직교 주파수 분할 다중화(OFDM)

2025-12-05, G30DR

1. 서론: 다중 반송파 통신의 태동과 패러다임의 전환

현대 무선 통신 시스템의 근간을 이루는 핵심 기술인 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)는 정보 전송의 효율성과 신뢰성을 획기적으로 증대시킨 변조 방식이다. 1960년대 중반, Robert W. Chang이 대역 제한된 채널에서 직교성을 유지하며 데이터를 병렬로 전송하는 기본 개념을 제안한 이래, OFDM은 단순한 이론적 모델에서 시작하여 전 세계 디지털 통신망의 표준 규격(De facto standard)으로 자리 잡았다.1 초기 다중 반송파 변조(Multi-Carrier Modulation, MCM) 방식은 수백 개의 반송파를 생성하기 위해 방대한 양의 발진기와 필터를 필요로 했기에 하드웨어 구현의 복잡성이라는 거대한 장벽에 부딪혔다. 그러나 1971년 Weinstein과 Ebert가 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform, DFT)과 그 역변환(IDFT)을 이용해 기저대역에서의 신호 처리를 디지털적으로 구현하는 방안을 제시하고, 보호 구간(Guard Interval)을 도입하여 다중 경로 페이딩 문제를 해결함으로써 OFDM은 실용화의 전기를 마련하게 되었다.1

오늘날 OFDM은 Wi-Fi(IEEE 802.11)와 같은 근거리 무선랜부터 4G LTE 및 5G NR(New Radio) 이동통신, 그리고 DVB-T2와 같은 디지털 방송 시스템에 이르기까지 광대역 통신의 거의 모든 영역을 지배하고 있다.2 이는 OFDM이 제공하는 높은 스펙트럼 효율성과 주파수 선택적 페이딩(Frequency Selective Fading)에 대한 강력한 내성 덕분이다. 특히 단일 반송파 시스템이 고속 전송 시 직면하게 되는 심볼 간 간섭(Inter-Symbol Interference, ISI) 문제를 복잡한 시간 영역 등화기 없이 해결할 수 있다는 점은 OFDM의 가장 독보적인 장점이라 할 수 있다.1

본 보고서는 OFDM 기술의 수학적 기초 원리부터 시작하여, 송수신기의 세부 아키텍처, 핵심 성능 저하 요인인 PAPR과 주파수 오프셋 문제, 그리고 최신 5G 및 Wi-Fi 6 표준에서의 응용 사례를 포괄적으로 분석한다. 나아가 6G 시대를 대비한 OTFS(Orthogonal Time Frequency Space)와 같은 차세대 파형 기술과의 비교를 통해 OFDM의 기술적 한계와 미래 발전 방향을 심층적으로 조망하고자 한다.

2. OFDM의 수학적 원리와 직교성(Orthogonality)의 미학

2.1 주파수 효율성의 극대화와 직교 조건

전통적인 주파수 분할 다중화(FDM) 방식은 인접한 채널 간의 간섭을 방지하기 위해 각 반송파 사이에 넓은 보호 대역(Guard Band)을 배치해야 했다. 이는 한정된 주파수 자원을 낭비하는 결과를 초래하여 전체적인 스펙트럼 효율을 저하시키는 주된 원인이었다.4 반면, OFDM은 부반송파(Subcarrier)들의 스펙트럼을 중첩(Overlapping)시키면서도 상호 간의 간섭을 완벽하게 제거하는 수학적 ’직교성(Orthogonality)’을 활용한다. 이는 제한된 대역폭 내에서 전송 가능한 데이터의 양을 극대화하는 결과를 낳는다.4

직교성의 핵심은 시간 영역에서 정의된 구간 T 동안 두 신호의 내적(Inner Product)이 0이 된다는 점에 있다. k번째 부반송파와 l번째 부반송파를 각각 \phi_k(t)와 \phi_l(t)라 할 때, 이들이 직교하기 위한 조건은 다음과 같다.7

\int_{0}^{T} \phi_k(t) \phi_l^*(t) dt = 0, \quad k \neq l

OFDM 시스템에서는 부반송파의 주파수 간격 \Delta f를 심볼 주기 T의 역수(1/T)로 설정함으로써 이 조건을 만족시킨다. 주파수 영역에서 살펴보면, 각 부반송파는 sinc 함수 형태의 스펙트럼을 가지며, 한 부반송파의 주파수 응답이 최대가 되는 지점(Peak)에서 다른 모든 부반송파의 응답은 정확히 0(Null)이 된다.5 이러한 스펙트럼의 교차 배치는 수신단에서 각 부반송파의 중심 주파수를 샘플링할 때 인접 채널의 간섭 없이 해당 신호만을 온전히 복원할 수 있게 한다. 이는 FDM 방식이 채널 간 간섭을 막기 위해 물리적인 주파수 이격을 두어야 했던 것과 달리, 수학적 정밀함을 통해 대역폭을 절약하는 혁신적인 접근법이다.8

2.2 이산 푸리에 변환(DFT)을 통한 디지털 구현

OFDM의 이론적 우수성에도 불구하고, 수천 개의 부반송파를 아날로그 발진기로 구현하는 것은 비용과 크기 면에서 비현실적이었다. 이 난제를 해결한 것이 바로 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘이다. OFDM 변조 과정은 역고속 푸리에 변환(IFFT)을 통해, 복조 과정은 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 디지털 영역에서 효율적으로 수행된다.9

송신단에서는 주파수 영역의 데이터 심볼 X[k] (QAM 또는 PSK로 매핑된 복소수 데이터)를 N개의 부반송파에 할당한다. 이를 IFFT 연산을 통해 시간 영역의 신호 x[n]으로 변환하는데, 수식은 다음과 같다.

x[n] = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{k=0}^{N-1} X[k] e^{j 2\pi k n / N}, \quad 0 \leq n < N

여기서 X[k]는 k번째 부반송파에 실린 데이터 심볼이며, e^{j 2\pi k n / N}는 이산적인 주파수 성분을 나타낸다. 이 연산은 N개의 직교하는 정현파(Sinusoid)에 데이터를 실어 합치는 과정과 동일하다.10 수신단에서는 반대로 수신된 시간 영역 신호 y[n]에 FFT를 적용하여 원본 데이터 Y[k]를 복원한다.

