61호 fbmc (filter bank multicarrier) 전송 기술...

방송통신기술 이슈&전망 2014년 제 61호

FBMC (Filter Bank Multicarrier)

전송 기술 동향

Korea Communications Agency❙ 2014.03.03

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방송통신기술 이슈&전망 2014년 제 61 호

개요

FBMC(Filter Bank Multicarrir) 전송기술은 1960년대 최초로 제안되었으나, 최근까지

도 OFDM1)에 비해 상대적으로 복잡한 구조와, 또 OFDM만으로도 충분한 주파수 자

원 확보가 가능했던 이유로 크게 주목받지 못했다. 그러나 최근 빠르게 발전해온 반

도체 기술로 인해 구현복잡도의 한계가 많이 극복되었고, M2M(Machine to Machine),

IoT (Internet of Things)등의 사물 인터넷의 활성화로 인해 기하급수적으로 늘어나게

될 사용자들과 현재의 100배의 속도를 지원해야하는 차세대 이동통신(5G) 시스템을

지원하기 위해서는 현재의 OFDM보다 주파수를 더욱더 효율적으로 이용할 수 있는

전송기술인 FBMC의 필요성이 대두되고 있다.

한편, FBMC는 비교적 최근에 재조명 받기 시작했기 때문에 상대적으로 논문과 특

허가 많지 않고 아직 연구가 초기 단계라고 할 수 있지만, 최근 유럽기반의 FP7에서

5GNOW라는 카테고리로 연구를 시작하는 등 활발한 연구 활동이 예상되고 있다.

본 보고서에서는 FBMC 전송기술의 내용과 현재 사용되고 있는 기존 OFDM기술

과 비교한 장단 점등을 분석하고 그 전망을 예측해 보고자 한다.

1. 서론

최근 사용되고 있는 LTE, WiBro와 같은 4G 이동통신 시스템은 OFDM을 기반으로

하는 물리계층 전송 구조를 가지며, OFDM은 부반송파들의 직교성을 이용하여 주파

수 자원의 효율을 높임으로서 현재의 4G 이동 통신을 이룩하였다. 그러나 현재 4G

시스템으로는 스마트 폰의 기하급수적 사용, IoT, M2M 시장 확대 등으로 인해 빠른

속도를 원하는 사용자들의 요구를 충족시키기에는 부족함이 있다.

현재의 OFDM은 부반송파 간의 효율성은 높일 수 있지만2), 밴드 간 많은 양의 누

출전력(Side-lobe)을 발생 시키므로 상당한 가드밴드(Guard Band)3)가 필요하므로, 결

국 최대의 주파수 효율을 얻을 수 있다고는 할 수 없다. 또 이러한 문제는 누출전력

에 대한 기준이 매우 엄격한 TV유휴영역(TV White Space)과 같은 대역에서

CR(Corgnitive Radio)기술에 적용하기 매우 어렵게 한다. 또한 부반송파간 간섭(ICI,

1) Orthogonal Frequence Division Multiplexing

2) 기존 다중화 방식은 단일 부반송파를 사용하나, 현재 OFDM기술은 다수의 부반송파를 사용해서 데이터를 병렬로 전송

3) 주파수분할 다중화 방식에서 채널 간 간섭을 막기 위해 완충역할을 수행하는 주파수 대역

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FBMC (Filter Bank Multicarrier) 전송 기술 동향

Inter Carrier Interference)을 제거하여 사용되는 전치순환(CP, Cyclic Prefix)4)으로

인한 대역 손실 역시 상당히 발생한다. 따라서 현재 4G 이동 통신 시스템의 최대

100배의 속도를 요구하는 5G이동 통신 시스템을 이룩하기 위하여 이동 통신 시스템

을 구성하는 다양한 계층에서 기술을 개선해 나가고 있으며 그 예로 기지국간 협력

전송(CoMP), 이종 셀 네트워크 구성(Heterogeneous Network), 3차원 빔 형성 기법

등을 꼽을 수 있다. 그러나 이들 노력만으로는 100배에 달아는 5G의 속도를 맞출

수 없으며 근본적으로 OFDM 보다 높은 수준의 주파수 효율성이 요구된다.

