SC-FDMA

DFT 확산은 SC-FDMA 송신기의 핵심 처리 과정이다. 먼저 변조된 데이터 심볼(예: QPSK, 16-QAM) 블록에 대해 이산 푸리에 변환(DFT)을 수행하여 주파수 영역 신호로 변환한다. 이 과정은 데이터 심볼의 대역폭을 시스템 전체 대역폭에 걸쳐 확산시키는 효과를 낳는다. 따라서 DFT 확산은 종종 '주파수 영역 확산'으로도 불린다.

확산된 주파수 영역 신호는 이후 자원 매핑 단계를 거친다. 자원 매핑은 DFT의 출력인 주파수 샘플들을 시스템의 사용 가능한 부반송파 중 특정 위치에 할당하는 과정이다. 이는 직교 주파수 분할 다중화(OFDMA) 시스템에서의 부반송파 매핑과 유사하지만, 중요한 차이는 SC-FDMA에서는 연속적인 부반송파 블록에 매핑된다는 점이다. 이 연속적인 할당 방식을 '로컬라이즈드 매핑'이라고 한다.

자원 매핑이 완료되면, 신호는 역고속 푸리에 변환(IFFT) 블록을 통해 다시 시간 영역 신호로 변환되어 송신된다. 이 전체 과정은 데이터 심볼이 시간 영역에서 직접 변조되는 것이 아니라, 주파수 영역에서 확산되고 재배치된 후 시간 영역 신호로 합성됨을 의미한다. 결과적으로 송신 신호는 단일 반송파의 특성을 가지게 되어 높은 피크 대 평균 전력비 문제를 완화한다.

SC-FDMA는 기본적으로 단일 반송파 방식의 특성을 가진다. 이는 전송되는 신호의 시간 영역 파형이 하나의 주파수 성분을 중심으로 변조된 형태를 띤다는 것을 의미한다. OFDMA가 다수의 직교 부반송파에 데이터를 분산시켜 병렬 전송하는 방식인 반면, SC-FDMA는 직교 부반송파를 사용하지만, DFT 확산 과정을 통해 모든 데이터 심볼이 모든 부반송파에 고르게 펼쳐지게 된다. 결과적으로 시간 영역에서 관찰되는 신호는 하나의 주반송파가 변조된 것과 유사한 특성을 보인다.

이러한 단일 반송파 특성은 PAPR이 낮다는 결정적인 장점으로 이어진다. PAPR은 신호의 최대 순시 전력과 평균 전력의 비율을 나타내는 지표이다. SC-FDMA 신호는 시간 영역에서 진폭 변동이 상대적으로 작아 높은 PAPR 값을 보이는 경우가 드물다. 낮은 PAPR은 이동 통신 단말기의 전력 증폭기 설계에 매우 유리하다. 전력 증폭기는 선형 동작 영역에서 효율이 낮은데, 높은 PAPR 신호를 왜곡 없이 증폭하려면 증폭기가 넓은 선형 영역에서 동작해야 하므로 전력 효율이 떨어진다. SC-FDMA의 낮은 PAPR 특성은 증폭기를 보다 효율적인 포화 영역 근처에서 동작시킬 수 있게 하여 단말기의 배터리 수명을 연장하는 데 기여한다.

단일 반송파 특성은 주파수 효율성 측면에서는 약간의 손실을 초래할 수 있다. 모든 데이터가 전체 대역폭에 걸쳐 확산되므로, 주파수 선택적 페이딩 채널에서 일부 부반송파가 깊은 페이딩을 겪으면 모든 데이터 심볼에 영향을 미칠 수 있다. 이는 OFDMA가 특정 부반송파의 손실만을 겪는 것과 대비되는 특성이다. 그러나 이러한 단점은 강력한 채널 코딩과 주파수 영역 등화기를 통해 보상된다. 수신기에서는 DFT 확산의 역과정을 수행하기 전에 주파수 영역에서 채널의 영향을 보상하는 등화를 적용함으로써 주파수 선택적 페이딩에 대한 견고성을 확보한다.

