.
DFT-s-OFDM의 단점
- 낮은 spectral efficiency: 단일 캐리어 전송에 가깝기 때문에 높은 MCS에서의 demodulation 성능은 다중 경로 전파가 심한 frequency selective 채널에서 CP-OFDM 보다 떨어집니다.
- 낮은 자원 관리 유동성: 데이터를 여러 subcarrier로 분산하며, 특정한 형태의 subcarrier 맵핑을 거치기 때문에 무선 자원 할당의 유연성이 떨어집니다.
- 높은 복잡도: DFT spreading 과정을 추가적으로 처리해야 하기 때문에 CP-OFDM에 비해 복잡도가 증가합니다.
CP-OFDM과 DFT-s-OFDM을 비교하면 각각 장단점이 있습니다. 높은 MCS를 통한 데이터 전송에는 CP-OFDM이 유리하여 하향링크 전송에 이용되며, 상향링크 전송은 비교적 요구되는 전송 속도가 낮고 단말 비용과 전력 효율이 중요하기 때문에 DFT-s-OFDM이 유리합니다. 단말이 위치하는 셀의 위치에 따르면, 셀의 경계에서는 DFT-s-OFDM이 유리하며 셀의 중앙에서는 CP-OFDM이 일반적으로 유리합니다.
References
[1] M. Kottkamp et al., 5G New Radio: Fundamentals, Procedures, Testing Aspects, Rohde & Schwarz, 2018.
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Single-carrier_FDMA
[3] http://terms.tta.or.kr/dictionary/dictionaryView.do?word_seq=170492-6
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