Y[k] = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{n=0}^{N-1} y[n] e^{-j 2\pi k n / N}, \quad 0 \leq k < N

이러한 FFT/IFFT 기반 구조는 복잡한 아날로그 믹서와 필터 뱅크를 단순한 디지털 연산 블록으로 대체하게 하여, 반도체 기술의 발전과 함께 OFDM이 급속도로 확산되는 결정적인 계기가 되었다.11 또한, 송수신단에서 사용되는 IFFT와 FFT 블록은 서로 쌍대적(Dual) 관계에 있어 하드웨어 자원을 효율적으로 공유하거나 설계할 수 있는 이점을 제공한다.9

3. 다중 경로 채널 극복 메커니즘: 순환 전치(Cyclic Prefix)

3.1 무선 채널의 특성과 심볼 간 간섭(ISI)

실제 무선 통신 환경은 송신된 신호가 건물, 지면, 이동체 등 다양한 장애물에 반사되어 시차를 두고 수신단에 도달하는 다중 경로(Multipath) 환경이다. 이러한 다중 경로 성분들은 지연 확산(Delay Spread)을 야기하며, 이는 디지털 통신에서 심볼 간 간섭(ISI)이라는 치명적인 왜곡을 발생시킨다.4 고속 데이터 전송을 위해 심볼의 길이를 짧게 줄일수록, 지연된 반사파가 다음 심볼 구간을 침범할 확률이 높아져 ISI에 의한 성능 저하가 심각해진다. 단일 반송파 시스템에서는 이를 해결하기 위해 복잡한 시간 영역 등화기(Time Domain Equalizer)가 필수적이나, 이는 처리 속도와 전력 소모 면에서 한계를 가진다.1

3.2 순환 전치(Cyclic Prefix)의 이중 역할

OFDM은 이 문제를 해결하기 위해 **순환 전치(Cyclic Prefix, CP)**라는 독창적인 기법을 도입했다. CP는 OFDM 심볼의 마지막 일정 구간(Guard Interval)을 복사하여 심볼의 맨 앞에 붙이는 방식이다. CP의 도입은 단순히 신호의 길이를 늘리는 것 이상의 수학적, 물리적 의미를 내포한다.12

첫째, ISI 제거를 위한 보호 구간(Guard Interval) 역할이다. CP의 길이(T_{cp})가 채널의 최대 지연 확산(\tau_{max})보다 길게 설정되면, 이전 심볼의 지연된 성분들은 오직 현재 심볼의 CP 구간 내에만 머무르게 된다. 수신기는 FFT를 수행하기 전, 오염되었을 가능성이 있는 CP 구간을 과감히 제거하고 순수한 데이터 구간만을 취함으로써 ISI를 원천적으로 차단한다.12

둘째, 선형 회선(Linear Convolution)을 원형 회선(Circular Convolution)으로 변환하는 역할이다. 신호가 선형 시불변(LTI) 채널을 통과하면 출력 신호는 입력 신호와 채널 임펄스 응답의 선형 회선(Linear Convolution)으로 나타난다. 그러나 주파수 영역에서 이를 단순한 곱셈으로 처리하기 위해서는 시간 영역에서의 연산이 원형 회선 형태여야 한다. OFDM 심볼의 끝부분을 앞에 복사해 붙임으로써, 채널을 통과한 신호는 마치 주기적으로 반복되는 신호와 채널이 반응한 것과 같은 효과를 내게 된다.13

y[n] = x[n] \circledast h[n] \xrightarrow{\text{FFT}} Y[k] = X[k] \cdot H[k]

이러한 성질 덕분에 수신단에서는 복잡한 등화 과정 없이, 주파수 영역에서 각 부반송파별로 채널의 주파수 응답 H[k]를 나누어 주는 1-tap 등화기(Single-tap Equalizer)만으로 채널 왜곡을 보상할 수 있다.13 이는 OFDM 수신기의 구조를 획기적으로 단순화시키는 핵심 원리이다.

2.2 CP 길이의 트레이드오프

CP의 길이는 시스템 설계 시 신중하게 결정되어야 하는 파라미터이다. CP가 너무 짧으면 긴 지연 확산을 가진 채널에서 ISI가 발생하여 성능이 저하된다. 반면, CP를 불필요하게 길게 설정하면 데이터 전송에 사용되지 않는 잉여 시간(Overhead)이 증가하여 전체적인 전송 효율(Throughput)이 감소한다.8 예를 들어, LTE와 5G NR에서는 일반적인 도시 환경을 위한 ’Normal CP’와, 셀 반경이 매우 크거나 다중 경로 지연이 심한 환경을 위한 ’Extended CP’를 구분하여 정의하고 있다.15 5G NR의 경우 부반송파 간격이 커질수록 심볼 길이가 짧아지므로, 이에 비례하여 CP의 절대적인 시간 길이도 줄어들게 된다. 이는 mmWave 대역과 같이 지연 확산이 상대적으로 작은 환경에 적합하도록 설계된 것이다.15

3. OFDM 시스템 아키텍처 및 신호 처리 상세

OFDM 시스템은 송신기와 수신기의 유기적인 신호 처리 단계로 구성된다. 각 단계는 데이터의 병렬화, 변조, 그리고 무선 채널 적응을 위한 필수적인 과정들을 포함한다.