SC-FDMA와 OFDMA의 가장 두드러진 차이점 중 하나는 PAPR 특성에 있다. PAPR은 신호의 최대 전력과 평균 전력의 비율을 나타내는 척도로, 낮은 PAPR은 전력 증폭기의 효율성을 높이고 배터리 수명을 연장하는 데 유리하다. SC-FDMA는 기본적으로 단일 반송파 특성을 가지기 때문에 시간 영역에서의 신호 진폭 변동이 OFDMA에 비해 상대적으로 작다. 이는 SC-FDMA의 PAPR이 OFDMA보다 현저히 낮음을 의미한다.

구체적으로, OFDMA는 다수의 직교 부반송파에 데이터를 분산하여 동시에 전송하는 방식이다. 이때 각 부반송파의 위상이 우연히 동일해지면 신호가 중첩되어 매우 큰 피크 전력이 발생할 수 있다. 반면 SC-FDMA는 먼저 데이터 심볼을 DFT를 통해 주파수 영역으로 확산시킨 후, 특정 부반송파에 매핑하여 전송한다. 이 과정은 신호가 단일 반송파의 특성을 유지하도록 하여 진폭 변동을 완화시킨다.

낮은 PAPR의 실질적 이점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 차이로 인해, 배터리로 구동되고 전력 효율이 중요한 이동 단말의 업링크 전송에는 PAPR이 낮은 SC-FDMA가 채택되었다. 반면, 전력 공급에 제약이 적고 높은 주파수 효율성을 요구하는 기지국의 다운링크 전송에는 OFDMA가 더 적합한 방식으로 평가받는다.

OFDMA는 직교 주파수 분할 다중 방식으로, 모든 부반송파가 서로 직교성을 유지하며 동시에 전송되기 때문에 높은 주파수 효율성을 제공한다. 특히 광대역 채널에서 주파수 선택적 페이딩에 강인하며, 간단한 등화로 고속 데이터 전송이 가능하다. 이는 다중 경로 채널 환경에서도 높은 스펙트럼 효율을 유지할 수 있게 해준다.

반면, SC-FDMA는 단일 반송파 특성을 가지기 때문에 주파수 효율성 측면에서는 OFDMA에 비해 약간 불리한 측면이 있다. SC-FDMA는 데이터 심볼을 이산 푸리에 변환으로 확산한 후 주파수 영역에 매핑하는 과정을 거치는데, 이로 인해 추가적인 처리 단계가 필요하다. 결과적으로, 동일한 대역폭과 심볼 시간을 가정할 때, 순수한 스펙트럼 효율성은 OFDMA가 일반적으로 더 높다.

복잡도 측면에서 송신기 구조를 비교하면, SC-FDMA는 OFDMA 송신기에 DFT 프리코딩 블록이 추가되어 계산 복잡도가 더 높다. 그러나 이는 주로 단말기(UE) 측의 부담이다. 수신기 측에서는 상황이 반대일 수 있다. OFDMA 수신기는 주파수 영역에서 간단한 1-탭 등화가 가능한 반면, SC-FDMA 수신기는 시간 영역에서 심볼을 검출하기 위해 더 복잡한 등화기 (예: MMSE 등화기나 주파수 영역 등화)가 필요할 수 있다.

종합하면, OFDMA는 높은 주파수 효율성과 상대적으로 낮은 송신기 복잡도를 장점으로 가지지만, 높은 PAPR 문제가 있다. SC-FDMA는 낮은 PAPR으로 인한 전력 증폭기 효율 향상이라는 결정적 장점을 얻는 대신, 스펙트럼 효율성에서 약간의 손실을 보이며, 특히 수신기 측에서 더 높은 처리 복잡도를 요구할 수 있는 트레이드오프 관계에 있다.

