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 확산시켜 송수신하는 통신 방식이다. 대역을 확산시킴으로써 여러 명의 사용자가 동시에 사용할 수 있는 다중 접속(Multiple Access) 효과를 얻을 수 있어 다수 사용자의 동시 사용을 목적으로 한 경우 SSMA통신이라고 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 목적으로 개발되었다. 대역 확산 통신을 이동통신에 적용하기 위한 연구는 1980년대에 SSMA 통신이라는 이름으로 활발히 이루어졌으며, 1990년대에 들어서면서 CDMA 통신이라는 이름으로 점차 바뀌어졌다. 즉, SSMA와 CDMA 통신은 결과적으로 내용이 동일한 것이다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

SSMA통신의 개요 SSMA 통신에서 각 사용자는 고유의 코드 시퀀스를 할당 받는다. 이 코드는 확산 코드라고도 하며, 정보 신호에 곱해져 대역을 확산시킨다. 수신기는 이 확산 코드를 미리 알고 있어 이 코드를 이용하여 수신된 신호를 복호하며, 원래의 정보를 복구한다. 이것이 가능한 이유는 원하는 사용자의 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 SSMA통신 또는 CDMA통신은 다중 접속 능력을 갖게 된다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

SSMA통신의 개요(2) 대역 확산 변조는 다음과 같은 두 가지 조건을 만족해야 한다. 전송 대역폭은 정보 신호의 대역폭보다 훨씬 커야 한다. 최종적으로 전송되는 RF 신호의 대역폭은 전송되는 정보 신호와는 아무런 관련이 없는 독립적인 상태이다. 즉, 대역폭은 정보 신호와 통계적 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 대역폭을 Bt, 정보 신호의 대역폭을 Bi라고 하면 처리 이득은 다음과 같이 표시한다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

대역 확산 신호의 성질 신호의 대역폭이 넓음으로 인하여 대역 확산 신호는 협대역 신호와는 매우 다른 성질을 갖는다. 여기에서는 대역 확산 신호의 성질을 고찰해 본다. 다중 접속 능력(Multiple access capability) – 여러 사용자가 동시에 대역 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 사용자의 코드를 상관시키면, 이 사용자의 신호만 역확산(despread) 되고 다른 사용자의 신호는 여전히 넓은 대역폭 상에 확산된 상태로 남아 있다. 역확산이란 대역 확산 신호가 원래의 정보 신호 대역폭으로 작아 지는 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 설명하였다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

대역 확산 신호의 성질(2) 아래 그림에서 협대역의 두 사용자 신호는 (a)와 같이 각각 고유의 코드에 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] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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 때문이다. 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 다중 경로의 신호가 시간 지연되어 맨 처음 도착한 경로 신호보다 한 칩이상 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 신호 대역폭으로 좁아지는 반면, 한 칩이상 지연된 신호는 마치 다른 사용자 신호와 같이 상호 상관이 발생하게 되어 대역 통과 필터 또는 저역 통과 필터에 의하여 제거된다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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 신호와 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 역확산되지만 간섭 신호는 확산되어 거의 배경 잡음(background noise)과 같은 레벨이 된다. 간섭 제거[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

대역 확산 신호의 성질(5) 5. 의도적 잡음에 대한 대항 능력(Anti-jamming capability) – 이 성질은 간섭 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 인하여 전력 스펙트럼 밀도가 매우 낮아지므로 적이나 제 3자에 의한 검출과 도청이 매우 어렵다. 도청을 더욱 어렵게 하기 위해서는 매우 긴 주기의 확산 코드를 사용하거나 두 개 이상의 확산 코드를 발생시켜 혼합 사용하기도 한다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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. 직접 확산 방식 – 정보 신호가 높은 칩 발생율을 갖는 확산 신호와 직접 곱해진다. 현재 우리가 사용하는 CDMA 방식이 직접 확산 방식을 사용하고 있다. 주파수 도약 방식 – 정보 신호가 전송되는 최종 RF 반송 주파수가 확산 부호에 의하여 빠르게 변화하는 방식이다. 시간 도약 방식 – 정보 신호가 불연속적으로 전송되는 방식이다. 신호가 전송되는 시간이 확산 코드에 의하여 결정된다. 혼합 방식 – 위의 방법 중 두개 이상의 방법을 혼합하여 사용하는 방식이다. 혼합 방식은 각 방식의 단점을 극복하고 장점 만을 취할 수 있는 특징이 있다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

