21세기 이동통신시스템 및 핵심 기술

아날로그 주파수 변조와 다중화 방식으로 FDMA (Frequency Division Multiple Access)를 채택한 제1세대 셀룰러 이동통신서비스가 선보인 이래 십수 년의 세월이 흘렀다. 오늘날 제2세대 디지털 방식의 매크로 및 마이크로 영역을 서비스 대상으로 하는 셀룰러 시스템이 새로이 도입되어 운영되고 있으나, 제1세대 이동통신시스템이 여전히 가장 많은 가입자를 확보하고 있는 실정이다.

제1세대, 제2세대 및 제3세대 이동통신시스템

아날로그 이동통신시스템 중 가장 대중화에 성공한 시스템이 현재 우리가 사용하고 있는 AMPS(Advanced Mobile Phone System)이며, 이 밖에도 유럽 지역에서 NMT (Nordic Mobile Telephone), TACS(Total Access Communication System) 등이 사업화에 성공한 시스템들이라 볼 수 있다. 이들 시스템이 개발될 때만 해도

이동통신서비스를 원하는 사람들이 기하급수적으로 증가하리라 고는 예측하지 못했다. 그러나 유선통신서비스의 속성인 공간적 제한에서 벗어나고자 하는 사람 들의 욕망으로 제1세대 아날로그 시스템의 용량이 문제가 되기 시작했고, 이를 극복하기 위해 더 욱 많은 가입자를 수용할 수 있는 디지털 시스템이 개발되기 시작했는데, 이들이 현재 우리가 매 스컴 등을 통해 흔히 접할 수 있는 TDMA(Time Division Multiple Access), CDMA(Code Division Multiple Access) 등의 제2세대 이동통신시스템이다. 그러나 이동통신서비스 요금은 여전히 비싸 서민이 마음껏 이용하는 데 부담스러울 뿐 아니라 용 량 또한 제1세대 시스템과 비교하여 무한정 증가된 것이 아니어서 새로운 문제가 발생했다. 이러한 문제를 해결하기 위해 흔히 2.5세대라고 불리는, 셀의 반경을 줄여 주파수재사용 효율을 높이고 보행자 중심의 값싼 서비스 요금을 특징으로 하는 PCS(Personal Communi-cation Services)의 개념이 등장하게 되었다.  우리 나라의 PCS는 성격상 반송파 주파수를 제외하면 제2세대 이동통신시스템과 크게 다르지 않 은 편이다. PCS의 개념을 비교적 따르려고 노력했던 시스템으로 일본의 PHS (Personal Handyphone System), 미국의 PACS(Personal Access Communication System) 등을 들 수 있다. 미국 표준화 기관은 PCS를 2.5세대 이동통신시스템이라고 생각하기보다는 단말 및 개인이동성과 서비스 프로파일을 관리하는 기능의 집합체로 정의하고 있어 광범위한 개념을 부여하고 있다. 현재 ITU에서 작업 중인 제3세대 이동통신시스템으로 알려진 IMT-2000, 또는 FPLMTS(Future Public Land Mobile Tele-communications Systems)로 명명된 규격이 있다. IMT-2000의 기본 목표는 셀룰러망, 코드리스전화망, 고정망, 위성망 등의 다양한 시스템을 통합하여 제한된 무선접 속을 통해 일체화된 이동전화서비스, 이동데이터서비스 등의 다양한 서비스를 제공하는 것이며, 국제로밍 등의 서비스도 제공할 수 있다. 현재 국내에서는 연구소, 산업체, 통신사업자가 컨소시 엄을 구성하여 IMT-2000 개발에 박차를 가하고 있으며, 2000년 경에는 상용서비스가 시작될 예 정이다. 제1세대, 제2세대 및 PCS 이동시스템에서

제공되는 주된 통신서비스는 전화이며 IMT-2000에서 는 전화 및 데이터통신 전송이 주된 통신서비스가 된다.

IMT-2000의 단말 형태는 음성통화 전용 의 휴대전화기, RS-232-C, PCMCIA 등의 데이터포트를 내장하고 있는 휴대전화기, 가입자가 문 서 형식의 코드화된 정보 서비스를 받을 수 있는 텔리팩스단말, 텍스트 및 이미지 정보를 제공받 을 수 있는 비디오텍스단말, SMS(Short Message Service) 단말, 비디오전화기 등으로 멀티미디어화 되는 경향을 보일 것이다. 그 중 가장 주된 서비스는 여전히 전화이며 그 이외의 서비스는 제한된 데이터량에서 파생되는 어플리케이션일 것이다. 또한 IMT-2000에서는 개인식별번호(PIN:Personal Identi-fication Number)를 부여하여 개인이동성을 보장하는 UPT(Universal Personal Telecommunications)의 개념이 도입되어 가입자는 원하는 단말에서 착신을 받을 수 있는 서비스, 타가입자의 단말에서 발 신을 하더라도 자신에게 과금되는 서비스 등 다양한 서비스를 받을 수 있게 된다.

무선멀티미디어시스템(제4세대 이동통신시스템 또는 무선광대역시스템)

오늘날 음성, 데이터, 이미지 등을 포함한 멀티미디어에 대한 대중의 요구가 급신장하고 있고 이 에 부응하기 위해 음성 위주의 셀룰러 이동통신시스템보다는 고속, 고품질의 무선 멀티미디어시 스템을 목표로 하는 제4세대 무선시스템으로 이목이 집중되기 시작했다. 현대 사회에서 그 역할이 증대 일로에 있는 멀티미디어 및 컴퓨터 통신서비스는 통신시스템과 관련된 산업에 새로운 기회를 제공하고 있다. 가입자들은 이동 중에도 통신서비스에 접속되기를 요구하고 있고 사업자들은 이러한 가입자들의 요구에 부응하기 위하여, 그리고 선로 유지 보수 비용 등을 절감하기 위해 가입자선로를 가급적 무선화하려는 노력을 기울이고 있다. 따라서 현재 당장은 적합한 형태의 서비스가 없다 하더라도 단위시간당 대규모 데이터를 전송할 수 있는 고속무선시스템에 많은 관심이 모아지고 있고, 2Mbps 이상의 데이터를 전송할 수 있는 실험용 무선광대역시스템(WBS:Wireless Broad- band System)이 등장하고 있다. 현재 HIPERLAN(High Perfor- mance Radio LAN), I「 802.11 등의 컴퓨터간 통신을지원하는 WLAN(Wireless Local Area Networks)과 B-ISDN(Broad-band-Integrated Services Digital Network) 가입자들이 상당한 속도로 움직이면 서 통신서비스를 받을 수 있도록 지원하는 것을 목표로 하는 셀룰러 시스템인 MBS(Mobile Broadband System)가 대표적인 두 가지 형태의 21세기형 무선광대역시스템이라 할 수 있다. 또한 이러한 무선광대역시스템이 다양한 멀티미디어서비스를 제공하기 위해 ATM망을 하부 구조 로 할 것으로 생각된다. ATM은 실시간 전송을 요구하는 음성 및 멀티미디어 화상 회의에서 시 작하여 연집형 데이터 전송을 요구하는 LAN에서 제공하는 데이터통신 서비스에 이르기까지 광 범위한 형태의 서비스를 수용할 수 있기 때문이다. HIPERLAN에서 채널이 감당할 수 있는 데이터 속도는 23.5Mb/s이고 MBS에서는 155Mb/s이다. 이러한 고속 데이터를 수용하기 위해 큰 대역폭이 요구되고 이를 전송하기 위한 캐리어 주파수는 일반적으로 UHF(Ultra High Frequency) 대역보다 위에 위치하고 있다. HIPERLAN용 캐리어 주 파수는 5GHz와 17GHz이고 MBS는 40GHz 및 60GHz 캐리어 주파수를 사용하는 것으로 되어 있 다. 광대역 WLAN을 실현하기 위해 적외선 영역의 캐리어 주파수도 고려되고 있다. 그러나 현재 멀 티미디어 서비스들을 원활히 제공하기 위해 요구되는 데이터 속도는 수십 Mb/s 정도이고 다양한 압축 알고리즘들이 매우 활발히 연구개발되고 있음을 고려할 때 MBS 또는 광대역 WLAN 등과 같은 대용량 시스템이 현실적으로 요구되는가는 논쟁의 대상이 될 수 있다. 그러나 현재 세계적인 추세는, 먼저 이러한 대용량 시스템을 구축하고 차차 이를 충분히 활용하 는 서비스를 연구 개발하려는 양상을 보이고 있다. 본격전인 무선멀티미디어 상용서비스는 2010 년경에 시작될 것으로 예측되며 주된 서비스 형태도 전화가 아닌 복합화된 정보 형태가 될 것이다. 사업 양상도 데이터 베이스를 제공하는 국부적인 형태부터 공중망을 이용하여 세계를 대상으로 하는 글로벌화된 형태에 이르기까지 매우 다양해질 것이다.

미래에 상품화될 멀티미디어 통신서비스를 예측하기는 어려운 일이나 대체적으로 고속 무선 LAN, 고품위 비디오전화,텔리뱅킹, HDTV어플리케이션, ITS(Intelligence Transportation System), 텔리컨설팅, audio/vidual 전자도서관 등이 가능할 것으로 예측된다.

무선광대역시스템을 위한 요소 기술

무선광대역 멀티미디어 통신시스템을 구현하기 위한 요소 기술로는 다중화 및 변복조를 포함한 디지털 신호처리 기술, 안테나 및 RF 신호처리 기술, 네트워크 기술이 있고, 이 밖에도 선행되어 야 할 연구 과제로 전파연구, 전자파가 인체에 미치는 영향 등에 관한 연구들이 있다. 이들 중 몇 가지 기술들을 설명하면 다음과 같다.

▤ 디지털 신호처리 기술

다중화 방식으로 TDMA, CDMA 등이 고려될 수 있다. TDMA 방식으로 고속 데이터를 효과적 으로 전송하기 위해 현재 연구되고 있는 기술로 동적채널할당기술(DCA:Dynamic Channel Assignment), 채널 상황에 따라 변조 방식을 바꿀 수 있는 적응변조기술(Adaptive Modulation Scheme), 고속 데이터 전송시 문제가 되는 ISI(Intersymbol Inter-ference)를 제거하기 위한 고속 적응등화기술(Fast Adaptive Equali-zer) 등이 있다. 스펙트럼확산(SS:Spread Spec-trum) 통신 방식은 레이크 수신이 가능하여 다중경로에 의한 ISI (Inter-symbol Interference)를 효과적으로 줄일 수 있는 기술로 잘 알려져 있으며, 준밀리미터파 및 밀리미터파대 전송을 위한 하나의 중요한 후보 통신 방식이라는 데는 의심의 여지가 없다. 그러나 SS는 데이터의 대역폭보다 훨씬 큰 확산대역폭이 요구되므로 몇몇 셀룰러 시스템에서는 수킬로바이트급 전송에 이용되었고 ISM (Industrial, Scientific, Medical) 밴드에서 수메가비트급 전송에 이용되는 등 주로 저속 및 중속 데이터 전송에 활용되고 있을 뿐이다. 155Mb/s 무선 ATM을 가정할 경우 15배만 대역폭을 확산시켜도 요구되는 대역폭은 2.325 GHz가 되고 이를 단 순히 직접 확산 방식으로 구현할 수 있을지는 상당히 의문시된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 주파수 도약방식과                OFDM(Orthogonal Frequency Division Multi-plexing)을 이용한 SS 방식이 대두되고 있다. OFDM은 유럽의 EBU(European Broadcasting Union)에 의해 디지털 지상파 방송 규격으로 채택된 바 있다. OFDM 자체로는 확산스펙트럼의 개념을 갖고 있지 않으나 입력데이터를 병렬로 처리한다는 점을 이용해 확산스펙트럼 기술을 접목하면 광대역전송 신호를 다수의 협대역으로 쪼개어 서로 직교인 서브캐리어에 실 어 전송할 수 있게 된다.