SC-FDMA는 3GPP의 4세대 이동 통신 표준인 LTE와 그 진화형인 LTE-Advanced의 업링크(단말기에서 기지국으로의 전송)에서 채택된 핵심 다중 접속 방식이다. 이 결정은 주로 단말기의 전력 소비와 비용 효율성을 고려한 것이다. 업링크 전송에서는 단말기가 배터리로 구동되므로, 높은 PAPR을 가지는 OFDMA를 사용할 경우 전력 증폭기를 고선형성 영역에서 동작시켜야 하여 전력 효율이 떨어지는 문제가 있다. SC-FDMA는 DFT 확산 과정을 통해 단일 반송파와 유사한 특성을 부여하여 PAPR을 현저히 낮추었고, 이는 단말기의 배터리 수명 연장과 저가형 전력 증폭기 사용에 결정적인 기여를 했다.

LTE/LTE-A 업링크에서 SC-FDMA는 구체적으로 DFT-s-OFDM 형태로 구현된다. 전송 과정은 사용자 데이터에 대해 먼저 DFT를 수행하여 주파수 영역 신호로 변환한 후, 시스템 대역폭 내에 할당된 부반송파에 매핑하고, 이후 IFFT를 통해 시간 영역 신호로 변환하는 방식으로 이루어진다. 이때 자원 할당은 주파수 영역에서 연속적인 블록(자원 블록) 단위로 이루어지는 것이 일반적이었으며, 이를 통해 좋은 주파수 다이버시티 이득을 얻을 수 있었다. 변조 방식은 QPSK, 16QAM, 64QAM을 지원하여 채널 조건에 따라 데이터 전송률을 조절할 수 있었다.

LTE 표준은 SC-FDMA를 업링크의 기본 다중 접속 방식으로 규정하면서도, 특정 목적을 위해 제한적으로 OFDMA 업링크 전송을 허용하는 유연성을 보이기도 했다[5]. 그러나 LTE와 LTE-A의 주류 업링크 전송은 SC-FDMA에 기반을 두었으며, 이는 단말기의 전력 효율성과 경제성이라는 업링크의 핵심 요구사항을 충족시키는 최적의 선택으로 평가받았다.

5G NR에서는 업링크 전송을 위한 다중 접속 방식으로 SC-FDMA를 계승한 DFT-s-OFDM을 주된 방식으로 채택했다. 3GPP 표준 문서에서는 이 방식을 흔히 "CP-OFDM을 사용하지 않는 업링크 전송" 또는 "변환 프리코딩이 적용된 OFDM"으로 지칭한다[6]. 5G NR의 업링크는 주로 DFT-s-OFDM을 사용하지만, 특정 조건에서 높은 주파수 효율성이 요구되는 경우 CP-OFDM 사용도 옵션으로 허용하는 유연한 구조를 갖는다.

사용 방식은 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 이중 구조는 다양한 서비스 요구사항을 수용하기 위해 도입되었다. 예를 들어, eMBB 서비스에서 고속 데이터 전송이 필요할 경우 기지국의 스케줄링에 따라 CP-OFDM을 선택할 수 있다. 반면, mMTC나 커버리지 경계에 있는 단말의 경우 전력 효율성이 더 중요하므로 DFT-s-OFDM이 기본적으로 사용된다.

또한 5G NR의 DFT-s-OFDM은 LTE의 SC-FDMA에 비해 몇 가지 향상된 기능을 포함한다. 대표적으로 다양한 변조 방식(π/2-BPSK 등)과 결합하여 PAPR을 추가로 낮출 수 있으며, 비연속적인 주파수 자원 할당도 지원하여 스케줄링 유연성을 높였다. 이러한 발전은 5G가 목표로 하는 광범위한 주파수 대역(예: 밀리미터파)과 다양한 배포 시나리오에서 업링크 전송의 신뢰성과 효율성을 보장하는 데 기여한다.