이로 인해 OFDM이 가지고 있는 많은 장점에도 불구하고 더 높은 주파수 효율을

얻기 위해 최근 들어 FBMC가 5G 이동통신을 위한 새로운 물리 계층 전송 기법으로

연구 되고 있다. FBMC는 OFDM보다 높은 복잡도를 요구하지만 밴드 간의 누출 전

력을 거의 발생시키지 않고 CP를 사용하지 않아도 된다는 장점으로 인해 더 높은

주파수 효율을 얻을 수 있으나, FBMC 역시 몇 가지 단점을 포함하고 있다. 본고에

서는 FBMC의 기술개요 및 장·단점, OFDM과의 차이 등을 알아보도록 하겠다.

2. 기존 OFDM 기법

OFDM은 다중 반송파를 이용하는 전송기법 중의 하나로, 3세대 통신기술인 Code

Division Multiple Access(CDMA)에 이은 4세대 물리 계층 전송 기술로서, 현재 LTE와

WiBro에서 사용되고 있을 뿐 아니라 VDSL5)과 같은 유선 통신에서도 광범위 하게 사용

되고 있다. 아래 <그림 1>은 OFDM과 같은 다중 반송파 전송기법의 통합 구조도이다.

<그림 1> 다중 반송파 전송 시스템 구조도

OFDM 내에서 신호 ,,,...들은 병렬로 서로 다른 주파수 ,,,...를 가진 부

4) 신호간섭을 방지하기 위해 신호 뒤쪽의 일부를 앞으로 끌어당겨 배치시키는 것

5) Very-high-bit rate Digital Subscriber Line (VDSL)

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반송파에 곱해져 같은 시간에 채널로 전송 되며 송수신 필터를 , 전송 시간을

라고 하면 그 신호는 다음과 같이 쓰여 진다.

OFDM의 경우 송수신 필터 에 모두 직각 펄스를 사용하며, 전송 시간 에 CP

가 포함되어 있으므로, 송신 시간은 그보다 짧은 를 가지게 되며, 이때

가 CP를 위한 시간이 된다. 따라서 OFDM의 대역 효율은

이

라 할 수 있다. 이와 같은 OFDM이 이와 같이 널리 이용되는 이유는 아래와 같은

장점을 가지기 때문이다.

§ IFFT (inverse fast Fourier transform)와 FFT (fast Fourier transform)를 이용하여 간단하게

신호를 생성하고 분리 할 수 있는 장점을 가지고 있다.

§ 간단한 균등화(equalization)를 통하여 부반송파당 이득(Gain)을 얻기 용이하며 다중안테나

시스템 (MIMO) 채널로의 적용도 용이하다.

§ 서로 직교하는 부반송파들의 성질을 이용하여 밀접하게 배치시키므로 주파수 대역의 좋은

효율성을 얻을 수 있다.

§ CP를 이용하는 간단한 방식을 이용하여 부반송파와 symbol의 동기를 맞추기 쉽다.

§ 부반송파 밴드에 Adaptive modulation schemes을 적용하여 높은 주파수 효율과 전송률을

얻을 수 있다.

그러나 위와 같은 장점에도 불구하고 OFDM은 완벽한 것은 아니며 다음과 같은

단점이 있다.

§ 다중 사용자의 상향링크를 위한 Multiple-access OFDM (OFDMA)에 적절하지 않은 구조이

다. OFDM은 ICI6)의 발생을 막기 위해 수신 측의 완벽한 동기화가 필요하지만 여러 사용

자가 분리되어 전송되는 상향링크 상황의 경우 신호가 각각 다른 위치에서 전송되어 서로

다르게 도달 하므로 동기화를 획득하기가 어렵다.

§ CP를 이용하여 간단하게 동기화를 확보한다고 할 수 있으나 일반적으로 기존 신호의 1/8

에 달하는 부분을 할애하므로 대역의 최대 효율을 이끌어 낸다고 볼 수 없다.

