Ⅰ. 서 론 정보를 신속히 전달하고 공유하기 위한 노력은 다양한 유무선 전송매체를 통하여 발달하여 왔으며 최근의 급속한 무선통신기술의 발달과 서비스의 개발은 급속한 시장 팽창을 이끌고 있다. 어느새 우리는 통신이 존재하지 않는 세상을 상상조차 할 수 없게 되었다. 그러나 여기에 머물지 않고 세계 각국의 연구기관 및 대학 그리고 국제적인 표준화 기관에서는 보다 효율적이고 창조적인 통신환경을 위한 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 발맞추어 본 고에서는 차세대 통신(Next Generation Communication)이라 불리는 3세대 이후의 4세대 통신(4G)의 개념을 정립하고, 4세대 통신 시스템에서 제공해야 할 여러 서비스를 만족시켜 줄 무선 전송 기술로서 각광을 받고 있는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 전송 방식에 대해 알아 본다. 이를 바탕으로 OFDM 전송 방식을 4세대 무선 통신 시스템에 사용하기 위한 향후 연구 개발 전략을 제시하도록 한다. Ⅱ. 4세대 무선 통신 최초의 상업적인 셀룰라 서비스는 Nordic Mobile Telephone(NMT) 시스템으로 1981년에 시작되었다. 1983년에 미국은 Advanced Mobile Phone System (AMPS)을 상용화하였으며, 뒤이어 여러 나라에서 다른 서비스 시스템을 상용화하였다. 이러한 모든 시스템을 1세대(1G) 시스템이라 하며, 음성 신호가 아날로그 방식으로 변조되므로 아날로그 시스템이라 부른다. 이후, 모든 신호가 디지털 방식으로 전환된 2세대(2G) 시스템이 등장하게 되었다. 2세대 시스템은 기본적으로 음성 서비스를 위주로, 저속의 데이터 서비스도 지원한다. 대표적인 2세대 시스템으로는 유럽의 Global System of Mobile(GSM) 방식과 미국의 cdmaOne, IS-136을 들 수 있다. 2세대 시스템 다음으로 packet switched radio connection을 지원하는 시스템이 등장하게 되었고, 이러한 시스템을 2.5세대(2.5G) 시스템이라 부른다. 현재 상용화 단계에 이른 3세대(3G) 시스템은 멀티미디어 통신을 목표로 디자인되었다. 대표적인 시스템으로는 3rd Generation Partnership Project(3GPP)에서 구체화되고 있는 WCDMA 시스템, cdmaOne 시스템에서 진화한 cdma2000 시스템, TDMA와 GSM 시스템에서 진화한 EDGE 시스템 등을 들 수 있다. 또한 3세대 이동통신 시스템의 등장과 함께 무선접속(wireless access) 개념의 Bluetooth와 Wireless local area networks(WLANs) 등의 시스템도 표준화 과정이 진행되었으며 관련 기술들이 발전해왔다. 3세대 이동통신 시스템에서는 대략 최대 2Mbps 정도의 데이터 전송률을 목표로 하고 있으며, 순방향링크에서 기존의 3세대 보다 데이터 전송률을 높이려는 이른바 3.5세대(3.5G)라 불리는 시스템도 현재 표준화 진행 중에 있다.