미래의 무선광대역시스템을 위한 다중접속 방식으로 wideband-CDMA, multirate-CDMA, multicarrier-CDMA,multitone-CDMA, multicode-CDMA, hybrid DS/FH-CDMA, hybrid CDMA/FDMA, hybrid CDMA /TDMA, hybrid

CDMA/ISMA 등 CDMA와 혼합된 형태의 여러 가지 구조가 제시되고 있다. 만일 현재 유선망에서 제공되는 광대역 ATM을 무선망으로 확장시키고자 하는 것을 무선광대역 시스템의 목표로 한다면 다중접속 방식으로 multicarrier-CDMA 방식이 가장 훌륭한 방식으로 생 각된다. 현재 몇 가지 종류의 WLAN 시스템이 CDMA

방식으로 10Mb/s의 전송속도를 지원하고 있어 16개의 가지를 가진 multicarrier-CDMA 방식을 채택한다면 무선구간에서 160Mb/s의 전송 속도가 충분히 나올 것으로 예측된다.

▤ 정안테나 RF기술 및 전지

무선시스템에서 안테나 및 전지는 중요한 역할을 한다. 현재의 반도체 기술로도 신호처리에 필요한 회로를 매우 적은 면적을 차지하는 실리콘 기판에 구현할 수 있다. 따라서 안테나 및 전지의 크기 및 무게가 단말기의 크기와 무게를 좌우하게 된다. 사용되는 주파수가 높아질수록 해결해야 할 기술들이 많이 있으며 특히 밀리미터파대에서는 전력 소모가 많아 전지의 크기 및 무게가 문 제가 될 수 있다. 그러나 가까운 장래에 이들을 해결할 새로운 기술이 창출될 것으로 예측된다. WBS에서는 신용 카드 정도의 크기에 방사빔이 특정 방향으로 집중적으로 향하는 적응배열안테나(adaptive array antenna)가 구성될 수 있을 것으로 예측된다. 이 밖에도 원하는 반송주파수대에서 동작하는 증폭 기, mixer, diplexer, attenuator, isolator, switch, local oscillator, coupler, power divider 등의 RF 부품들도 개발되어야 한다.

▤ 전파연구

무선시스템에서 캐리어주파수는 대역폭 및 전파전파 특성에 따라 결정된다. 따라서 전파전파에 대한 연구는 무선시스템을 개발하는데 매우 중요한 부분이라 할 수 있다. 밀리미터파대에 있는 전파 연구는 회절을 무시하고 반사파들만을 중첩하여 전파전파 특성을 모델링하여도 큰 오차없이 특성을 예측할 수 있다. 밀리미터파대에 있는 전파전파 특성을 모델링할 경우에는 전자기학적 매개변수뿐 아니라 전파의 파장 정도의 정확도로 사물의 크기 및 매끄러운 정도 등의 기하학적 매개 변수들로 공간을 표현 해야 반사 및 투과 특성을 예측해볼 수 있다. 신뢰성 있는 통신시스템을 설계하는 데는 전파전파 현상에 대한 정확한 지식이 요구되며 따라서 밀리미터파 및 적외선대역의 전파 특성 연구가 선행 되어야 한다.

▤ 네트워크와 관련된 서비스 기술

개인 통신의 발전은 3단계로 나누어 생각할 수 있다. 그 첫 단계는 개인이 언제 어디서나 통신서비스(주로 전화)를 이용할 수 있는 휴대용 단말을 가지고 다니면서 편리하게 사용하게 하는 것을 목표로 한다. 이것을 흔히 단말이동성(terminal mobility)이라고 한다.

두번째 단계는 각 개인에게 개인번호(personal number)를 부여함으로써 개인이동성(personal mobility)이라고 불리는 또 하나의 자유도를 얻음으로써 더욱 편리한 통신서비스를 도모하는 것이다. 이러한 개인번호는 개인이 소지하고 있는 IC 카드 등에 수록되어 있으며, 이것을 이용하여 가 입자는 임의의 단말에 자신을 등록, 망에 알림으로써 신호를 자신이 원하는 단말로 착신되도록 하는 등의 진보된 통신서비스가 가능하게 된다.

세번째 단계는 보다 개인화된 서비스를 도입하는 것이다. 사용자들은 단말 또는 사업자가 운영하 는 프런트를 이용하여 자신이 원하는 통신서비스의 수준을 입력함으로써 개인화된 서비스를 받을 수 있다. 단말이동성은 셀룰러 휴대전화 시스템, PCS 등에서 이미 가능한 상태이므로 제3세대 및 무선멀티미디어시스템에서는 개인이동성과 개인화된 서비스 제공이 실현될 것이다.

위에서 언급한 디지털 신호 처리 기술에서 CDMA,FDMA,TDMA의 비교와 특성 그리고 IMT-2000의 간략적인 내용을 알아보자.

CDMA (Code Division Multiple Access)

♠ 코드분할 다중접속방식(CDMA)

코드분할 다중접속방식(CDMA : Code Division Multiple Access)을 FDMA나 TDMA와 비교해 보면, 어떤 모임 장소에서 여러 사람이 보여서 이야기를 한다고 가정하면,  FDMA 방식은 모든 사람이 같은 언어를 사용하고, 모임 장소를 이야기를 할 수 있  도록 작은 구역으로 나누어논 각각의 대화실에 차례를 기다렸다가 들어가서 이  야기 하는것이라면, TDMA 방식은 역시 같은 언어를 사용하지만, FDMA 방식과는  다르게 모든 사람이 같은 장소에 모여서 이야기를 한다.

그러나 모든 사람이 동시에 이야기를 하는 것이 아니라 각각 이야기 하는 시간을 정해서 자기에게 할당된 시간동안에만 이야기를 한다고 생각하면 된다. 물론 이야기를 하는 시간이 단절되어 대화에 지장이 있을 것 같지만, 실제로는 전혀 대화하는데 지장이 없다.

여기에 비해서 CDMA 방식은 다른 두 방식과 비교해 보면, 여러 사람이 같은 장소

에 모여서 동시에 이야기를 하는 것과 같다. 다만 서로 다른 언어를 사용하기 때

문에 자기가 알 수 있는 언어로 이야기 하는 내용만 알아 들을 뿐이고, 다른 사람

이 이야기 하는 것은 단지 잡음으로만 느끼는 것 과 같다.

CDMA 기술은 기본적으로 오래전부터 사용해왔던 대역확산 통신기술을 이용한

것으로, 대역확산 기술이 가지고 있는 모든 장점에 주파수 이용효율을 크게 증가

시킨 것이다. 위의 예를 기술적으로 표현해 보면, 모든 서비스 영역에서 같은 주파

수 대역을 사용할 수 있기 때문에 셀룰라 개념에서 보면 주파수 재사용 계수가

1이 되어, 주파수 이용 효율이 다른 방식에 비해서 월등히 높다는 것과, 모든 서비

비스 영역에서 같은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 소프트 핸드오버가 가

능하다는 점, 또한 서로 다른 코드를 사용하여 통신을 하기 때문에 무선 구간의 통

신 비밀 보호 특성이 매우 우수하다는 장점이 있다. 이외에 여러 가지 장단점에 대

해서는 앞으로 자세히 살펴보도록 한다.

♠ 대역확산 통신방식(Spread-Spectrum Technology)

CDMA 방식은 1960년대부터 군사용으로 주로 사용되어 온 주파수 대역확산 통신기술을 이용한 것이다. 대역확산 통신방식이 발달한 원인에는 군사용으로 사용한 전자파를 이용한 무선통신에서 적에게 도청이 되지 않고, 적의 방해전파에도 강한 통신방식을 구현하고자 하는 요구 때문이었다.

전자파는 공중에 사방으로 퍼져 나가므로 전자파 자체는 쉽게 다른 사람에 의해 적정한 안테나를 사용하여 수신될 수 있다. 이렇게 수신된 신호는 변조방법을 알면 쉽게 그 통화내용을 도청할 수 있는 것이다. 대개 보통 사용하는 변조방법은 쉽게 복조가 가능하므로 전자파를 이용한 무선통신은 쉽게 도청되는 것을 당연시 하기도 한다.

<그림 2-1>에 확산 코드에 의한 통신의 예를 보여주고 있다. 먼저 송신 데이타에 <그림 2-1>에서 보여주는 것과 같은 확산코드 10110100101 을 곱해준다. 확산코드는 원래의 데이타보다 훨씬 높은 비트 속도를 가지고 있으므로 하나의 송신 데이타에 여러개, <그림 2-1>에서는 11비트를 곱해준다. 이렇게 곱해진 원래의 송신 데이타는 <그림 2-1>에서 보여주는 것과 같이 훨씬 속도가 높은 확산코드와 같은 속도의 확산신호와 같이 된다. 이 확산신호를 전자파에 실어서 송신을 하고, 수신쪽에서는 이 확산신호에 다시 송신쪽에서 사용한 동일한 확산 코드를 곱해주면, 원래 송신하고자 했던 데이타와 동일한 수신 데이타를 얻을 수 있다.

그러나 수신된 확산신호에 다른 확산코드 01101001010 를 곱해 주면 수신 데이타가 <그림 2-2>와 같이 되어서, 원래의 데이타를 복구할 수 없다. 물론 이때 확산코드를 곱해주는 시간이 맞지 않으면 마치도 다른 확산코드를 곱해주는 것과 같으므로, 확산코드가 시작하는 시간까지 맞아야 한다. 따라서 사전에 미리 확산코드와 시작 시간을 모르는 사람은 데이타를 복구할 수 없고, 확산코드 신호와 시작 시간을 알고 있는 사람만 데이타를 복구할 수 있기 때문에 자연히 높은 비화 특성을 가지게 된다.

확산코드는 송신 데이타와 아무런 관계도 없으며 확산코드를 추정하기 곤란하게 거의 잡음과 같은 (디지틀 신호인 경우 랜덤 시퀀스(Random Sequence)) 신호를 곱해주며, 이 코드는 거의 무한히 만들 수 있기 때문에 임의의 확산코드를 쉽게 재생할 수 없다. CDMA 방식에서는 코드 갯수에 의해서 채널수가 결정되는 것이 아니라, 주변의 간섭량에 의해서 채널수가 결정된다. 이는 내가 아무리 우리말로 대화를 해도 주변에 영어로 이야기하는 소리가 너무 크면 말을 알아듣기 곤란한 것과 같은 이치이다.

이를 좀더 이론적으로 그럴듯하게 설명해보면, 먼저 송신 데이타가 <그림 2-3>에서 보여주는 것처럼 어떤 대역폭을 가지는 신호라 하자. 이 신호에 송신 데이타 보다 훨씬 높은 비트 속도를 가지는, <그림 2-1>의 예를 보면 11배나 높은 속도를 가지는 확산코드의 대역폭을 표시해 보면, 송신 데이타의 대역폭에 비해서 11배가 넓다는 것을 알 수 있다. 송신 데이타 신호에 확산코드 신호를 곱해주면, 이론적으로 확산 신호의 비트 속도가 확산코드 속도와 같게되므로 확산신호와 확산코드의 대역폭은 거의 비슷하다는 것을 알 수 있다.

이는 원래의 송신 데이타의 대역폭이 확산코드에 의해서 확산신호의 대역폭 만큼 넓어진 것으로 이해할 수 있다. 이 과정을 '확산(Spreading)'이라 한다. 이때 송신 데이타가 가지고 있는 에너지는 일정하므로 데이타에 해당하는 크기는 넓어진 대역폭만큼 반비례하여 작아진다. 이렇게 신호를 전송할 때 대역폭이 넓어졌다고 해서 이러한 기술을 대역확산(Spread-Spectrum)기술이라 한다.

이 확산신호에 다시 동일한 확산코드를 곱해주면, <그림 2-1>에서 보는 바와 같이 원래의 데이타를 복구할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 이를 주파수 영역에서 보면, 확산신호의 대역폭이 다시 원래 데이타 신호의 대역폭으로 줄어든 것으로 이해할 수 있다. 이를 '역확산(Despreading)'이라 한다. 물론 여기서도 데이타가 가지고 있는 에너지가 일정하기 때문에 신호의 크기도 줄어든 대역폭만큼 다시 커져서, 다른 신호로부터 분리하여 데이타를 복구할 수 있다.

만일 여기에서 신호의 전송 도중에 확산신호에 강한 협대역 간섭 신호가 수신되었다고 하자. 이 두 신호가 수신기 쪽에서 역확산 과정을 거치게 되면, 원래 송신했던 신호는 역확산이 되지만, 간섭 신호는 여기에서 확산 과정이 일어나서 그 크기가 확산된 대역폭에 반비례하여 줄어들게 된다.

이를 <그림 2-4>에 그림으로 설명하고 있다. 점선으로 된 간섭신호가 포함되어도 역확산 과정에서 <그림 2-4>에서 보여주는 것처럼 확산이 되어 그 크기가 줄어들어 간섭신호의 크기는 줄이고, 자기 신호는 크기를 키우므로서 외부의 간섭에 매우 강한 특성을 가지게 된다.