§ CR(Corgnitive Radio)상황에서 각기 다른 규격을 이용하는 여러 사용자가 동시에 신호를

전송하는 경우는 사실상 각 각의 다른 필터를 사용해야 할 만큼 그 구조가 복잡해진다. 또

한 밴드간의 누출 전력은 CR의 사용 목적과는 다르게 다른 사용자에 의한 간섭이 커진다

는 문제가 있다.

6) Inter channel interface, 채널 간 간섭

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3. FBMC 기술

기존 OFDM 시스템의 경우 송수신단에서 직각 펄스를 이용하는데, 그러나 이러한

직각 펄스는 주파수 영역에서 Sinc 함수 형태의 전력 스펙트럼의 모양을 형성하여 아

래 <그림 2>에서 볼 수 있듯이 유효 대역 밖으로 많은 양의 전력이 누출 되는 것을

확인 할 수 있다. 이러한 누출 전력은 밴드 간 가드밴드를 삽입해야 하게 만들고, TV

유휴 대역과 같은 다른 밴드로의 간섭에 매우 민감한 CR상황에 적용하기 어렵다.

<그림 2> OFDM의 송신 신호 스펙트럼

따라서, 유효 대역 밖으로 넘어가는 전력을 줄이기 위해서는 송신단에 주파수 필

터를 이용하여 전력 스펙트럼의 모양을 다르게 디자인해서 해결하는 방법7)을 생각

해 볼 수 있다. 이와 관련하여 아래 <그림 3>은 잘 알려진 필터 중 직교성8)을 유지

할 수 있는 raised-cosine 필터를 사용했을 경우 전송 신호의 전력 스펙트럼을 나타

낸 것인데, <그림 2>와 비교하여 유효 대역 밖을 나가는 전력의 크기가 상당 부분

줄어 든 것을 확인 할 수 있다.

<그림 3> 필터링된 OFDM의 송신 신호

스펙트럼

그러나 이러한 단순한 필터의 적용은 유효 대역 밖으로 가는 누출 전력을 효과적

7) 현재로서는 필터를 디자인하는 것이 유일한 대안이라고 생각됨

8) 부반송파의 주파수간에 영향을 주지 않도록 설정하는 것. OFDM는 기본적으로 주파수의 직교성을 이용한 전송 방식임

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으로 줄일 수는 없으며, CP를 이용하여 ICI효과를 보완하는 부분을 해결하지 못하기

때문에 최대의 주파수 효율을 얻는다고 보기는 힘들다. 또, 이러한 CP의 경우 일반

적으로 주파수 대역의 1/8을 사용하므로 높은 효율성을 얻어야 하는 5세대 이동통신

에서는 많은 대역 손실을 가져온다고 할 수 있다.

따라서, 멀티패스 효과와 도플러 효과로 인한 시간과 주파수의 변동 채널에서 CP

를 사용하지 않고 ISI, ICI없이 직교성을 보장하는 방식이 요구되었으며, 이로 인해

기존의 필터보다 더욱더 견고한 필터를 디자인 하는 방법에 대한 연구가 필요하게

되었고, 이렇게 디자인된 필터를 이용하여 새로운 전송 구조를 도출해 내는 연구가

FBMC기술의 핵심이라고 할 수 있다.

CP없이 ISI, ICI를 만족하는 송수신 필터 필터는, 주어진 전송 채널의 임펄스

리스펀스의 기간을 , 도플러 쉬프트의 범위를 , 그 주파수 영역 함수 라고

하면 다음과 같은 조건을 만족 시켜야 한다.

,

이때,

∞

∞

,

∞

∞

이며, 위 조건을 만족시키기 위

하여 우선 주파수 영역의 형태와 시간 영역의 형태가 비슷한 함수인 가우시안 펄스

를 이용하여 직교성을 유지하는 펄스를 얻어내야 한다. 이는 IOTA9) 를

이용하여 를 직교 펄스 로 변환 할 수 있으며 그 과정은 아래와 같다.

