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" CDMA " <-- 각 파트별 개요


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Tel :   02)908-0540

  담당자 : 강완신

 

 

 CDMA와 PCS

 

CDMA 개요
다중접속기술과 CDMA
다중접속기술의 종류
CDMA의 과거 현재 미래
CDMA란 무엇인가?
CDMA 시스템의 구성
CDMA의 출현 배경
CDMA의 기본 특성
CDMA의 장점
CDMA의 채널 용량
IS-95 시스템의 일반 특성
IS-95의 전력제어
CDMA의 채널
IS-95의 채널 구조(1)
IS-95의 채널 구조(2)
IS-95의 핸드오프
Rake 수신기
Walsh Code
Convolution Encoder/Symbol Repeater/Block Interleaver
Walsh 코드와 PN 코드
근거리 원거리 문제
대역확산 통신 방식
확산 이득
확산 코드
셀룰러와 PCS 비교
PCS 개요
PCS와 셀룰러 비교
PCS의 개념
PCS의 이해
HDR 개요
HDR 기술 개요 및 특징
1XTREME 개요
IS-95B 개요
IS-95C 개념과 특징

 

CDMA 개요

 

1.       CDMA 개요

1) CDMA란 무엇인가?

미국 퀄컴사가 주파수 대역확산 기술을 응용하여 개발한 부호분할 다중접속 방식의 디지탈 셀룰라 시스템으로 여러 사용자가 시간과 주파수를 공유하면서 신호를 송수신할 수 있는 시스템이다.
TDMA 방식은 사용자가 동시에 말한 것을 기계적으로 시간을 구분하는 것이기 때문에 완전한 동시 사용이라고 할수 없지만 CDMA 방식은 여러 사용자가 동일한 주파수를 동시에 사용하므로 가입자 수용 용량을 그만큼 늘릴수 있다.
CDMA 방식의 디지탈 이동전화 시스템의 상용화 기술은 최근에 나온 기술이지만 CDMA 이론은 1950년대에 이미 정립되었고 1960년대부터는 군통신에서 사용하고 있다. 군통신은 무엇보다도 도청 방지가 중요한데 CDMA 방식의 기술적 근간이 되는 대역확산(Spread Spectrum) 기술이 군통신의 도청 방지에 적용되었던 것이다.

2) CDMA 방식의 특징

i) 대용량이다.
동일한 주파수를 많은 셀에서 사용할 수 있으며 타방식보다 간섭이 적고 통화자가 침묵하고 있는 시간동안 전송을 중지함으로써 아날로그 방식보다 수용 용량을 10배 이상 높일수 있다.

ii) 고품질의 서비스 제공이 가능하다.
아날로그 방식에서는 다중 경로로 들어오는 신호들이 통화에 상당히 나쁜 영향을 미친다. 그러나 CDMA에서는 이러한 다중 경로 신호를 각각 분리하여 양호한 신호를 선택 사용하므로 아날로그 방식보다 품질이 우수하고 핸드오프시 통화의 절단이 없는 소프트 핸드오프 방식을 사용하므로 통신의 품질이 양호하다.

iii) 보안성이 탁월하다.
아날로그 신호의 디지탈화에 따른 암호화, 광대역 방식에 따른 도청의 한계, 사용자 마다의 PN(Pseudo Noise) 코드 사용에 의한 암호화 등으로 인해 통화 비밀을 유지할 수 있다.

iv) 고품질의 데이타 서비스를 제공한다.
디지탈 방식에서는 모든 신호가 디지탈로 처리되므로 이 방식을 이용해 데이타 서비스를 하기가 쉬워진다. 특히 팩스 등의 데이타 서비스에서 통화 절단이 없으므로 데이타 서비스 등에 상당히 우수한 방식이다.

v) 이동국의 소비 전력이 적게 들고 소형 경량화가 가능하다.
CDMA 시스템은 인접 셀이나 섹터(Sector)에서도 같은 주파수를 사용하므로 주파수 재배치 같은 문제가 발생하지 않아 주파수 계획이 간단하다. 이에비해 아날로그 시스템은 C/I를 18dB로 맞추어 주기 위해 인접 셀에서는 같은 주파수를 사용할 수 없어(N=7 또는 5) 주파수 계획이 복잡하다.

3) 개발 경위

- 1991년 정부가 디지탈 이동통신 시스템 개발을 국책 사업으로 선정
- 1992년 CDMA 방식으로 국내 디지탈 이동전화 개발 방식의 표준 결정
- 1993년 1월 삼성전자, LG정보통신, 현대전자 공동개발 체제
- 1993년 3월 개발 시스템 1차 구조 확정
- 1993년 6월 시스템 상세 설계 완료
- 1993년 9월 이동통신기술개발사업관리단 발족
- 1993년 12월 개발 시스템 2차 상용화 구조 확정
- 1994년 한국이동통신 교환실에 3개 제조업체에서 개발한 시제품 설치
- 1995년 3월 신세기통신 CDMA 장비 공급 업체로 삼성전자 선정
- 1995년 5월 LG정보통신 KMT 상용 시험 완료
- 1995년 7월 KMT CDMA 장비 공급 업체로 LG정보통신 선정
- 1996년 KMT CDMA 디지탈 이동전화 상용서비스 개시

4) 용어 설명

- 셀(Cell) : 한개의 기지국이 서비스 지역으로 커버하는 소무선 구역
- 핸드오프(Handoff) : 사용중인 음성 채널로부터 다른 음성 채널로 무선 통화로가 전환되는 동작으로서 서비스권내에서의 지속적인 통화 상태 유지를 가능하게 한다.
- 통화절단(Call Drop) : 이동전화 단말기가 호를 발신하여 기지국에서 음성 채널이 할당되고 교환기의 트렁크까지 점유한 후 단말기의 END 버튼을 누르기 전에 외부적 조건에 의해 통화가 끊어지는 것을 말한다.
- 섹터(Sector) : 이동전화 기지국은 120, 60 또는 45도 섹터 시스템 등으로 분할하여 사용할 수 있으며 각 섹터에는 총 가용 채널을 여러개의 서비스 세트로 구분된 채널이 할당된다. 기지국을 섹터화하는 목적은 간섭을 줄이고 통화량이 많은 지역의 기지국 증설을 지연시키기 위한 과도기적인 방안으로도 사용된다. 간섭을 줄이기 위해 섹터 각도를 너무 좁히면 할당 채널수가 감소하여 통화 채널 전환(Handoff)이 빈번해지고 무선 채널의 중계선 효율이 떨어진다.
- 주파수 재사용 : 주파수의 스펙트럼 효율을 향상시키기 위하여 동일 주파수를 일정한 간격을 두고 재사용하여 통신 채널을 구성하는 기법을 말한다. 주파수는 한정되어 있지만 어떤 기지국에서 사용한 주파수를 일정거리 만큼 떨어진 다른 기지국에서 동일 주파수를 재사용하게 되면 스펙트럼 효율을 극대화할 수 있고 가입자 수용 용량을 증대시킬 수 있다.