3.1 송신부(Transmitter) 상세 구조

1. 직렬-병렬 변환(S/P Conversion): 고속의 입력 비트 스트림은 먼저 다수의 저속 병렬 스트림으로 변환된다. 이 과정은 전체 대역폭을 좁은 대역폭을 가진 여러 개의 부반송파로 나누어 쓰는 효과를 낸다. 데이터 속도를 낮춤으로써 심볼 주기를 늘리고, 이는 다중 경로 지연에 대한 강인성을 확보하는 기초가 된다.18
2. 부반송파 매핑(Mapping): 각 병렬 스트림의 비트들은 BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM 등의 변조 방식을 통해 복소수 심볼(Constellation points)로 매핑된다. 채널 상태가 좋을수록 고차 변조(예: 256QAM)를 사용하여 전송 용량을 늘리고, 채널이 나쁠수록 저차 변조(예: QPSK)를 사용하여 오류 확률을 낮추는 적응형 변조(Link Adaptation)가 수행된다.10
3. 파일럿 삽입(Pilot Insertion): 수신측에서의 채널 추정(Channel Estimation)과 동기화(Synchronization)를 돕기 위해, 송수신 간에 미리 약속된 파일럿 심볼을 데이터 심볼 사이에 삽입한다. 파일럿의 배치 방식에 따라 빗(Comb) 타입, 블록(Block) 타입, 격자(Lattice) 타입 등으로 나뉘며, 이는 고속 이동 환경이나 주파수 선택적 채널 환경에 따라 최적화된다.14
4. IFFT 연산: 주파수 영역에 배치된 N개의 부반송파 데이터 X[k]를 IFFT를 통해 시간 영역 신호 x[n]으로 변환한다. 실제 시스템에서는 N개의 부반송파 중 가장자리의 일부를 0으로 채워(Null Subcarriers) 보호 대역으로 사용하고, 중앙의 DC 부반송파도 사용하지 않는 경우가 많다.9
5. CP 삽입 및 윈도우잉(Windowing): 앞서 설명한 CP를 삽입한 후, 대역 외 복사(Out-of-Band Emission)를 줄이기 위해 시간 영역 신호의 양 끝을 부드럽게 깎는 윈도우잉(Windowing) 기법이 적용되기도 한다. 이는 인접 채널에 대한 간섭을 줄이는 데 기여한다.
6. DAC 및 RF 변환: 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환(DAC)하고, 기저대역(Baseband) 신호를 고주파 대역(Passband)으로 상향 변환(Up-conversion)하여 안테나를 통해 방사한다.10

3.2 수신부(Receiver) 상세 구조

1. RF 수신 및 ADC: 안테나로 수신된 신호를 기저대역으로 하향 변환(Down-conversion)하고, 샘플링을 통해 디지털 신호로 변환(ADC)한다.
2. 동기화(Synchronization): OFDM 수신의 가장 중요한 첫 단계이다. 수신된 신호의 시작점(Symbol Timing)을 찾고, 송수신 발진기 간의 주파수 차이(CFO)를 보정한다. CP의 반복적인 특성이나 프리앰블(Preamble) 신호를 이용한 상관(Correlation) 기법이 주로 사용된다.21
3. CP 제거: 동기화된 신호에서 보호 구간에 해당하는 CP 샘플들을 제거한다. 이 과정에서 ISI 성분이 함께 제거된다.12
4. FFT 연산: 시간 영역 신호를 주파수 영역으로 변환하여 각 부반송파에 실린 데이터와 파일럿을 분리한다.18
5. 채널 추정 및 등화(Channel Estimation & Equalization): 추출된 파일럿 신호를 분석하여 각 부반송파가 겪은 채널의 왜곡 H[k]를 추정한다. 추정된 채널 정보를 바탕으로 수신 신호 Y[k]를 H[k]로 나누어주거나(Zero-Forcing), 잡음까지 고려한 MMSE(Minimum Mean Square Error) 기법을 적용하여 원래의 송신 심볼 X[k]를 복원한다.12
6. 디매핑 및 복호화(Demapping & Decoding): 복원된 복소수 심볼을 비트 스트림으로 변환하고, 오류 정정 부호(FEC)를 디코딩하여 최종 데이터를 얻는다.10

4. OFDM의 기술적 난제와 해결 방안

OFDM은 강력한 장점만큼이나 뚜렷한 단점들을 가지고 있으며, 이를 극복하기 위한 다양한 기술들이 연구 및 적용되어 왔다.

4.1 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR) 문제

OFDM 신호는 다수의 독립적인 부반송파들의 합으로 구성된다. 중심 극한 정리(Central Limit Theorem)에 따르면, 독립적인 확률 변수들의 합은 가우시안 분포를 따른다. 따라서 시간 영역의 OFDM 신호는 평균 전력에 비해 순간적인 피크 전력이 매우 높게 나타날 수 있는 특징을 가진다.23

\text{PAPR} = \frac{\max_{0 \leq t < T} |x(t)|^2}{E[|x(t)|^2]}

높은 PAPR은 송신단 전력 증폭기(High Power Amplifier, HPA)에 심각한 부담을 준다. 증폭기는 입력 전력이 일정 수준을 넘어서면 비선형 동작을 하여 신호를 왜곡시킨다. 이는 대역 내 왜곡(In-band distortion)으로 인한 오류율 증가와 대역 외 복사(Out-of-band radiation)로 인한 인접 채널 간섭을 유발한다.23 이를 방지하기 위해 증폭기의 동작점을 선형 구간으로 낮추는 백오프(Back-off)를 수행하면 전력 효율이 급격히 떨어져 배터리 소모가 심해진다.24

