OFDM (직교 주파수 분할 다중화)

OFDM(직교 주파수 분할 다중화)이란 부반송파라는 직교 협대역 신호의 조합으로 데이터가 송신되는 다중 반송파 변조 시스템입니다. OFDM은 QAM과 같은 단일 반송파 변조를 기반으로 하며, 이와 비슷한 데이터 속도로 송신할 수 있습니다. 그러나 OFDM은 주파수 선택적 페이딩에 대해 더 강인하며, 수신기에서의 이퀄라이제이션을 간소화합니다. OFDM은 Wi-Fi, LTE 및 5G와 같이 널리 사용되는 많은 무선 통신 표준에서 발견되는 기반 기술입니다. MATLAB 및 Simulink를 사용해 이러한 표준을 준수하는 OFDM 파형을 구성하고 생성하여 무선 통신 시스템의 물리 계층 모델을 시뮬레이션하고 테스트할 수 있습니다.

OFDM의 작동 방식

OFDM 송신 방식은 여러 개의 구성요소로 나눌 수 있습니다. 먼저 데이터가 코딩되고 변조되는데 통상적으로 QAM 심볼로 변조됩니다. 이러한 심볼은 균일한 간격의 주파수 bin로 불러오고, IFFT(고속 푸리에 역변환)를 적용해 신호를 시간 영역의 직교 중첩 정현파로 변환합니다. IFFT의 수식은 다음과 같습니다.

$$x(n) = { 1 \over N} \sum_{k=0}^{N-1} X(k) e^{i \frac{2 \pi xt}{N}} $$

IFFT 출력에서 N개의 샘플이 1개의 OFDM 심볼을 구성합니다. 그런 다음 각 OFDM 심볼에 순환 전치가 추가되며, 이를 통해 순환 전치의 길이가 최소 채널 임펄스 응답 크기 이상인 경우 선형 컨벌루션을 통해 순환 컨벌루션의 계산이 가능해집니다. 이를 통해 수신기에서의 이퀄라이제이션은 각 OFDM 심볼에 독립적으로 적용되는 간단한 복소수 스칼라 곱셈을 통해 심볼간 간섭을 제거할 수 있습니다. 일반적인 OFDM 응용 사례에서는 송신기에 알려진 파일럿 심볼이 추가되어 채널 추정 및 이퀄라이제이션을 보조합니다.

LTE 또는 5G 같은 표준에서는 여러 OFDM 심볼을 결합하여 OFDM 슬롯 또는 서브프레임으로 송신할 수 있습니다. 서브프레임당 심볼의 수는 표준 및 부반송파 간격에 따라 달라집니다. 예를 들어, 아래의 LTE 자원 그리드는 12개 단위 블록으로 그룹화된 부반송파(12개의 각 부반송파가 1개의 자원 블록을 구성)와 서브프레임당 14개의 OFDM 심볼 구성을 보여줍니다.

OFDM을 사용해야 하는 이유

OFDM은 많은 무선 통신 표준 내에서 널리 도입된 방식입니다. OFDM의 이점은 다음과 같습니다.

• 광대역 채널에서 발생하는 주파수 선택적 페이딩 및 다중경로 왜곡 극복
• 각 부반송파에서 채널 추정 및 이퀄라이제이션이 독립적으로 발생하도록 허용
• 여러 데이터 스트림 간의 손쉬운 자원 공유
• 각 부반송파에서 평탄 페이딩이 발생하기 때문에 MIMO 및 대규모 MIMO 시스템과 잘 맞으며, 따라서 이퀄라이제이션에는 각 부반송파당 단일 탭만 포함됨
• 전체적으로 높은 스펙트럼 효율

MATLAB 및 Simulink로 OFDM 사용하기

MATLAB, Simulink 및 Communications Toolbox™, WLAN Toolbox™, LTE Toolbox™, 5G Toolbox™와 같은 관련 무선 통신 툴박스에는 OFDM 신호를 직접 설계하고 테스트하기 위한 함수와 블록이 포함되어 있습니다. MATLAB 및 Simulink를 사용하여 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

• OFDM 파형에 대한 링크 수준 시뮬레이션 설계, 테스트, 수행
• 함수 및 블록을 사용하여 훈련 신호, 0 채우기, 순환 전치 같은 OFDM 파라미터 사용자 지정
• OFDM을 무선 시스템 설계에 적용하여 링크 성능, 강인성, 채널 추정 및 이퀄라이제이션 등의 메트릭 분석
• 성능 극대화를 위해 디지털, 아날로그 또는 하이브리드 빔포밍 알고리즘 설계 및 최적화
• 다양한 산업 표준에 맞춰 사용자 지정된 OFDM 파형을 생성하는 특정 함수 호출
• 무선 파형 생성기 앱을 사용해 시뮬레이션 또는 무선 테스트에 활용할 수 있는 표준 준수 OFDM 파형 생성
• Wireless HDL Toolbox™를 사용해 HDL 코드 생성 및 하드웨어 구현에 최적화된 OFDM 무선 시스템 설계.