2. 아날로그 이동전화 vs. 디지탈 이동전화

1) 아날로그(Analog) 셀룰라 방식

이동전화 시스템에서 한정된 주파수 자원을 효율적으로 활용하기 위한 방법으로 현재는 주파수 분할 다중방식(FDMA)의 일종인 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 방식이 사용되고 있다. 현 AMPS 방식은 채널당 주파수 대역폭이 30KHz이며 주파수를 동일한 간격으로 나누고 나누어진 주파수 간격을 각 사용자에게 할당하여 통화가 가능하게 된다. 현재 우리나라를 비롯하여 전세계적으로 가장 널리 보급되어 있다.

2) 디지탈(Digital) 셀룰라 방식

아날로그 방식이 연속적인 전기나 전압을 전송하는 반면 디지탈은 음성 정보등을 디지탈화하여 전송하는 방법을 의미한다. 디지탈 방식은 코드분할 다중접속(CDMA) 방식과 시분할 다중접속(TDMA) 방식으로 나뉘어진다.

i) CDMA(Code Division Multiple Access)
부호축상에서의 분할 방식이며 대역확산(Spread Spectrum) 기술을 활용하여 일정한 주파수 대역을 채널로 분할하지 않고 전체 대역내에서 각각의 정보를 특정 부호로 분할하여 보내고 수신쪽에서도 전체 대역내의 많은 정보중 동일한 부호로 확산된 정보만을 골라 원래 신호를 재생하는 방식이다. 다중화 범위가 특정 채널 주파수가 아닌 일정 대역 전체를 사용하므로 수용 용량을 극대화할 수 있는 통신 방식으로서 아날로그 방식과 비교하여 10배 이상의 수용 용량을 가진다.

ii) TDMA(Time Division Multiple Access)
시간축상에서의 분할 방식이며 일정한 주파수 대역을 시간적으로 분할하여 전송하고 수신시에 시간차이로 복원함으로써 원래 신호를 재생해 내는 방식이다. 이 방식은 일찌기 위성통신용으로 개발되어 유럽, 일본, 미국등에서 디지탈 이동전화 시스템으로 상용 서비스에 이용되고 있는 방식이다. 실용성이 검증되고 아날로그 방식에 비해 약 2~3배 정도의 수용 용량을 갖고 있다.

3. CDMA를 근간으로 하는 PCS의 구현

1) CDMA 방식의 장점

무선통신의 접속 방식중에는 주파수분할과 시간분할 및 코드분할 다중접속 방식등이 있는데 CDMA는 이미 널리 사용중인 대역확산(Spread Spectrum) 기술에 근거를 둔 것으로 같은 지역, 같은 시간, 같은 공간, 같은 주파수를 사용하면서 혼돈없이 통화할 수 있는 우수한 이동전화 시스템이다.
CDMA 방식의 이동전화는 기존 아날로그(AMPS) 방식보다 대략 주파수 재사용 효율이 5배나 될 정도로 높기 때문에 이동전화의 수요 적체를 해소하였다. 또한 CDMA 기술은 셀룰라 시스템에서 고심하는 상호간섭을 최소화 하는 효과가 있으며 이동국과 기지국간의 전력제어 덕분으로 이동국으로부터 최소한의 전력을 송신하도록 하여 배터리의 수명도 연장시켜 준다. 이러한 CDMA 방식은 프로세싱 이득과 Eb/No 값, 음성부하 시간, 주파수 재사용 효율, 기지국 섹터화등으로 더많은 가입자를 수용할 수 있게 된다.

2) 이동통신 기술의 발전 추세

이동통신은 제1세대인 Analog Cellular에서 출발하였고 아날로그 시스템의 용량 부족과 낮은 음성 품질 문제를 해소하기 위해 제2세대인 Digital Cellular가 등장하였다. 제2세대 이동전화가 등장한 후에 일반 대중이 사용할 수 있도록 저렴화되고 보편화된 PCS가 소개되었으며 PCS는 흔히 2.5세대 이동전화라고 한다. 제3세대 이동전화인 IMT-2000(FPLMTS)는 디지탈 셀룰라와 PCS의 모든 결점을 보완하여 하나의 단말기로 대용량의 데이타(영상, 동화상)를 빠르게 전송하고 다양한 서비스를 받을 수 있는 것을 목표로 하고 있으며 2000년대 초에 상용화 될 것이다.

다중접속기술과 CDMA

 

1.       다중접속 방식의 종류

정보화 사회로의 발전과 더불어 이동통신에 대한 수요와 관심이 급속이 증대되고 이에 따라 제한된 주파수 대역에서 아날로그 방식의 이동통신 시스템이 제공할 수 있는 수용 용량은 포화 상태에 이르렀다. 또한 통신망의 ISDN화로 이동통신망과의 접속에 따른 다양한 서비스 요구에 부응하기 위해 디지탈 이동통신 시스템의 도입 및 그 방식으로의 전환이 불가피하게 된 것이다.
디지탈 통신의 다중접속(Multiple Access) 방식은 크게 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식과 CDMA(Code Division Multiple Access) 방식으로 나눌수 있다.
TDMA 방식은 하나의 반송파를 여러 사용자가 공유하여 사용하면서 시간축을 여러개의 시간 구간으로 나누어서 각자 자기에게 할당된 시간 구간을 다른 사용자의 시간 구간과 겹치지 않도록 하는 다중 통신 방식으로서 미국, 유럽 그리고 일본에서 실용화되었다. 미국의 IS-54A(Dual Mode Digital TDMA) 방식은 아날로그 이동통신 방식인 AMPS(Advanced Mobile Phone System)와 공존하여 사용될 수 있도록 이미 1989년에 제안되었으며 DSI(Digital Speech Interpolation)과 Half Rate(4Kbps) 음성 부호화기를 도입하여 용량 증대를 꾀한 더욱 진보된 E-TDMA(Extended TDMA) 방식이 Huges사에 의해 제안되었다.
CDMA 방식은 여러 사용자가 주파수와 시간을 공유하면서 각 사용자에게 의사 임의 시퀀스(Pseudo Random Sequence)를 할당하여 각 사용자는 송신 신호를 확산(Spreading)하여 전송하고 수신부에서는 송신측에서 사용한 것과 동일한 PN Sequence를 발생시켜 동기를 맞추고 수신된 신호를 역확산(Despreading)하여 신호를 복원하는 방식으로 그 특성상 군사용으로 많이 이용되어 왔다. 하나의 위성과 여러 개의 지상 지구국으로 구성되어 있는 위성통신에 그 근원을 둔 다중접속은 일정의 주파수 대역을 가지는 공동의 통신 채널을 여러 사용자가 나누어 사용하는 것을 의미하며 이는 채널 자원의 할당 방법에 따라 크게 아래의 방식으로 나뉘어진다.