대역 확산 통신의 종류(2) SSMA 방식은 위에서 언급한 것 외에도 다른 변조 방식과 결합하여 사용될 수 있다. 아래 그림은 대역 확산 통신 방식의 종류와 결합 가능한 변조 방식을 도표로 나타낸 것이다. SSMA/CDMA 통신의 종류[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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 하는 다수의 코드 비트로 구성되어 있다. DS-SS 시스템의 송신기 블록도[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

직접 확산 방식(2) 위의 구조에서 신호의 대역을 확산시키기 위해서는 코드 신호의 칩 발생율(chip rate)이 정보 신호의 비트율보다 훨씬 빨라야 한다. 확산 변조를 위하여 여러 가지 변조 방식이 사용될 수 있으나, 일반적으로 위상 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 사용한다면, 다음 페이지와 같이 변형된 형태의 블럭도를 구할 수 있다. 또한, 이 경우의 신호 파형을 동시에 표시하였다. 코드 신호의 발생율을 칩 레이트(chip rate)라고 하며, 한 칩은 확산 코드 신호의 한 심볼을 의미한다. 다음의 그림에서 한 비트의 정보 신호당 10 칩의 코드 신호가 곱해지며, 따라서 이 경우의 처리 이득은 10 이다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

직접 확산 방식(3) DS-SS 송신기의 변형된 블록도[16] BPSK 변조된 SS 신호의 발생[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

직접 확산 방식(4) 신호가 전송된 후에 수신기는 수신기에서 발생시킨 코드 시퀀스를 사용하여 대역 확산된 신호를 역확산시킨다. 역확산 기능을 수행하기 위해서 수신기는 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, 전체 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 원래의 데이터가 복구된다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

직접 확산 방식의 장단점 확산 코드 신호의 발생이 용이하고, 이와 정보 신호를 곱하여 대역 확산시키는 과정도 간단하다. 오직 하나의 반송 주파수가 발생되어야 하므로 반송 주파수를 발생시키기 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 수신 전력보다 훨씬 크다. 이를 원근 문제(near-far problem)라고 하는데 이를 해결하기 위하여 기지국에 수신되는 모든 사용자의 전력이 동일하도록 전력 제어를 수행하여야 한다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

주파수 도약(Frequency Hopping) 방식 주파수 도약 방식은 직접 확산 방식과 함께 가장 널리 사용되는 방식이다. 이 방식에서는 변조된 정보 신호의 반송 주파수가 일정하지 않고 주기적으로 바뀐다. 일정한 시간 구간 T 동안 반송 주파수는 일정하지만 이 시간 구간이 지나면 반송 주파수는 다른 값으로 뛰게(hop)된다. 어느 주파수로 뛰는가 하는 도약 패턴은 확산 코드에 의하여 결정된다. 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. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

주파수 도약 방식(2) 아래 그림에서 주파수 도약 시스템은 첫번째 심볼구간 동안 2번째 주파수 대역을 사용하고, 두번째 구간에서는 6번째 주파수 대역을 사용한다. 반면에 직접 확산 방식은 동일한 시간 구간에서 신호의 전력을 전체 주파수 대역에 확산시킨다. 결과적으로 첫번째 심볼 구간 동안 2번째 주파수 대역의 입장에서는 DS 방식의 전력보다 FH 방식의 신호 전력이 훨씬 크다. 그러나, 평균적으로 보면 이 두 방식은 주어진 주파수 대역 내에서 동일한 전력을 송신하는 것이다. FH와 DS 신호의 시간 및 주파수 점유[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

주파수 도약 방식의 송수신기 FH-SSMA 시스템의 송수신기 구조는 아래 그림과 같다. 정보를 가지고 있는 데이터 신호는 기저 대역 변조되며, 빠른 주파수 합성기를 사용하여 반송 주파수는 전송 주파수로 변환된다. 수신기에서는 역과정이 진행된다. 수신기에 수신된 신호는 수신기에서 발생된 코드 시퀀스를 사용하여 기저 대역으로 복조된다. FH-SSMA 시스템 송수신기 블록도[16] B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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 필요가 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 매우 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/OFF되어야 한다. 신호의 도약으로 인한 신호 위상의 유지가 어려워 동기식(coherent) 복조가 어렵다. B.G.KANG SCH UNIVERSITY

핵심 용어 정리 대역확산 방식의 개요 DS 방식의 변복조 DS 방식의 장단점 FH 방식의 변복조 FH 방식의 장단점 B.G.KANG SCH UNIVERSITY

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