PAPR 저감 기법 26:

• 클리핑 및 필터링(Clipping and Filtering): 신호의 진폭이 임계치를 넘으면 강제로 잘라내는 방식이다. 가장 단순하지만 신호 왜곡을 유발하여 BER 성능을 저하시키고, 잘려나간 부분 때문에 대역 외 잡음이 다시 증가할 수 있어 필터링이 추가로 필요하다.27
• 선택적 매핑(Selected Mapping, SLM): 동일한 데이터를 위상이 서로 다른 여러 개의 후보 신호로 변환한 후, 그중 PAPR이 가장 낮은 신호를 선택하여 전송한다. 수신측에 어떤 위상 패턴을 사용했는지 알려주어야 하므로 부가 정보(Side Information) 전송이 필요하다.26
• 부분 전송 시퀀스(Partial Transmit Sequence, PTS): 부반송파들을 여러 개의 블록으로 나누고, 각 블록에 최적의 위상 인자를 곱해 합침으로써 전체 신호의 PAPR을 낮춘다. SLM과 유사하게 계산 복잡도와 부가 정보가 요구된다.26
• 톤 예약(Tone Reservation) 및 톤 주입(Tone Injection): 데이터 전송에 사용하지 않는 특정 부반송파(Tone)를 할당하여, 이들을 이용해 시간 영역의 피크를 상쇄하는 신호를 생성한다.24

5.2 주파수 오프셋(CFO) 및 위상 잡음에 대한 민감성

OFDM의 직교성은 부반송파 간의 주파수 간격이 정확히 유지될 때만 유효하다. 그러나 송수신 발진기의 불일치로 인한 **반송파 주파수 오프셋(Carrier Frequency Offset, CFO)**이나 단말의 이동에 따른 **도플러 천이(Doppler Shift)**는 주파수 동기를 흐트러뜨린다.31

CFO가 발생하면 수신된 신호의 부반송파 위치가 이동하게 되어, FFT 수행 시 인접 부반송파의 성분이 섞이는 **인접 반송파 간섭(Inter-Carrier Interference, ICI)**이 발생한다. ICI는 신호 대 잡음비(SNR)를 급격히 저하시키며, 특히 고차 변조(64QAM 등)를 사용할수록 그 영향이 치명적이다.22 일반적으로 잔류 CFO는 부반송파 간격의 1~2% 이내로 억제되어야 성능 저하를 막을 수 있다. 이를 위해 프리앰블이나 파일럿 톤을 이용한 정교한 주파수 추정 알고리즘이 필수적이다.22

또한, 고속 이동 환경에서는 도플러 확산(Doppler Spread)으로 인해 채널이 시변(Time-varying) 특성을 가지게 되며, 이는 부반송파의 직교성을 파괴하는 주된 요인이 된다. 도플러 주파수가 부반송파 간격에 비해 무시할 수 없을 만큼 커지면(예: 고속철도 환경), OFDM의 성능 한계가 드러나게 된다.34

6. 표준별 OFDM 기술의 진화 및 응용 심층 분석

OFDM은 각 통신 표준의 요구사항에 맞춰 다양한 형태로 진화해 왔다. 여기서는 5G NR, Wi-Fi 6, 그리고 디지털 방송에서의 구체적인 응용 사례와 파라미터 설계를 심층적으로 분석한다.

6.1 5G New Radio (NR): 확장 가능한 뉴머롤로지(Scalable Numerology)

5G NR은 기존 LTE와 달리 초고속 광대역(eMBB), 초저지연 고신뢰(URLLC), 대규모 사물통신(mMTC)이라는 상이한 요구사항을 단일 프레임워크 내에서 수용해야 했다. 이를 위해 도입된 핵심 개념이 바로 **확장 가능한 OFDM 뉴머롤로지(Numerology)**이다.2

LTE는 15kHz의 고정된 부반송파 간격(SCS)만을 사용했으나, 5G NR은 2^{\mu} \times 15 kHz (\mu = 0, 1, 2, 3, 4)의 가변적인 SCS를 지원한다. 이는 주파수 대역의 특성(FR1 vs FR2)과 서비스 종류에 따라 최적의 물리 계층 파라미터를 선택할 수 있게 한다.15

심층 분석 - 뉴머롤로지 설계의 이유:

• 위상 잡음(Phase Noise) 대응: mmWave 대역(FR2)과 같은 초고주파에서는 발진기의 위상 잡음이 심각해진다. 위상 잡음은 주파수 영역에서 공통 위상 에러(CPE)와 ICI를 유발한다. 부반송파 간격(SCS)을 넓히면(60, 120 kHz), 위상 잡음의 전력 스펙트럼 밀도가 상대적으로 좁아져 ICI의 영향이 줄어든다. 따라서 고주파 대역일수록 넓은 SCS가 필수적이다.15
• 저지연(Low Latency) 실현: SCS가 2배 커지면 심볼 길이는 1/2로 줄어든다. 15kHz에서 1ms였던 슬롯 길이가 120kHz에서는 0.125ms로 단축된다. 이는 데이터 전송 시간(TTI)을 획기적으로 줄여 URLLC와 같은 초저지연 서비스를 가능하게 한다.17
• CP 오버헤드와 다중 경로: SCS가 넓어질수록 심볼 길이가 짧아지고, 이에 따라 CP의 절대적인 시간 길이도 줄어든다. 예를 들어 15kHz의 CP는 약 4.7\mu s이지만, 120kHz에서는 약 0.57\mu s에 불과하다.17 이는 지연 확산이 큰 실외 환경에서는 ISI를 유발할 수 있다. 따라서 60kHz SCS에서는 더 긴 CP를 제공하는 ‘Extended CP’ 모드를 두어 이러한 문제를 보완한다.16

