Transcript 다중 접속 능력(Multiple access capability)

대역 확산 통신의 기초
순천향대학교 정보기술공학부
강 병 권
B.G.KANG
SCH UNIVERSITY
대역 확산 통신
• 대역 확산(Spread Spectrum)통신은 말 그대로 신호의 대역을 확산시
켜 송수신하는 통신 방식이다. 대역을 확산시킴으로써 여러 명의 사용
자가 동시에 사용할 수 있는 다중 접속(Multiple Access) 효과를 얻을
수 있어 다수 사용자의 동시 사용을 목적으로 한 경우 SSMA통신이라
고 한다.
• 대역 확산 통신의 시초는 군용 통신이며, 대역을 확산시킴으로써 적의
도청을 어렵게 하기 위한 목적으로 개발되었고, 민간용으로 전환되어
상용으로 개발되면서 최대한 많은 사용자를 동시에 수용하기 위한 목
적으로 개발되었다.
• 대역 확산 통신을 이동통신에 적용하기 위한 연구는 1980년대에
SSMA 통신이라는 이름으로 활발히 이루어졌으며, 1990년대에 들어서
면서 CDMA 통신이라는 이름으로 점차 바뀌어졌다. 즉, SSMA와
CDMA 통신은 결과적으로 내용이 동일한 것이다.
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SSMA통신의 개요
• SSMA 통신에서 각 사용자는 고유의 코드 시퀀스를 할당 받는다. 이 코
드는 확산 코드라고도 하며, 정보 신호에 곱해져 대역을 확산시킨다. 수
신기는 이 확산 코드를 미리 알고 있어 이 코드를 이용하여 수신된 신호
를 복호하며, 원래의 정보를 복구한다. 이것이 가능한 이유는 원하는 사
용자의 코드와 다른 사용자의 코드 간에 상호 상관(cross-correlation)
이 작기 때문이다.
• 확산 코드가 곱해진 신호는 원래의 정보 신호보다 대역폭이 훨씬 크기
때문에 코드를 곱하는 과정은 신호의 스펙트럼을 확산시키는 과정이며,
이러한 이유로 이 과정을 대역 확산 변조라고도 한다. 결과적인 신호는
대역 확산된 신호가 된다. 전송되는 신호의 대역 확산으로 인하여 SSMA
통신 또는 CDMA통신은 다중 접속 능력을 갖게 된다.
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SSMA통신의 개요(2)
•
대역 확산 변조는 다음과 같은 두 가지 조건을 만족해야 한다.
1. 전송 대역폭은 정보 신호의 대역폭보다 훨씬 커야 한다.
2. 최종적으로 전송되는 RF 신호의 대역폭은 전송되는 정보 신호와는 아
무런 관련이 없는 독립적인 상태이다. 즉, 대역폭은 정보 신호와 통계
적 독립이어야 한다. 이러한 이유로 주파수 변조(FM)나 위상 변조(PM)
은 대역 확산 통신의 변조 방식으로 사용되지 않는다.
•
전송되는 신호의 대역폭과 정보 신호의 대역폭 비를 대역 확산 통신
시스템의 처리 이득(processing gain) Gp 라고 한다. 전송 신호의 대
역폭을 Bt, 정보 신호의 대역폭을 Bi라고 하면 처리 이득은 다음과 같
이 표시한다.
Bt
Gp 
Bi
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대역 확산 신호의 성질
•
신호의 대역폭이 넓음으로 인하여 대역 확산 신호는 협대역 신호와는
매우 다른 성질을 갖는다. 여기에서는 대역 확산 신호의 성질을 고찰해
본다.
1. 다중 접속 능력(Multiple access capability) – 여러 사용자가 동시에 대
역 확산 신호를 전송한다면, 수신기는 각 사용자의 고유한 코드를 알고
있으므로 원하는 사용자의 신호를 복구할 수 있다. 단, 이때 각 사용자
코드 간에 상호 상관의 값은 충분히 작아야 한다. 수신된 신호와 어느 사
용자의 코드를 상관시키면, 이 사용자의 신호만 역확산(despread) 되고
다른 사용자의 신호는 여전히 넓은 대역폭 상에 확산된 상태로 남아 있
다. 역확산이란 대역 확산 신호가 원래의 정보 신호 대역폭으로 작아 지
는 것을 말하며, 따라서 정보 신호의 대역폭 만을 보면 원하는 사용자의
신호 전력이 다른 간섭 사용자들의 신호 전력보다 월등히 크기 때문에
원하는 신호를 추출할 수 있는 것이다. 이를 다음 페이지에 그림으로 설
명하였다.
