OFDMA

OFDMA는 전체 사용 가능한 대역폭을 다수의 좁은 부반송파로 나눈 후, 이 자원을 여러 사용자에게 동시에 할당하는 방식으로 작동한다. 이는 OFDM 기술을 기반으로 하여 다중 접속 기능을 추가한 것이다.

주파수 자원 할당의 기본 단위는 하나 이상의 부반송파로 구성된 자원 블록이다. 시스템은 채널 상태 정보를 기반으로 각 사용자에게 최적의 자원 블록을 동적으로 할당한다. 할당 방식은 크게 두 가지로 구분된다. 첫째는 연속적인 부반송파 블록을 할당하는 로컬라이즈드 방식이다. 이 방식은 채널 품질이 좋은 특정 주파수 대역에 사용자를 집중시켜 전송 효율을 높인다. 둘째는 전체 대역에 걸쳐 부반송파를 분산하여 할당하는 분산 방식이다. 이 방식은 주파수 다이버시티를 제공하여 페이딩의 영향을 줄이고 간섭을 평균화하는 효과가 있다.

할당의 세부 메커니즘은 다음과 같은 요소를 고려한다.

이러한 동적 할당을 통해 시스템은 시간과 주파수 영역에서 자원 활용도를 극대화하며, 사용자 간의 공평성과 전체 시스템 처리량 사이의 균형을 유지한다.

OFDMA에서 다중 사용자 접속은 전체 사용 가능한 주파수 대역을 여러 개의 작은 주파수 단위로 나누어, 이를 동시에 여러 사용자에게 할당함으로써 달성된다. 이 작은 주파수 단위를 부반송파 그룹 또는 자원 유닛이라고 부른다. 기존 OFDM이 단일 사용자에게 모든 부반송파를 할당하는 방식이라면, OFDMA는 이 자원을 시간과 주파수 영역에서 분할하여 다수의 사용자가 동일한 시간에 서로 다른 주파수 자원을 통해 데이터를 전송하거나 수신할 수 있게 한다.

이 접속 방식은 기지국 또는 액세스 포인트가 중앙에서 모든 사용자의 채널 상태와 데이터 요구량을 고려하여 동적으로 자원을 스케줄링한다. 예를 들어, 기지국 근처에 위치해 채널 상태가 좋은 사용자에게는 고차 변조 방식을 사용하는 적은 수의 부반송파를 할당하고, 셀 경계에 있어 채널 상태가 나쁜 사용자에게는 저차 변조 방식을 사용하는 더 많은 부반송파를 할당할 수 있다. 이로 인해 시스템 전체의 처리량과 효율성이 향상된다.

다중 사용자 접속의 구체적인 동작은 업링크와 다운링크에서 약간 다르게 나타난다. 다운링크에서는 기지국이 여러 사용자에게로의 데이터를 묶어 전송하고, 각 사용자는 자신에게 할당된 부반송파 그룹의 신호만을 복조한다. 업링크에서는 여러 사용자가 서로 다른 부반송파 그룹을 통해 동시에 기지국으로 데이터를 전송하며, 기지국은 이 신호들을 수신하여 복조한다. 이를 통해 업링크에서도 다중 사용자가 동시에 접속할 수 있는 이점을 얻는다.

이러한 접속 방식은 특히 사용자 수가 많고 트래픽 요구가 다양한 환경에서 유리하다. 소량의 데이터만 전송하는 사용자에게 넓은 대역을 할당하는 것은 비효율적이지만, OFDMA는 작은 자원 블록을 할당함으로써 대기 시간을 줄이고 다수의 사용자를 효율적으로 지원한다. 결과적으로 OFDMA는 주파수 효율성과 시스템 용량을 극대화하는 핵심 메커니즘으로 작동한다.

OFDMA의 주파수 효율성은 주파수 자원을 다수의 사용자에게 동시에, 그리고 동적으로 할당하는 방식에서 비롯된다. 기존의 OFDM 방식이 하나의 사용자가 전체 부반송파를 점유하는 방식이라면, OFDMA는 전체 대역폭을 구성하는 수많은 부반송파들을 작은 묶음(서브캐리어 그룹 또는 리소스 유닛)으로 나누어 여러 사용자에게 동시에 할당한다. 이는 하나의 물리적 채널을 다수의 가상 채널로 분할하여 공유하는 것과 같다.

