GFDM(Generalized Frequency Domain Multiplexing)

 무선통신 방식은 하루가 다르게 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 현세대의 이동통신인 4세대 이동통신인 LTE의 등장으로 우리나라에서의 휴대전화 데이터 전송 속도가 과거 3G 방식에 비해 매우 빨라졌음을 알 수 있습니다.

 본 포스팅에서는 지난 2014년에 발표된 새로운 개념의 통신방식인 GFDM(Generalized Frequency Domain Multiplexing)에 대해 간단하게 설명해볼까 합니다. 혹시 GFDM에 대해 좀 더 자세히 알고 싶으신 분께서는 출저에 표기된 논문을 읽어보셨으면 합니다.

1. Issue about 5G

 

 그래프는 지금까지 등장한 통신방식들과 그 방식의 속도를 나타내고 있습니다. 연도가 올라갈수록 WLAN과 Cellular 의 통신 속도가 급속도로 빨라지고 있는 경향을 확인할 수 있는데요. 통신 속도가 기하급수적으로 증가하여 오늘날의 통신기술인 LTE 방식을 통해 실시간으로 동영상을 다운로드하며 볼수 있는 환경에 도달할 수 있게 되었습니다.

 앞으로의 5G의 이슈로는 현재보다도 더 빠른 무선통신 환경이 구축될 것이며, 통신시 저전력 전송방식 또한 중요해질 것으로 보입니다. 또한, 통신중 latency의 최소화 또한 5G에서의 이슈가 될 것으로 보입니다.

2.GFDM이란 무엇인가?

 GFDM(Generalized Frequency Division Multiplexing)은 기존에는 없었던 새로운 개념의 다중주파수 전송방식입니다. 기존에 존재하였던 OFDM과 SC-FDE의 방식의 장점들을 유연하게 다루고 있으며 현재 사용되는 방식인 LTE 대역에서도 GFDM이 사용될 수 있다는 것이지요.

  

 시간 대 주파수 그래프를 통해 GFDM의 동작방식에 대해 좀 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다. OFDM은 각 주파수 대역 별로 각각 데이터를 전송하는 방식입니다. 이는 각 Subcarrier에 동시간대에 데이터를 전송할 수 있어 짧은 시간에 많은 데이터를 전송할 수 있는 장점을 갖추고 있습니다. OFDM의 최대 단점으로는 전력 소모가 매우크며 ISI(Intersymbol Interference)가 발생할 확률이 높다는 점입니다. 반면, SC-FDE의 경우 전력 소모가 OFDM에 비해 낮으며 그로 인해 역방향 채녈의 커버리지를 넓게 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있으나 OFDM에 비해 여전히 데이터 속도와 용량 등 전송 데이터량이 적다는 단점을 가지고 있습니다.

 이러한 OFDM과 SC-FDE의 장점을 아우르고 있는 방식이 바로 GFDM인데요 그 특징을 그래프를 통해 살펴보겠습니다. 보시는 바와 같이 GFDM은 각각의 단위를 독립적인 블록과 같은 개념으로 보실 수 있는데요 각 블록은 Subcarrier와 Sub-symbol로 구성되어 있습니다. 하나의 Subcarrier가 여러개의 Sub-symbol을 전송하는 방식으로 구성되어 있기 때문에 블록 구조는 낮은 latency조건을 설계할 수 있습니다.

3.Details of the GFDM modulator

Block diagram of the transceiver

 위 그림은 GFDM의 송수신과정을 블록 다이어그램으로 나타낸 모습입니다. 겉모습으로 보기에는 다른 전파방식과는 큰 차이가 없어보입니다. 이번에는 GFDM modulator을 살펴보도록 합시다.

 위 그림은 GFDM의 modulator의 내부 동작 방식을 그림으로 나타낸 것입니다. GFDM에 입력되는 N개의 입력값 d[n]이 modulator을 통과하고 있는 모습입니다. GFDM은 해당 입력을 각 Subcarrier에 값을 분산시키며 해당 Subcarrier 내에서도 각각 별개의 Sub-symbol에 값을 적용한 후 값을 전달하는 모습을 나타내고 있습니다. 이 때의 값은 D[K-1][M-1]로 타나나고 있습니다. 이때 각 K와 M의 값은 다음과 같습니다.

N : GFDM에 입력된 값의 총 갯수

K : Subcarrier의 총 갯수

M : Sub-Symbol의 총 갯수

 N개의 입력이 K개의 Subcarrier에 나누어 들어가게 되었으며 또한 각 Subcarrier에는 M개의 Sub-symbol로 나누어져 값이 입력됩니다. 즉, 이는 아래의 공식이 성립됩니다.