1) FDMA(Frequency Division Multiple Access)

시간과 주파수 대역의 곱으로 나타낼 수 있는 신호 공간을 시간은 고정시키고 주파수만을 분할하여 각각의 채널로 사용하는 방식이며 한 채널은 신호 전파 전력이 집중되어 있는 비교적 좁은 대역으로 서로 다른 신호는 각기 다른 채널을 할당받게 된다. 수신측에서는 대역 통과 필터를 거친 신호만을 통과시키므로 상호 교란을 제한할 수 있으며 아날로그 방식의 이동통신에서 사용되는 방식이다. 이 방법의 스펙트럼 효능은 스펙트럼 변조 효율과 주파수 재사용률에 의해 결정된다. 현재 할당된 주파수 대역을 30KHz의 채널로 나누고 협대역 FM 변조 방식을 사용하면 변조 효율은 30KHz의 대역당 하나의 호가 된다. 주파수 재사용률은 같은 주파수가 사용될 수 있는 횟수로 정의되며 양질의 호가 성립되려면 C/I(신호대 잡음비)가 18dB 이상이어야 하므로 재사용률은 7이 된다. 따라서 210KHz당 하나의 호가 스펙트럼 효율이 된다.

2) TDMA(Time Division Multiple Access)

시간과 주파수 대역의 곱으로 나타낼 수 있는 신호 공간을 주파수는 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 채널의 교란은 적합한 시간에 수신된 신호의 에너지만 통과시키는 Time Gate에 의해서 제한된다. TIA가 제안한 IS-54B 디지탈 표준은 30KHz의 FDMA 채널을 TDMA 전송을 위해 6개의 Slot으로 분할하는 FDMA 방식과 TDMA 방식의 복합형이다. 또한 스펙트럼 효율은 30KHz당 3개의 음성호로 주파수 재사용을 고려할때 70KHz당 한 호가 된다. 따라서 아날로그 이동통신의 3배에 해당하는 사용자를 수용할 수 있다.

3) CDMA(Code Division Multiple Access)

시간과 주파수 대역의 곱으로 나타낼 수 있는 신호 공간을 주파수와 시간을 분할하여 각 채널로 사용하는 방식으로 각 신호트ㅌ Carrier를 변조한 일련의 의사 임의 2진 행렬로 구성되며 각 파형의 스펙트럼을 확산시킨다. 따라서 수많은 CDMA 신호가 동일 주파수의 스펙트럼을 공유한다. 주파수 혹은 시간 영역에서 보면 다중접속 신호들은 서로 겹쳐있는 것처럼 보인다. 수신된 신호는 Correlator를 이용하여 분리되며 선택된 2진 행렬로부터만 신호 에너지를 받아들여 그 스펙트럼을 역확산한다. 부호가 일치되지 않은 다른 신호들은 대역내에서 역확산되지 않으므로 잡음을 형성하게 되며 CDMA 계통에 의한 자기 교란으로 나타난다. 신호대 잡음비는 요구 신호 전력대 모든 타신호 전력의 비에 의해 결정되며 계통 처리이득 혹은 Baseband Data 대 확산대역의 비에 의해 개선될 수 있다. 중요한 변수들로 신호 처리이득, 요구되는 Bit 에너지대 잡음비, 음성 Duty Cycle, 그리고 한 셀당 섹터의 수를 들수 있으며 같은 지역에 동일 안테나 계통을 가진 FM 아날로그 시스템에 비해 10~20배의 사용자를 수용할 수 있다고 주장되었다. 또한 위의 두 방식, 즉 FDMA나 TDMA 방식에서는 요구 대응(Demand Assignment) 프로토콜(주파수 할당 알고리즘)이 필요하지만 CDMA 방식은 주파수 혹은 Time Slot이 제한되어 있는 시스템이 아니고 잡음 정도에 따라 동시에 사용할 수 있는 사용자 수가 제한되는 시스템이므로 이러한 알고리즘은 필요치 않다.

CDMA 방식은 사실 전혀 새로운 기술은 아니다. 이 기술은 수십년동안 군사위성 시스템에서 이용되어 왔으며 CDMA의 무한한 잠재력을 발견한 퀄컴이 이 기술을 개선하면서 비용이 저렴한 셀룰라 시스템으로 발전시킨 것이다.
기존의 아날로그 및 여타 디지탈 시스템이 할당된 주파수를 협대역 채널로 나눈 후 채널당 하나 또는 복수의 통화가 이루어지도록 한 것과는 달리 CDMA는 광대역 주파수 확산기술을 바탕으로 셀룰라 주파수의 전 채널에 걸쳐 다수의 통화가 가능하도록 설계되었다. CDMA 방식은 이를 위해 각각의 전화 및 데이타 호(Call)를 동일한 주파수 스펙트럼 내에서 동시에 전송되는 다수의 호와 구별시키기 위해 고유한 코드를 부여한다. 이 경우 수신기가 올바른 코드 번호만 유지하고 있다면 모든 호 가운데서 원하는 호만을 선택, 접속함으로써 통화가 이루어지게 된다.
예를 들어 여러나라 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.

2. CDMA의 채널 구조

CDMA 이동통신 시스템은 전송하고자 하는 정보를 고속의 2진 데이타열을 이용하여 대역확산시키는 방식으로서 모든 사용자들은 동일한 광대역 주파수 채널을 공유한다. 모든 신호들은 수신단에서 선택된 2진 데이타열을 사용한 상관기에 의해 분리됨으로써 수신측과 송신측에서 같은 2진 데이타열을 사용하는 신호들은 잡음과 유사한 특징을 지니게 된다. S/I(Signal to Interference)비는 수신하고자 하는 신호의 전력과 모든 사용자들이 전력을 합한 값에 의해 결정되는데 S/I비는 수신측의 처리에 의하여 대역폭/정보전송 속도의 비만큼 향상된다. 이 향상되는 정도를 처리이득(Processing Gain)이라 한다.