또한 대역확산 방식은 페이딩에도 강한 특성을 보인다. 대역확산방식에서 확산된 신호의 주파수 대역폭이 수 MHz에 이른다. 예로 IS-95 방식 CDMA의 경우 1.25 MHz이고 W-CDMA의 경우는 5 MHz, 10 MHz에 이른다. 무선구간으로 전송되는 신호의 대역폭이 이렇게 넓기 때문에 페이딩에 강한 특성을 보인다.

이동통신 환경에서 많이 나타나는 페이딩 원인은 다중경로에 의한 레일리 페이딩으로 페이딩이 일어나는 대역폭이 200kHz 내외로 좁은 대역에서 일어난다. CDMA의 확산된 신호의 경우 대역폭이 1.25 MHz은 페이딩이 발생하더라도 신호의 크기가 전체적으로 줄지 않고 일부만 페이딩이 되어 마치 주파수 다이버시티를 적용한 것처럼 되기 때문이다. 특히 뒤에서 자세히 설명하겠지만 다중경로에 의한 전파지연이 발생한 경우에는 레이크 수신기를 이용하여 다중경로 다이버시티 효과까지 얻을 수 있기 때문에 페이딩에 강하다는 특징을 보여준다.

대역확산 방식의 특징을 요약하면, 첫째로 확산코드를 이용해서 대역확산을 하므로 비화 특성이 매우 우수하다는 것이고, 둘째는 확산과 역확산 과정을 거치기 때문에 외부의 협대역 간섭에 매우 강한다는 것, 셋째로 주파수 대역이 넓어서 마치 주파수 다이버시티 효과를 얻을 수 있어서 페이딩에 강하다는 것으로 요약할 수 있다.

대역확산을 하는 방식은 지금까지 예로 설명했던 직접확산방식(Direct Sequence Spread Spectrum)과 주파수 도약방식(Frequency Hopping Spread Spectrum), 그리고 시간 도약방식(Time Hopping Spread Spectrum)이 있다.

직접확산방식은 지금까지 설명한 것처럼, 확산코드를 데이타에 직접 곱해서 확산 신호를 얻는 방법이고, 주파수 도약방식은 확산코드에 따라서 주파수 대역을 옮기는 방식을 말하고, 시간 도약방식은 시간축에서 확산하는 방식을 말한다. 초기에는 주파수 도약방식을 많이 사용하였으나, 현재는 반도체 및 디지틀 소자의 고속화가 진행됨에 따라서 직접확산방식이 주로 사용되고 있다.

♠ 확산이득(Processing Gain)

대역확산 방식에서 이 시스팀의 특성을 표현하기 위한 파라미터로 확산 이득이 있다. 확산이득은 데이터 신호의 대역이 확산코드에 의해서 얼마나 넓게 확산되었는 지를 나타내는 것으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

확산이득은 송신하는 쪽에서 보면 신호를 주파수 대역에서 얼마나 넓게 분산시키느냐 하는 정도, 즉 관점을 바꾸면, 신호의 크기가 얼마나 줄어드는지를 나타내고 (대역이 넓어 지면서 신호의 크기가 줄어드는 이유는 원래 신호가 가지고 있는 에너지 양은 일정하고, 이 에너지가 주파수 대역으로 넓게 퍼지게 되므로 넓게 퍼진 만큼 그 크기가 작아져서 에너지 보존의 법칙을 만족시킨다.), 수신하는 입장에서 보면 신호를 1 이라는 크기로 수신했을 때, 역확산 과정을 거치면 신호의 크기를 얼마나 크게 키울 수 있는 지를 나타낸다. 이를 확산이득으로 나타낸 것은 수신한 쪽에서 다른 신호와 같이 수신되었을 때 역확산 과정에서 다른 간섭신호는 다시 확산이 되므로 그 크기가 확산이 되는 만큼 줄어들게 된다. 그러나 원래의 신호는 역확산 과정에서 확산이득 만큼 신호가 커지게 되므로, 확산 특성을 나타낼 수 있는 파라미터 이다.

Up-banded IS-95 (QCDMA) 의 경우 확산이득은

8 kbps 보코더인 경우 :

16 kbps 보코더인 경우 :

와 같다.

확산이득은 대역확산 방식에서 통화채널 용량과 밀접한 관계가 있다. 이를 8 kbps 보코더를 사용하는 IS-95 를 예로 설명하겠다.

만일 수신기에서 수신한 신호 크기를 1 이라고 하면, 역확산 과정을 거치면, 그 크기가 128이 된다. 이때 신호를 재생하기 위해서는 전체 잡음의 크기가 복조를 위한 신호대 잡음비(S/N , Eb/No) 보다 작아야 한다. 신호대 잡음비 Eb/No = 6 dB = 4 라 가정하면, 이 신호에 대한 전체 잡음 또는 다른 사용자에 의한 간섭신호의 크기가 128/4=32 보다 작아야 한다. 그런데 CDMA 시스템에서 다른 사용자의 신호는 간섭신호(잡음신호)에 해당하므로, 다른 잡음을 무시할 때 다른 사용에 의한 신호의 총 합이 32 보다 작아야 한다. 이를 <그림 2-5>에서 나타내었다.

모든 사용자가 통신(수신)이 가능하도록 하면서, 전체 잡음(또는 간섭)의 크기 32 이내에 최대의 사용자를 수용하려면, 모든 가입자의 수신신호 크기가 모두 같은 크기로 1 이어야 하므로 동시에 통화할 수 있는 최대 사용자 수는 32 가 된다. 물론 보코더가 13 kbps이면 85.3/4=21.3 이 되어서 동시에 사용할 수 있는 최대 사용자수는 21이 된다.

이는 다른 잡음을 전혀 가정하지 않은 것으로 외부의 다른 잡음원이 있으면 그 잡음원의 간섭정도에 따라 동시에 통화할 수 있는 최대 가입자수는 줄어든다. 반대로 음질을 약간만 희생하면 수용용량을 크게 늘릴 수도 있다. 따라서 CDMA 방식에서는 어떤 정해진 용량을 초과하면 호가 접속이 안되는 것이 아니라 호는 접속이 되고 대신 다른 모든 가입자가 약간씩 품질을 희생하게 된다. 이를 소프트 용량이라 하고 이러한 특성 때문에 이론적으로는 CDMA의 호 접속율은 다른 방식에 비해서 더 양호할 수 있다.

또한 통화채널 용량이 코드나 타임 슬롯 등 물리적인 이유에 의해서 결정되는 것이 아니고, 간섭량에 의해서 결정이 되기 때문에 간섭을 잘 제어하면 통화채널 용량을 휙기적으로 증가시킬 수 있게 된다.

예로 Qualcomm 이 개발한 IS-95 방식을 살펴보면, 용량을 증가시키기 위해서 음성활동율을 조사하여 가입자가 말을 안할 때는 송신을 전혀 하지 않도록 하는 방법을 적용하여 용량을 두 배 이상 증가시켰다. 대개 가입자가 통화를 하는 시간중에 실제로 말을 하는 시간의 비율은 40% 이내인 것으로 알려져 있다. 나머지 시간은 상대방이 하는 이야기를 듣거나, 그냥 있는 시간으로 이 시간 동안에는 아예 송신을 안하는 방법이다.

두번째로 적용한 방법이 셀을 섹터화 하는 방법이다. 셀을 섹터화하는 방법은 다른 무선접속 방식에서도 사용하지만, 다른 무선접속 방식에서는 수용용량에 크게 영향을 비치는 것이 아니라 약간의 통화품질 향상과, 투자비 절감 효과 때문에 사용하는 것이다. 그러나 CDMA 방식에서는 섹터화가 곧 수용용량을 증가시키는 방법으로 사용된다. 즉 섹터화를 하면 한 기지국 안테나에 수신되는 간섭의 양이 섹터로 나눈 만큼 줄어드기 때문에 이론적으로 섹터를 둘로 나누면 두배, 셋으로 나누면 세배로 용량이 증가하게 된다. 실제의 경우에는 섹터를 완전히 분리할 수 없기 때문에 약 80%-85%의 효율로 증가하여, 3 섹터인 경우 2.5배 정도 용량이 증가하는 것으로 알려져 있다. 물론 이 값도 역시 이론적으로 계산한 값으로 실제는 아직 서비스를 제대로 한 적이 없기 때문에 알려진 바가 없다.

♠ 확산코드

대역확산 기술을 다중접속 기술로 사용하려면, 확산코드를 여러개 사용하여 각각의 확산코드에 의해서 통화채널을 확보하게 된다. 이 확산코드는 대역확산을 효과적으로 하기 위해서, 각각의 확산코드 사이에 상호연관(수학적 용어로 cross -correlation 이라 한다.)이 없어야 한다는, 즉 랜덤잡음(또는 White Noise)과 같은 특성을 가지고 있어야 한다. 두 확산 신호 사이에 cross-correlation이 있으면, 두 확산코드 사이에 이 양 만큼 상호 간섭을 주게되어, 통화품질 저하 및 채널용량이 감소하게 된다.

이와같은 특성을 수학적으로 표현하면

와 같다. 즉, 어떤 임의의 시간 T 동안에 각각의 확산코드를 상호 곱했을 때 같은 확산코드를 곱해준 경우에만 1이 나타나고, 다른 확산 코드를 곱해준 경우에는 0이 되어, 서로 다른 확산코드가 곱해지면 신호가 나타나지 않아야 한다는 것을 나타낸다. 여기서 서로 다른 두 확산 신호를 곱했을 때, 어떤 임의의 시간 동안 곱한 신호를 적분한 값의 크기가 0이 되었다고 해서, 두 신호를 곱한 전력이 0 이 된다는 이야기는 아니다. 이는 SIN이나 COS 함수를 살펴보면, 이 함수는 한 주기를 적분하면 0이 되지만, 전력을 구하기 위해서 이 함수의 자승을 구하면, SIN2, 과 COS2은 0이 되지 않는 다는 것을 보면 쉽게 이해할 수 있을 것으로 생각한다.

위에서 보여준 수식이 갖는 특성을 잘 만족하는 신호(디지틀 신호인 경우는 비트열)는 반복 주기가 무한히 긴 랜덤 잡음(Random Noise)(또는 백색잡음(White Noise) 이라 하기도 한다.) 이다. 디지틀 신호인 경우는 랜덤 시퀀스(Random sequence) 이다. 그러나 신호를 재생하려면 송신할 때 곱해준 비트 시퀀스와 동일한 확산코드를 곱해주어야 하므로 재생이 불가능한 랜덤 시퀀스는 사용할 수 없다.

따라서 재생이 가능하면서 랜덤 시퀀스와 유사한 특성을 보이는 신호를 사용하는데 이를 PN (Pseudo random Noise) 시퀀스라 한다. 이 PN 시퀀스는 다음과 같은 특징을 가지고 있어야 한다.

● 반복주기가 충분히 길다. 반복주기가 무한히 길면 random sequence이다.

● 한 주기속에 0 과 1 의 개수가 비슷하다.

● run 길이가 1 인 부분이 1/2, 2 가 1/4, 3 이 1/8, ··· 이다.

(run 길이란 같은 부호가 연속된 숫자를 말한다.)

● 한 주기속에 각 sequence 간에 cross-correlation이 매우 작다.

● 작은 sequence 조각으로 전체 sequence를 재생할 수 없다.

● 적절한 재생 알고리듬에 의해서 재생이 가능하여야 한다.

이러한 특징을 가지는 PN 코드를 이용하여 통신을 하려면 각 기지국과 사용자마다 각각 PN 코드를 지정을 하여야 한다. 지금의 CDMA 방식에서는 하나의 PN 코드만 사용하는 것이 아니라, 필요에 따라 3가지의 확산코드를 사용한다. 순방향 채널에서 이동국이 각 채널을 구분하기 위해서는 서로 직교성을 가지는 Walsh 코드를 가지고 구별하고, 각 이동국이 기지국을 구별하기 위하여 기지국 구별용으로 사용하는 짧은 PN 코드(Short code)가 있고, 기지국이 각 이동국을 구별하고 음성신호를 확산시키는데 사용하는 매우 긴 PN 코드(Long code)를 사용한다. 이에 대해서는 다음 절에서 자세히 설명하도록 한다.