이러한 방식은 주파수 자원의 활용도를 극대화한다. 특정 사용자가 전송할 데이터가 적은 경우, 시스템은 해당 사용자에게 최소한의 리소스 유닛만 할당하고, 남은 대역폭은 다른 사용자에게 할당할 수 있다. 반대로 대용량 데이터를 전송해야 하는 사용자에게는 더 많은 리소스 유닛을 집중적으로 할당할 수 있다. 이는 고정된 대역폭 내에서 더 많은 사용자를 수용하거나, 동일한 사용자 수에 대해 더 높은 데이터 전송률을 제공할 수 있음을 의미한다.

주파수 효율성은 스케줄링 알고리즘의 성능에 크게 의존한다. 기지국이나 액세스 포인트는 각 사용자의 채널 상태 정보, 데이터 요구량, 서비스 품질 요구사항 등을 실시간으로 분석하여 최적의 자원 할당을 결정한다. 예를 들어, 기지국에 가까워 채널 상태가 좋은 사용자에게는 고차 변조 방식을 사용하여 적은 자원으로 많은 데이터를 전송하게 하고, 채널 상태가 나쁜 사용자에게는 낮은 차수의 변조 방식을 적용하여 안정성을 확보하는 방식으로 전체 시스템의 스루풋을 높인다.

결과적으로 OFDMA는 주파수 자원의 공간적, 시간적, 주파수적 다이버시티를 종합적으로 활용하여 스펙트럼 효율을 향상시킨다. 이는 제한된 주파수 자원을 가진 무선 통신 시스템에서 높은 데이터 전송률과 많은 사용자 접속을 동시에 달성하는 핵심 메커니즘이 된다.

멀티패스 페이딩은 무선 신호가 장애물에 반사되어 수신기에서 여러 경로를 통해 도달할 때 발생하는 현상이다. 이로 인해 신호 간 간섭이 생기고, 특정 주파수 성분이 크게 감쇠하는 주파수 선택적 페이딩이 일어날 수 있다. OFDM은 이러한 문제를 극복하기 위해 고안된 기술로, 고속의 직렬 데이터 스트림을 다수의 저속 부반송파로 나누어 전송한다. 각 부반송파의 대역폭이 좁아져 채널 응답이 평탄해지므로, 주파수 선택적 페이딩의 영향을 크게 줄일 수 있다.

OFDMA는 OFDM의 이 원리를 기반으로 하여, 다중 사용자 환경에서도 멀티패스 페이딩에 대한 강건성을 유지한다. 시스템은 사용자별로 서로 다른 부반송파 묶음(리소스 블록)을 동적으로 할당한다. 스케줄러는 채널 상태 정보를 활용하여 각 사용자에게 상대적으로 페이딩 영향이 적은 주파수 대역을 할당할 수 있다. 결과적으로 특정 사용자의 전체 데이터가 하나의 깊은 페이딩 null에 집중되어 영향을 받는 것을 방지한다.

이러한 특성은 도시 환경이나 실내와 같이 반사체가 많은 복잡한 전파 환경에서 특히 유리하게 작용한다. OFDMA를 사용하는 시스템은 등화기의 복잡성을 크게 낮추면서도 안정적인 링크 품질을 제공할 수 있다. 이는 고속 이동 중인 사용자나 변화가 빠른 채널 조건에서도 데이터 전송의 신뢰성을 보장하는 핵심 요소 중 하나이다.

OFDMA는 시간과 주파수 자원을 매우 세밀하게 분할하여 다수의 사용자에게 동시에 할당할 수 있다. 이 세밀한 자원 할당 단위를 통해 기지국 또는 액세스 포인트는 각 사용자의 채널 상태, 데이터 요구량, 서비스 품질 요구사항에 실시간으로 대응하는 동적 스케줄링을 수행할 수 있다.

스케줄링의 유연성은 주로 다음과 같은 측면에서 발휘된다. 첫째, 주파수 선택적 스케줄링이 가능하다. 채널 상태가 좋은 특정 부반송파 블록을 각 사용자에게 선택적으로 할당하여 전체 시스템의 스루풋을 극대화할 수 있다. 둘째, 다양한 서비스에 대한 품질 보장이 용이하다. 예를 들어, 지연에 민감한 실시간 음성 통화에는 작은 대역폭을 짧은 주기로 할당하고, 대용량 파일 다운로드에는 넓은 대역폭을 장시간 할당하는 등 서비스 특성에 맞춘 차별화된 스케줄링이 가능하다.