FOFOv

여기서 F와 F 는 FFT와 IFFT이고 와 는 임의의 값이며, Oa는 직교 변환자로서

∞

∞

와 같다. 위 변환을 통해서 얻어진 은 주파수 영역과 시간 영역에서 각각 의

정수배, 의 정수배에서 부호 변환점 (Zero Crossing)이 일어난다. 그러므로 는 ,

는 가 되도록 필터를 스케일링하며, 대역 효율

이 1인 경우가 주파수의 최대

효율을 유지할 수 있으나, 이런 경우는 채널이 이상적인 상황이나 의 값이 매우 커

져야하는 제약적인 조건에만 적용되어 실제로 사용할 수 없다. 그 대안으로

을

9) Isotropic Orthogonal Transform Algorithm

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로 줄인 필터를 사용해야 하며, 이러한 경우 시간영역 혹은 주파수 영역의 효율을

2배로 올려서 대역 효율 1로 맞출 수 있다.

이러한 방법에는 두 가지가 있는데, 하나는 시간영역에서 입력 신호 에 offset

QAM (OQAM) 방식을 이용 하는 방식이며 다른 하나는 주파수 영역에서 VSB 변조와

입력 신호 에 PAM를 이용하는 방법이다. 이때 두 방식 모두 각 시간에 전송되는

신호들에 각 부반송파에 주파수 위상차를 발생시키고 이를 통해서 대역 효율을 1로

높일 수 있으며 이러한 방식을 이를 FBMC라고 한다. 또, OQAM (Offset QAM)을 사

용 방식을 SMT (Staggered Modulated Multitone), VSB와 PAM변조를 사용하는 방식을

CMT (Cosine Modulated Multitone)10) 이라고 한다.

<그림 4> OQAM을 이용한 FBMC시스템 – SMT

먼저, SMT 방식은 위 <그림 4>에서 볼 수 있듯이 QAM11)의 실수 성분과 허수 성

분을 심볼 길이의 반만큼 차이를 발생하여 전송시키고 이들의 위상차를 발생시켜서

전송 효율을 얻는다. 그리고 송수신 필터로는 IOTA방식으로 얻은 필터를 이용하여

CP 없이 ISI, ICI를 극복하고 전송 효율 를 CP가 없는 OFDM과 같이 1로 맞출

수 있다.

CMT방식은 다음 <그림 5>에서 볼 수 있듯이, 실수 성분으로만 구성된 PAM 심

볼12)을 VSB변조13) 방식을 통해서 전송한다.

10) SMT와 CMT는 구현방식의 차이이며 기능 및 효율성에는 차이가 없는 것으로 알려져 있음

11) Qadature Amplitude Modulation

12) Pulse Amplitude Modulation, 일정 시간마다 discreet하게 sampling된 반송파 신호

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<그림 5> VSB을 이용한 FBMC시스템 - SMT

이때 송수신 필터로서 SMT와 같은 필터를 사용하지만 SMT 방식과 다르게 전송되는

심볼의 시간 차이를 두지는 않고, VSB 변조 방식을 이용하여 SMT보다 심볼 간의 주

파수 간격을 반으로 줄여서 배치시킨다. SMT에 비해 전송 시간은 두 배로 늘었지만

주파수 간격이 반으로 줄었으므로 CMT역시 최대 주파수 효율인 1을 가질 수 있다.

4. OFDM 과 FBMC의 비교

앞장에서 OFDM의 단점을 극복하는 대안으로써 FBMC기술에 대하여 검토해 보았

다. 그러나 FBMC 역시 OFDM에 비해 장단점이 존재하므로, 실제 적용에 있어서는

상황과 목적을 고려하여 FBMC와 OFDM을 선택해야 하며, 아래는 다양한 상황에서

OFDM과 FBMC을 비교 정리해 본 것이다.

① Single-User Communications

☞ OFDM이 낮은 복잡도를 가지지만 FBMC의 경우 높은 주파수 대역 효율을 가진다.