N = K × M

 각 Subcarrier에 도달하게 된 데이터값 d는 해당 Subcarrier의 Sub-symbol에 할당되었을 때 d[k][m]에 값이 들어가게 됩니다. 이는 곧 위에서 설명해드린 한 단위의 '블록'이 되는 것이지요. 이렇게 만들어진 각 블록은 이에 해당되는 파형에 적용되는데요 해당 파형의 공식은 다음과 같습니다.

그리고 위의 파형화 블록의 곱을 모두 합하면 전송되는 실제 파형이 만들어지게 됩니다.

 이 때 x[n]의 값이 GFDM을 통해 출력되는 값을 나타냅니다. 위 식은 아래와 같이 간단하게 표현될 수 있습니다.

 이 때 A가 바로 GFDM의 modulation matrix라 할 수 있겠습니다. 입력벡터 d에 modulation matrix를 행렬곱하면 출력값으로 벡터 x가 나온다고 이해하시면 되겠습니다. 아래는 modulation matrix인 A의 값을 그램으로 표현한 모습입니다. 해당 예시의 그림은 4개의 Subcarrier와 7깨의 Sub-Symbol로 구성된 28 × 28 matrix입니다.

 이렇게 GFDM modulation을 통과한 x[n]이 실제 전파될 때는 수신측에서 받게되는 신호 y[n]는 아래의 식으로 표현될 수 있습니다.

 여기서 GFDM 모듈레이터 값인 x와 h는 순환 컨볼루션을 적용한 후 AWGN 값을 더해줍니다. 여기서 AWGN(Additive White Gaussian Noise)이란 노이즈 주파수를 값에 더하여 실제 신호와 같게 만들어 기 위해서 적용하는 값입니다.

4.Details of the GFDM demodulator

 다음으로 GFDM의 demodulator에 대해 살펴보도록 하겠습니다. demodulator에 값을 적용하기 전에 먼저 Frequency Domain Equalization을 통해 새로운 y[n]값을 얻습니다. 

 그렇게 FDE가 적용된 새로운 y[n]값에 Demodulation matrix인 B를 행렬곱하면 수신값 d[n]을 얻게 됩니다.

 여기서 Demodulation matrix인 B의 값을 구하는 방법 3가지를 살펴보도록 하겠습니다.

-Matched Filter Receiver

 이 방식은 애르미드 공액 방식을 활용하는 방식으로 각 서브캐리어 당 SNR 값을 최적화 함으로서 전송 도중 손상되는 데이터 심볼을 회복시키는 것을 목표로 합니다. 단점으로는 ISI와 ICI(Intercarriers Interference) 문제가 발생한다는 점입니다.

-Zero-forcing Receiver

 이 방식은 단순히 modulation matrix A의 역행렬 방식을 취하며 Subcarrier 간의 간섭을 없애는 것을 목표로 하고 있습니다. 이를 통해 ISI와 ICI 문제를 해결할 수 있으나 송신측에서 전송하는 데이터 값에 따라 값이 손실될 가능성이 발생합니다.

-Minimum Mean Square Error Receiver

 이 방식은 이전 두 가지 방식인 Matched Filter Receiver 방식과 Zero-forcing Receiver 방식을 혼합한 방법으로 이 식 자체에 신호를 equalize하는 기능이 포함되어 있기 때문에 Frequency Domain Equalization을 사용하지 않아도 된다는 장점이 있습니다만, 이와 같은 구조는 수신측에서 값을 계산하는 방식이 복잡해진다는 단점을 가지고 있습니다.

 

5. LTE compatibility

 GFDM은 5세대 이동통신으로서의 머물지 않고 현재 4세대 통신기술인 LTE에도 이론적으로 적용할 수 있다는 특징을 가지고 있습니다. 이러한 GFDM의 특성을 활용한다면 이전 세대에서 사용하던 기술들을 혼용함으로서 혼합형 디바이스를 설계하는 것이 좀 더 수월해질 수 있습니다. GFDM의 주파수를 현재 운용중인 LTE의 클럭주파수인 30.72MHz를 활용하면 LTE의 시간-주파수 grid를 사용할 수 있습니다. 또한, 이렇게 적용된 GFDM 방식을 통해 기존 LTE 방식에서도 좀더 짫은 Latency를 기대할 수 있게 됩니다.