♠ CDMA 방식의 기본 특성

지금까지 CDMA 방식의 기본 기술인 대역확산 기술에 대해서 살펴보았다. 가장 큰 특징으로는 시스팀의 채널용량이 물리적인 채널수가 아니라, 간섭량에 의해서 채널용량이 결정되기 때문에 간섭을 잘 제어하면, 채널용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 점이다. 초기 CDMA 방식이 무선접속 방식으로 제안이 되었을 때, 가장 큰 관심을 가졌던 부분이 바로 이 채널용량 이었다. 아날로그 방식인 AMPS에 비해서 이론적으로 20 배의 용량도 가능하다는 것은 매우 큰 매력이었다. 물론 지금 어느 정도 시스팀이 개발되고, 몇몇 회사에서 서비스를 시작하고 있는 시점에서, CDMA 방식의 용량을 아직도 AMPS의 20 배 라고 이야기 하는 사람은 거의 없다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 절의 채널용량 부분에서 자세히 설명한다.

채널용량 측면에서 CDMA 방식이 가지고 있는 또 다른 장점은 용량이 물리적인 채널수에 의해서 결정되지 아니하고, 간섭에 의해서 결정이 되기 때문에 약간의 음질만 희생하면 용량이 확대될 수 있다는 것이다. 이를 소프트 용량(Soft Capacity)라 한다.

다음으로는 원천 기술인 대역확산 기술이 가지고 있는 특징을 들 수 있다. 비화 특성이 우수하다는 것, 그리고 페이딩과 시간지연에 대해서 강하다는 특성이 있다. 대역확산 방식에서는 간섭에도 강한 것으로 되어 있으나, 실제 CDMA 방식에서는 채널용량을 증가시키기 위하여, 간섭을 제어하는 과정에서 신호의 크기를 낮추었기 때문에, CDMA 방식에서는 간섭에 강한 시스팀이라고 보기에는 무리가 있다. 물론 한 사람의 가입자가 느끼는 통화품질에서는 이를 어느 정도 이야기 할 수 있을 지 몰라도, 전체 시스팀의 성능 및 용량을 고려한다면, 이는 결코 맞지 않는다. 오히려 간섭에 약한 시스팀으로 볼 수 있다.

그리고 셀 설계 때 주파수 계획이 필요없다는 점, 이동국의 소비 전력이 작다는 점 등 외에도 근거리 원거리 문제가 발생한다든가, 레이크 수신기를 적용할 수 있는 점, 그리고 소프트 핸드오버를 할 수 있다. 여기에 대해서는 별도로 자세하게 설명한다.

♠ 근거리/원거리 문제 (Near/Far Problem)

근거리/원거리 문제는 CDMA 방식이 기본적으로 간섭에 의해서 채널용량이 결정되는 시스팀이기 때문에 발생하는 것으로, 전자파의 전파특성이 CDMA 방식의 채널용량에 영향을 주게되어 나타나는 CDMA 방식의 고유한 문제이다.

일반적으로 이동통신 환경에서 기지국과 이동국 사이의 무선 구간에서 발생하는 경로손실을 생각해 보면, 거리에 따른 전자파의 크기는 1/R3-5 정도의 비율로 줄어드는 것으로 알려져 있다. 따라서 단말기의 출력이 일정하다고 가정하면, 기지국에 가까이 있는 이동국과 기기국과 멀리 있는 이동국이 각각 기지국에 수신되는 크기를 살펴보기 위해 멀리 있는 이동국이 약 5km 근방의 셀경계에 있고, 가까운 곳에 있는 이동국은 500m 정도 떨어져 있다고 가정하면, 그 거리의 비율이 10배 이므로, 셀 경계에 있는 이동국의 수신전력은 기지국 가까이에 있는 이동국에 비해서 1/1000 - 1/100000 정도 작은 크기로 기지국에 수신된다.

이런 경우 TDMA 시스팀은 이러한 수신전력의 차이가 약간의 간섭이 증가하는 정도로 영향을 미치지만, CDMA인 경우는 앞에서 설명했던 것 처럼 CDMA의 채널용량이 기지국에 수신되는 각 단말기의 수신전력이 같을 때 최대가 되기 때문에, 이와 같이 전력차가 심하면 CDMA의 용량에 심각하게 줄어든다. 즉, 멀리 있는 이동국은 가까이 있는 이동국에 의한 간섭 때문에 아무리 역확산을 해도, 간섭보다 훨씬 작은 신호가 수신되기 때문에 복조가 불가능해진다. 이를 근거리/원거리 문제(Near/Far Problem)라 한다.

근거리/원거리 문제를 극복하기 위해서는 기지국에서 수신되는 각각의 이동국의 수신전력이 일정하도록 이동국의 송신 전력을 조정하여야 한다. 즉, 기지국에 가까이 있는 이동국은 낮은 송신출력으로, 먼곳에 있는 이동국은 큰 전력으로 송신하도록 하여야 한다. 이를 '전력제어'라 하며, CDMA 시스팀에서는 매우 정교한 전력제어 시스팀이 구현되어야 한다.

현재 구현되어 있는 800MHz 대역의 디지틀 이동전화 시스팀에서는 동작범위가 80dB 이상 되고, 0.5dB 간격으로, 1초에 800번 전력을 증감할 수 있다. 1800MHz 대역의 PCS 시스팀에서는 1초에 800번 1dB 간격으로 전력을 증감한다. 자세한 전력제어 방법은 다음 절에서 자세하게 설명한다.

♠ 레이크(Rake) 수신기

CDMA 방식의 중요한 특징 중의 하나가 레이크 수신 기능이 있다는 것이다. 레이크 수신기는 서로 시간차(지연)가 있는 두 신호를 분리해 낼 수 있는 기능을 가진 수신기를 말하는 것으로, CDMA 의 대역확산 원리에 의해서 얻을 수 있는 특성이다.

전자파를 이용하여 통신을 할 때 전송품질에 영향을 주는 현상 중에 가장 큰 영향을 주는 요인이 다중경로에 의한 페이딩 이다. 다중경로에 의한 페이딩은 서로 다른 경로로 수신기에 도착한 신호의 위상차이(시간 지연 차이)에 의해서 발생하는 것이다. 이러한 페이딩은 신호의 크기를 감소시키므로, C/I를 악화 시켜, 전송에러를 집중적으로 발생시킨다. 그리고 시간지연은 신호간 간섭 (ISI : Inter-symbol Interference)을 발생시킨다. 대개의 전파를 이용한 통신방식에서는 페이딩은 다이버시티 기법을 이용하여 어느 정도 극복을 하고 있으며, 시간지연은 각 시간지연을 보상하는 등화기(Equalizer)를 이용하여 ISI를 줄이고 있다.

CDMA 방식이 레이크 수신기를 사용할 수 있는 이유를 설명해 보겠다. <그림 2-7>에서 보여주는 것처럼 다중경로에 의해서 수신기에 3개의 경로로, 3개의 신호가 시간차를 가지고 수신기에 도착했다고 하자. 이때 경로1을 기준으로 보면, 경로2 신호는 약 0.5 chip 정도(여기서 chip은 확산코드 한 펄스의 간격으로 데이터의 비트와 구별하여 사용한다. QCDMA 인 경우 확산속도가 1.2288 Mbps 이므로 한 chip의 시간은 0.814□S 이다) 시간 차이를 가지고 있고, 경로3 신호는 2 chip 정도의 시간차를 가지고 있다고 하자.

여기서 수신기가 만일 경로1 신호에 동기를 맞추어서 역확산을 한다면, 경로2, 경로3 신호는 동기가 맞지 않기 때문에 역확산이 되지 않는다. 이미 설명한 바와 같이 동기가 맞지 않는 신호는 전혀 다른 신호, 또는 전혀 다른 코드를 곱한 것과 같기 때문이다. 즉, 동일한 신호 3 개가 서로 다른 시간차를 가지고 도착했는데 이중에 경로1 신호만 역확산을 하여, 신호를 복조할 수 있지만, 다른 경로로 도착한 신호는 역확산이 되지 않아, 마치도 3개의 신호중에 경로1 신호만 추출한 것과 같다. 따라서 동기를 경로1 신호 대신에 2 chip 만큼 지연을 주어서, 경로3에 맞추면 이번에는 경로3 신호만 추출할 수 있는 것이다.

즉 CDMA에서는 시간차를 가지고 수신되어도 서로 독립된 신호로 인식하므로, 마치 시간 다이버시티와 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다. 이와 같이 서로 다른 경로(또는 시간 차이)로  도착한 신호를 분리할 수 있는 이러한 수신기를 레이크 수신기라 한다.

그러나 <그림 2-7>에서 보는 것처럼, 경로1과 경로2의 시간차 처럼, 두 신호의 시간지연 차이가 1chip 보다 짧으면 레이크 수신기에 의한 신호분리를 할 수 없으므로 이때는 신호에 나쁜 영향을 미치게 된다. 이동통신 환경(매크로셀 : 셀반경이 5 km ~ 20 km 정도 되는 셀인 경우)에서 나타나는 옥외의 지연특성은 약 2□S에서 3□S 정도로 알려져 있으므로, 이러한 환경에서는 레이크 수신기로 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나 마이크로셀 환경이나 옥내 환경에서는 시간지연차가 0.2□S정도 이므로 큰 효과를 얻을 수 없다. 옥내 환경에서도 충분한 레이크 수신기의 효과를 얻기 위해서는 적어도 확산 대역폭이 5 MHz 이상 되어야 할 것이다.

이를 이용하여 <그림 2-8>에서 보여주는 것처럼 여러개의 상관 검출기(Correlator)를 이용하여, 레이크 수신기를 구현할 수 있다. 이러한 레이크 수신을 할 수 있는 수신기를 이동국은 3개, 기지국 4개를 가지고 있으며, 시간지연을 가지는 신호를 수신하는 것 외에도 소프트 핸드오버 시에 서로 다른 기지국에서 오는 신호를 동시에 수신하는 데도 사용된다.

♠ 소프트 핸드오버(Soft Hand-over, Soft Hand-off)

CDMA 시스팀이 소프트 핸드오버를 지원할 수 있는 가장 큰 이유는, 통화채널의 주파수 대역이 같기 때문이다. 사용하는 주파수 대역이 같기 때문에 같은 RF 초단부분을 사용하고, 디지틀 부분인 확산과 역확산 과정에서 레이크 수신기를 이용하여, 서로 다른 확산 코드를 사용할 수 있도록하여 동시에 두 개 이상의 기지국에 접속할 수 있도록 한다. 이에 대한 자세한 설명은 IS-95 방식을 설명할 때 자세하게 하도록 한다.

♠ 시스팀 일반특성

현재 우리나라에서 개인휴대통신(PCS)에 할당된 주파수 대역폭은 상향링크(단말기에서 기지국으로 : Up-Link, Reverse Link)가 1750 MHz - 1780MHz 이고, 하향링크(기지국에서 단말기로 : Down-Link, Forward-Link)가 1840 MHz - 1870 MHz 로 지정되어 있다.

단말기 종류

단말기는 최대 출력에 따라 5등급으로 분류한다.

단말기 등급	초과해야할 최대전력	초과하면 안되는 최대전력
I	-2 dBW(0.63 Watts)	3 dBW(2.0 Watts)
II	-7 dBW(0.20 Watts)	0 dBW(1.0 Watts)
III	-12 dBW(63 Watts)	-3 dBW(0.5 Watts)
IV	-17 dBW(20 Watts)	-6 dBW(0.25 Watts)
V	-22 dBW(6.3 Watts)	-9 dBW(0.13 Watts)

현재 3등급 단말기를 기준으로 망 설계가 진행되고 있다. 그러나 CDMA 방식은 기본적으로 단말기 전력제어가 매우 정교하므로 최대출력이 제한 받는 요소는 농어촌 지역에서만 발생할 것이다

시스팀 동기 CDMA 시스팀에서는 모든 기지국와 단말기가 동기가 정확하게 이루어 져야 한다. 동기가 정확하지 않으면, 역확산 과정에서 PN 코드의 비트열을 정확하게 동기시킬 수 없어서 역확산이 불가능 해지기 때문이다.

이를 위해 모든 기지국과 단말기의 시스팀 동기는 GPS(Global Positioning

System)을 이용하여, 1980. 1. 6. 00:00을 기준으로 Long code와 I, Q zero offset pilot sequence 의 초기 값으로 설정하여 사용 한다.

