1. 개 요
다중접속과 다중화
단말기를 통해 음성과 같은 소리 또는 사진과 같은 영상 정보를 상대방에게 전달하기 위해서는 원래의 정보를 높은 주파수로 바꾸어(변조) 안테나를 통해 전송해야 한다. 그런데 여러 단말기가 변조하여 전송한 신호들은 동일한 공간을 함께 사용하고 있으므로 서로의 전송 신호를 구분할 수 있어야 한다. 전송신호를 구분하는 방법으로는 시간을 나누어 사용하거나 주파수를 나누어 사용해야 한다. 그리고 시간과 주파수를 함께 사용하는 방법도 있을 수 있다. 또한 여러 단말기의 신호가 기지국의 제한된 전송 채널을 이용하기 위해서는 효율적으로 공유해야 한다. 이와 같이 단말기들이 서로 구분되는 식별자를 가지고 기지국에 접속하여 정해진 시간 또는 주파수를 할당 받아 통신을 하게 되는데 이러한 과정을 다중접속(Multiple Access)이라고 한다.
반면 기지국에서 단말기로 각각의 단말기가 인식할 수 있는 여러 개의 신호를 각각의 구별되는 식별자를 붙여 한 번에 전송하는 것은 다중화(Multiplexing)라고 한다. 다중화는 한정된 전송선로에서 얼마나 많은 채널을 동시에 공유하도록 하는가가 관건이 된다.
정리하면 단말기에서 기지국으로 전송할 때(Forward Link) 통신자원을 효율적으로 공유하는 것은 다중접속 방식이고, 기지국에서 단말기로 전송할 때(Reverse Link) 한정된 통신자원을 얼마나 많이 공유하는가는 다중화 방식이라고 한다. 여러 단말기가 시간과 주파수의 통신 자원을 나누어 사용하는 다중 접속과 다중화의 방법은 표 2-1과 같다.
표 2-1 통신 자원 할당 방법
FTMA / TDMA / CDMA / SDMA
최초의 아날로그 셀룰러 이동통신 시스템에서는 각 사용자가 서로 다른 주파수를 이용하는 FDMA 방식이 이용되었다. 그러나 제한된 주파수 대역에서 아날로그 방식의 이동통신 시스템이 제공할 수 있는 수용 용량은 포화 상태에 이르렀으며, 디지털 기술의 발전과 함께 각 사용자가 시간으로 나누어 사용하는 TDMA 방식과 시간과 주파수를 함께 나누어 사용하는 CDMA 방식을 이용하게 되었다.
TDMA 방식은 하나의 반송파를 여러 사용자가 공유하여 사용하되, 시간 축을 여러 개의 시간 구간으로 나누어서 각자 자기에게 할당된 시간 구간을 다른 사용자의 시간 구간과 겹치지 않도록 하는 다중 통신 방식으로서 미국, 유럽 그리고 일본에서 실용화되었다.
CDMA 방식은 여러 사용자가 주파수와 시간을 공유하면서 각 사용자에게 PN 시퀀스(Pseudo Noise Sequence)를 할당하여 각 사용자는 송신 신호를 확산(Spreading)해 전송하고 수신부에서는 송신 측에서 사용한 것과 동일한 PN 시퀀스를 발생시켜 동기를 맞추고 수신된 신호를 역 확산(Despreading)하여 신호를 복원하는 방식으로 그 특성상 군사용으로 많이 이용되어 왔다.
그림 2-1 다중접속 방식의 종류
한편 위성통신에서 많이 이용되는 SDMA(Space Division Multiple Access) 방식이 있는데 이것은 앞에서 설명한 다중접속 방식들이 동일한 공간에서 시간과 주파수의 통신자원을 할당하는 방식과는 다르게 주파수와 시간이 지역적으로 겹치지 않도록 여러 개의 빔을 이용하는 방식이다. 즉, 하나의 위성 안에 여러 개의 빔을 지역별로 나누어 전송함으로써 다중빔 주파수 재사용(Multi-Beam Frequency Reuse)을 하게 된다.
2. FDMA/FDM
FDMA/FDM 방식은, 이용한 변조 시간과 주파수 대역의 공간에서 시간은 고정시키고 주파수만을 분할하여 각각을 채널로 사용하는 방식이다. 여기서 한 채널은 각각 전력이 집중되어 있는 비교적 좁은 대역으로, 서로 다른 사용자 신호는 각기 다른 채널을 할당받게 된다. 수신 측에서는 대역 통과 필터를 거친 신호만을 통과시키므로 상호 간섭을 제한할 수 있다. FDM 방식은 북미에서 이용한 SSB 방식의 AM 변조에 기반한 FDM 전화 시스템에서 확인할 수 있는데 하나의 전화에 4kHz를 할당하고 12채널을 하나의 그룹으로 묶고(48kHz), 단계적으로 5개(240kHz), 10개(2.52MHz), 6개(16.984MHz)를 묶어 전송하였다.