1) 순방향 채널(Forward Channel)

순방향 채널은 기지국에서 이동국으로 정보를 전송하기 위하여 사용하는 채널이다.
이동국에서 다른 기지국으로부터의 신호들을 구별하기 위하여 PN 코드를 사용하는데 모든 CDMA 신호들은 동일한 PN 코드를 사용한다. 각 기지국들은 기준열에서 단지 시간 Offset만으로 구별되는 유일한 Code Phase를 갖게 된다. PN 코드는 LFSR(Linear Feedback Shift Register)에 의해 생성되는데 주기는 32,768Chip이다. PN 코드의 속도는 9,600bps의 정보 전송속도의 128배, 즉 1.2288MHz이다.
하나의 기지국에서 전송되는 순방향 CDMA 채널의 신호들은 Walsh 함수에 기초한 2진 직교 코드를 사용하여 채널을 완전히 분리시킨다. 순방향 채널에서 전송하고자 하는 정보들은 수신단에서 에러 검출 및 정정 능력을 위해 길쌈부호(Convolutional Code)를 이용하여 채널 부호화 한다. 이때 사용되는 코드는 구속장은 9이고 부호화율은 1/2이다. 또한 채널 부호화된 정보는 페이딩에 대처하기 위하여 즉 버스트에러(Burst Error)를 랜덤에러(Random Error)로 만들기 위하여 인터리빙(Interleaving)하며 통신 채널의 비화를 위하여 User Addressed Long Code를 이용하여 스크램블링(Scrambling)한다.

2) 역방향 채널(Reverse Channel)

역방향 채널은 이동국에서 기지국으로 정보를 전송할 때 사용하는 채널이다.
모든 이동국은 순방향 CDMA 채널에서 사용하는 것과 동일한 PN 코드를 사용하여 대역확산 시키는데 이때 고정된 Phase Offset을 사용한다. 기지국에서 서로 다른 이동국으로부터의 신호들은 사용자에 의해 정해지는 Long Code열에 의하여 분리된다.
역방향 CDMA 채널에서는 구속장이 9, 부호화율 1/3인 길쌈 부호를 사용하며 인터리빙한다. 인터리빙된 정보들은 다시 6심볼을 모아 그 정보에 따라 64개의 Walsh 직교 함수중 하나를 선택한다. 이와같은 Walsh 함수 변조는 낮은 Eb/No를 갖는 페이딩 채널에서 양질의 링크를 유지하기 위한 최상의 방법이다.

3. 여러가지 CDMA 방식

CDMA 방식은 신호를 확산시키기 위하여 임의 시퀀스를 사용하는 다중접속 방식으로 신호들은 같은 스펙트럼을 공유하며 각 사용자는 서로 다른 확산 부호를 이용하여 구분된다. 이동통신에 응용된 이 방식은 Hot Spot에 적응하는 각 셀당 용량 증대 효과, 셀 반경의 크기에 관계없이 호의 질 향상 기능, Privacy 보장, 주파수 재사용의 용이성, 소전력 사용에 따른 배터리 수명 연장등의 특성이 있으며 DS(Direct Sequence) CDMA 방식과 FH(Frequency Hopping) CDMA 방식으로 구분된다. DS-CDMA 방식에서는 협대역 데이타 신호가 광대역 부호 신호에 의해 복조되어 각 신호는 순간적으로 넓은 대역을 점유하게 되어 다중 경로 신호를 격리시키고 Rake Receiver에서 결합할 수 있다. 또한 Pilot 채널은 모든 사용자가 공유할 수 있으며 Coherent 수신이 가능하다. 이에 반하여 FH-CDMA 방식에서는 협대역 데이타 신호는 넓은 대역에 걸쳐 다른 주파수로 잘려지며 각 신호는 순간적으로 좁은 주파수 대역을 점유하게 된다. 이 방법은 다시 하나의 Hop당 전송하는 Bit 수에 따라 대략 한 Bit면 Fast FH, 여러 Bit이며 Slow FH로 구분된다. FH-CDMA 방식에서는 Pilot 채널의 공유가 불가능하며 다중 경로에 의한 Fading의 처리가 어렵게 된다.
다음에 각 사가 제안한 CDMA 방식들에 대해 소개한다.

1) DS-CDMA(Qualcomm)

- Direct Sequence, Very Slow Long Code 방식
- 1.25MHz 확산대역
- 효율적인 변조 방식과 강력한 부호화(Convolutional Code, Viterbi 알고리즘, QPSK 방식 사용)
- Pilot 채널 공유(동기화, 채널 측정, 핸드오프등)
- 다중 경로 이용(Rake Receiver 사용)
- Soft.Softer Handoff(Make before Break)
- 전력 제어
- 가변 데이타율의 Vocoder(1.2~9.6Kbps)
- AMPS와 CDMA 공존 가능

2) FH-CDMA(Ericsson)

동일 셀내의 사용자간에 교란이 없으며 음성 신호의 Duty Cycle의 이용과 적응 전력 제어에 의한 용량의 증대 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 GSM 방식과 매우 유사하다.

- 동일 셀내의 직교 Hopping, 타 셀간에는 임의의 Hopping(동일 셀내의 교란 제거, 전 주파수 재사용)
- Convolutional Code와 Interleaving으로 교란 감쇠
- 적어도 210KHz당 6개의 Carrier 필요
- 복수의 음성 부호화 서비스(Half Rate ~ Double Rate 음성 부호화기 사용)
- 복수의 데이타율 서비스(4.8Kbps ~ 64Kbps, 단일 Time Slot ~ 복수 Time Slot)
- ISDN 수준의 BER
- MAHO(Mobile Assisted HandOff) 기술 이용(Microcell과 Umbrella Cell간의 Handoff 용이)
- 전력의 Near/Far Problem 해결 용이

3) CDMA-IC(Interference Cancellation)



- 협대역 CDMA 방식(210KHz 주파수 대역, 사용자 수가 셀당 20으로 증가)
- 총 Bit Rate은 270Kbps
- QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조 방식
- Walsh 함수 이용 확산
- 16Kbps Vocoder 이용
- 음성 활동 검색에 의한 용량 증대
- 적응 전송 전력 제어
- 다중 경로 신호는 경로당(Ray-by-ray) 제거
- Interleaving은 삽입치 않으므로 Delay 낮음

4) B-CDMA(Broadband CDMA)

용량 증대를 위하여 채널당 대역폭을 10MHz로 늘인 Broadband 방식이다.