그림 1. 4세대 시스템 예상 동작 시나리오 근래에는 이러한 시스템을 통합 발전시키는 개념의 4세대 무선 통신 시스템에 대한 관심이 확대되고 있다. 즉, 4세대 시스템에서는 이동통신 시스템과 무선접속 시스템 그리고 광대역 유선 시스템의 상호 유기적인 동작을 기본으로 하여 보다 효과적인 통신환경의 구축을 전제로 하고 있다. 4세대 무선통신 시스템의 목표는 현재까지 통신 시스템이 보편적으로 추구해온 목표들을 효율적으로 달성하는 것에 있다. 즉, 기존의 3세대 통신과 비교하여 보다 효율적인 무선 통신 환경을 제공하기 위한 새로운 통신을 4세대 통신이라 정의한다. 그림 1은 이러한 4세대 무선 통신 시스템의 예상 동작 시나리오를 보여주고 있다. 4세대 통신시스템의 개념은 현재 표준화 과정이 진행 중이거나 논의가 되고 있는 차세대 통신시스템을 살펴보면 좀 더 명확해 진다. 첫째, 4세대 통신시스템은 기존 세대의 통신시스템과 완전히 별개의 시스템이 아니다. 즉, 현재까지 사용되고 있는 통신 시스템을 적극 활용하여 개선시킬 부분을 최대한 개선시키고 새로운 서비스 개념이나 기술이 필요한 부분은 첨가된다. 이것은 기존의 구축되어있던 인프라를 최대한 이용하여 추가적인 인프라 구축 비용을 절감하는 것과 관계가 있다. 둘째, 4세대 통신 시스템은 유무선 시스템 및 다양한 Application들이 상호 연동하여 동작한다. 언제, 어디서나 통신 네트워크에 접속되어 있도록 하며 다양한 시스템의 유기적인 결합으로 최대의 시너지 효과를 얻도록 한다. 4세대 시스템은 3G가 지니는 시장 범위와 성능의 한계를 넘어서고자 하는 데에서 그 동기를 찾을 수 있다. 실제로 2002년 상반기에 세계적인 4세대 관련 포럼 형성의 움직임을 볼 때, 주로 유선 백본망과의 연동을 포함한 고속 전송에 대한 필요성을 인식하고 있다. 구체적인 예로 모토롤라, 퀄컴, 노키아, 에릭슨, 선, 휴렛패커드, 도코모 등의 통신 관련 회사는 기지국을 중심 으로 하는 3G 서비스와 차별화 되는 무선랜 시스템(Wireless LAN)과 기지국 기반 이동 통신 시스템(Cell-based mobile system)과의 연동을 중심으로 하는 통신 서비스에 대한 연구를 진행하고 있다. 4세대에는 다음과 같은 서비스가 이루어 질 것으로 예상된다. - 3G의 성능을 상회할 고품질 멀티미디어 서비스 제공 - 다수의 3G 표준안으로 인한 로밍 및 글로벌 호환성 - 무선 LAN과 기지국 중심의 WAN을 통합한 하이브리드 네트워크 - IP를 충분히 활용할 수 있는 패킷 서비스 제공 III. OFDM 시스템과 4세대 무선 통신 앞에서 살펴 본 것과 같은 4세대 무선 통신 시스템에서 여러 서비스를 제공하기 위해서 가장 기본적으로 연구되어야 할 것을 대용량 전송 방법에 대한 연구이다. 현재 3세대 무선 통신 시스템에서 사용하고 있는 CDMA 전송방식으로는 대용량의 무선 데이터를 처리하기가 힘들기 때문에, 4세대 무선 통신에서의 전송 방식으로는 OFDM 전송 방식이 많은 각광을 받고 있다. OFDM 전송방식의 기본 개념은 직렬로 입력되는 데이터열을 N개의 병렬 데이터열로 변환하여 각각 분리된 부반송파에 실어 전송함으로써 데이터율을 높이는 것이다. 이때 부반송파는 직교성을 유지할 수 있도록 적절히 선택되어야 한다. 이러한 직교성으로 인하여 각 부반송파는 스펙트럼상에서 중첩이 허용된다. 또한 수신기에서는 간단한 신호처리 기법으로 부반송파를 분리해 낼 수 있다. 이로 인하여 하나의 반송파를 사용하여 데이터를 순차적으로 전송하는 경우보다 전송되는 심볼의 간격이 길어져 채널의 지연시간 영향과 임펄스 잡음의 영향을 덜 받게 된다. 또한 연속된 심볼간의 간섭을 줄일 수 있어 다중 경로 채널에 대해 강하며 채널 등화의 복잡도를 줄일 수 있고 일반적인 주파수 분할방식에 비하여 스펙트럼의 효율을 높일 수 있다. 이런 이유로 OFDM 방식은 다른 전송 방식에 비해 광대역 전송에서 유리한 면을 가지며, 방송분야에서는 유럽의 디지털 오디오 방송(DAB) 및 텔레비젼 방송(DVB)의 변조방식으로 이미 채택되었으며, 5GHz 대역 무선랜 분야에서도 규격안(IEEE 802.11a, Hiper-LAN II)으로 채택되었다. 또한 광대역 무선 접속 시스템(IEEE 802.16 BWA)에서도 OFDM 방식이 채택되어 사용된다. 위에서 살펴본 바와 같이 OFDM 전송 방식은 광대역 전송에 유리하기 때문에, 차세대 광대역 시스템에 많이 사용되고 있다. 하지만, 4세대 무선 통신에서 제공하는 모든 서비스들을 OFDM 전송 방식을 이용하여 제공하기에는 아직 무리가 있다. 이런 이유로 OFDM 전송 방식의 장점은 그래도 살리면서 4세대 무선 통신에서 요구하는 시스템 성능을 얻기 위한 여러 연구가 이루어지고 있다. 1. High-speed Transmission 현재 CDMA를 기반으로 한 3G 시스템은 실내 채널 환경에서 최대 2Mbps, 이동 환경에서 최대 144kbps의 전송 속도를 지원한다. 그리고, 일본(MMAC), 유럽(Hiperlan2), 그리고 미국(IEEE 802.11a)에서 개발되고 있는 5GHz 밴드의 무선 LAN과 무선 광대역 접속 시스템은 대략 50Mbps의 전송 속도를 갖는다. 그러나 이런 전송 속도는 고품질의 멀티미디어의 전송에는 부족함이 있을 수 있다. 따라서, 4세대 시스템에서 목표로 하는 전송 속도는 준정적인 채널 환경에서 최대 1Gbps 이며, 이동 환경에서는 적어도 평균 20Mbps를 만족시켜야 할 것이다.