6.2 Wi-Fi 6 (802.11ax): 고밀도 환경을 위한 OFDMA 혁신

Wi-Fi 6(802.11ax)는 전송 속도의 증가뿐만 아니라, 공항, 경기장, 사무실 등 사용자가 밀집된 고밀도 환경(High Density)에서의 효율성 증대에 초점을 맞췄다. 이를 달성하기 위해 기존 OFDM에서 진일보한 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기술을 도입했다.38

기존 Wi-Fi(802.11ac 등)의 OFDM 방식에서는 하나의 사용자가 데이터 전송을 위해 전체 채널 대역폭(예: 20MHz, 40MHz)을 독점했다. 데이터 양이 적더라도 전체 대역을 사용해야 했기에 주파수 낭비가 발생했고, 다수 사용자가 경쟁할 때 지연 시간이 증가했다.40

OFDMA의 핵심 메커니즘 - 자원 유닛(Resource Unit, RU):

Wi-Fi 6는 전체 채널을 **자원 유닛(RU)**이라는 더 작은 주파수 블록으로 나누어 여러 사용자에게 동시에 할당한다. 20MHz 채널은 최대 9개의 26-tone RU로 분할될 수 있으며, 이는 9명의 사용자가 동시에 통신할 수 있음을 의미한다.41

• RU 크기별 할당: 26, 52, 106, 242, 484, 996 톤(Tone) 등 다양한 크기의 RU가 정의되어 있다. 트래픽 요구량이 적은 IoT 기기나 간단한 메신저 데이터는 작은 RU(26-tone)를 할당받고, 고화질 비디오 스트리밍을 하는 사용자는 큰 RU(996-tone)를 할당받는 식의 유연한 스케줄링이 가능하다.43
• 물리 계층의 변화: 802.11ax는 주파수 효율을 높이고 다중 경로 내성을 강화하기 위해 FFT 크기를 기존 대비 4배 키우고(20MHz 기준 64 \rightarrow 256), 부반송파 간격을 1/4로 줄였다(312.5 kHz \rightarrow 78.125 kHz).45 이로 인해 심볼 길이가 4배 늘어났으며(3.2 \mu s \rightarrow 12.8 \mu s), 자연스럽게 CP의 절대 시간도 길어져 야외 환경에서의 긴 지연 확산을 효과적으로 견딜 수 있게 되었다.38

6.3 디지털 방송(DVB-T2/DAB)과 단일 주파수 망(SFN)

방송 시스템은 통신과 달리 넓은 지역에 동일한 신호를 전송해야 한다. 여러 송신소에서 동일한 주파수로 같은 신호를 송출하는 단일 주파수 망(Single Frequency Network, SFN) 구성 시, 수신기는 서로 다른 송신소에서 오는 신호들을 마치 하나의 송신소에서 온 강력한 다중 경로 신호처럼 인식한다. 이때 송신소 간 거리 차이로 인해 지연 확산이 매우 크게 발생할 수 있다.46

• DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2nd Gen): 이를 해결하기 위해 DVB-T2는 최대 32k(32,768) 모드의 거대한 FFT 사이즈를 지원한다.48 32k 모드는 부반송파 간격을 극도로 좁혀 심볼 길이를 매우 길게 만든다. 따라서 전체 심볼 길이 대비 CP의 비율을 낮게 유지하면서도, CP의 절대적인 시간 길이를 수백 마이크로초(\mu s) 단위까지 늘릴 수 있다. 이는 수십 km 떨어진 송신소 신호 간의 간섭을 막아주어 전국적인 SFN 구성을 가능케 한다.50
• DAB (Digital Audio Broadcasting): 이동 수신을 주목적으로 하는 DAB는 전송 모드에 따라 파라미터를 달리한다. 모드 I은 SFN을 위해 2k FFT를 사용하고, 모드 II와 III는 더 넓은 부반송파 간격을 사용하여 고속 이동 시 발생하는 도플러 확산에 대응하도록 설계되었다.51

7. 비교 분석: OFDM, FDM, 그리고 SC-FDMA

OFDM의 특성을 명확히 이해하기 위해서는 전통적인 FDM 및 LTE 상향링크에서 사용되는 SC-FDMA와의 비교가 필수적이다.

7.1 OFDM vs FDM

가장 큰 차이는 **대역폭 효율성(Spectral Efficiency)**이다. FDM은 채널 간 간섭을 피하기 위해 대역폭의 상당 부분을 보호 대역(Guard Band)으로 낭비해야 한다. 반면 OFDM은 직교성을 이용하여 부반송파를 중첩시키므로 이론적으로 나이퀴스트 율에 근접한 전송이 가능하다.4 또한, FDM은 다중 경로 환경에서 주파수 선택적 페이딩을 겪을 때 전체 채널이 영향을 받거나 복잡한 등화기가 필요한 반면, OFDM은 채널을 수많은 협대역 평탄 페이딩(Flat Fading) 채널로 나누어 처리하므로 간단한 1-tap 등화기만으로도 우수한 성능을 낸다.5 그러나 OFDM은 주파수 오프셋에 훨씬 민감하며, 높은 PAPR이라는 하드웨어적 부담을 안고 있다.5

7.2 OFDM vs SC-FDMA (Single Carrier FDMA)

4G LTE와 5G NR의 하향링크(Downlink)는 OFDMA를 사용하지만, 상향링크(Uplink)는 SC-FDMA(또는 DFT-spread-OFDM) 방식을 채택했다. 그 이유는 단말기의 전력 효율 때문이다.54

