CDMA 기술의 종말, OFDM기술의 등장

고속데이터의 다중반사파에 의한 문제점

일반적인 도심환경에서의 전파 특성은 일직선으로 도착하는 직접파 보다는 건물이나 지형지물에 반사되어 도착하는 많은 반사파가 일반적인 형태이다.  아래 그림은 반사파의 문제점을 설명하고 있다. 그림에서는 1~2개의 반사파를 보이고 있지만 실제 도심환경에서는 무척 다양한 경로의 반사파들이  혼재되어 도착하게 된다. 직접파와 반사파간 또는 짧은 반사파와 긴 반사파간의 신호는 서로 도착 시간이 다르기 때문에 시간차가 다른 신호들의  겹침 현상으로 간섭이 증가하게 된다.
이러한 문제를 전문적 용어로 multipath fading (다중반사파에 의한 페이딩) 또는 앞뒤 심볼(데이터 비트가 전파에 실릴수 있도록  가공된 형태를 심볼이라 하며 비트는 원 데이터의 비트를 의미한다. 하지만 개념상으로는 혼용되어 사용되기도 한다.) 의 겹침에 의한 상호  간섭이 발생하였다 하여 ISI(Inter Symbol Interference) 한다. 아나로그 TV 에서 화면에 잔상이 겹쳐 보이거나 라디오  소리가 왕왕거리는 현상이 모두 이러한 문제점이다.


그림 1 : 다중반사파에 의한 ISI 문제점


그림 2 : 심볼(데이터) 한 비트의 폭


아나로그 방식에서는 다중반사파에 대하여 효율적으로 대처하기가 힘들지만 디지털 이동통신에서는 이와 같은 다중 반사파에 의한 문제점에 대하여  적극적인 대책이 요구되며 관련한 기술이 이동통신의 간판 기술이 된다.
CDMA 방식에서 다중반사파 문제를 극복하는 가장 대표적 기술은 rake 수신기 기법이다. 여러 갈래의 갈고리 처럼 여러 경로를 거쳐 오는  반사파 신호들을 각각 분리하여 원신호를 복원한 후 최종단에서 수신 데이터 에너지를 합치는 방법이다. 일반적으로 wcdma 단말기는 6개(규격으로  정의된 것은 아니며 개발의 현실성에 의하여 결정됨) 의 rake 수신기를 내장하고 있기에 6개의 다중 반사파까지는 각각 분리하여 신호를  복원하게 된다. 하지만 7 개 부터의 다중반사파는 따로 분리해 낼 수가 없어 전적으로 잡음으로 작용하게 된다. 그나마 데이터 속도가 낮을  때에는 심볼간 간섭이 버틸만 하지만 데이터 속도가 증가하면 rake 수신기에서 분리해 내지 못한 반사파는 전적으로 잡음으로 작용하여 수신  성능을 급격히 저하시키게 된다.
따라서 데이터 속도가 증가하면 할수록 아주 짧은 반사파까지도 독립된 반사파로 분리하여처리 하여야 하기에 더 많은 수의 rake 수신기가  요구되어 단말기의 복잡도는 기하급수적으로 증가하게 된다. 또한 복잡도 증가에 의한 단말기 배터리의 수명도 짧아지게 된다.
결론적으로 데이터 속도를 증가시키면 반사파에 의한 영향이 급격히 증가하고 속도를 낮추면 다중반사파의 영향으로부터 벗어나게 된다. 물론  고속화 하더라도 위성통신 처럼 반사파가 거의 없다면 그리 골치 아픈 문제는 아니다.
현재의 3세대 이동통신이 4세대로 진화하기 위하여는 데이터 속도가 지금보다 최소한 10 배는 증가하여야 한다고 한다. 그러한 속도에서 과연  현실적인 cdma 레이크 수신기 구조가 가능할 수 있을까?? 전문가들의 견해는 아닌 것으로 결론이 났다. 따라서 4세대 이동통신을 위하여는  cdma 가 아닌 다른 방식의 이동통신 기술이 요구되게 된다.

고속 데이터 전송을 위한 OFDM 기술

그럼 이와 같이 데이터 고속화에 따른 전파의 반사파 문제가 심각하여진 근본적 요인은 무엇일까?? 아마도 그림 1 과 2 에서 보듯이 반사파들에  의한 앞뒤 심볼의 겹치는 절대시간은 그대로인데 속도가 올라감에 따라 심볼의 폭이 좁아지기 때문에 생긴 한 개의 심볼에서 겹치는 부분의 비율이  증가하기 때문에 생기는 문제임을 알 수 있다.
그렇다면 어떻게 이러한 문제를 근본적으로 해결할 수 있을까??
결론은 간단하다. 위의 그림처럼 심볼의 폭을 늘려주면 된다.
그럼 속도가 다시 내려가지 않을까??
내려가면 안된다, 올라간 속도는 유지하면서 심볼의 폭을 늘려주어야 한다.
그게 어떻게 가능한가?? 속도를 올리면 심볼의 폭은 줄어드는 것이고 심볼의 폭을 늘리면 속도는  내려가는 것은 너무도 명백한 사실 아닌가??
그러니 컬럼버스의 달걀과도 같은 발상이 필요하다. 그림 3 은 심볼의 폭은 크게 하면서 데이터의 속도는 높게 유지할 수 있는 방법을 설명하고  있다.


고속의 데이터를 저속의 데이터로 쪼개어 여러 개의 주파수에 실어 병렬 전송하고 수신측에서는 수신된 병렬 저속 데이터들을 합치어 고속의  직렬 데이터로 복원하면 된다. 각기 다른 주파수로 병렬 전송되는 저속의 데이터들은 심볼의 폭이 크기 때문에 다중반사파에 의한 영향에서  상당히 자유로워지게 되는 것이다. 예로서 10Mbps 의 고속데이터를 100kbps 의 저속으로 변환하여 100개의 주파수에 실어 병렬  전송하게 되면 다중반사파에 의하여 영향 받는 신호는 10Mbps 데이터가 아닌 100Kbps 데이터가 되어 10Mbps 일때 보다 다중반사파  문제가 1/100 로 줄어들게 되는 것이다.
이와 같은 저속 병렬 전송개념이 바로 OFDM 기술이며 CDMA 를 대치하여 향후 이동통신을 이끌어 가게 되는 기술이 된다.
OFDM 이동통신 기술의 등장에 의하여 CDMA 시대는 서서히 막을 내리게 된다.


그림 6: OFDM 기술의 원리
  

그림 4: OFDM 이 아닌 기존 방식의(cdma 를 포함하는) 구조