② MIMO Communications

☞ OFDM의 경우 MIMO환경에 쉽게 적용할 수 있다. 그러나, 일반적으로 FBMC의

13) Vestigial Slide Bands(잔류측대파 변조 방식), SSB와 DSB를 절충한 통신 방식

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경우 몇몇 MIMO상황에서 사용될 수 있는 제한이 있다.

③ Multiple-access Communications

☞ OFDM의 경우 낮은 복잡도를 가지지만, FBMC의 경우 높은 주파수 대역 효율을

가진다. 상향링크 상황에서는 OFDM은 동기를 위한 추가적 처리가 필요하며, 특히 이

동상황에는 간섭제거 기술이 필수적이다. 그러나, FBMC의 경우 간섭제거 방식이 필요

가 없고 엄격한 동기가 필요 없으므로 다중 접속 상황에서는 OFDM이 FBMC보다 높

은 오히려 복잡도를 가질 수 있으므로 FBMC가 더 좋은 선택이다.

④ Cognitive-radio Communications

☞ FBMC는 누출 전력을 완벽하게 줄이고, 동기가 필요 없으므로 OFDM에 비해 확실

히 좋은 선택이다.

무엇보다도 OFDM과 FBMC의 가장 큰 차이점은 주파수 대역 효율에서 찾을 수 있

다. 아래 <그림 6>에서 보면 OFDM의 경우 주어진 유효 대역 밖으로 나가는 전력

양이 매우 많은 반면, FBMC의 경우 유효한 대역 밖으로 흘러 나가는 전력의 양이

급격하게 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 장점은 가드 밴드를 작게 사용하

여 전체 주파수 대역의 효율을 늘릴 수 있으며, 누출 전력에 매우 민감한 TV유휴대

역을 이용하는 CR상황에 아주 잘 적용할 수 있다. 또한 CP를 사용 하지 않음으로써

전송 효율을 높임과 동시에 저지연 (low latency) 통신에도 적용할 수 있다.

<그림 6> OFDM과 FBMC의 주파수 전력 스펙트럼 비교

10


5. 결론

복잡한 송수신 필터의 사용과 그로 인한 송수신 구조의 복잡도 증가, 다중 안테나

시스템 (MIMO)에 적용하는 점에서 어려움 등은 FBMC가 극복해야 할 최대 문제이기

는 하지만, 차세대 5G 전송기술에서 요구되는 매우 높은 주파수 효율을 고려할 때

FBMC는 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다.

FBMC에 관련된 연구는 현재 EU의 지원을 받는 FP7의 5GNOW 프로젝트 그룹에서

진행하고 있으며, 2012년 10월 처음 결성된 이 프로젝트 그룹은 현재 IEEE VTC,

ICC, Globecom 등 저명한 통신 학회에 연구 결과물을 발표하며 차세대 통신 기술로

서의 가능성을 확인해 보고 있다. 그러나 아직 국내외적으로 활발하게 연구개발 되

지는 않는 분야이며, 차세대 5G통신 기술에서는 주파수 대역의 요구가 급증하는 바,

그 대안으로 생각 될 수 있는 기술 중 하나이므로 향후 활발한 연구 개발 활동이

기대된다.

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[참고문헌]

[1] Behrouz Farhang-Boroujeny, “OFDM Versus Filter Bank Multicarrier” IEEE Signal

Processing Magazine, pp. 92-112, May 2011.

[2] Gerhard Wunder et al. “5GNOW: Challenging the LTE Design Paradigms of Orthogonality

and Synchronicity”, IEEE VTC 2013 Spring, May 2013

[3] Gerhard Wunder et al. “System-Level Interfaces and Performance Evaluation

Methodology for 5G Physical Layer Based on Non-orthogonal Waveforms”, 47th Annual

Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Dec. 2013

[4] Juan Fang et al. “Comparisons of filter bank multicarrier systems”, IEEE LISAT 2013,

May 2013

발 행 호❙2014년 제 61 호

발간물명❙FBMC (Filter Bank Multicarrier) 전송 기술 동향

방송통신기술 시장･정책 콘텐츠

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