 GFDM 방식이 LTE에 적용되는 방법을 설명하기에 앞서 먼저 LTE의 프레임 구조를 살펴보도록 하겠습니다. 그림에서 보시는 바와 같이 LTE는 프레임 단위로 단말기와 통신을 하고 있는 것을 확인하실 수 있습니다. 하나의 프레임은 10개의 서브프레임으로 구성되어 있으며, 서브프레임은 2개의 슬롯으로 이루어져 있으며 해당 슬롯은 Cyclic prefix와 심볼로 구성되어 있음을 확인하실 수 있습니다.

- LTE-FDD 방식에서의 OFDM

CP : 16μs

Symbol : 66.7μs

 LTE 기술 중 하나인 LTE-FDD 방식에 대해 살펴보도록 하겠습니다. 위 그림에서 보시는 바와 같이 LTE-FDD 방식은 여러개의 Subcarrier를 활용하는 OFDM 방식을 사용하고 있음을 확 수 있습니다. Cyclic prefix의 간격은 16μs이며, 각 심볼은 66.7μs입니다. GFDM 방식과 비교하였을 때, LTE-FDD 방식의 단점으로는, 각 Symbol이 만들어질 때 마다 Cyclic prefix가 사용되어지고 있으며, 이는 전송시 Frame의 간격을 최대한으로 줄일 수 없어 Latency 문제가 발생하게 됩니다.

- GFDM 방식이 적용된 LTE-FDD

CP : 4.17μs

Subsymbol : 4.17μs

 그렇다면 LTE 통신방식에 GFDM을 적용하였을 때 어떤 효과가 나타나는지 보도록 하겠습니다. 보시는 바와 같이 스펙적인 면에서 확인하였을 때, Cyclic prefix와 Symbol이 4.17μs로 눈에 띄게 줄어들었음을 확인하실 수 있습니다. GFDM의 경우 LTE-FDD와는 달리 여러개의 Subsymbol을 하나의 Cyclic prefix를 통해 전송하는 것이 가능하며, Symbol duration을 무려 7.5배 작게 할 수 있기 때문에 전송시 프레임 단위 하나의 duration을 줄일 수 있습니다. 즉, 이는 무선통신시의 Latency를 확연히 줄일 수 있어 이론적으로 통신 속도가 증가함을 알 수 있습니다.

 GFDM이 OFDM을 대체하게 되었을 경우 얻을 수 있는 또 다른 장점으로는 Out-of-Base emission을 줄일 수 있다는 점입니다. 여기서 Out-of-Base emission이란 통신시 자신에게 해당되는 대역폭을 벗어난 주파수 영역으로 데이터가 전송되는 현상으로 이는 신호간의 간섭을 유발할 수 있습니다. 특히 각 주파수 대역별로 근접해 있는 OFDM의 경우 Out-of-Base emission에 취약하다는 단점을 가지고 있습니다. 반면 GFDM은 시간-주파수 영역이 블록 단위로 구성되어 있고 이 구조는 순환적으로 변하기 때문에 Out-of-Base emission 문제를 해결할 수 있습니다. 이렇게 GFDM이 오늘날의 통신 방식인 LTE에 적용하였을 때에도 상당히 효율이 높아질 것으로 기대할 수 있겠습니다.

- Conclusion

 GFDM 방식은 기존의 통신방식인 LTE에서도 적용할 수 있어 이전 세대의 통신방식을 아우를 수 있는 기존에는 없던 새로운 방식이라는 점이 상당히 매력적입니다. GFDM의 특성으로 Latency 이슈가 해결된다면 머지않은 미래에는 촉감 인터넷(Tactile Internet)과 같이 기존의 방식으로는 구현하기 힘들었던 분야가 새롭게 부상할 것으로 보입니다. 또한, MIMO와 같이 GFDM 또한 잠재적인 5G 시대의 기술이 될 것으로 기대됩니다.

- Reference

1. I.Gaspar, L.Mendes, M.Matthe, N.Michailow, A.Festag, G.Fettweis, "LTE-compatible 5G PHY base on Generalized Frequency Division Multiplexing", Wireless Communications Systems (ISWCS), 2014 11th International Symposium, pp. 209 - 213, 26-29 Aug. 2014

2. N. Michailow, M.Matthe, I.S.Gaspar, A.N.Caldevilla, L.L.Mendes, A.Festag, G.Fettweis, "Generalized Frequency Division Multiplexing for 5th Generation Cellular Networks", IEEE Transactions Communications, Vol.62, pp.3045 - 3061, Sept. 2014