[RF 기초] 다중 접속 기술(FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA)

다중 접속 기술이란 이동통신과 같은 통신에서 여러개의 사용자와 하나의 기지국간의 제한된 전송로 매체를 분할하여 사용하는 방법을 말합니다. 

멀티 사용자를 위해 사용되는 다중 접속 기술은 크게 주파수 분할 다중 접속(FDMA, Frequency Division Multiple Access), 시간 분할 다중 접속(TDMA, Time Division Multiple Access), 코드 분할 다중 접속(CDMA, Code Division Multiple Access), 직교 주파수 분할 다중 접속(OFMDA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)로 구분됩니다. 

1. 주파수 분할 다중 접속

주파수 분할 다중 접속의 기초가 되는 주파수 분할 다중화는 사용자의 정보 전송을 위해 주파수 대역을 분할하여 각 주파수에서 사용자가 원하는 데이터는 전송하고 수신할 수 있게끔 도와주는 방법입니다. 동일한 시스템에서 많은 수의 사용자가 사용하기 위해서는 전송을 위한 신호가 서로 간섭해서는 안됩니다. 이러한 간섭을 막아주는 부분을 가드 밴드(Guard Band)라고 합니다.

예를 들어 보면, 사람의 음성을 전송에는 3KHz의 대역폭이 필요한데 50KHz의 신호 대역폭을 가지고 있다면 약 16명이 신호 대역폭을 나눠 데이터를 전송하는데 사용할 수 있습니다. 물론 가드 대역폭까지 고려한다면 좀더 적은 사람이 주파수의 대역폭을 사용할 것입니다. 신호의 송신과 수신은 멀티플렉서를 기반으로 동작을 하게 됩니다. FDMA의 장점은 네트워크 타이밍이 필요하지 않다는 점이지만, 전력제어, 광대역 특성, 상호변조와 측대역 왜곡으로 인한 간섭이 발생한다는 단점을 가지고 있습니다. 

측대역 왜곡이란?

주파수를 나눠서 사용하는 주파수 분할 다중 접속 방식은 각 주파수마다 사용자가 원하는 신호를 실어 사용하게 되는데, 사용자 간의 신호가 겹쳐 기존 신호의 노이즈가 되는 부분을 말한다.

2. 시분할 다중 접속

주파수 분할 다중 접속과는 달리 시분할 다중 접속은 단일 주파수 대역을 사용합니다. 단일 주파수 대역을 시간적으로 공유하여 사용하는 방식을 시분할 다중 접속이라고 합니다. 시분할 다중 접속방식은 디지털 신호로 처리가 됩니다. 따라서 아날로그 신호를 디지털 신호로 Modulator가 필요하게 됩니다. 시분할 다중 접속 방식은 또한 시분할을 위해 샘플들을 인터리브(Interleave)하게 되는데, 이를 위해서는 보통 정류자나 스위치 회로를 사용합니다. 시분할 다중 접속 방식은 주파수 다중 접속 방식에 비교하면 주파수 대역폭이 적고, 전력제어가 불필요하지만, 네트워크 타이밍이 요구된다는 단점을 가지고 있습니다. 

3. 코드 분할 다중 접속

코드분할 다중 접속은 스펙트럼 확산(Spread Spectrum)을 응용한 다중 접속 방식입니다. 전자파는 다른 사람에 의해 쉽게 수집이 될 수있다는 단점을 보완하기 위해서 나온 스펙트럼 확산은 탐지확률이 낮아 기존에는 군사용으로 사용되었습니다.

스펙트럼 확산은 송/수신 측에서 동일한 확산 코드를 가지고 신호 데이터를 확산 신호로 만들고 이를 수신측에서 다시 기존 신호 데이터로 복조하여 사용하는 방식입니다. 코드분할 다중접속은 동일한 주파수 대역에서 여러 사용자가 동시에 접속할 수 있도록 코드화한 신호를 확산하여 전송하고, 이를 단말기에서 복조하여 사용자가 주파수 대역을 사용하게끔 기능을 제공합니다.

4. 직교 주파수 분할 다중 접속

직교 주파수 분할 다중 접속방식은 고속 전송률을 가지는 데이터를 저속의 전송률을 가지는 여러개의 데이터 열로 나누어 이를 Sub Carrier(협대역 부 반송파)를 사용하여 동시에 전송하는 방식입니다. 이는 다중 반송파를 이용하여 디지털 데이터를 인코딩합니다. 

부 반송파란 직교성이 있는 여러 부반송파를 실어(Multi Carrier) 전송할 때 각각 쪼개지 반송파들을 말합니다. 부반송파를 할당하는 방법으로는 국부적으로 인접하게 하는 Localized 방식과 일정한 간격 혹은 랜덤하게 간격을 두고 할당하는 Distributed 방식이 있습니다. 

이 방식은 변조와 다중화를 동시에 수행합니다. 다중의 반송파를 분할하여 전송하는 부분이 변조이며, 다중 채널로 동시에 전송하는 개념을 다중화로 볼 수 있겠습니다. 직교성을 유지하는 이유는 시간축상으로 파형들이 서로 간섭을 일어나지 않게 하기 위해서입니다. 

OFDM의 송신부

OFDM의 반송파 신호는 QAM 혹은 PSK를 통해 변조된 직교적인 부 반송파를 합친것입니다. 이러한 합성 베이스밴드 신호는 일반적으로 RF 반송파 신호를 변조하는데 사용이 됩니다. s[n] 신호는 디지털로 이루어진 시리얼 스트림입니다. 이 신호는 Constellation Mapping되어 각각의 신호로 구분이되고, 이 신호는 역 FFT가 이루어집니다. 역 FFT 이후에는 DAC를 통해 디지털 신호를 아날로그 신호로 생성을 하고, 이를 반송파 주파수인 fc를 이용하여 직교 아날로그 신호를 생성합니다. 

OFDM의 수신부

수신부에서는 송신부의 반대 과정을 거치게 됩니다. 수신된 아날로그 신호를 반송파 주파수 fc를 통해 복조하고, 이를 ADC와 FFT를 통해서 기존의 스트림 신호로 만들게 됩니다.  

OFDM의 장점

• 열악한 환경에서 원활히 동작을 합니다.
• 부채널들을 주파수상에서 중첩으로 사용하기 때문에 주파수 대역의 효율이 매우 좋습니다.
• FFT를 사용하여 고속의 신호처리가 가능합니다.
• 직교성으로 인해서 이동통신 셀 간 간섭이 없고 협대역 간섭에 강합니다. 또한 자원할당이 용이합니다. 

OFDM의 단점

• 반송파 주파수의 Offset이 있는 경우 SNR 열화 문제가 발생하여 주파수 동기화에 민감합니다.
• 높은 PAPR(Peak-to-Average-Power Ratio)을 가지며, 이는 RF 증폭기의 전력 효율을 감소시켜 낮은 전력 효율을 가지는 선형 송신기의 특성을 요구합니다. 또한 이는 가격이 높아지는 단점을 만들게 됩니다. 
• 프레임 도기, 심볼 동기에 민감하기 때문에 최적의 알고리즘이 필요합니다. 

이 글에서는 다중 접속 기술에 대해서 살펴보았습니다.

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