IS-95 방식의 채널구조

IS-95 방식에서는 순방향과 역방향에 서로 다른 채널 구조를 가지고 있다.

<그림 2-9>에서 보여주는 것처럼 순방향은 파이롯 채널(pilot channel), 동기 채널(sync channel), 페이징 채널(paging channel),통화 채널(traffic channel)로 구성되어 있고, 역방향 링크에는 접속 채널(access channel), 통화 채널(traffic channel)로 구성되어 있다.

<그림 2-9>에서 보여주는 것과 같이 순방향 채널은 Walsh 코드에 의해서 확산이 되지만, 역방향 채널은 Long code에 의해서 확산이 된다. 각 페이징 채널에 대응되는 접속 채널은 접속 채널 Long code Mask를 사용하고, 통화채널은 Public Long code 와 Private Long Code Mask를 사용한다.

파이롯 채널

파이롯 채널은 이동국이 이동 통신망에 접속할 때, 수신되는 신호중 가장 큰 신호를 선택하여 동기를 맞출 수 있도록 하여, 인접한 기지국을 찾을 수 있도록 하기위한 채널이다. 따라서 이동국이 시스팀에 대해서 전혀 정보를 가지고 있지 않기 때문에, 아무런 데이타가 없고, Walsh 0 로 확산된, 기국의 short 코드만 전송하므로서, 쉽게 이동국이 동기를 맞출 수 있다.

만일 이때 기지국이 각각 서로 다른 short 코드를 사용한다면, 이동국이 모든 기지국에 대한 코드를 가지고 있어야 하고, 설사 가지고 있다고 하더라도, 이를 비교하여 기지국을 구분할 수 없으므로, 모든 기지국은 같은 short코드를 사용한다. 그리고 각 기지국을 서로 구분하기 위해서 각 기지국은 PN 코드의 시작 시간을 달리하여, 이동국은 이 시간차를 가지고 기지국을 구별할 수 있게 된다.

기지국 구별을 위해 사용하는 short코드의 길이는 215 이다. 그리고 각 기지국 별로 서로 구별되는 파일롯 PN 코드를 얻기위해 215=32,768 길이의 비트열을 Walsh 코드 길이 단위로 구별할 수 있으므로, 이를 Walsh 코드 길이인 64로 나누면, 512개의 서로 다른 시간차를 가지는 PN 신호를 얻을 수 있다. 각 기지국은 이 512개의 시간차 중에 하나를 선택하여, 그 시간차를 가진다.

동기 채널

동기채널은 1200 bps 속도로 기지국의 여러 가지 파라미터 정보를 담아서 이동국에 전송한다. 동기채널은 데이터를 변조과정을 거친 후 Walsh 32를 사용하여 확산시켜 전송한다. 파이롯 채널에서 시스팀 동기를 휙득한 후에 Walsh 함수를 0에서 32로 바꾸면 동기채널을 접속할 수 있다.

동기채널에 실린 정보는 프로토콜 정보, 시스팀 ID, 망 ID, 파이롯 채널 PN offset 번호, long code 상태, 시스팀 시간 및 이와 관련된 정보, 페이징 채널 속도, 주파수 채널 번호 등이 포함되어 있다.

이동국은 동기채널에서 수신한 정보를 바탕으로 파이롯 채널 offset, 시스팀 시간, long code PN 시퀀스의 상태 정보 등을 이용하여, 자신의 Long Code 타이밍과, 시스팀 타이밍을 망의 시스팀 시간과 동기를 시키게 된다.

페이징 채널

페이징 채널은 서비스 영역내 이동국에게 부가정보, 특정 이동국에 대한 페이징, 명령 그리고 채널 할당 등의 메시지를 전달하는 채널로, 9600bps 와 4800bps 두 가지 전송속도를 가지며, 이 전송속도 정보는 동기채널을 통해서 전달된다. 페이징 채널의 변조 과정은 <그림 2-12>에서 보여주는 바와 같이 동기채널과 유사한 변조과정을 거치지만, 추가로 페이징 채널 긴 코드 마스크를 이용하여 데이터 스크렘블 과정을 거친다.

이동국은 파이롯 채널을 이용하여 기지국과 시스팀 동기를 휙득한 후, 동기채널의 메시지를 수신하여 시스팀과 타이밍을 동기시킨 후, 계속 페이징 채널을 감시한다. 기지국에서 지원하는 페이징 채널이 둘 이상이면, 이동국은Hshing Function을 돌려서 자신이 감시해야 할 페이징 채널을 알아낸다.

페이징 채널은 크게 두가지의 메시지로 구별할 수 있는데, 첫 번째로 서비스 영역내의 모든 이동국에게 전달되는 Overhead 메시지와 특정 이동국에 전달되는 Personal Station Directed 메시지가 있다. Overhead 메시지에는 시스팀 파라미터, 이동국의 Access에 관련된 정보, 기지국 주파수 정보, 국제 로밍을 위한 정보, 이웃 기지국에 대한 정보, 이동국 등급에 따른 Redirect 메시지 등이 있으며, 기지국은 이 정보를 적어도 1.28초에 한 번씩 전송해야 한다.

Personal Station Directed 메시지는 이동국이 Slot모드로 동작 여부를 결정하여, Slot 모드로 동작할 때, 그 이동국에 정해진 Slot 에 메시지를 전송해야 한다. 여기에는 페이징을 위한 메시지, 명령, 채널할당 메시지, 문자열 전송을 위한 메시지, 인증 시도 메시지, 인증에 필요한 SSD 값을 갱신하는 메시지, 여러정보를 전송시 사용하는 메시지, 특정 이동국에 대한 Redirect 메시지, 이동국에 상태를 요구하는 메시지, 특정 이동국에 TMSI를 할당하는 메시지가 있다.

페이징 채널은 시스팀 시간을 2048 주기로 하는 80ms 단위의 작은 슬롯으로 나누는데 이를 페이징 채널의 슬롯이라 한다. 이동국은 자신의 소비전력을 줄이기 위하여 특정 슬롯 동안만 페이징 채널을 감시하고, 나머지 동안은 동작을 안하는 슬롯 모드를 사용할 수 있다. 슬롯 모드로 동작하지 않는 이동국은 어느 슬롯에서나 자신에게 전달되는 메시지를 받을 수 있지만, 모든 슬롯을 감시해야만 한다.

접속 채널

접속채널은 역방향 링크에 존재하는 채널로, 이동국이 기지국과 통화를 시도하거나 페이징 채널에서 받은 메시지에 대해서 응답하기 위해 사용하며, 순방향 채널과는 달리 이동국의 고유한 긴코드에 의해서 유일하게 구별된다. 접속 채널의 데이터 전송속도는 4800 bps이며, <그림 2-13>와 같이 변조과정을 거친다.

이동국은 접속 채널을 이용하여 Random Access 방법으로 기지국에 신호를 송신한다. 이 방식은 초기에 정해진 전력으로 기지국과 접속을 시도하고 접속이 되지 않으면, 다시 전력을 조금 증가시켜 다시 접속하고, 이를 몇번 반복하다가 접속이 안되면, 처음부터 다시 이 방법을 사용하여 접속하는 것을 말한다. Random Access 방식을 사용하므로 기지국과 항상 정확한 접속을 보장할 수 없기 때문에, 보다 정확한 데이터를 송수신 하기위해서 접속 채널 데이터를 Preamble 데이터와 Capsule 데이터로 구분하여 전송한다.

이동국은 기지국이 Preamble 한 메시지를 쉽게 찾을 수 있도록 직교변조를 할 때, Modulator Symbol 0 로만 신호를 전송한다. 이 Preamble 한 데이터를 인지한 기지국은 Capsule 데이터를 20 ms 단위로 Viterbi 복조기로 전달하여 복조한다.

이동국이 하나의 메시지를 보내고 그 메시지에 대한 확인을 받는 과정을 접속 시도라 한다. 이 접속 시도는 <그림2-14>와 같이 접속이 성공할 때까지 여러번 반복해서 일어 난다.

맨 처음 정해진 전력으로 접속을 시도하고  기지국으로부터 반응이 없으면, 정해진 시간 뒤에 전력을 정해진 만큼 증가시켜 다시 접속을 시도하고, 이 때에도 반응이 없으면, 다시 정해진만큼 전력을 증가시켜, 다시 접속을 시도한다. 이러한 시도를 정해진 최대 전력에 도달할 때까지 시도해도 응답이 없으면, 다시 새로운 시도를 시작한다. 처음부터 충분히 강한 신호로 기지국과 접속을 시도하지 않는 이유는 역방향 링크는 간섭에 의해서 수용용량이 크게 변하므로 접속신호에 의해서 용량에 영향을 받지 않게 하기 위해서 적정한 전력이 될 때까지 송신전력을 단계적으로 높여가는 방법을 사용하는 것이다.

순방향 통화 채널

방향 통화채널은 기지국에서 정해진 이동국으로 음성 또는 데이터와 신호정보를 전달하는데 사용된다. 순방향 채널구조는 <그림 2-15>에서 보여주는 바와 같이 음성 보코더에서 나온 출력을 길쌈 부호화와 블록 인터리빙을 거친 후에 Walsh 코드에 의해서 확산된다. 순방향 통화 채널은 음성 활동율에 따라서 신호 속도가 1800bps에서 3600bps, 7200bps, 14400bps로 변화하는 가변 속도를 가진다. 또한 단말기 전력제어를 위한 제어비트가 800Hz주기로 삽입된다. 또한 셀 경계에 존재하는 단말기의 통화품질을 확보하기 위하여 순방향 채널에서 디지틀 이득을 이용하여 순방향 전력제어를 한다.

통화채널

역방향 통화채널은 긴코드에 의해서 확산된다.

♠ Walsh 코드와 PN코드

앞에서 살펴본 바와 같이 CDMA 방식이 사용하는 대역확산 통신방식은 확산코드로 완전 잡음과 같은 신호를 확산 신호로 사용해야 한다. 그러나 단지 잡음과 같은 확산코드로는 각 가입자 마다 서로 다른 코드를 사용해야 하므로, 다중접속방식으로 적절하지 않다. 따라서 IS-95 방식에서는 순방향 채널에 대해서는 직교확산 방식을 사용한다. IS-95 방식에서 사용하는 코드는 3가지를 사용한다. 일부 코드는 채널 구조를 설명하면서 언급했지만 여기서 자세하게 설명하도록 하겠다.

첫 번째 코드로는 순방향 채널에서 이동국이 기지국이 송신하는 각 채널을 구분하기 위해 사용하는 직교확산 코드인 Walsh 함수가 있다. 두 번째로는 역방향 채널에 사용하는, 즉 기지국이 각 가입자를 구별하는데 사용하는 긴 코드(Long Code)가 있고, 세 번째로는 이동국이 각 기지국을 구별하는데 사용하는, 즉 기지국이 사용하는 짧은 코드(Short Code)가 있다.

IS-95 방식에서 사용하는 Walsh 함수는 64 비트로 구성되어 64개 종류가 있다. 이를 W1, W2, W3, ···로 구분한다. Walsh 함수는 서로 다른 코드를 곱하면(Exclusive OR), 0 (또는 -1) 과 1 이 섞여서 나오고 이를 모두 평균하면 0 이 되도록 되어 있고, 같은 코드를 곱하면 모두 1 이 나와서 확산 신호에 숨어있는 데이터를 복구할 수 있게 된다.

현재 IS-95 방식에서 사용하는 64 비트로 구성된 Walsh 함수를 <그림 2-17>에서 보여주고 있다.

Walsh 함수의 직교성을 쉽게 살펴보기 위하여 4비트로 구성된 Walsh 함수를 가지고 다른 코드를 곱했을 때와 같은 코드를 곱했을 때를 비교해서 보여주면 <표 2-3>과 같다.