FDMA/FDM 방식은 아날로그 방식의 이동통신에서도 주로 사용되었는데 이동통신시스템을 운영하는 사업자는 할당된 주파수를 통신에 필요한 최소한의 주파수 대역으로 나누어 이를 각 가입자에게 할당한다.
순방향링크에서는 기지국이 여러 단말기에게 각각 다른 반송파를 선택하여 변조한다. 각각의 변조 신호들은 하나의 합성신호로 합쳐져서 그림의 빗금 친 부분과 같이 넓은 대역을 갖는 하나의 아날로그 신호가 되어 전송된다. 반면 역방향링크에서는 하나의 단말기가 음성채널 대역폭인 4kHz보다 넓은 12.5~30kHz 주파수 대역폭을 이용해 기지국으로 신호를 전송한다. 이때 단말기 간 상호 간섭을 방지하기 위해 보호대역(Guard Band)를 설정한다.
FDMA/FDM 방식에서 FM 변조의 주파수 대역폭을 넓혀 음성 품질을 높일 수 있지만, 통화채널이 줄게 되므로 음성채널의 주파수 대역폭을 적절하게 조정해야 한다. FM 변조 방식의 적정한 통화품질을 유지하기 위해서는 신호 대 잡음비가 약 18dB 이상 되어야 하기 때문에 주파수 재사용 계수 7을 가장 보편적으로 사용한다.
그림 2-2 FDMA/FDM
3. TDMA/TDM
일반 아날로그 신호를 펄스로 디지털 신호를 만드는 경우 시간 축 상에서 일부 시간만 활용되고 많은 부분이 정보가 없는 상태로 전송된다. 따라서 비어 있는 시간에 신호를 전송하기 위해 여러 신호에 시간의 차이를 두어 하나의 통신시스템으로 동시에 전송할 수 있는데 이것이 TDMA 방식의 원리이다. 그런데 이것은 신호를 전송하기 전에 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 것을 전제로 한다.
TDMA/TDM 방식은 주파수를 고정시키고 시간만을 분할하여 각각의 채널로 사용하는 방식으로 하나의 프레임을 구성하는 한 주기에서의 일련의 시간 간격들 중 한 Slot이 하나의 채널에 대응되며 주어진 신호의 총 에너지가 한 시간의 Slot 안에 집중된다. 인접 채널 간 간섭은 적합한 시간에 수신된 신호의 에너지만 통과시키는 Time Gate에 의해서 제한된다. TDMA 방식에서 요구되는 신호 대 잡음 비는 약 7~8dB이고, 이로 인하여 주파수 재사용 계수를 3~4까지 줄일 수 있어 가입자 수용용량이 약 3배 정도 증가한다.
TDM은 하나의 무선 송신기에서 여러 명의 사용자들이 전송할 데이터를 각각의 사용자들에게 할당된 시간 슬롯을 이용하여 하나의 반송파를 통해 송신하고, 수신기에서는 자신에게 할당된 시간 구간의 신호만 골라내어 수신하는 방식이며, TDMA는 여러 사용자가 자신의 송신기를 통해 하나의 반송파를 이용하여 자기의 시간 슬롯 내에서 신호를 전송하는 방식이다. 셀룰러 시스템의 경우 기지국에서 각 단말기에게 신호를 전송하는 순방향 링크에서는 TDM이 사용되고 각각의 단말기가 기지국으로 전송하는 역방향 링크에서는 TDMA가 사용된다.
그림 2-3 TDMA/TDM
* TDMA/TDM 시스템의 주요 특징
- 하나의 반송파에 여러 채널을 공유한다.
- 특정 시간에만 신호가 발생하는 버스트 형태로 신호를 전송한다.
- 반송파의 이격이 다양하여 TDMA 시스템의 대역폭도 다양하다.
- 데이터의 전송속도가 높아지면 심볼 간 간섭이 높아진다.
- TDMA 시스템은 동기가 필수적인데 정확한 동기를 위해 슬롯 간 보호시간을 포함하여 많은 송신 데이터를 이용한다.
- 시간으로 송수신으로 나누어 사용하므로 주파수를 송수신용으로 각각 사용하지 않아도 된다.