- 다른 이동통신 방식과의 상호 교란 제거
- 데이타 전송시 역방향 전송 속도는 3Mbps(2개의 T1 Line)으로 제한(동시에 46 사용자가 64Kbps로 데이타 전송 가능, 한 사용자는 1.544Mbps로 다른 23 사용자는 64Kbps로 전송 가능)
- 음성 전송시 FEC(Foward Error Correction)의 CELP(Code Excited Linear Prediction) 이용(13Kbps 사용으로 음성 활동 검색을 통해 500 사용자의 동시 사용 가능)
- 다중 경로에 의한 감쇄 현상 영향 제거
- 1.9GHz 대역 사용
- 음성 전송시 Spce Diversity, Rake Receiver 불필요, 주파수 재사용 가능

4. CDMA의 장점

CDMA가 지닌 장점은 사용자에게 실질적으로 적용되는데 디지탈 셀룰라의 기초가 되는 고품질 서비스를 모든 가입자들에게 제공할 수 있다는 점이 그것이다.

- 시스템 수용 용량 확대 : 시스템의 포화 상태로 인한 통화 단절 및 혼선이 적음
- 다양한 서비스 : 송신자 확인, 데이타 및 팩스 송신등 다양한 서비스 제공
- 넓은 커버리지 : 실내 또는 실외에서 다른 시스템보다 넓은 서비스 권역 제공
- 통화 품질 개선 : 반사파나 다중파의 간섭이 심한 산악 지형 또는 혼잡한 도심 지역에서도 품질이 우수
- 음성 코드화 : 배경 잡음(Background Noise)을 방지하고 감쇄시킴으로써 우수한 통화 품질을 제공
- Soft Handoff : 셀간의 핸드오프를 유연하게 제공하는 소프트 핸드오프 기술을 이용하여 핸드오프 실패시에 발생하는 통화 단절과 간섭을 최소화
- 보안성 향상: 4조 4천억개의 코드를 사용하여 각각의 신호를 구별함으로써 통화 혼선을 막고 보안성을 향상

다중접속기술

 

휴대전화 기지국은 하나의 기지국이 한정된 주파수 대역을 가지고 같은 영역내에서 다수의 가입자가 동시에 통화할 수 있도록 접속시켜야 한다. 이와같은 접속 방법을 다중접속(Multiple Access)이라고 한다.
휴대전화에서 사용하는 다원접속에는 각 채널을 주파수로 나누어 이용하는 주파수 분할 다중접속(FDMA : Frequency Division Multiple Access)과 시간을 조금씩 분할해서 확보한 복수의 채널을 각 이용자에게 할당하는 방식인 시분할 다중접속(TDMA : Time Division Multiple Access), 각 채널의 신호에 부호화 처리를 해서 다중접속하는 부호분할 다중접속(CDMA : Code Division Multiple Access) 등 세가지 방식이 있다.

이와같은 접속 기준의 발전 추이를 보면 초기의 디지털 휴대전화 시장은 시분할 다중접속(TDMA) 방식이 주도권을 잡았었다. 그것은 아날로그의 주파수 분할 다중접속(FDMA) 방식에서의 응용이 비교적 수월했기 때문이다. 유럽인은 휴대용 전화를 GSM(Global System for Mobile Communications)이라고 부르는데 이 GSM은 이동통신 기술방식 중 하나인 TDMA를 응용한 유럽형 디지털 통신 방식을 가르키며 이미 오래전에 개발되어 사용하고 있다. EU는 각국마다 사용하는 아날로그식 휴대전화 시스템을 통일하는 것이 불가피하여 보급 단계에 있는 첨단 디지털 방식인 TDMA를 표준 규격으로 채택한 것이다.

반면 미국에서는 이동전화 방식에 대하여 정부가 관장하지 아니하기 때문에 특별한 표준이란 것이 없다. TDMA 방식이나 CDMA 방식을 채택한 이동전화 업체들이 공존한다. 한국은 CDMA 방식을 채택하기로 하고 4년여의 개발 끝에 세계에서 가장 먼저 본격적인 상용 서비스를 성공시키는 개가를 올렸다.

FDMA는 아날로그 방식으로 우리나라에서 서비스 했었던 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 시스템에서 사용하는 방식이다. 주어진 대역폭을 일정한 대역폭(AMPS의 경우 30KHz)으로 여러 채널로 나누어 각 대역폭 당 하나의 가입자를 할당하여 동시에 여러 가입자가 통화할 수 있는 방법이다. 이 방식은 기지국이 각 가입자에게 주파수를 할당하여야 하며 전파 상호간의 간섭을 방지하기 위하여 각 채널간 보호 대역을 설정하는 것이 필요하다. 아날로그 이동전화는 음성 주파수를 변조하여 다중화하는 방법이 용이하기 때문에 FDMA를 사용한다.

디지털 이동통신 방식은 TDMA 방식과 CDMA 방식이 있다.
TDMA 방식은 주파수 대역은 동일하게 사용하지만 시간을 일정 구간의 작은 단위로 나누어 각 가입자에게 할당하면 가입자는 자신에게 할당된 구간만을 이용하여 통화할 수 있도록 하는 방법이다. 디지털 이동전화는 음성을 디지털로 바꾸어야 하기 때문에 신호의 시간 위치를 변경하는 것이 쉬워 TDMA를 사용한다. TDMA 방식은 FDMA 방식과 같은 방법으로 주파수를 분할하고 분할된 회선에 다시 PCM(Pulse Code Modulation)과 같이 점유 주파수 폭을 시간적으로 3등분하여(북미 방식의 경우임) 세사람이 동시에 통화할 수 있는 방식으로 기존의 아날로그 방식에 비해 약 3배의 수용 용량을 가질 수 있다.
또한 TDMA 방식은 지역별로 유럽의 GSM, 북미 표준방식(IS-54, IS-136), 일본의 PDC(Personal Digital Cordless phone) 방식 등이 있다.