<표 2-3> Walsh 함수 곱셈의 한 예

Walsh 코드 W0	0 0 0 0	Walsh 코드 W0	0 0 0 0
(치환)	+1 +1 +1 +1	(치환)	+1 +1 +1 +1
Walsh 코드 W1	0 1 0 1	Walsh 코드 W3	0 1 1 0
(치환)	+1 -1 +1 -1	(치환)	+1 -1 -1 +1
W0 × W1	+1 -1 +1 -1	W0 × W3	+1 -1 -1 +1
Walsh 코드 W0	0 0 0 0	Walsh 코드 W0	0 0 0 0
(치환)	+1 +1 +1 +1	(치환)	+1 +1 +1 +1
Walsh 코드 W2	0 0 1 1	Walsh 코드 W0	0 0 0 0
(치환)	+1 +1 -1 -1	(치환)	+1 +1 +1 +1
W0 × W2	+1 +1 -1 -1	W0 × W0	+1 +1 +1 +1

위에서와 같이 같은 Walsh 함수를 곱한 마지막의 경우에는 Walsh 함수의 곱 결과가 모두 1이 되어서 Walsh 함수와 곱해진 데이터 신호가 나타나게 된다. 그러나 다른 Walsh 함수를 곱하면 결과가 '-1'과 '1'이 번갈아 나와서 원래의 신호와 이 곱해진 결과과 다시 곱해져 있게되어 원래 신호를 복구할 수 없다. Walsh 함수는 또한 다른 Walsh 함수 뿐만 아니라 같은 Walsh 함수라도 한비트만 동기가 맞지 않아도 다른 Walsh 함수를 곱했을 때와 같은 결과를 주기 때문에 동기를 반드시 일치 시켜야 한다.

짧은 코드는 기지국에서 사용하는 215 길이를 가지는 PN 코드이다. 만일 기지국 마다 다른 PN 코드를 사용하면, 이동국이 기지국의 PN 코드를 일일이 재생하거나 모두 기억하기가 곤란하므로, 이동국이 기지국에 쉽게 접근할 수 있도록 하기 위하여 기지국에 사용하는 PN 코드는 모두 같은 코드를 사용한다. 현재 IS-95 방식에서는 이 PN 코드를 각 기지국 마다 발생하여 전송하는데, 각 기지국은 동일한 코드를 사용하지만 서로를 구별하기 위해 기지국 마다 일정한 간격으로 time shift 되어 발생시킨다. 즉 이동국에서는 각 기지국에서 오는 이 time shift 를 가지고 각각의 기지국을 구별한다. 이로서 이동국은 모든 위상에 대해서 한 번의 검색으로 가장 유력한 기지국과 시스템 동기를 맞출 수 있다.

현재 기지국용 PN 코드의 길이는 215 주기를 가지고 있으며, 이 215주기가 Walsh코드마다 시간오프셋을 가져야 하므로 215/64=512 하여, 시간오프셋은 512개가 존재한다. 이 512개의 시간오프셋을 각 기지국 마다 적당히 분배해야 하는데 인접기지국과의 시간오프셋 간섭을 고려하여 분배간격을 설정해야 한다. 이분배간격(PILOT-INC)은 기지국 사이의 거리, pilot 신호를 검출하기위한 C/I값, 경로손실 등에 의해서 결정되며, 대개 10 -12 사이의 값을 가진다. 따라서 실제로 인접기지국에 분배할 수 있는 시간오프셋수는 41 - 52 개 정도이므로, 이를 각각 기지국에 주파수 채널 할당과 비슷한 방법으로 적절히 할당해야 한다.

각 단말기용 PN 코드는 단말기 장치번호를 이용하여 242-1의 주기를 가진다. 이 주기는 약 41.125일 으로 매우 긴 주기를 가지고 있다. 이 Long 코드를 이용하여 각 이동국마다 비화특성을 얻을 수 있다.

♠ 전력제어

이동국과 기지국 거리에 따라 기지국에 수신되는 신호전력의 차가 매우 큰Near/Far 문제와 각 단말기별로 페이딩이 발생하는데, 이런 환경을 극복하고 가입자 수용용량을 최대화 하기 위해서는 역방향 링크에서, 매우 동작범위가 크고, 정교한 전력제어가 필요하다.

CDMA 시스템에서 용량을 최대화 하기위해서는 각 단말기의 신호가 기지국에 최소한의 신호대 잡음비를 가지고 수신되어야 한다. 단말기의 송신전력이 낮으면 통화품질이 낮아지고, 높으면 그 단말기의 통화품질은 좋아지나, 같은 채널을 사용하는 다른 단말기에 간섭을 크게주어 다른 가입자의 통화품질이 나빠진다.

따라서 모든 가입자가 양호한 통화품질을 유지하며 용량을 최대로 하기 위해서는 기지국에 수신되는 각 단말기의 수신전력이 같고, 그 크기가 최소한의 신호대 간섭비를 가지도록 각각의 단말기 송신전력을 제어하여야 한다.

역방향 링크 전력제어는 역방향 개방루프 전력제어와 역방향 폐쇄루프 전력제어가 있다.

단말기에서는 송수신부의 부정합, 주파수 대역이 달라져서 나타나는 상이한 페이딩 특성, 순방향과 역방향 채널의 차이점으로 인하여 역방향 채널의 경로 손실을 정확하게 예측할 수 없다. 이러한 오차를 수정하기 위하여 각 단말기는 기지국으로부터 순방향 채널로 전해지는 저속의 전력제어 명령에 의하여 출력을 조절한다.

기지국은 역방향 채널의 상태를 감시하여 오차수정 정보를 얻고 이를 정해진 값과 비교하여 그 결과에 따라서 출력을 높이거나 낮추도록 단말기에 명령을 내린다. 이런 방법으로 기지국은 모든 단말기의 역방향 채널의 전력을 조절하여 적절한 통화품질과 용량의 최대화를 동시에 만족시킨다.

역방향 개방루프 전력제어 각 단말기는 지정된 기지국 총 CDMA 채널의 총 수신전력을 측정한다. 복조된 신호를 사용하지 않고 전체전력을 감시하므로 동기시간, 기지국명, 경로손실 등을 모르는 상태에서 신속하게 추정할 수 있다.

단말기는 초기 탐색으로 아래와 같이 계산된 평균출력을 송신한다.

평균송신전력(dBm) = - 평균수신입력전력(dBm) - 76 + NOM_PWR - 16 × NOM_PWR_EXT + INIT_PWR  이어지는 접속탐색절차에서 송신은 상응하는 회신이 있을 때까지 출력을 증가시킨다.

현장시험결과에 의하면 탐색 절차의 평균횟수는 2회 미만 이었다. 이러한 과정을 거친 초기 역방향 통화채널의 평균 송신출력은 다음과 같다.

평균송신전력(dBm) = - 평균수신입력전력(dBm) - 76 + NOM_PWR - 16 × NOM_PWR_EXT + INIT_PWR + 접속을 위한 탐색수정값의 합계

역방향 통화채널의 송신 초기화 후에는 기지국으로 부터 출력제어 비트를 수신하면 폐쇠루프 전력제어로 전환한다. 역방향 통화채널의 평균 송신출력은 다음과 같다.

평균송신전력(dBm) = - 평균수신입력전력(dBm) - 76 + NOM_PWR - 16 × NOM_PWR_EXT + INIT_PWR + 접속을 위한 탐색수정값의 합계 + 폐쇄루프 출력제어 수정값의 합계 역방향 폐쇄루프 전력제어 전력제어 절차는 다음과 같다

◇1.25mS 마다 기지국에서 Eb/No 예측값 측정

◇정해진 한계 Eb/No 값과 비교

◇1.25mS 마다 단말기에 명령전송

한 개의 전력제어 비트에 대해서 평균출력의 변화량은 1dB 이다. 단말기는 개방루프 측정값의 ±24dB 이상의 범위로 폐쇄루프의 전력을 조정하며, 상한값은 최대출력에 의하여 결정된다.

순방향 채널의 전력제어

순방향 링크가 불량한 경우 기지국의 송신 출력을 증가시켜야 이 링크에 통화품질이 기준 이하로 떨어지지 않는다. 이러한 예로 단말기가 2개 내지 3개의 셀이 겹쳐진 셀경계지역에 있어 현재 통화중인 기지국과 인접 기지국과의 경로 손실이 비슷한 지역에 있을 경우(또는 통화채널이 페이딩에 의한 극심한 경로손실, 강한 간섭원이 존재 하는 곳 등), 이 단말기는 주변 다른 기지국에 의한 간섭으로 통화품질이 악화되어 기지국 송신전력을 높일 필요가 있다. 이와 반대로 단말기가 기지국 근처에 있어서 신호대 간섭비가 매우 좋은 지역에 있을 경우 그 통화 채널에 대해서 통화품질에 큰 영향이 없을 정도로 기지국의 송신 출력을 줄여 다른 단말기에 대한 간섭의 크기를 줄일 수 있다. 순방향의 출력 조절 범위는 ± 3 ~ 4 dB 이다.

순방향 채널에는 각각 7 비트의 디지틀 이득 표시가 있다.

■개방루프 전력제어

◇기지국은 접속시 단말기의 수신전력을 근거로 순방향 손실을 예측

◇예측값으로 각 통화채널의 초기 디지틀 이득을 조절한다.

◇기지국은 초기에 채널마다 기준 이득을 배정하고 있다.

■폐쇠루프 전력제어

◇단말기는 순방향 통화채널 프레임의 품질을 측정하여 주기적으로 기지국에 보고한다.

◇기지국은 이 값을 정해진 값과 비교한 후 순방향 통화채널의 출력을 조절한다.

◇단말기는 불량 프레임 수가 정해진 기준값을 초과하여 발생한 경우 자동적으로 이 값을 기지국에 보고하고, 기지국은 채널에 할당된 출력을 높인다.  ◇모든 단말기가 이러한 절차를 통하여 순방향 통화채널의 통화품질을 유지한다.

◇기지국은 전력증폭이 포화상태에 이르지 않도록 하는 별도의 기능이 있다.

♠ IS-95의 핸드오버

핸드오버란(Hand-over, 또는 Hand-off) 이동국이 서비스중인 기지국(또는 섹터) 영역을 벗어나 다른 기지국(또는 섹터)으로 이동을 할 때, 계속 통화를 유지하기 위해 통화로를 이동한 셀로 바꾸어주는 것을 말한다. 기존의 통화하던 회선을 먼저 끊은 뒤, 새로운 기지국으로 연결하는 방식인 하드 핸드오버(Hard Hand-over)를 지원하는 아날로그 방식과는 다르게 CDMA 방식에서는 동시에 두 개의 기지국(또는 섹터)과 통화로를 유지할 수 있는 기능인 소프트 핸드오버(Soft Hand-over)도 지원한다.

IS-95 방식에서는 이동국이 다른 교환국에 속해 있는 기지국으로 이동할 경우, 다른 주파수 채널로 통화 채널을 변경할 경우, 또 서로 다른 프레임 옵셋(Frame Offset)을 가지는 통화 채널로 변경할 경우에는 하드 핸드오버를 한다.

소프트 핸드오버는 동일 주파수, 동일 프레임 옵셋, 동일 교환기에 속해 있는 기지국 또는 섹터간에 핸드오버를 할 경우, 기존의 통화로를 그대로 유지하면서, 새로운 통화로를 지원하는 방식으로, CDMA의 레이크 수신 기능을 이용하여, 두 개의 통화로를 수용하게 된다. 특히 동일 기지국의 섹터간 소프트 핸드오버는 소프터 핸드오버(Softer Hand-over)라고 부른다.

이동국은 현재의 접속 가능한 CDMA 채널이 존재하는 지를 감지하기 위해서 이동국에서 수신 가능한 파일롯 채널을 탐색한다. 이동국이 파이롯 채널을 탐색할 때는 망이 가지고 있는 파라미터인 PILOT-INC 의 정수배에 해당하는 파이롯만  탐색을 한다. 이 PILOT-INC는 망을 설계할 때 각 기지국에 할당하는 시스팀 파라미터이다.

이러한 파이롯 채널 정보는 이동국에서 다음과 같은 리스트를 관리하게 된다.

● Active Set : 이동국에 할당된 순방향 트래픽 채널과 같은 기지국(섹터)의 파이롯

● Candidate Set : 현재 Active set은 아니지만 충분한 크기로 수신되는 파이롯

● Neighbor Set : 현재 Active나 Candidate set에는 없지만 candidate가 될 수 있는 파이롯

● Remaining Set : 현재 시스팀으로 위의 집합을 제외한 가능한 모든 파이롯

소프트 핸드오버는 <그림 2-19>에서 보여주고 있는 것처럼, 다음과 같은 절차에 의해서 수행이 된다.