• PAPR 차이: OFDMA는 시간 영역 신호가 다수의 부반송파의 합으로 나타나 PAPR이 매우 높다. 이는 단말기 전력 증폭기의 효율을 떨어뜨리고 배터리 수명을 단축시킨다. 반면 SC-FDMA는 IFFT 이전에 DFT 연산을 한 번 더 수행(DFT Spreading)하여 신호를 주파수 영역에 넓게 퍼뜨린다. 이 결과 시간 영역 신호는 단일 반송파(Single Carrier) 신호와 유사한 형태를 띠게 되어 PAPR이 현저히 낮아진다.24
• 전력 효율 vs 스펙트럼 유연성: SC-FDMA는 낮은 PAPR 덕분에 증폭기의 선형 구간을 넓게 쓸 수 있어 셀 커버리지(Cell Coverage)를 넓히는 데 유리하다. 그러나 주파수 선택적 스케줄링의 유연성은 OFDMA에 비해 다소 떨어진다. 5G에서는 이러한 장단점을 고려하여 상향링크에서도 상황에 따라 CP-OFDM(높은 처리량 필요 시)과 DFT-s-OFDM(커버리지 확보 필요 시)을 선택적으로 사용할 수 있도록 표준화되었다.54

8. 미래 전망: 6G와 Post-OFDM 기술

OFDM은 현재 무선 통신의 왕좌를 지키고 있으나, 다가오는 6G 시대의 극한 요구사항 앞에서는 한계를 드러내고 있다. 특히 시속 500km 이상의 초고속 이동체(하이퍼루프, 비행체)나 저궤도 위성 통신에서는 도플러 천이가 극심하여 OFDM의 직교성이 붕괴된다.55

8.1 도플러 한계와 OTFS의 등장

고속 이동 환경에서 발생하는 높은 도플러 확산은 부반송파 간의 간섭(ICI)을 유발하여 OFDM 시스템의 성능을 급격히 떨어뜨린다. 이를 극복하기 위해 제안된 혁신적인 파형이 **OTFS(Orthogonal Time Frequency Space)**이다.56

OTFS는 기존의 시간-주파수(Time-Frequency) 그리드가 아닌 지연-도플러(Delay-Doppler) 그리드 상에서 정보를 변조한다. 2차원 변환(ISFFT 등)을 통해 정보 심볼을 시간-주파수 영역 전체에 확산시켜 전송함으로써, 모든 심볼이 채널의 시변 특성(시간 선택성 및 주파수 선택성)을 평균적으로 겪게 한다.58 이는 고속 이동 환경에서도 채널 이득을 일정하게 유지하게 하며, 복잡한 도플러 보상 없이도 안정적인 통신을 가능하게 한다. 연구 결과에 따르면, 고이동성 시나리오에서 OTFS는 OFDM 대비 블록 오류율(BLER) 성능이 월등히 우수하며, 약 6dB 이상의 SNR 이득을 제공하는 것으로 나타났다.59

8.2 6G에서의 OFDM의 위상

그럼에도 불구하고 OFDM은 여전히 강력하다. MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술과의 결합 용이성, 낮은 수신기 복잡도, 그리고 이미 구축된 생태계는 무시할 수 없는 장점이다. 따라서 6G는 OTFS와 같은 새로운 파형으로 완전히 대체되기보다는, 저속 및 일반 환경에서는 고도화된 OFDM을 사용하고, 초고속 이동체나 위성 통신과 같은 특정 시나리오에서는 OTFS나 기타 비직교 파형(NOMA, GFDM 등)을 혼용하는 하이브리드 형태로 진화할 가능성이 높다.56 또한, AI/ML 기반의 채널 추정 및 신호 검출 기술이 결합되어 OFDM의 비선형성 및 잡음 내성을 더욱 강화하는 방향으로 발전할 것이다.58

9. 결론

직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 기술은 주파수 자원의 효율적 사용과 다중 경로 페이딩 극복이라는 무선 통신의 난제를 우아한 수학적 원리와 디지털 신호 처리를 통해 해결한 현대 공학의 정수이다. FFT와 CP를 이용한 단순하면서도 강력한 구조는 Wi-Fi, LTE, 5G, 디지털 방송 등 전 세계 통신 인프라의 표준이 되기에 부족함이 없었다.

본 보고서에서 분석한 바와 같이, OFDM은 5G NR에서의 유연한 뉴머롤로지와 Wi-Fi 6에서의 OFDMA 도입을 통해 다양한 서비스 요구사항을 수용하며 끊임없이 진화하고 있다. 높은 PAPR과 주파수 민감성이라는 태생적 한계는 존재하지만, 이는 SC-FDMA, 윈도우잉, 정교한 동기화 알고리즘 등 보완 기술들을 통해 효과적으로 관리되고 있다.

향후 6G 네트워크로의 전환 과정에서 도플러 효과에 더 강인한 OTFS와 같은 새로운 파형 기술들이 부상하고 있으나, OFDM이 가진 기술적 성숙도와 확장성은 여전히 유효하다. OFDM은 차세대 통신 시스템에서도 핵심적인 레거시(Legacy) 기술로서, 혹은 새로운 기술과 융합된 형태로 그 지배적인 지위를 상당 기간 유지할 것으로 전망된다. 통신 기술의 발전사는 단순히 새로운 것이 옛것을 대체하는 과정이 아니라, 검증된 기술 위에 혁신을 쌓아 올리는 과정이며, OFDM은 그 가장 튼튼한 토대 중 하나임이 분명하다.

