[LTE] OFDM / MIMO/ LTE Architecture - Q&A

이번 스터디에서는 LTE Technical Overview 문서의 Introduction / OFDM / MIMO / LTE Architecture 일부를 공부하였습니다. 
또한, 다음 스터디에서 다시 확인해 볼 질문 사항을 정리하였습니다. 
혹시 추가적으로 알게 된 사항이 생기거나, 이미 알고 계시는 내용이라면 회신해주시면 감사드리겠습니다. 

• Questions

1. OFDM
a. OFDM과 OFDMA의 차이
 

OFDM = single user
OFDMA – multiple users (on same subframe)

둘의 차이를 “같은 서브프레임에 대응하는 유저 수” 라고 정리했는데, (제가 이해하기로) 다른 의견으로는OFDMA가 multi user이긴 한데 그게 서브프레임을 기준이라 하기 애매하다고 하셔서요. 
해당 부분은 OFDMA 개념 뿐 아니라 numerology까지 알아야 이해가 쉬울 것 같아 다음 번에는 NR과 LTE numerology를 추가적으로 정리해보고자 합니다. 

b. NR에서 PAPR을 낮추기 위해 활용하는 기법?
 

5G에서 PAPR을 낮추기 위해 SC-FDMA 뿐 아니라 average 자체를 높여서 차이를 줄이는 방법이 존재한다는 이야기를 들었는데, 관련해서 좀 더 찾아보려 합니다. 
2. MIMO
a. MIMO와 OFDMA의 관계
 
MIMO는 다중 경로에서 시공간 다양성을 활용하여 다중 병렬 데이터 전송 파이프를 생성한다는 개념입니다. 
해당 개념이 과연 OFDM이라는 구조를 통해, time/frequency 측면 모두에서 병렬적인 데이터 전송을 할 수 있다는 맥락에서 출발한 개념인지,
그리고 그렇기 때문에 OFDMA를 채택한 4G 이후부터 MIMO가 등장하는지에 대한 의문을 나눴습니다. 
의견이 다소 달라서, 한번 이 부분은 다른 분께도 여쭤 보고 답변을 공유하고자 합니다. 

b. MIMO에서의 rank 개념
 

MIMO에서 rank는 current Tx/Rx의 stream capability인데, 이는 물리적인 Tx/Rx 안테나 개수가 아니라 high SINR을 가진 possible stream을 의미합니다 
MIMO 자체는 파이프마다 다른 디지털 신호를 전송하고, 물리적 안테나 개수와 채널 컨디션이 이 rank를 결정하는데 
채널 컨디션이 전반적으로 좋지 않으면 하나의 가장 강한 파이프에 모든 전력을 집중하는 빔포밍 방식을 선택하고, 채널 컨디션이 좋다면 모든 파이프에 전력을 분산하여 신호를 받는 공간 다중화 방식을 선택합니다. 
그런데 이 때 파이프의 개수 = rank로 봐서, 그러면 빔포밍은 무조건 rank=1인 것인지를 확실히 모르겠네요. 이 부분도 한번 찾아보려 합니다. 
참고로 첨부한 로그는 이 UL-MIMO의 rank를 보는 방법이고요, 이걸 찾는 과정에서 DL-MIMO와 UL-MIMO를 구분해서 본다는 걸 알게 되었습니다. 관련해서도 알아보겠습니다. 

c. MIMO의 원리 – 비상관특성

MIMO가 가능한 이유는 fading을 통한 간섭 덕분입니다. 독립적인 신호를 한번에 받을 수 있는 이유는 fading에 의해 간섭이 발생하고, 그 간섭으로 인해 신호가 서로 달라진다는 것입니다. 
그래서 이 비상관특성 (서로 다른 공간 특성?)을 통해 각기 다른 신호를 받고, 이를 원복하여 원래의 신호로서 사용할 수 있는 것이 결론인데요. 
MIMO의 원리 자체가 이러한 비상관특성/ 즉 간섭?/을 이용하여 가능하다는 것인데, 그렇다면 y=Hx+v의 식에서 H와 v, 특히 v=noise 를 통해 x를 복원하는 방식으로 진행하는 것이 맞는지..
계산 방법을 좀 알아야겠네요.

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1. OFDM
a. OFDM과 OFDMA의 차이

 

OFDM : 기지국과 단말기가 1:1인 상황 – 주파수를 직교성을 갖도록 배치해서 다중화. 다수의 캐리어에 데이터를 실어 보내는 개념
OFDMA : 기지국과 단말기가 1:N인 상황 - 주파수를 직교성을 갖도록 배치하는 것은 동일하나 다중 접속을 목적. 여러 사람/ 단말이 동시 접속 가능
+ MU-MIMO : 공간 스트림(spatial stream)을 사용하여 물리적으로 클라이언트 분리 // OFDMA : 단일 채널 자체를 세분화 

b. NR에서 PAPR을 낮추기 위해 활용하는 기법?
더 알아보겠습니다.. 일단 못 찾았음. 

2. MIMO
a. MIMO와 OFDMA의 관계
‘병렬적’이라는 단어에 꽂히면 안됨.
OFDMA라는 기술을 통해 MIMO까지 가능하게 된 건 어느 정도 맞음 (상관성 有)
그러나 인과성은 없음

b. MIMO에서의 rank 개념
 
 

왼쪽은 DL-MIMO  / 오른쪽은 UL-MIMO
Rank는 pipe의 개수가 맞음
빔의 개념이 pipe를 합쳐서 SINR을 최대한 높여 데이터 전송 속도를 높이고자 하는 것도 맞으나 무조건 rank=1이라고 볼 수는 없음
서로 다른 파이프가 같은 신호를 전송할 때도 있고, 두 개씩 합쳐서 4개가 2개를 따로 따로 전송할 때도 있고
이렇게 rank를 결정하는 건 채널 컨디션에 따라 다르기 때문에 CSF가 중요한 것임 (Channel States Feedback) – 요즈음 SKT에서 테스트하고 있는 ML-CSF는 머신러닝 채널상태 피드백 (머신러닝 기술로 채널 상태 예측하는 기법)
결론적으로 rank의 개수는 논리적인 관점에서 데이터를 전송하고 있는 안테나의 개수. 물리적으로 4개의 안테나가 존재하더라도 2개로 쳐서 쓰고 있으면 rank는 2인 것. 
이 부분은 MIMO나 Beam 부분에서 중요한 개념이기 때문에 좀 더 정리하여 다음 스터디 때 발표하겠음

c. MIMO의 원리 – 비상관특성

장표에 있는 그대로 이해하면 됨
비상관 특성이란.. 파이프들이 동일하지 않고 독립적으로 존재할 수 있게 하는 서로 다른 특성 그 자체를 의미함
그래서 데이터 속도를 안테나 수에 비례하게 증가시킬 수 있는 것임.