가. 셀1에서 통화중

나. 셀2의 파이롯 채널의 세기가 T_ADD를 초과, 이동국은 파이롯 채널 측정 결과를 MSG에 전송

다. 기지국은 핸드오버 방향을 MSG에 전송

라. 이동국은 핸드오버 완료를 MSG에 전송

마. 셀1의 파이롯 세기가 T_DROP 이하로 내려가면, 이동국은 핸드오버 Drop Timer를 작동

바. 핸드오버 Drop Timer가 완료되면, 셀1과 절단

♠ CDMA 방식의 채널용량

(1) 단일셀의 채널용량 (전력제어가 잘 되어 있다고 가정)

CDMA 시스템에서 신호대 잡음비를 구하면 아래와 같다.

따라서 가입자수는 다음과 같다.

여기서 W/R은 확산이득이고, Eb/No는 신호를 복조하기 위한 비트당 에너지대 잡음비로 음성인 경우 대개 에러율이 10-3이상이 되는 값을 말한다. 대개 안테나 다이버스티와 우수한 채널코딩(길쌈부호:Convolution code)을 사용하면 Eb/No가 7dB 정도이다.

이를 살펴보면 CDMA 시스템에서 채널용량은 확산이득이 클수록 신호대 잡음비가 낮을수록 늘어난다는 것을 알 수 있다. 그러나 확산대역폭이 정해지고 필요한 음성품질을 얻기위한 보코더 속도가 정해지면 확산이득은 거의 정해지고, Eb/No 값을 줄이는 것도 변복조기와 채널코딩등 복잡성이 증가하여 효과적이지 못하다.

따라서 사용자수를 늘리기 위해서 간섭의 양을 줄이는 방법을 사용하고 있다. 간섭을 줄이기 위한 방법으로는 셀을 섹터화 하고, 음성 활동을 감시하여 음성이 없을 때는 전송을 하지 않는 방법을 적용하였다.

섹터화는 일반적으로 기지국 안테나를 지향성 안테나를 사용하는 방법인데 빔폭이 120도인 3개의 안테나를 사용하는 것이다. 그러면 위의 신호대 간섭비 식에서 (N-1) 대신 (N-1)/3을 적용하면 용량이 거의 3배가 되나 안테나 패턴이 서로 겹치고, 상호 섹터간 간섭에의하여 섹터화로 인한 용량증가는 2.55 (섹터화 효율이 85%) 정도이며, 6개의 섹터로 분할하는 경우 4.8 (섹터화 효율이 80%)정도이다.

여러 연구를 통하여 통화시간 중에 음성활동 부분은 35% - 40% 사이에 있는 것으로 알려져 있다.  따라서 (N-1) 대신 (N-1)×0.375(중간 정도의 음성활동율) 항으로 적용하면 된다. 그러나 섹터내 동시통화자 수가 평균통화자 수보다 많을 확율이 있기 때문에 이를 고려하면 이로인한 용량증가는 1/0.375 가 아니라 약 2배 정도이다.

(2) 다중셀 환경인 경우 채널용량

CDMA 시스템은 모든 셀에서 동일 주파수 대역을 재사용 할 수 있다. 이러한 장점은 결정적으로 CDMA 시스템이 다른 다중접속 방식보다 채널용량이 많게 하는 요인이다. TDMA나 FDMA 시스템은 주파수 재사용 계수가 3/9 또는 4/12 등이나 CDMA 시스템의 경우 모든 셀에서 주파수를 재사용하기 때문에 이론적으로 재사용 계수가 1 이나, 단일셀 용량과 비교하면 인접 기지국에 의하여 간섭이 증가하여 각 셀에서의 채널용량이 감소하기 때문에 다중셀에서 주파수 재사용 계수는 1.67 정도이다.

이를 적용하여 CDMA 시스템의 채널용량을 계산하는 식은 다음과 같이 주어진다.

확산속도 1.2288 Mbps, 음성데이터 속도 14.4 kbps(13 kbps 보코더)에 신호대 잡음비를 7 dB(5.0), 음성활동율 0.5, 3섹터로 가정하여 섹터화 효율은 2.55, 주파수 재사용 계수는 0.6을 적용하면 1.25 MHz 무선 주파수 채널에 대해서 셀당  채널용량은 아래와 같다

CDMA 시스템은 다른 무선접속 방식과는 달리 채널용량이 고정되어 있는 것이 아니라 이미 가입자가 포화 상태라 하더라도 새로운 가입자가 호를 시도하더라도 그 셀의 다른 가입자의 통화품질을 약간 희생하면 호가 접속될 수 있다. 따라서 호차단이 발생하는 채널수를 설정하기가 곤란하지만 통화품질을 어느정도 이상으로 확보해야 하므로 이로 인하여 채널수가 고정이 되고 이 때 결정된 채널수를 이용하여 무선망을 설계하는 것이 바람직하다.

CDMA 시스템에서는 소프트 핸드오버를 지원한다. 채널용량면에서 살펴보면 소프트 핸드오버를 하는 단말기는 채널을 2∼3개를 점유하므로 이에대한 채널을 추가로 고려하여야 한다. 현장 실험등에서 나타난 결과를 보면 전체 단말기중 약 50% 정도가 소프트 핸드오버중으로 나타났으나, 소프트 핸드오버를 결정하는 파라메타를 적절히 조절하면 이 비율을 30% 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 실제의 경우에는 35% 를 적용한다.

그러나 대도시 지역의 마이크로셀 환경에서는 셀반경이 작고, 형태가 복잡하고, 무선채널의 특성도 변화가 심하여 소프트 핸드오버 비율이 더 높아질 것으로 예상되고 3채널 이상 점유하는 소프트 핸드오버중에 있는 단말기의 비율도 무시하지 못할 정도로 높을 가능성이 있다.

소프트 핸드오버 비율 35%를 적용하면 무선주파수 채널 하나의 셀당 음성채널수는 아래와 같다.

총대역폭을 10 MHz라 하면 7개의 CDMA 채널을 확보할 수 있으므로 셀당 채널수는 3 섹터인 경우 셀당 266개 이다. 여기서 적용한 채널수는 전력제어가 완벽하고, 다른 간섭을 고려하지 않은 채널수이다. 따라서 CDMA 시스템에서는 실제로 서비스를 제공하고 망을 운영하여야 전력제어와 다른 간섭원에 의한 채널 감소영향 까지 고려한 채널수를 파악할 수 있을 것이다.

TDMA

♠ 디지틀화

디지틀 신호란 신호의 크기가 연속적인 값을 가지지 않고 '0'과 '1'만 가지는 신호를 말한다. 이러한 디지틀 신호는 '0'과 '1'만 구별하면 되므로 신호전송에 있어서 잡음에 강한 특성을 보인다. 아날로그 신호는 샘플링과 양자화 과정을 거치면 디지틀 신호로 변환할 수 있는데 음성신호를 디지틀 신호로 변환한 대표적인 예가 PCM(Pulse Code Modulation) 이다. PCM은 음성신호를 1초에 8000번 샘플링하여 각 샘플링한 값을 8bit의 디지틀 신호로 변환, 64kbps 디지틀 신호로 만든 것이다.

아날로그 신호를 디지틀화 하기 위해서는 일정한 간격으로 샘플링을 해야 한다. 이러한 샘플링 간격은 아날로그 신호의 대역폭에 따라 결정된다. 아날로그 신호의 대역폭과 샘플링 속도와의 관계를 나이퀴스트(Nyquist) 샘플링 주파수라 하여 아날로그 신호 주파수 대역폭의 두 배가 되는 주파수로, 이 주파수보다 더 높은 속도로 샘플링을 해야 원래의 아날로그 신호를 복구할 수 있다. 음성신호의 경우 신호대역이 300 ~ 3400 Hz 이므로, 이를 4000Hz까지로 보고 4000Hz의 두 배인 8000Hz로 샘플링 하면 원래 아날로그 신호정보를 잃어버리지 않고 샘플링할 수 있는 것이다.

샘플링된 신호를 양자화 과정을 거친 후 디지틀 신호로 만들면 원래의 신호보다 훨씬 넓은 대역폭을 가지는 디지틀 신호가 된다. (예를 들어 음성신호 대역폭은 300 ~ 3400Hz이지만 PCM 신호인 디지틀화된 음성신호는 최소 64kHz이상의 대역폭을 가진다.)

이와 같이 디지틀 신호는 주파수 대역만 살펴보면 효율이 떨어지지만 전송이나 보관시 데이터가 잡음에 강하고 디지틀 신호를 처리하는 기술(데이터 압축, 필터링 등)이 발달함에 따라서 점점 더 적은 비트수를 가지고 음성신호를 재생할 수 있다. 음성신호의 경우 PCM은 64kbps 이지만 이를 압축하면 8kbps 이하로도 데이터 양을 줄일수 있다. 이와 같은 기술을 이용하여 이동통신에서 무선구간 전송에 디지틀 방식을 사용하는 것이다. 이러한 데이터 압축기술이 없었다면 PCM 신호인 64kbps 의 속도를 가진 신호를 무선접속방식에 적용하기는 주파수 효율이 너무 낮아서 매우 곤란했을 것이다.

기본이론

이러한 디지틀 신호 여러 개를 동시에 전송하는 방법으로 이미 TDM (Time Division Multiplex) 방식이 사용되고 있다. 이 TDM방식과 같은 개념을 적용한 것이 TDMA 기술이다, 이는 정해진 주파수 대역(대개 FDMA 방식의 채널 대역보다 훨씬 넓다.)을 주기적으로 일정한 시간간격으로 나누어서 각 사용자가 차례대로 자기에게 할당된 시간동안 자기신호를 전송하는 것이다. 수신하는 쪽에서는 역시 자기시간에 해당하는 동안만 수신정보를 수집하는 방식이다. 이러한 시간 간격을 타임슬롯(time slot)이라 하며 자기 정보를 수신하기 위하여 타임 게이트(Time Gate)를 사용한다. 즉 어떤 전송채널에 보낼 수 있는 총 데이터 속도가 100 kbps라면 음성신호의 경우 대개 20kbps 내외의 전송속도가 필요하므로 이 100kbps 신호속도에 20kbps 신호 5 개를 실어서 보낼 수 있다. 이때 100kbps 신호에 20kbps 신호를 차례로 5 개 보내고 다시 다음에 5 개를 보내는 것이다. 각 사용자 입장에서 보면 이것은 자기가 통화하는데 필요한 20kbps 신호만을 송수신하는 것이지만 무선채널을 사용할 때는 100kbps 채널을 총 5 개의 타임슬롯으로 나누어서 각 사용자는 각각 하나의 타임슬롯을 점유하여 데이터를 전송하는 것이다.

TDMA 방식에서 각 음성채널은 바로 이 타임슬롯이다. 음성채널수를 늘리기 위해서는 이 타임슬롯을 늘려야 하는데 타임슬롯을 늘리면 각 전송채널도 역시 넓어져야 하므로 RF 전송채널 대역폭과 타임슬롯수를 적절하게 결정해야 한다. 현재 디지틀 방식 이동전화의 대표적인 GSM 방식은 전송채널 대역폭이 200kHz로 타임슬롯수는 8 개이다.

이를 디지틀 방식과 비교해 보면 디지틀 방식은 요구되는 신호대 잡음비가 약 6dB-7dB 이고, 이로 인하여 주파수 재사용 계수를 4 또는 3 정도까지 줄일 수 있어, 이미 여기서 가입자 수용용량이 약 2배 가량 증가한다.

FDMA

♠ FDMA 방식의 기본 개념

통신망을 통해 전달되는 데이터중 가장 많은 양을 차지하는 것이 음성일것이다. 사람의 음성을 전달하는데 필요한 최소한의 주파수 대역폭은 300 ~ 3400 Hz로 알려져 있다. 이러한 음성 신호를 전기적인 신호로 변환하여, 통신망을 통해서 다른 곳으로 전달하기 위해서는 음성 신호를 전송하기에 적합한 전기적인 신호로 바꾸어 주고, 수신하는 쪽에서 이를 다시 음성 신호로 역변환을 하게 된다.

통신망에서 사용하는 전송 시스팀의 특성을 살펴보면, 전송 가능한 주파수 대역이 음성 대역폭 보다는 월등히 크고, 훨씬 높은 주파수까지도 전송할 수 있다. 이런 전송로는 단 한 사람의 통신을 위해서만 사용하는 것은 경제으로나 시설 운용면에서 매우 좋지 않다. 따라서 현재 대개의 통신망에서는 하나의 전송로를 이용하여 동시에 여러 사람의 데이타를 보내기 위한 기술이 적용되어 있으며, 이를 다중화 방법이라 한다.