CDMA는 각각의 통화 마디와 데이터 마디에 코드를 붙여 동시에 여러개의 통신이 이루어지게 한 것이다. 예를들면 연회장 분위기는 전체적으로 시끌시끌하지만 연회장에 모인 많은 사람들은 저마다 주위 환경에 상관없이 상대방과 방해를 받지 않고 대화를 하는 것과 같다고 할 수 있다. CDMA 방식은 가입자별로 다른 코드를 할당하기 때문에 코드 채널의 수만큼 여러 가입자가 동시에 통화할 수 있는 방식이다. CDMA 방식은 군사 통신에서 전파 방해나 도청 방지 등을 위해 무선 채널을 부호화하여 사용하던 방식인 스프레드 스펙트럼 확산 방식을 미국의 퀄컴사가 이동전화에 응용하여 개발한 것이다. CDMA 방식은 기존 한 채널의 아날로그 점유 주파수 폭을 확산시켜 광역 채널화(1.25MHz)하고 통화별로 각기 다른 코드를 부여하여 디지털화된 정보를 식별 코드와 함께 실어 전송함으로써 여러 가입자가 동시에 통화할 수 있는 방식인데 기존 아날로그 방식에 비해 약 10~20배의 수용용량을 가지며 TDMA 방식보다 매우 우수한 통화 품질을 제공한다.
CDMA 방식에는 협대역 CDMA(Narrowband CDMA)와 광대역 CDMA(Wideband CDMA)가 있으며 이들 양자간의 차이점은 다음과 같다.
협대역 CDMA 방식의 대표적인 것은 미국의 퀄컴사가 제안하여 현재 디지털 셀룰러 방식으로 사용중인 방식이 있는데 한 채널의 주파수 대역폭은 1.25MHz이다.
광대역 CDMA 방식은 한 채널의 주파수 대역폭은 5MHz 또는 그 이상이다. 따라서 음성 뿐만 아니라 데이터, 영상, 멀티미디어 서비스까지 가능해진다. 이 기술은 기존의 NCDMA에 비해 전송 대역폭이 넓으므로 전파의 Fading 영향이 적으며 고품질의 데이터 전송이 가능하게 된다.

CDMA 과거/현재/미래

 

1. CDMA : CDMA란 무엇인가?

가. CDMA의 원리

당신이 성대한 파티에 참석했을 때, 당신은 여러 사람이 대화를 나누는 중에도 파트너가 당신에게 속삭이는 말을 알아들을 수 있다. 이것은 참으로 경이로운 일이다. 파티장이라는 하나의 채널속에서 여러 사람이 각각 서로의 채널을 갖고 다른 사람의 대화에 방해받거나 방해하는 일 없이 대화할 수 있다니!
그것은 당신이 당신에게 아무런 의미가 없는 다른 사람들의 대화보다 매력적인 파트너의 말에만 관심을 기울이기 때문이다. 그렇다면 무선통신에도 이 원리를 적용할 수 없을까? 여러 사람의 음성신호 가운데서도 각자가 자신에게 의미있는 신호만 받을 수 있으면 하나의 주파수를 여러 사람이 이용할 수 있게 되지 않을까?
GSM 등 기존 TDMA 방식의 이동전화 시스템이 가진 한계에 만족할 수 없었던 과학 기술자들은 CDMA(Code Division Multiple Access ; 코드분할 다중접속)라는 새로운 기술방식에 착안했다. 한정된 전파자원으로 서로 다른 코드를 갖는 다수의 이용자가 동시에 통신하는 방식이다. 마치 파티장에서 여러 사람들이 각자 대화를 나누듯이.

나. CDMA의 역사

처음에 CDMA는 우수한 보안성 때문에 1960년대에 미국을 중심으로 군사통신기술로서 연구개발이 시작되었다. CDMA는 미국의 벤쳐기업인 퀄컴이 개발한 방식으로 1993년에 미국의 이동통신표준으로 채택되었고, 1996년에 한국에서 세계 최초의 상용화가 이루어짐으로써 본격적으로 활용되기 시작했다.
CDMA 방식은 현재의 셀룰러/PCS 이동통신 뿐만 아니라 WLL, 위성통신, 차세대 이동통신 등 다양한 분야에 응용되고 있는 기술이다.

2. CDMA : 왜 CDMA인가?

1990년대 후반에 첫선을 보인 CDMA 방식이 급속하게 성장하게 된 요인은 이 방식이 지니는 여러가지 장점 때문이다. CDMA의 장점을 기술적 측면, 서비스 측면, 그리고 경제적인 측면으로 구분하여 살펴볼 수 있다.

가. 기술적 장점

첫째, CDMA는 경쟁방식인 GSM과 비교할 때, 음성품질, 배터리 사용시간, 통신 보안성, 주파수 이용효율 등 여러가지 측면에서 우수한 것으로 나타나고 있다. 음성품질은 유선전화 수준으로 선명하며, 통화절단현상이 없고 대도시 등 열악한 전파환경에서도 잘 작동한다.
둘째, 전력소비를 최소화함으로써 통화시간과 대기시간의 연장이 가능하다. 이론적으로 CDMA 방식은 GSM과 비교할 때 동일전지를 사용할 경우 배터리 사용시간이 20∼30% 정도 길다.
셋째, 통신 보안성 측면에서는 GSM과 비교할 수 없을 만큼 우수한 기능을 발휘한다.
넷째, 주파수 이용효율이 높아 이론적으로는 기존 아날로그 방식보다 9∼10배, GSM보다 3∼5배의 가입자를 더 수용할 수 있다.

나. 서비스 측면에서의 장점

CDMA 기술은 다양한 서비스에 채택되어 그 기술적 장점을 입증하고 있으며, 서비스 시장에서도 점차 우위를 확보하고, 빠르게 확산되는 추세를 보이고 있다. 서비스 측면에서 CDMA의 장점은 다음과 같다.
첫째, 셀룰러/PCS 서비스 시장이 확대되고 경쟁이 가열화 함에 따라 서비스 사업자는 가입자 수의 확대와 통화요금의 인하를 원하고 있다. CDMA 기술은 향후 이동통신 사업의 주요 경쟁 요소인 통화시간의 판매에 있어서 단연 유리하다. 그 이유는 개략적으로 동일한 비용 조건하에서 보다 많은 가입자 수용용량으로 보다 낮은 이용료 책정이 가능하기 때문이다.
둘째, CDMA 기술의 음질향상과 다양한 부가기능의 발달로 1개망에서 이동전화와 WLL 서비스를 복합해서 제공할 수 있다. 즉, 가입자를 이동전화가입자와 고정서비스 가입자로 분리, 가입시키고 요금체계를 상이하게 운영하는 것이 가능하다. 또한 기본적으로 이동전화 서비스를 제공하면서 특정 기지국 반경내에서의 통화는 저렴한 요금을 부과하고 타기지국 지역으로 이동하는 경우에는 이동전화 요금을 부과하는 형태의 서비스도 제공할 수 있다.
셋째, CDMA 기술은 통화 가능지역의 조절기능이 있어, GSM에 비하여 적은 기지국 수로 설계 및 운영이 가능하다.
위와 같은 CDMA의 장점으로 이미 GSM이 설치된 국가에서도 CDMA가 진입할 수 있도록 하는 추세이다.