참고 자료

1. Orthogonal frequency-division multiplexing - Wikipedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Orthogonal_frequency-division_multiplexing
2. 5G OFDM Numerologies - Award Solutions, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.awardsolutions.com/portal/resources/5g-numerologies
3. Understanding Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM): A Sim - Wray Castle, 12월 5, 2025에 액세스, https://wraycastle.com/blogs/knowledge-base/orthogonal-frequency-division-multiplexing-1
4. OFDM Vs FDM: Comparing Coverage in Wide-Range Installations - Patsnap Eureka, 12월 5, 2025에 액세스, https://eureka.patsnap.com/report-ofdm-vs-fdm-comparing-coverage-in-wide-range-installations
5. FDM vs. OFDM: Key Differences Explained - RF Wireless World, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.rfwireless-world.com/articles/fdm-vs-ofdm-differences
6. Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 12월 5, 2025에 액세스, http://www.comlab.hut.fi/opetus/333/2004_2005_slides/ofdm_text.pdf
7. Where is the orthogonality in OFDM? - 블로그, 12월 5, 2025에 액세스, https://blog.wldh.org/entry/Where-is-the-orthogonality-in-OFDM
8. Difference between OFDM and FDM - Signal Processing Stack Exchange, 12월 5, 2025에 액세스, https://dsp.stackexchange.com/questions/60738/difference-between-ofdm-and-fdm
9. Introduction to OFDM – orthogonal Frequency division multiplexing – part 3 - GaussianWaves, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.gaussianwaves.com/2011/06/introduction-to-ofdm-orthogonal-frequency-division-multiplexing-part-3/
10. OFDM transmitter and receiver block diagram explanation - TelcoSought, 12월 5, 2025에 액세스, http://telcosought.com/4g-ran/ofdm-transmitter-ofdm-receiver/
11. OFDM Uncovered Part 1: The Architecture - EE Times, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.eetimes.com/ofdm-uncovered-part-1-the-architecture/
12. Cyclic prefix - Wikipedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclic_prefix
13. The Cyclic Prefix (CP) in OFDM - DSPIllustrations.com, 12월 5, 2025에 액세스, https://dspillustrations.com/pages/posts/misc/the-cyclic-prefix-cp-in-ofdm.html
14. OFDM Basics - Keysight, 12월 5, 2025에 액세스, https://helpfiles.keysight.com/csg/n7615/Content/Main/OFDM_Basics.htm
15. 5G NR - Wikipedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/5G_NR
16. 5G Cyclic Prefix (CP) Design -5G Physical Layer - Techplayon, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.techplayon.com/5g-nr-cyclic-prefix-cp-design/
17. 5G Frame Structure in Detail - ShareTechnote, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_FrameStructure.html
18. OFDM on FPGA Using FFT & IFFT, 12월 5, 2025에 액세스, https://ijournals.in/wp-content/uploads/2017/07/2.31004-Swati.compressed.pdf
19. A simple and efficient frequency offset estimation algorithm for high-speed coherent optical OFDM systems - Optica Publishing Group, 12월 5, 2025에 액세스, https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-20-7-7350
20. With OFDMA in 4G, 5G, and Wi-Fi 6, what is the advantage of having more or less subcarriers/subcarrier spacing? - Quora, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.quora.com/With-OFDMA-in-4G-5G-and-Wi-Fi-6-what-is-the-advantage-of-having-more-or-less-subcarriers-subcarrier-spacing
21. Utilizing OFDM Guard Interval for Spectrum Sensing - Baylor’s School of Engineering and Computer Science, 12월 5, 2025에 액세스, http://web.ecs.baylor.edu/faculty/dong/paper/dong_wcnc07_t1s02p04.pdf
22. Carrier frequency offset - Wikipedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Carrier_frequency_offset
23. Survey on PAPR Reduction Techniques in OFDM System - ijarcce, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.ijarcce.com/upload/2015/june-15/IJARCCE%2059.pdf
24. The Drawback of OFDM for Peak to Peak Average Power Radio (PAPR) Reduction in the Development of Wireless Network, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.ijaar.org/articles/v8n9/ijaar8910.pdf
25. What is Peak-To-Average Power Ratio? - everything RF, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.everythingrf.com/community/what-is-peak-to-average-power-ratio
26. An Overview of PAPR Reduction Techniques in OFDM Systems - SciSpace, 12월 5, 2025에 액세스, https://scispace.com/pdf/an-overview-of-papr-reduction-techniques-in-ofdm-systems-1235dq48xd.pdf
27. Palm Date Leaf Clipping: A New Method to Reduce PAPR in OFDM Systems - MDPI, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/2078-2489/11/4/190
28. Peak to Average Power Ratio PAPR Reduction Techniques in OFDM System - Elmergib Journal Of Electrical and Electronic Engineering, 12월 5, 2025에 액세스, https://ejeee.elmergib.edu.ly/index.php/ejeee/article/download/40/25/227
29. PAPR reduction using SLM-PTS-CT hybrid PAPR method for optical NOMA waveform - NIH, 12월 5, 2025에 액세스, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10590951/
30. Evaluation of OFDM based on various PAPR reduction methods: Clipping, SLM and PTS, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/publication/375575887_Evaluation_of_OFDM_based_on_various_PAPR_reduction_methods_Clipping_SLM_and_PTS
31. OFDM Carrier Frequency Offset Estimation - DiVA portal, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:5991/FULLTEXT01.pdf