낮은 PAPR은 SC-FDMA가 OFDMA 대비 가지는 가장 두드러진 장점이다. 이 특성은 특히 이동 통신 단말기의 업링크 전송에 매우 유리하게 작용한다. 높은 PAPR은 신호의 순시 전력이 평균 전력을 크게 초과함을 의미하며, 이는 전력 증폭기의 선형 동작 영역을 벗어나게 만들어 효율을 급격히 저하시키거나 신호 왜곡을 유발한다. SC-FDMA는 DFT 확산 과정을 통해 시간 영역에서 보다 균일한 진폭을 갖는 신호를 생성하므로, PAPR이 상대적으로 낮게 유지된다.

낮은 PAPR의 직접적인 이점은 전력 증폭기의 효율성 향상과 배터리 수명 연장이다. 낮은 PAPR을 통해 전력 증폭기는 백오프(Back-off)를 크게 줄이고 포화 영역에 더 가깝게 동작시킬 수 있다. 이는 동일한 평균 송신 전력에 대해 더 높은 전력 효율을 달성함을 의미하며, 결과적으로 단말기의 전력 소모를 줄이고 배터리 사용 시간을 늘린다. 이는 사용자 경험과 단말기 설계에 실질적인 혜택을 제공한다.

또한, 낮은 PAPR은 시스템 비용과 복잡도 감소에도 기여한다. 높은 PAPR을 처리하기 위해서는 고가의 선형성이 뛰어난 전력 증폭기나 복잡한 PAPR 감소 기법이 필요하다. SC-FDMA는 이러한 추가적인 비용과 복잡도를 요구하지 않으면서도 양호한 성능을 제공한다. 이는 대규모로 생산되는 이동 통신 단말기의 제조 단가를 낮추는 데 기여하는 요소이다.

결과적으로, SC-FDMA의 낮은 PAPR 특성은 업링크 통신 링크의 경제성과 실용성을 높이는 핵심 요소로 작용한다. 이는 3GPP LTE와 LTE-Advanced 표준에서 업링크 다중 접속 방식으로 SC-FDMA를 채택한 주요 이유 중 하나이다.

SC-FDMA는 기본적으로 단일 반송파 특성을 가지므로, 주파수 선택적 페이딩 채널 환경에서 OFDMA와 다른 영향을 받는다. 주파수 선택적 페이딩은 전송 대역 내 특정 주파수 성분의 크기가 크게 감쇠하는 현상을 말한다. OFDMA 시스템에서는 각 부반송파가 독립적으로 변조되므로, 심하게 감쇠한 특정 부반송파에 할당된 데이터 심볼은 오류 확률이 급격히 높아질 수 있다. 반면 SC-FDMA는 모든 데이터 심볼이 전체 대역폭에 걸쳐 확산되어 전송되므로, 특정 주파수에서의 깊은 페이딩이 단일 데이터 심볼 전체를 손실시키는 경향이 적다.

이러한 특성은 시스템의 강건성에 긍정적이고 부정적인 양면적 영향을 미친다. 긍정적 측면에서는, 주파수 영역에서의 국소적 심볼 손실이 시간 영역에서 모든 심볼에 걸쳐 분산된 간섭으로 나타나기 때문에, 오류 정정 부호와 결합했을 때 더 효과적으로 복구될 가능성이 있다. 이는 페이딩이 균일하지 않은 채널에서 평균적인 성능 저하를 완화하는 데 도움을 준다.

그러나 부정적 측면도 존재한다. 주파수 선택적 페이딩은 SC-FDMA 신호에 심볼 간 간섭을 유발한다. 이는 수신기에서 등화기를 필수적으로 요구하며, 등화기의 복잡도와 성능이 전체 시스템 성능을 좌우하는 주요 요소가 된다. 특히 고속 이동 환경에서 채널이 빠르게 변화할 경우, 채널 추정의 정확도와 등화 알고리즘의 효율성이 매우 중요해진다.

결과적으로, SC-FDMA는 주파수 선택적 페이딩 하에서 OFDMA 대비 더 균일한 성능 분포를 보이는 경향이 있지만, 이를 활용하기 위해서는 정교한 시간 영역 등화 기술이 필요하다. 이는 시스템 설계 시 복잡도와 성능 간의 절충을 고려해야 하는 중요한 요소이다.