이러한 유연한 스케줄링을 지원하기 위해 OFDMA 시스템에서는 일반적으로 다음과 같은 자원 할당 단위를 정의한다.

스케줄러는 이러한 단위들을 조합하여, 네트워크 정책과 사용자 요구에 따라 최적의 자원 배분을 결정한다. 결과적으로 OFDMA는 고정된 대역폭을 여러 사용자가 공유하는 이전 기술들에 비해 훨씬 효율적이고 반응적인 자원 관리를 가능하게 한다.

OFDMA는 IEEE 802.11ax 표준, 즉 Wi-Fi 6의 핵심 기술 중 하나로 도입되어 기존 Wi-Fi 네트워크의 효율성을 크게 향상시켰다. 이전 세대의 Wi-Fi 표준들은 주로 OFDM 방식을 사용하여 단일 사용자에게 전체 채널 대역폭을 한 번에 할당하는 방식이었다. 반면, Wi-Fi 6의 OFDMA는 하나의 채널을 더 작은 주파수 단위인 리소스 유닛(RU)으로 세분화하여, 동일한 전송 시간에 여러 사용자에게 동시에 분배할 수 있게 한다.

이 기술의 도입으로 인해 네트워크 혼잡 환경에서의 성능이 크게 개선되었다. 예를 들어, 한 액세스 포인트(AP)에 많은 수의 클라이언트 장치가 연결된 경우, 작은 데이터 패킷을 전송해야 하는 각 장치에게 최적화된 크기의 RU를 할당할 수 있다. 이는 한 사용자가 전체 채널을 점유하여 다른 사용자들의 전송이 지연되는 현상을 줄이고, 전반적인 대기시간(latency)을 감소시킨다. 특히 사물인터넷(IoT) 기기나 온라인 게임, 실시간 비디오 스트리밍과 같이 작은 패킷과 낮은 지연이 중요한 트래픽에 유리하다.

OFDMA는 업링크와 다운링크 모두에서 적용된다. 다운링크 OFDMA에서는 AP가 여러 클라이언트로 동시에 데이터를 전송할 수 있으며, 업링크 OFDMA에서는 여러 클라이언트가 조정된 방식으로 동시에 AP에 데이터를 전송할 수 있다. 업링크 다중 사용자 접속을 효율적으로 구현하기 위해 트리거 기반(trigger-based) 메커니즘이 사용된다[4].

다음 표는 Wi-Fi 6에서 OFDMA가 적용되는 주요 채널 대역폭과 이에 따른 리소스 유닛(RU)의 구성을 보여준다.

결과적으로, Wi-Fi 6의 OFDMA는 고밀도 사용자 환경에서 네트워크 용량, 효율성 및 예측 가능성을 높이는 데 기여한다. 이는 단순한 최대 속도 향상보다는 실생활에서 경험하는 네트워크 품질과 안정성을 개선하는 데 초점을 맞춘 진화이다.

OFDMA는 4G LTE와 5G NR의 핵심 다중 접속 기술로 채택되어, 무선 자원의 효율적인 분배와 높은 데이터 전송률을 실현하는 기반이 되었다.

LTE의 하향링크는 OFDMA를 기반으로 구축되었다. 기지국은 사용자 단말(UE)의 채널 상태와 데이터 요구량에 따라, 시간(서브프레임)과 주파수(자원 블록) 영역에서 동적으로 자원 블록을 할당한다. 이를 통해 여러 사용자가 동일한 시간에 서로 다른 주파수 부반송파들을 사용하여 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다. 상향링크에는 SC-FDMA를 사용하여 전송 효율과 단말의 전력 소모를 절충했으나, 이 역시 주파수 영역에서 자원을 할당한다는 점에서 OFDMA의 원리를 공유한다. LTE에서 OFDMA는 주파수 선택적 스케줄링을 가능하게 하여 채널 조건이 좋은 주파수 대역을 각 사용자에게 할당함으로써 시스템 용량과 셀 에지 사용자의 성능을 동시에 향상시켰다.