이런 전송 속도를 얻기 위해서는 우선 전송 대역폭을 증가시켜야 한다. 이런 이유로 4세대 무선 통신 시스템은 광대역 전송 시스템이 될 것이다. 광대역전송이 이루어질 경우, 전송 신호는 주파수 선택적 페이딩을 겪게 되며, 이는 고속 전송을 방해하는 요인 중 하나이다. 이런 주파수 선택적 페이딩을 극복하기 위해 여러 가지 기법이 제안되고 있는 데, 그 중에서 가장 대표적인 방법은 등화기를 사용하는 것이다. 하지만 광대역 전송의 경우 등화기가 너무 복잡하여 사용하기 어려운 단점이 있다. 그러나 OFDM 전송의 경우는 각 부반송파가 주파수 비 선택적 페이딩을 겪게 되어, 간단한 등화기로 채널의 효과를 없앨 수 있다. 이런 이유로 4세대 무선 통신 시스템에서는 OFDM 전송 방식이 다른 전송 방법에 비해 더 유리하다. 4세대 무선 시스템에서 목표로 하는 전송 속도를 만족시키는 것은 단순히 전송 대역폭을 증가시키는 것만으로는 부족하다. 주어진 대역폭에서 전송 속도를 증가시키기 위한 방법으로는 여러 가지 방법이 있겠지만, 현재까지는 다중 안테나를 사용하는 기법이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 그런데 다중 안테나를 사용하여 전송률을 증가시키는 MIMO Multiplexing 기법은 광대역 전송에는 적용하기 어려운 점을 가지고 있다. 그러나 OFDM의 특징을 이용하면 MIMO Multiplexing 기법을 광대역 전송에도 적용 시킬 수가 있다. 이런 이유로 MIMO Multiplexing과 OFDM을 결합시키는 방법에 대한 연구가 현재 활발하게 이루어지고 있으며, 새로운 방법이 제안되고 있다. 이와 함께, OFDM을 MIMO Multiplexing 기법에 적용시키기 위해 반드시 선행되어야 하는, OFDM 동기 방법과 채널 추정에 대한 연구도 함께 이루어지고 있다. 무선 통신 시스템에서는 순간적인 전송률도 중요하지만, 전체 시스템의 throughput을 증가시키는 것도 중요한 사항 중의 하나이다. 전체 시스템의 throughput을 증가시키는 가장 적합한 방법으로 제시되고 있는 것이 AMC(Adaptive Modulation and Coding)이며, 이는 전송 환경에 맞추어 변조 기법과 코딩 기법을 바꾸어주는 것이다. 4세대 무선 통신 시스템에서 전체 시스템의 throughput을 증가시키기 위해 AMC를 사용하는 것은 당연한 일이며, OFDM은 AMC를 적용하기에 적합한 시스템이다. OFDM의 경우는 각 부 반송파별로 다른 신호를 전송함으로, 각 부반송파의 채널 상태에 맞추어 변조 및 코딩 기법을 변화시켜주면 최적의 전송이 가능하게 된다. 실제로 유선에서 OFDM기법을 사용하는 xDSL 시스템의 경우, 전송 채널 환경에 맞추어서 AMC를 수행하고 있다. 그러나, 무선 통신의 경우 채널이 변화하고 채널의 정보를 전송단으로 전송하는 것에 문제가 있음으로, 이에 대한 연구가 이루어지고 있다. 2. High capacity and QoS resource control 3G 시스템에서 사용하고 있는 CDMA 방식은 음성을 처리하기 위한 다중 사용자 접속 방식으로는 최적의 방식이라고 할 수 있다. 하지만 IP를 이용한 데이터를 처리하기에는 약간 부족한 방식이라고 할 수 있다. 무선 시스템에서는 한정된 전파 자원(주파수 대역, 전송 신호 세기)을 사용하기 때문에, 데이터의 congestion에 민감하다. 따라서, 서비스 품질을 유지하며 다양한 서비스 종류와 application을 지원하기 위해서 무선 QoS(Quality of Service) 자원 조절이 필요하다. 