[정보통신기술사] OFDM(직교 주파수 분할 다중) — 핵심 개념과 비교 정리

[정보통신기술사] OFDM(직교 주파수 분할 다중) — 핵심 개념과 비교 정리

1. 개요

• OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing): 고속 데이터를 직교성을 갖는 다수의 협대역 부반송파(Subcarrier)에 나눠 싣는 다중반송파 전송 방식.
• 광대역 채널의 주파수 선택적 페이딩을 각 부반송파에서 평탄 페이딩으로 바꿔 등화기 부담을 줄임.
• 4G LTE·5G NR·Wi-Fi(IEEE 802.11a/g/n/ac/ax)·지상파 DMB·DVB-T/H의 표준 다중접속·전송 방식.

2. 개념

• 직교성(Orthogonality): 부반송파 간격 Δf = 1/Tu(Tu: 유효 심볼 구간)로 유지하면 한 심볼 구간 내 적분값이 0이 되어 상호 간섭(ICI)이 소멸.
• 부반송파 스펙트럼은 sinc 함수 형태 — 한 부반송파의 스펙트럼 피크가 이웃 부반송파의 영점(Null)과 겹치도록 배치 (개념도 하단 그래프 참조).
• 구현 핵심: IFFT/FFT — N개 부반송파의 변조·복조를 고속 푸리에 변환으로 일괄 처리, N개의 개별 발진기 없이 저복잡도 실현.
• 보호구간: Cyclic Prefix(CP)를 심볼 앞에 복사 삽입 — 심볼 간 간섭(ISI)·반송파 간 간섭(ICI) 억제 (CP 길이 ≥ 채널 지연 확산).

3. 개념도

4. 주요 구성(기술)

1. IFFT/FFT 기반 부반송파 다중화
   • 송신단 IFFT로 N개 부반송파 동시 변조, 수신단 FFT로 일괄 복조 — 아날로그 뱅크 대신 디지털 처리.
   • 부반송파 간격 Δf = 1/Tu 유지가 직교성의 조건 — 주파수 옵셋·도플러에 민감.
   • 5G NR: 부반송파 간격을 15kHz 기본으로 30/60/120/240kHz까지 스케일링(Numerology)해 서비스별 최적화.
2. Cyclic Prefix 삽입과 심볼 구조
   • 심볼 뒤쪽 일부를 앞에 복사 — 다중경로 지연파가 이전 심볼 구간을 침범하지 않도록 보호.
   • CP 길이는 채널의 지연 확산(RMS Delay Spread)보다 길게 설정 — 실효 데이터율과 트레이드오프.
   • 수신단은 CP 제거 후 FFT — 순환 컨볼루션 성립으로 주파수 영역 단일 탭 등화 가능.
3. 주파수 영역 등화와 적응 변조
   • 각 부반송파가 겪는 채널은 평탄 페이딩 — 부반송파별 단일 복소 가중치(1탭 등화기)로 보상.
   • 채널 상태에 따른 부반송파별 적응 변조·코딩(AMC): 좋은 부반송파에 고차 변조 할당.
   • 파일럿(레퍼런스 신호) 삽입 — 수신단의 채널 추정·동기 추적에 사용.

5. 특징

1. 다중경로 페이딩에 강한 구조
   • 광대역을 협대역 부반송파로 분할 — 주파수 선택적 페이딩을 평탄 페이딩 문제로 축소.
   • CP 삽입으로 ISI 제거 — 등화기 복잡도가 단일 반송파 대비 크게 낮음.
2. 주파수 효율과 유연한 자원 할당
   • 보호대역 없이 부반송파를 촘촘히 배치 — 스펙트럼 이용 효율 우수.
   • 시간·주파수 2차원 자원 블록 단위 스케줄링 — OFDMA로 다중 사용자 접속 확장 용이.
3. 구현 단순성과 고유한 약점
   • IFFT/FFT 기반이라 모뎀 구현이 단순하고 표준화가 쉬움 — 4G·5G·Wi-Fi 공통 채택의 배경.
   • 약점: 높은 PAPR(피크-평균 전력비) — 전력 증폭기 비선형 왜곡 유발, DFT-s-OFDM 등으로 보완; 주파수 옵셋·위상 잡음에 민감.

6. 관련 기술과 비교 (비교표)

비교 항목	OFDM	단일 반송파(SC)	CDMA
다중화 원리	직교 부반송파 분할 (주파수 영역)	단일 광대역 반송파 (시간 영역)	확산 부호 분할 (코드 영역)
페이딩 대응	CP + 부반송파별 1탭 등화	복잡한 시간 영역 등화기 필요	레이크(RAKE) 수신기로 다중경로 결합
다중 접속 확장	OFDMA (자원 블록 스케줄링)	TDMA 결합	코드 분할 다중 접속
PAPR	높음 (N개 반송파 중첩)	낮음	중간
대표 표준	4G LTE·5G NR·Wi-Fi·DMB	초기 마이크로파·위성	3G WCDMA·cdma2000

7. 맺음말

• OFDM은 직교 부반송파 + IFFT/FFT + CP의 조합으로 다중경로 채널 문제를 단순화한 전송 방식.
• 4G 이후 이동통신·무선랜의 사실상 표준 — 5G NR에서는 Numerology 확장으로 서비스별 최적화.
• 약점인 PAPR·주파수 옵셋 민감도는 상향링크 DFT-s-OFDM·동기 기술로 보완 — 기술사 답안에서는 직교성 조건(Δf = 1/Tu)·CP 역할·PAPR을 핵심 키워드로 정리.