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대역 확산 신호의 성질(2)
• 아래 그림에서 협대역의 두 사용자 신호는 (a)와 같이 각각 고유의 코
드에 의하여 확산되고, 두 사용자 신호가 (b)와 같이 동시에 전송되어
섞여 있다고 하더라도 1번 사용자 신호의 코드를 수신기에서 발생시켜
상관시킴으로써 1번 사용자의 정보 신호를 복구할 수 있다.
대역 확산 다중 접속의 원리[16]
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대역 확산 신호의 성질(3)
2. 다중 경로 간섭으로부터의 보호(Protection against multipath
interference) – 무선 채널에서 송신기와 수신기 간에는 다수의 신호
경로가 존재하며, 이는 신호가 여러 물체에 반사되어 진행되기 때문이
다. 이러한 여러 경로의 신호는 동일한 정보를 가지고 있지만 각 경로
신호마다 신호의 크기, 위상, 시간 지연, 도달 각도 등은 서로 다르다.
•
대역 확산시에 사용되는 코드의 한 비트를 칩(chip)이라고 하는데 다
중 경로의 신호가 시간 지연되어 맨 처음 도착한 경로 신호보다 한 칩
이상 늦어지면 상관 작용으로 인하여 역확산이 이루어지지 않고 다른
간섭 신호로 인식된다. 결과적으로 동일한 확산 코드간의 상관이라도
한칩이상 어긋나면 자기 상관이 아닌 상호 상관이 되는 것이다.
•
즉, 맨 처음 도착한 신호는 수신기에서 자기 상관에 의하여 원래의 신
호 대역폭으로 좁아지는 반면, 한 칩이상 지연된 신호는 마치 다른 사
용자 신호와 같이 상호 상관이 발생하게 되어 대역 통과 필터 또는 저
역 통과 필터에 의하여 제거된다.
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대역 확산 신호의 성질(4)
3. 비밀성(Privacy) – 전송된 신호는 오직 확산시 사용된 코드를 알고 있는
수신기에서만 역확산 시켜 정보 신호를 복구할 수 있다.
4. 간섭 제거(Interference rejection) – 확산용 코드를 임의의 협대역 신호
와 상호 상관시키면 협대역 신호의 전력을 확산시켜 결과적으로 정보
신호의 대역폭 내에서 간섭 전력을 줄일 수 있다. 아래 그림에서 대역
확산된 신호를 s로, 간섭 i로 표시하였다. 수신기에서 SS신호는 역확산
되지만 간섭 신호는 확산되어 거의 배경 잡음(background noise)과 같
은 레벨이 된다.
간섭 제거[16]
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대역 확산 신호의 성질(5)
5. 의도적 잡음에 대한 대항 능력(Anti-jamming capability) – 이 성질은 간
섭 신호가 의도적인 것이라는 것을 제외하면 나머지는 간섭 제거와 거의
같은 개념이다. 이 성질은 다음 6번 성질과 함께 대역 확산 변조가 군용
통신에서 사용되는 가장 중요한 이유이다.
6. 도청의 어려움(Low probability of interception : LPI) – 대역 확산으로 인
하여 전력 스펙트럼 밀도가 매우 낮아지므로 적이나 제 3자에 의한 검출
과 도청이 매우 어렵다. 도청을 더욱 어렵게 하기 위해서는 매우 긴 주기
의 확산 코드를 사용하거나 두 개 이상의 확산 코드를 발생시켜 혼합 사
용하기도 한다.
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대역 확산 통신의 종류
•
대역 확산 통신의 종류는 일반적으로 직접 확산(Direct Sequence),
주파수 도약(Frequency Hopping), 시간 도약(Time Hopping), 혼합
방식(Hybrid Modulation)으로 나눌 수 있다.
1. 직접 확산 방식 – 정보 신호가 높은 칩 발생율을 갖는 확산 신호와 직
접 곱해진다. 현재 우리가 사용하는 CDMA 방식이 직접 확산 방식을
사용하고 있다.