다. 경제적 측면에서의 장점

어떤 기술이라도 시장에서 생존하기 위해서는 시스템 및 단말기 가격이 적절해야 한다. 아무리 우수한 기술이라 할지라도 시스템이나 단말기 가격이 지나치게 비싸면 이용자들이 외면해 결국 시장에서 성공할 수 없다.
현재 CDMA 단말기 가격은 아직까지는 핵심칩을 퀄컴이 독점 공급하고 있고 주변회로의 집적화가 미비해 GSM에 비해 다소 높은 가격을 형성하고 있다. 그러나 최근 퀄컴외에 Cadence, DSPC, Motorola 등으로 핵심칩 공급선이 다변화되고 시장규모가 충분히 확보되고 있기 때문에 곧 GSM과 동등한 가격수준을 형성할 전망이다.
가입자당 기지국 설치비용은 기지국 수를 GSM의 70%만 설치해도 되고, 주파수 활용도가 높아 가입자당 실제 네트워크 건설비용을 40% 감소시킬 수 있어 최고의 수익성과 경제효율을 보장한다. 이는 한국과 중국에서 이미 증명되었다.
한편, 기술료의 경우 S/W도입비는 CDMA가 다소 높지만, 선급 기술료나 경상 기술료 등은 GSM이 높다. 총비용을 고려하면 기술료도 CDMA가 GSM보다 유리한 것으로 나타나고 있다.

3. CDMA 시장 : 어떻게 변화되어 갈 것인가

세계 이동통신 시장을 선도하여 나가는 두가지의 방식은 CDMA와 GSM 방식이라고 할수 있다. 98년 현재 세계 CDMA 가입자수는 1천 6백만명 수준이며, GSM은 1억 5백만명으로 GSM이 압도적인 우위를 나타내고 있다.(In-Stat, Total Worldwide Subscribers of '1998 Subscriber Unit Sales and Subscriber Forecast', 1998, Jan.) 그러나, Datacomm Research사의 시장 전망에 따르면, 2003년에 CDMA 가입자는 1억 6천5백만명으로 예측되어 GSM의 1억 6천 4백만명을 능가할 것으로 전망된다. 이와 같은 전망은 주로 아시아 지역(7천8백만 가입자 예상) 및 북미지역의 성장(5천3백만 가입자 예상)에 기인하는 것으로 나타나고 있다.
이와 같이 CDMA 시장은 아시아, 북미지역을 중심으로 세계 주력시장에서 급속한 성장이 예상되고 있다. GSM은 100개가 넘는 국가에서 채택되었으나, 가입자의 2/3이상이 유럽에 편중되어 있고, 대부분이 소규모 국가 또는 개도국 중심으로 보급되었기 때문에, 성장에 한계를 보일 것으로 전망된다.
지역별 시장현황과 전망을 보면, 유럽에서도 서유럽 지역은 아직 GSM이 지배적이지만 동유럽 지역, 특히 러시아는 WLL을 통한 CDMA의 시장확대가 두드러지고 있다. 북미지역에서는 디지털 방식중 CDMA가 지배적인 방식으로 보급되고 있다. 아시아 지역에서는 GSM 가입자수가 CDMA 가입자수의 2배를 넘고 있으나, 한국과 일본을 중심으로 CDMA 네트워크가 날로 확장되고 있다. 또한 CDMA WLL이 중국, 인도네시아, 필리핀 등에서 건설되고 있어 이 지역에서의 CDMA 시장 확대가 예상된다. 또한 라틴아메리카 지역에서는 GSM이 칠레에 국한된 것에 비해 CDMA는 전 국가에 걸쳐 이동전화 및 WLL분야에서 보다 빠른 성장세를 보이고 있다.

4. 한국과 CDMA : 한국은 어떻게 하고 있는가?

미국 퀄컴사가 CDMA 특허를 획득한 이후 CDMA 방식 적용의 성공 가능성에 대하여 국내외적으로 첨예한 의견 대립이 있었다. 한국은 이러한 불확실성에도 불구하고 정확한 상황분석과 판단에 근거하여 과감하게 CDMA 방식을 채택하였다. 세계의 많은 무선통신 전문가들이 이론에 불과한 기술에 도전하는 무모함을 우려했지만, 한국은 96년 세계 최초로 CDMA 방식의 상용화에 성공함으로써 꿈을 현실로 바꾸어 놓았다. 한국은 CDMA 기술의 확산을 통하여 상업화에도 성공하였다.
98년 12월말 현재 한국의 CDMA 셀룰러/PCS 가입자수는 1천 350만명을 초과하여 불과 2년 남짓한 기간 동안 전세계적으로 가장 큰 CDMA망을 이루고 있다. 한국은 세계 최초로 CDMA 방식을 상용화시킨 기술력과 세계 최대의 CDMA 가입자들에게 다양한 서비스를 제공하는 세계 최고의 운용 능력을 확보하고 있다. 이와 같은 한국의 기술력과 운용 능력은 CDMA분야에서 세계 최고 수준의 전문적인 인력이 그만큼 풍부하다는 것을 의미한다. 한국의 CDMA 단말기 제조업체들은 소비자의 욕구에 부응하기 위하여 지속적인 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 기술력을 갖게 되었다. 이러한 기술력을 바탕으로 삼성은 세계 CDMA 단말기 시장에서 독보적인 위치를 굳히고 있으며, 1997년말 현재 미국 CDMA 단말기 시장의 약 44%를 점유하고 있다.
CDMA 방식에서의 세계적인 경쟁력 확보를 위하여는 기술 개발이 필수적이다. 한국의 기업들은 현재 일부 미진한 핵심칩 등 부품 개발에 적극 나서고 있어 빠른 시간 내에 주요 핵심 부품들을 자체 생산하게 될 것이다.
한국 CDMA 사업 성공 요인은 세계 최고의 상용화기술 확보와 더불어 복수 운영체제의 도입이 중요한 작용을 하였다. 더 많은 가입자를 확보하려는 운영 사업자들간의 치열한 경쟁은 결과적으로 통화품질 개선과 경영혁신을 가져왔으며, 건전한 투자와 소비를 유발하는데도 공헌했다. 초기 중복투자의 문제도 가입자 증가와 함께 자연히 해소되었다.