다중화 방법중에 가장 쉽게 생각 할 수 있는 방법이 전송로가 가지는 주파수 대역폭을 전송신호 대역폭 단위, 즉 채널로 분할하고, 각 신호를 서로 다른 채널로 전송하는 방법을 주파수 분할 다중화라 한다.

만일 전송 신호가 디지틀 신호이면, 각 채널을 사용하는 시간을 나누어서 다중화 하는 시분할 다중화 방법을 사용할 수 있다.

이를 이동통신 환경에 적용하여 보면, 각 가입자는 전자파를 이용하여, 기지국과 연결되므로, 공기중을 전파하는 전자파가 전송로 이고, 이 전송로 중에 사용 가능한 주파수 대역폭이 있으므로, 이 제한된 주파수를 사용하여 가급적 많은 사람이 동시에 통화할 수 있도록 하는 것이므로, 기지국과 가입자의 접속 방법인 무선 접속 방식은 다중화 방법과 동일한 개념이라는 것을 알 수 있다.

방식	주파수대역		변조방법	채널 대역폭	클러스터 크기	핸드오버
	하향	상향
AMPS 869-894 824-849 FM ±12kHz 30 kHz 7, 12 C/N at BS
NMT 935-960 890-915 FM ±4.7kHz 25 kHz 7 C/N at BS
TACS 935-950 890-905 FM ±9.5kHz 25 kHz 7,12 C/N at BS
JTACS 925-940 870-885 FM ±5kHz 25 kHz 14 C/I

주파수 분할 무선 접속방식(FDMA)은 주파수 분할 다중화 방법을 이동통신망의 기지국과 단말기 사이에 적용한 것으로, 사업자에 할당된 주파수를 통신에 필요한 최소한의 주파수 대역으로 잘게 나눈 뒤에 이를 각 가입자에게 할당하는 방식이다.

현재 FDMA 방식에서 사용하는 통화채널의 대역폭은 20kHz - 30kHz정도이다. 이는 실제 음성 대역폭 4 kHz 보다는 훨씬 큰 대역폭임을 알 수 있다. 이는 음성 신호를 그대로 사용하면, 무선 구간에서 음성 품질이 너무 떨어지기 때문에 음성 품질을 어느 정도 유지하기 위하여 음성 신호를 먼저 잡음에 강한 FM 변조를 한 후에 FM 변조된 신호로 기지국과 단말기 사이의 통신을 한다.

이론적으로 FM 변조는 광대역으로 변조할 수록 잡음에 강한 특성을 보인다. 그러나 음성 품질을 높이기 위해서 FM 변조 대역폭을 넓게 하면, 통화 채널이 줄어들기 때문에 음성 품질과 통화 채널수를 적절히 조정하여 FM 변조 대역폭을 결정하여야 한다.

또한 이동전화 환경은 통화 채널이 받는 간섭 및 잡음이 주로 인근에서 사용하는 동일 채널에서 부터 오는 간섭이 대부분을 차지하는 간섭에 의해 통화 품질이 제한되는 환경이다. 따라서 통신 시스팀에서 신호를 복구하는데 장애가 되는 가장 큰 원인은 인접 셀에서 사용하는 동일 채널 간섭이기 때문에 이를 적절히 제어하기 위해서는 동일 채널을 사용하는 셀 사이의 거리를 적당히 멀게 유지해야 한다. 이는 주파수 재사용 계수를 의미하는 것으로 간섭에 약한 시스팀은 주파수 재사용 계수를 크게하여 셀 간 상호 간섭을 줄여야 하고, 간섭에 강한 시스팀은 셀 간 사이를 줄일 수 있어, 주파수 재사용 계수를 줄일 수 있다. 즉 간섭에 강한 시스팀이 주파수 재사용 계수를 줄임으로서 더 많은 단위 면적당 통화 채널을 확보할 수 있는 것이다. 즉, 적정한 통화 품질을 얻기 위한 적정 신호대 잡음비는 이동 전화 환경에서는 셀 간 최대 간섭량, 즉 주파수 재사용 계수를 결정하는 파라미터임을 알 수 있다.

현재 아날로그 방식의 이동전화에 사용하는 FM 변조 방식은 적정한 통화품질을 유지하기 위한 신호대 잡읍비가 약 18 dB 이상 되어야 하기 때문에, 주파수 재사용 계수 7을 가장 보편적으로 사용하고 있다.

이 경우 신호대 간섭비를 계산해 보자. 먼저 거리에 따른 전자파 감쇄율을 거리에 4승에 반비례 한다고 가정하고, 주파수 재사용 계수가 7인 경우에 인접에 있는 셀에서만 간섭이 온다고 하면, 인접 셀이 주파수 재사용 계수가 7 이므로 가장 가까운 거리에 있는 6개의 동일 채널을 사용하는 셀을 고려하여, 신호대 갑섭비를 계산하면 다음과 같다.

[eqn: { C} over {I }&=& { C} over {6 I_o }= { R^-4} over {6 D^-4 } = { 1} over {6 } ( {D } over {R } )^4 = { 1} over {6 } ( SQRT { 3 N} )^4 |_N=7 # &=& { 1} over {6 } 4.58^4 =75.3=18.66dB]

where

[eqn: N ~:~ cluster size]

그림 . cluster size(N)=7일 때 동일 셀들의 first tier 구성도

신호대 갑섭비가 18dB로 되어 아날로그 방식에서 주파수 재사용 계수가 7 이 타당함을 알 수 있다.

신호대 잡음비는 주파수 재사용 계수 뿐만 아니라 셀의 소형화에도 한계 요인으로 작용한다. 특정지역에서 통화가 많은 경우 이 지역을 주어진 주파수 대역으로 충분한 통화채널을 확보하기 위해서는 셀의 반경을 줄여야 하는데, 셀의 반경이 줄어들면 주변의 지형 지물에 의한 영향이 커져서 셀의 모양이 매우 불규칙해져 아메바와 같은 셀형태를 가지게 된다. 이렇게 셀형태가 불규칙하기 때문에 셀 상호간의 간섭을 주파수 재사용 계수로 제어하는 것이 불가능해진다. 따라서 셀 반경을 무작정 줄일 수 없어, 아날로그 방식인 경우 마이크로셀을 구성하는데 많은 문제가 있다. 즉 개인통신(PCS) 서비스를 위해서 아날로그 방식의 이동 전화 기술을 사용하는 것은 거의 불가능 하다는 이야기 이다.

채널용량

[eqn: M= { 1250} over {30 } { 1} over {7 } SIMEQ 6 users/cell]

where

[eqn: M ~:~ 채널용량]

IMT 2000망 시대 눈앞

21세기의 정보통신서비스의 목표는 언제, 어디서나, 누구와도, 어떠한 서비스든 통신이 가능하게 하는 것이다. 따라서 기존의 다양한 유선망과 무선망, 전화망과 데이터망으로 혼재된 통신망은 제한없는 서비스의 연속성과 무제한의 정보전달 능력을 갖는 단말기의 이동성을 함께 제공하는 단일망 개념으로 통합될 것이다.

유선망이 일반전화망(PSTN)과 종합정보통신망(ISDN)을 거쳐 비동기전송방식(ATM)의 광대역 종합정보통신망(B-ISDN)으로 발전함에 따라 무선 이동망도 음성급 서비스 위주의 디지털 휴대폰과 개인휴대통신(PCS)를 거쳐 고속데이터, 패킷, 영상 등의 멀티미디어 서비스를 지원할 수 있는 IMT2000망(차세대 이동통신:International Mobile Telecommunication) 으로 진화할 것이다. 이러한IMT2000망은 사용자 정보대역폭의 가변성과 핸드오버 등 효율적인 이동성 처리를 위해 무선부분의 각종 소요기술 개발과 더불어 ATM 전달모드의 도입이 필요하며 유선과 동등한 API(Application Program Interface)를 사용하면서 단말기의 이동성을 제공할 것이다.

IMT2000망 구조는 고정망에서 제공하는 수준의 서비스를 이동망에서도 제공함을 목표로 하고있으므로 이용자 요구에 따라 서비스를 신속하고 경제적으로 제공하기 위한 목적으로 하부망의 종류에 무관하게 서비스가 가능하도록 설계된 차세대지능망(AIN:Advanced Intelligent Network)을 기반으로 설계되고 있으며, 서비스 목표는 단일 단말기로 가능한 국제로밍 서비스와 육상, 해상, 항공 등 전방위 이동통신 서비스 외에 멀티미디어 서비스 (매크로셀 환경에서는 144kbps이하, 마이크로셀 환경에서는 384kbps 이하, 피코셀 환경에서는 2Mbps 이하) 등을 제공하는 것으로 정의되고 있다.

국제전기통신연합 전기통신부문(ITU-T)과 무선통신부문(ITU-R)에서는 세계표준에 의한 이동통신시스템을 제작한다는 취지로 IMT2000에 대한 연구를 지난 78년에 시작한 이래로 85년부터는 작업반을 편성해 본격적인 표준화 작업을 추진해 왔다. 이같은 작업의 결과로 92년 세계전파주관청회의(WARC 92)에서는 2□대역에서 총 2백30□를 IMT2000대역으로 결정했다. 현재 ITU는 99년말까지 모든 표준규격을 공포할 계획으로 보다 세부적인 표준화가 추진중에 있다.

국가별로 표준화 동향을 살펴보면 미국은 기본적으로 PCS시스템을 진화시켜 IMT2000 시스템을 구현한다는 전략이며 CDG(CDMA Development Group:모토롤러,루슨트테크놀로지, 퀄컴, 노텔 등)를 중심으로 동기식 광대역 CDMA(W-CDMA)로 표준화를 추진중이다.

유럽은 통신과 환경을 포함하는 프로젝트인 RACE(R&D in Advanced Communications Technologies and Service)연구의 한 분야로 UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)를 연구 개발중이며 기존 유럽 표준이동통신방식인 GSM을 발전시킨 A-TDMA방식(지멘스, 알카텔 등 11개사)과 비동기식 W-CDMA방식(에릭슨, 노키아, BT, IBM, 필립스 등)으로 추진하고 있다. 또 일본은 PDC(Personal Digital Celluler)의 해외 보급실패에 대한 대안 및 자국내 이동통신대역 부족현상을 타개하기 위해 IMT2000을 적극 추진중이고 비동기식 W-CDMA방식과 동기식 W-CDMA방식이 현재 경합중에 있다.

우리나라는 기반기술을 다변화하고 시스템 수출과 로열티 협상에 대처하기 위해 복수 표준으로 추진할 계획이며 동기식 CDMA방식은 정부, 통신사업자, 제조업체의 지분출자에 의한 공동연구를 한국전자통신연구원(ETRI) 주관으로 추진하고 비동기 CDMA방식은 한국정보통신기술협회(TTA)에 비동기식 연구개발관리단을 설치하여 추진할 계획이다.  정부는 특히 이 분야의 기술자립을 위하여 시스템 상용화 못지 않게 부품의 국산화가 중요하다는 판단아래 개발과정에 가능한 많은 부품업체를 참여시켜 상용화 단계인 오는 2000년초까지 부품의 국산화율을 최대한 끌어 올릴 계획이다.  앞에서 살펴 보았듯이 각 지역별로, 각 국가별로 표준규격을 연구 개발하고 있으나 결국 IMT-2000 표준규격은 단일표준을 염두에 두고 있던 ITU의 당초 취지와는 달리 여러나라의 전략적 제휴를 통하여 2∼3개의 표준규격이 권고될 것으로 예상된다.

향후 정보통신은 유무선 통합 및 멀티미디어화의 진전에 따른 이용자 단말기의 다기능 복합화로 정보, 통신, 방송 서비스간의 경쟁이 본격화해 경제적인 IMT2000망의 구축을 통한 국가 경쟁력 확보 및 국민의 편익 제고가 중요한 이슈가 될 것이다.  따라서 이러한 점을 감안, 우리는 현재 추진하고 있는 초고속정보통신망의 구축시 유무선 ATM 교환기를 사용하고 가입자망을 유무선으로 다원화하여 매체간의 시너지효과를 극대화함으로써 구축비용의 절감을 유도해야 한다. 또 완전한 범용개인휴대통신(UPT) 서비스를 제공하여 망의 외부성(Network Externality)을 확대하는 방안도 적극 고려해야 할 것이다.

이와 함께 IMT2000의 상용화 이전에 시장규모에 대한 정확한 조사가 선행되어 국가적인 자원의 손실을 최소화하는 지혜가 필요할 때이다.