2. 주파수 도약 방식 – 정보 신호가 전송되는 최종 RF 반송 주파수가 확
산 부호에 의하여 빠르게 변화하는 방식이다.
3. 시간 도약 방식 – 정보 신호가 불연속적으로 전송되는 방식이다. 신호
가 전송되는 시간이 확산 코드에 의하여 결정된다.
4. 혼합 방식 – 위의 방법 중 두개 이상의 방법을 혼합하여 사용하는 방
식이다. 혼합 방식은 각 방식의 단점을 극복하고 장점 만을 취할 수 있
는 특징이 있다.
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대역 확산 통신의 종류(2)
• SSMA 방식은 위에서 언급한 것 외에도 다른 변조 방식과 결합하여 사
용될 수 있다. 아래 그림은 대역 확산 통신 방식의 종류와 결합 가능한
변조 방식을 도표로 나타낸 것이다.
SSMA/CDMA 통신의 종류[16]
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직접 확산(Direct Sequence) 방식
• 아래의 그림은 DS-SSMA 또는 DS-CDMA 통신의 송신기 구조이다.
이진 데이터 신호는 RF 반송파 신호를 변조시킨다. 변조된 반송파는
다시 코드 신호에 의하여 변조된다. 이 코드 신호는 칩(chip)이라고 하
는 다수의 코드 비트로 구성되어 있다.
DS-SS 시스템의 송신기 블록도[16]
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직접 확산 방식(2)
• 위의 구조에서 신호의 대역을 확산시키기 위해서는 코드 신호의 칩 발
생율(chip rate)이 정보 신호의 비트율보다 훨씬 빨라야 한다. 확산 변
조를 위하여 여러 가지 변조 방식이 사용될 수 있으나, 일반적으로 위
상 변조 방식(PSK ; Phase Shift Keying)이 사용되며, 주로 BPSK
(binary phase shift keying), D-BPSK(differential binary phase shift
keying), QPSK(quadrature phase shift keying), MSK(minimum shift
keying) 등의 방식이 사용된다.
• 위의 그림에서 데이터 변조 블록을 생략하고 BPSK 변조 방식을 사용
한다면, 다음 페이지와 같이 변형된 형태의 블럭도를 구할 수 있다. 또
한, 이 경우의 신호 파형을 동시에 표시하였다. 코드 신호의 발생율을
칩 레이트(chip rate)라고 하며, 한 칩은 확산 코드 신호의 한 심볼을 의
미한다. 다음의 그림에서 한 비트의 정보 신호당 10 칩의 코드 신호가
곱해지며, 따라서 이 경우의 처리 이득은 10 이다.
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직접 확산 방식(3)
DS-SS 송신기의 변형된 블록도[16]
BPSK 변조된 SS 신호의 발생[16]
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직접 확산 방식(4)
• 신호가 전송된 후에 수신기는 수신기에서 발생시킨 코드 시퀀스를 사용하
여 대역 확산된 신호를 역확산시킨다. 역확산 기능을 수행하기 위해서 수신
기는 확산 코드를 알아야 할 뿐만 아니라 수신된 신호 속에 들어 있는 코드
신호와 수신기에서 자체 발생한 코드 신호의 동기를 맞추어야 한다.
• 이러한 동기(synchronization)는 신호의 수신과 함께 이루어 져야 하며, 전
체 신호가 수신될 때까지 유지되어야 한다. 아래 그림에 수신기의 블럭도가
있으며, 코드 동기/추적(code synchronization/tracking) 블록이 이 기능을
수행한다. 역확산 후에 데이터 변조된 신호가 얻어지고, 이를 복조하면 원
래의 데이터가 복구된다.
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직접 확산 방식의 장단점
• 확산 코드 신호의 발생이 용이하고, 이와 정보 신호를 곱하여 대역 확
산시키는 과정도 간단하다.
• 오직 하나의 반송 주파수가 발생되어야 하므로 반송 주파수를 발생시
키기 위한 주파수 합성기가 단순하다.
• DS 신호의 동기(coherent) 복조가 가능하다.
• 사용자 간의 동기가 불필요하다.
• 수신된 신호와 수신기에서 발생된 신호간의 동기 획득과 동기 유지가
어렵다.
• 정확한 수신을 위하여 동기 오차가 매우 작아야 하며, 이러한 이유로
실제 대역폭은 10~20 MHz로 제한된다.