- FDMA와 비교하여 전력 효율이 좋다.
4. CDMA(Code Division Multiple Access)
CDMA 방식은 1950년대에 정립되어 무선통신의 보안 목적으로 1960년대에 군 통신에서 사용하기 시작했다. 기존의 아날로그 및 여타 디지털 시스템이 할당된 주파수를 협대역 채널로 나눈 후 채널당 하나 또는 복수의 통화가 이루어지도록 한 것과는 달리, CDMA는 광대역 주파수 확산기술을 바탕으로 셀룰러 주파수의 전 채널에 걸쳐 다수의 통화가 가능하도록 설계되었다. 즉, 여러 사용자가 동일한 주파수를 동시에 사용하고 채널은 코드로 구분된다.
데이터는 서로 다른 코드가 더해져 넓은 주파수 대역폭으로 확산된 후 송신하고, 수신 측에서는 송신 측에서 사용했던 동일한 코드를 이용하여 자신에게 보내 온 데이터를 구별한다. CDMA 방식은 이를 위해 각각의 음성 및 데이터 호(Call)를 동일한 주파수 스펙트럼 내에서 동시에 전송되는 다수의 호와 구별시키기 위해 PN(Pseudo Noise)코드라고 불리는 고유한 코드를 부여한다. 이 경우 수신기가 올바른 코드 번호만 유지하고 있다면 모든 호 가운데 원하는 호만을 선택, 접속함으로써 통화가 이루어지게 된다.
예를 들어 여러 나라 사람들로 북적거리는 매우 혼잡한 식당 또는 기타 장소에서도 다른 사람들의 대화에 구애받지 않고 자신들의 모국어로 대화할 수 있는 상황과 유사하다. 즉 아무리 많은 사람들이 서로 다른 언어로 대화를 한다 할지라도 같은 언어를 사용하는 사람들끼리는 서로의 의사를 충분히 확인할 수 있는 이치와 같다.
그림 2-4 주파수 대역 확산의 기본원리
그림 2-4에서는 CDMA의 대역확산을 이용한 통신기술의 형태를 볼 수 있다. 먼저 송신 데이터에 확산코드 ‘10110100101’을 곱해준다(수학적으로는 Exclusive OR). 이 확산신호를 전자파에 실어서 송신을 하고, 수신 쪽에서는 이 확산신호에 다시 송신 쪽에서 사용한 동일한 확산 코드를 곱해주면, 원래 송신하고자 했던 데이터와 동일한 수신 데이터를 얻을 수 있다. 그러나 수신된 확산신호에 송신 데이터에 사용한 확산코드와 다른 확산코드를 곱해 주면 수신한 원래의 데이터를 복구할 수 없다. 또한 확산코드를 곱해주는 시간이 맞지 않으면 마치 다른 확산코드를 곱해주는 것과 같으므로, 확산코드가 시작하는 시간까지 맞아야 한다. 따라서 사전에 미리 확산코드와 시작 시간을 모르는 사람은 데이터를 복구할 수 없고, 확산코드 신호와 시작 시간을 알고 있는 사람만 데이터를 복구할 수 있기 때문에 당연히 높은 보안 특성을 가진다.
확산코드는 송신 데이터와 아무런 관계도 없으며 확산코드를 추정하기 곤란하게 거의 잡음과 같은 PN(Pseudo Noise) 시퀀스 신호를 곱해주며, 이 코드는 거의 무한하게 만들 수 있기 때문에 임의의 확산코드를 쉽게 추정할 수 없다.
CDMA 방식은 페이딩에 강한 특성을 보인다. CDMA 방식에서 확산된 신호의 주파수 대역폭은 수 MHz에 이른다. 그러나 이동통신 환경에서 많이 나타나는 다중경로에 의한 페이딩은 200kHz 내외의 좁은 대역에서 일어난다. 따라서 페이딩이 발생하더라도 신호의 크기가 전체적으로 줄지 않고 일부만 페이딩이 되어 주파수 다이버시티를 적용한 것처럼 페이딩에 강한 특징을 나타낸다.
CDMA 방식의 특징을 요약하면, 첫째로 확산코드를 이용해서 대역확산을 하므로 보안 특성이 매우 우수하다는 것이고, 둘째는 확산과 역 확산 과정을 거치기 때문에 외부의 협 대역 간섭에 매우 강한다는 것, 셋째로 주파수 대역이 넓어서 주파수 다이버시티 효과를 얻을 수 있어서 페이딩에 강하다는 것으로 요약할 수 있다. |
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