32. An OFDM Carrier Frequency Offset Estimation Scheme with Wide Fractional Offset Estimation Range | Journal of Applied Research and Technology. JART - Elsevier, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.elsevier.es/es-revista-journal-applied-research-technology-jart-81-articulo-an-ofdm-carrier-frequency-offset-S166564231371530X
33. Frequency Offset Compensation for OFDM Systems Using a Combined Autocorrelation and Wiener Filtering Scheme - Biblioteka Nauki, 12월 5, 2025에 액세스, https://bibliotekanauki.pl/articles/308065
34. Adaptive Doppler frequency shift estimation for OFDM systems - IEEE Xplore, 12월 5, 2025에 액세스, https://ieeexplore.ieee.org/document/6542827/
35. An Improved Doppler Frequency Offset Estimation Algorithm in the Indoor OFDM Communication System - IEICE, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.ieice.org/nolta/symposium/archive/2014/articles/A1L-D2-6233.pdf
36. offsetToPointA - 5G | ShareTechnote, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_ResourceBlockIndexing.html
37. 5G ultra-reliable and low-latency systems design, 12월 5, 2025에 액세스, https://people.computing.clemson.edu/~jmarty/projects/lowLatencyNetworking/papers/3GPP/5GURLLC/5GUltraReliableandLowLatencySystemsesign.pdf
38. What is Wi-Fi 6 or 802.11ax? - everything RF, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.everythingrf.com/community/what-is-wi-fi-6
39. Introduction to WIFI6 802.11ax High-Efficiency Wireless(Part-2) - Huawei, 12월 5, 2025에 액세스, https://sg.o3community.huawei.com/h5/blog-detail?isIframe=true&orgin=shixizhi&appSrc=forum&lang=en_US&isLogin=0&site=sg&page=2&blogId=667233618201821184
40. ofdma - ShareTechnote, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.sharetechnote.com/html/WLAN_OFDMA.html
41. Wi-Fi 6 - Wikipedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://en.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi_6
42. Wi-Fi 6 (802.11ax) Technical Guide - Cisco Meraki Documentation, 12월 5, 2025에 액세스, https://documentation.meraki.com/Wireless/Design_and_Configure/Architecture_and_Best_Practices/Wi-Fi_6_(802.11ax)_Technical_Guide
43. IEEE 802.11ax OFDMA Resource Allocation with Frequency-Selective Fading - PMC, 12월 5, 2025에 액세스, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8472915/
44. Wi-Fi 6 OFDMA: Resource unit (RU) allocations and mappings - Cisco Blogs, 12월 5, 2025에 액세스, https://blogs.cisco.com/networking/wi-fi-6-ofdma-resource-unit-ru-allocations-and-mappings
45. Introduction to 802.11ax High-Efficiency Wireless - NI, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.ni.com/en/solutions/semiconductor/wireless-connectivity-test/introduction-to-802-11ax-high-efficiency-wireless.html
46. DVB-T2 - Enensys, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.enensys.com/technologies/dvb-t2/
47. OFDM parameters - labAlive - Universität der Bundeswehr München, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.etti.unibw.de/labalive/experiment/ofdm-parameters/
48. REPORT ITU-R BT.2254-5 - Frequency and network planning aspects of DVB-T2, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.itu.int/dms_pub/itu-r/opb/rep/R-REP-BT.2254-5-2021-PDF-E.pdf
49. ETSI EN 302 755 V1.1.1 (2009-09), 12월 5, 2025에 액세스, https://www.etsi.org/deliver/etsi_en/302700_302799/302755/01.01.01_60/en_302755v010101p.pdf
50. Frequency and Network Planning Aspects of DVB-T2 - EBU tech, 12월 5, 2025에 액세스, https://tech.ebu.ch/docs/news/2012_01/wrcdocs/Planning%20aspects%20of%20DVB-T2%20-%20EBU%20TECH3348%20-%20May%202011.pdf
51. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - ProjectFpga, 12월 5, 2025에 액세스, https://projectfpga.com/ofdm/
52. DAB Transmission Modes Including FFT Length and Subcarrier Spacing - ResearchGate, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/figure/DAB-Transmission-Modes-Including-FFT-Length-and-Subcarrier-Spacing_tbl2_314234159
53. 7 Spectrum efficiency of OFDM compared to conventional FDM - ResearchGate, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.researchgate.net/figure/Spectrum-efficiency-of-OFDM-compared-to-conventional-FDM_fig5_227228551
54. OFDMA vs SC-FDMA: The Battle of Multiplexing in 4G & 5G | A Deep Dive, 12월 5, 2025에 액세스, https://resources.l-p.com/knowledge-center/ofdma-vs-sc-fdma-differences-lte-5g-download-upload
55. Rethinking Modulation and Detection for High Doppler Channels - arXiv, 12월 5, 2025에 액세스, https://arxiv.org/pdf/1905.00349
56. A Novel Coexistence Scheme for OFDM and OTFS Waveforms for Uplink in 6G Networks, 12월 5, 2025에 액세스, https://ieeexplore.ieee.org/document/11075861
57. Is OTFS the best waveform for 6G? - RCR Wireless News, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.rcrwireless.com/20241117/fundamentals/otfs-waveform-6g
58. Considerations for a New Waveform in 6G | Keysight Blogs, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.keysight.com/blogs/en/keys/thought-leadership/2025/07/considerations-for-a-new-waveform-in-6g
59. OTFS modulation exploration for robust 6G communications in high mobility scenarios, 12월 5, 2025에 액세스, https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/abs/2025/11/epjconf_cofmer2025_01008/epjconf_cofmer2025_01008.html
60. A Comprehensive Survey of 5G URLLC and Challenges in the 6G Era - arXiv, 12월 5, 2025에 액세스, https://arxiv.org/html/2508.20205v1
61. IEEE 802.11ax - Devopedia, 12월 5, 2025에 액세스, https://devopedia.org/ieee-802-11ax