• 기지국에 가까운 사용자로부터의 수신 전력이 멀리 있는 사용자의 수
신 전력보다 훨씬 크다. 이를 원근 문제(near-far problem)라고 하는데
이를 해결하기 위하여 기지국에 수신되는 모든 사용자의 전력이 동일
하도록 전력 제어를 수행하여야 한다.
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주파수 도약(Frequency Hopping) 방식
•
주파수 도약 방식은 직접 확산 방식과 함께 가장 널리 사용되는 방식
이다. 이 방식에서는 변조된 정보 신호의 반송 주파수가 일정하지 않
고 주기적으로 바뀐다. 일정한 시간 구간 T 동안 반송 주파수는 일정
하지만 이 시간 구간이 지나면 반송 주파수는 다른 값으로 뛰게(hop)
된다. 어느 주파수로 뛰는가 하는 도약 패턴은 확산 코드에 의하여 결
정된다. 도약 가능한 주파수 세트를 hop-set 이라고 한다.
•
FH-SS 시스템의 주파수 점유 형태는 DS-SS 시스템과 크게 다르다.
직접 확산 방식은 신호 전송시에 전체 주파수 대역을 점유하는 반면,
주파수 도약 시스템은 신호 전송시에 전체 대역폭의 일부만 점유하며,
전송 후에는 다른 주파수로 천이한다.
•
FH-SS 방식과 DS-SS 방식간의 주파수 대역 사용의 차이점을 다음
페이지에 그림으로 설명하였다.
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주파수 도약 방식(2)
• 아래 그림에서 주파수 도약 시스템은 첫번째 심볼구간 동안 2번째 주
파수 대역을 사용하고, 두번째 구간에서는 6번째 주파수 대역을 사용
한다. 반면에 직접 확산 방식은 동일한 시간 구간에서 신호의 전력을
전체 주파수 대역에 확산시킨다. 결과적으로 첫번째 심볼 구간 동안 2
번째 주파수 대역의 입장에서는 DS 방식의 전력보다 FH 방식의 신호
전력이 훨씬 크다. 그러나, 평균적으로 보면 이 두 방식은 주어진 주파
수 대역 내에서 동일한 전력을 송신하는 것이다.
FH와 DS 신호의 시간 및 주파수 점유[16]
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주파수 도약 방식의 송수신기
• FH-SSMA 시스템의 송수신기 구조는 아래 그림과 같다. 정보를 가지
고 있는 데이터 신호는 기저 대역 변조되며, 빠른 주파수 합성기를 사
용하여 반송 주파수는 전송 주파수로 변환된다. 수신기에서는 역과정
이 진행된다. 수신기에 수신된 신호는 수신기에서 발생된 코드 시퀀스
를 사용하여 기저 대역으로 복조된다.
FH-SSMA 시스템 송수신기 블록도[16]
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FH 시스템의 장단점
• DS 시스템에 비하여 동기(synchronization)가 훨씬 쉽다. 스펙트럼의
확산이 매우 빠른 호핑 주파수에 의한 것이 아니라 큰 hop-set에 의한
것이므로 hop time은 DS 시스템의 chip time 보다 훨씬 길다. 따라서,
FH 시스템에서는 DS 시스템에서 보다 더 큰 동기 오차를 허용한다.
• FH 신호가 도약할 수 있는 주파수 대역이 연속적으로 있어야 할 필요
가 없다. 주파수 합성기를 이용하여 필요한 대역이면 어디든 도약할 수
있으므로 DS 방식에 비하여 더 큰 대역 확산을 이룰 수 있다.
• 여러 사용자가 동일한 시간에 동일한 주파수 대역을 사용할 확률이 매
우 적다. 따라서 원근 문제를 DS방식에서 보다 쉽게 해결할 수 있다.
• 매우 복잡한 주파수 합성기가 필요하다.
• 신호의 주파수가 갑자기 변경되는 경우 신호의 점유 대역폭이 증가할
수 있다. 이를 피하기 위하여 주파수가 변경될 시에는 신호가 ON/OFF
되어야 한다.
• 신호의 도약으로 인한 신호 위상의 유지가 어려워 동기식(coherent) 복
조가 어렵다.
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핵심 용어 정리
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대역확산 방식의 개요
DS 방식의 변복조
DS 방식의 장단점
FH 방식의 변복조
FH 방식의 장단점
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참고 문헌
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