하지만 기존의 CDMA 방식의 다중 사용자 접속 방식으로는 이런 다양한 QoS를 만족하기가 어렵다. 다양한 QoS를 만족시키기 위한 다중 사용자 접속 방식 중의 하나로 요즘 많은 각광을 받고 있는 것이 OFDM을 기반으로 한 OFDMA이다. OFDMA는 사용자에게 주파수 및 시간을 분할하여 할당하는 다중 사용자 접속 방식이다. OFDMA의 장점은 주파수 및 시간을 사용자의 요구에 맞추어 다양하게 제공할 수 있다는 것이다. 이런 이유로 OFDMA 방식은 다양한 QoS를 제공할 수 있다. 3. Mobility 4세대 무선 통신 시스템에서 제공하는 중요한 서비스 중 하나는 3G, 4세대, 무선 LAN 등의 네트워크 사이의 끊김 없는 연결을 가능하게 해 주는 것이다. 결과적으로 사용자들은 현재 상황(장소, 시간, 요금 등)에 가장 적합한 네트워크를 선택하여 사용할 수 있게 제공하여 주는 것이다. 이런 서비스가 가능하기 위해서는 단말기의 이동성을 제공할 수 있도록 하여 주어야 할 것이다. 이런 이동성을 제공하기 위해서는 우선 네트워크와 네트워크 사이의 상호 hand-off가 가능해야 할 것이다. 이와 함께 이동함에 따라서 더 빠르게 변화하는 채널 환경의 변화를 극복할 수 있는 방법이 필요하게 된다. 특히 이동성을 추구하는 부분은 현재 상용화되어 있는 OFDM 시스템에서는 아직 실현되지 못한 부분으로써, 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다. 4. 기타연구분야 4세대 무선 통신 시스템에서 OFDM을 사용하기 위한 다른 연구분야로는 스마트 안테나 시스템이 있다. 스마트 안테나는 수신기에서 간섭 신호를 제거하고 송신기에서 특정 사용자에게 전력을 집중 시켜 간섭을 제거하는 시스템으로 3세대 이후의 시스템에서 그 활용 용도가 넓어지고 있다. 특히, ISM 대역에서 사용할 경우 제한된 전력으로 원하는 성능을 얻기 위해 그 중요성이 커지고 있다. 이 외에도 다양한 시스템에서의 표준 채널 모델링 및 효율적인 구현 방식을 위한 여러 가지 연구가 추가적으로 요구된다. 표1에 최근 논의가 진행 중이거나 일반적으로 OFDM 방식의 문제점으로 여겨지는 연구 분야가 정리되어있다.

Ⅳ. 결 론 최근 국내외적으로 4세대 이동 통신에 대한 관심이 높아지면서, 4세대 시스템의 요구사항을 만족시키는 시스템에 대한 연구가 세계 유수의 기관에서 진행되고 있다. 특히, OFDM 방식이 높은 전송 효율과 간단한 채널 등화 방식을 지원하는 등의 4세대 이동 통신 시스템에 적용하기에 적합한 방식으로 알려지면서 관심이 높아지고 있다. 본 글에서는 OFDM 방식의 기본 원리를 살펴보고 4세대 이동 통신 시스템에 OFDM 방식을 적용하기 위한 필요한 여러 기술들을 살펴보았다. 이상과 같이 살펴 본 OFDM 방식은 높은 전송 효율, 유연한 자원 할당 능력 및 간단한 채널 등화 구조 등 다양한 장점으로 인해 4세대 통신 시스템에 적용하는데 매우 유리한 시스템으로 보인다. 앞서 살펴 본 OFDM 방식의 장점을 살리면서 효율적으로 4세대 이동 통신 시스템에 적용하기 위해서는 현재 그 연구가 취약한 OFDMA 방식과 이동성 추구에 대한 활발한 연구가 필요할 것으로 보인다. 결론적으로 차세대 시스템에서의 국가 경쟁력 강화를 위해 기존의 CDMA 시스템과 함께 OFDM 시스템에 대한 정부 주도하에 산학연이 협동하는 국가 차원의 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다. 홍대식 | 연세대학교 전기전자전자공학부 교수 박병준 | 연세대학교 전기전자전자공학부