5G NR은 LTE를 확장 및 발전시켜 하향링크와 상향링크 모두에 OFDMA를 적용한다. 보다 유연한 파라미터 집합을 도입하여 다양한 서브캐리어 간격과 심볼 길이를 지원한다. 이를 통해 짧은 지연 시간이 요구되는 초신뢰 저지연 통신 응용과 넓은 대역폭을 필요로 하는 고신뢰 통신 응용에 최적화된 자원 할당이 가능해졌다. 또한, 대규모 MIMO 기술과 결합되어 빔 형성된 공간 자원과 주파수-시간 자원을 통합적으로 스케줄링하는 고도화된 다중 접속이 구현된다. 5G NR의 OFDMA는 네트워크 슬라이싱을 지원하는 물리적 기반으로도 작동하여, 서로 다른 요구사항을 가진 가상 네트워크에 독립적이고 유연한 자원을 할당할 수 있게 한다.

OFDMA의 가장 큰 장점은 주파수 자원을 효율적으로 활용하여 다수의 사용자에게 동시에 데이터를 전송할 수 있다는 점이다. 기존 OFDM 방식이 단일 사용자에게 전체 대역폭을 할당하는 방식이라면, OFDMA는 서브캐리어 그룹(Resource Unit) 단위로 자원을 분할하여 여러 사용자에게 동시에 할당한다. 이로 인해 네트워크 혼잡 시에도 낮은 대역폭 요구 사항을 가진 사용자들을 효율적으로 수용할 수 있으며, 전반적인 시스템 처리량과 용량이 증가한다.

또한, 스케줄링의 유연성이 크게 향상된다는 점도 주요 장점이다. 기지국이나 액세스 포인트는 각 사용자의 채널 상태, 데이터 요구량, 서비스 품질(QoS) 요구 사항에 따라 동적으로 주파수 자원을 할당할 수 있다. 예를 들어, 채널 상태가 좋은 사용자에게는 고차 변조 방식을 사용한 많은 서브캐리어를 할당하고, 상태가 나쁜 사용자에게는 더 강건한 저차 변조 방식을 사용한 적은 수의 서브캐리어를 할당할 수 있다. 이는 주파수 선택적 페이딩에 대한 저항성을 유지하면서도 자원 활용도를 극대화한다.

다음 표는 OFDMA의 주요 장점을 요약한 것이다.

마지막으로, 작은 데이터 패킷을 빈번히 전송하는 사물인터넷(IoT) 기기와 같은 응용에 매우 적합하다. 이러한 기기들은 전체 대역폭을 필요로 하지 않으므로, OFDMA를 통해 할당된 작은 주파수 블록만으로 효율적으로 통신할 수 있어 네트워크 자원 낭비를 줄이고 배터리 수명을 연장하는 데 기여한다.

OFDMA는 높은 주파수 효율성과 유연한 자원 할당을 제공하지만, 몇 가지 기술적 한계와 구현상의 어려움을 지니고 있다.

가장 큰 단점은 높은 PAPR이다. 다수의 부반송파 신호가 중첩될 때 발생하는 높은 첨두 전력은 전력 증폭기의 선형 동작 범위를 벗어나게 하여 신호 왜곡을 유발한다. 이는 전송 효율을 저하시키고, 배터리 수명이 중요한 이동 단말기의 설계를 복잡하게 만든다. PAPR 완화를 위한 별도의 신호 처리 기술이 필요하며, 이는 시스템 복잡도와 비용을 증가시키는 요인이다. 또한, 정확한 동기화가 필수적이다. 사용자마다 다른 부반송파를 사용하기 때문에, 시간 및 주파수 동기 오차는 인접 채널 간의 간섭을 심각하게 초래하여 전체 시스템 성능을 급격히 떨어뜨린다.

다른 단점으로는 상대적으로 높은 시스템 복잡도와 오버헤드를 꼽을 수 있다. 기지국은 다수의 사용자에 대한 채널 상태 정보를 실시간으로 수집하고, 복잡한 스케줄링 알고리즘을 통해 최적의 자원 블록을 할당해야 한다. 이 과정에서 발생하는 제어 신호 오버헤드는 실제 데이터 전송 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 인접 채널 간섭에 취약한 면이 있다. 특히 셀 경계 지역에서 인접 셀의 동일 주파수 대역 사용은 간섭을 유발하며, 이를 완화하기 위해 정교한 주파수 재사용 계획이나 간섭 조정 기술이 추가로 요구된다.