5. CDMA의 확산과 한국 : 외국기업들의 참여와 투자

한국이 세계 최초로 CDMA를 상용화 시킨 이후, CDMA 방식이 북미지역에 확산되면서 세계 최고의 단말기 제조능력을 확보하고 있는 한국 기업들에 대한 외국 기업들의 전략이 크게 변화하고 있다. 즉 한국의 경제위기에도 불구하고 이 분야에 대한 선진 외국 통신업체들의 투자 움직임은 오히려 가속화되고 있다.
세계적인 무선통신기기 제조업체인 모토롤라도 우리의 CDMA 기술력을 인정하고 있다. 모토롤라는 국내 CDMA 단말기 전문 제조업체에 대한 자본참여 및 OEM 생산을 통하여 한국을 CDMA 단말기의 생산거점으로 활용하기 위한 전략을 적극적으로 펼치고 있으며, 국내 CDMA 단말기 업체는 모토로라의 자본과 영업망을 이용하여 세계적인 기업으로 도약하기 위한 준비를 진행중이다.
모토롤라는 우선 국내 CDMA 단말기 전문 제조업체 3사에 대한 지분참여를 확정했는데, 팬택에 1천3백만불을 투자하여 주식의 20%를 소유하는 제2대주주가 되었다. 이 회사들은 팬택이 연간 3억불 규모의 생산을 맡고 판매는 모토로라가 담당하기로 했으며, CDMA Engineering Company를 설립하여 연간 50억원을 투자할 계획이다. 어필텔레콤에 대해서는 4천5백만불을 투자하여 51%의 지분으로 경영권을 확보하고, OEM 방식으로 생산할 계획이며, 텔슨전자에 대해서도 지급보증 등의 방안을 통하여 협력하고 있다. 또한 한국 현지법인인 모토로라 코리아에 Korea Design Center를 설치하여 CDMA 단말기를 개발중인데, 이는 한국의 단말기 제조기술의 기술력을 인정하고 있음을 보여주는 것이다.
한편, 카나다의 BCI와 미국의 AIG는 CDMA 방식의 서비스를 제공중인 한솔PCS에 2.6억불을 투자하였으며, 영국 BT는 역시 CDMA 방식의 서비스를 제공중인 LG텔레콤에 4억불을 투자하였다.
한국의 CDMA 관련 업체에 투자하는 외국 기업들은 CDMA 방식의 급속한 성장전망에 입각하여 CDMA 단말기 제조기술 및 서비스 운용능력을 확보하려는 것으로 보인다. 이처럼 세계 유수의 통신업체들이 한국 CDMA 업체에 적극적으로 투자를 확대하는 것은 CDMA 기술의 우수성을 다시 한번 입증하는 사례라 할 수 있다.
앞으로 세계 CDMA 시장은 더욱 급속히 확대될 것이다. 한국은 그동안 축적해 온 CDMA 기술과 서비스 제공 경험을 바탕으로 각국 정부 및 기업과 협력함으로써, 세계 이동통신의 발전과 인류의 통신복지 증진에 이바지하고자 한다.

§ 이글은 ETRI 홈페이지에 게재된 것입니다.

코드분할 다중접속방식(CDMA)

 

코드분할 다중접속방식(CDMA : Code Division Multiple Acess)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 있도록 작은 구역으로 나누어논 각각의 대화실에 차례를 기다렸다가 들어가서 이야기 하는 것으로 비유할 수 있다.

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 시간 동안에만 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 장소에 모여서 동시에 이야기를 하는 것과 같다. 다만 서로 다른 언어를 사용하기 때문에 자기가 알 수 있는 언어로 이야기 하는 내용만 알아 들을 뿐이고, 다른 사람이 이야기 하는 것은 단지 잡음으로만 느끼는 것과 같다. CDMA 기술은 기본적으로 오래전부터 사용해왔던 대역확산 통신기술을 이용한 것으로, 대역확산 기술이 가지고 있는 모든 장점에 주파수 이용효율을 크게 증가시킨 것이다.
위의 예를 기술적으로 표현해 보면, 모든 서비스 영역에서 같은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 셀룰라 개념에서 보면 주파수 재사용 계수가 1이 되어, 주파수 이용 효율이 다른 방식에 비해서 월등히 높다는 것과, 모든 서비스 영역에서 같은 주파수 대역을 사용할 수 있기 때문에 소프트 핸드오버가 가능하다는 점, 또한 서로 다른 코드를 사용하여 통신을 하기 때문에 무선 구간의 통신 비밀 보호 특성이 매우 우수하다는 장점이 있다. 이외에 여러 가지 장단점에 대해서는 앞으로 자세히 살펴보도록 한다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

CDMA 시스템 구성도

 

CDMA시스템은 이동국, 기지국, 제어국, 교환국 그리고 HLR(홈 위치 등록기)로 이루어집니다. 이동국은 가입자가 이동통신망을 이용하여 통신할 수 있도록 하는 단말장치이고, 기지국은 이동국과 무선구간으로 연결되어 이동국을 제어하고 통화채널을 연결시켜 주는 시스템입니다. 교환국은 무선링크 및 유선링크를 제어하고 타통신망과 접속을 수행합니다. 이동통신 시스템의 전체적인 구조는 모든 셀룰라 방식이 비슷하지만 CDMA와 AMPS를 구분짓는 것은 이동국과 기지국을 연결시켜주는 인터페이스 CAI(Common Air Interface)부분입니다. 이 인터페이스 부분에서 AMPS는 주파수를 분할하여 채널을 구분하고 CDMA는 IS-95에 따라 부호를 분할하여 통화채널을 구분해 줍니다.

- MS(Mobile Station)-이동국
- AC(Authentication Center)-인증센터
- VLR(Visitor Location Register)-방문자 위치 등록기
- BTS(Base Station Transciever Subsystem)-기지국
- HLR(Home Location Register)-홈 위치 등록기
- BSC(Base Station Controller)-기지국 제어장치
- MSC(Mobile Switching Center)-교환기
- BSM(Base Station Manager)-기지국 관리 장치

§ 이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

CDMA 시스템의 출현 배경

 

세계적으로 최근 10년간 이동전화 가입자 수는 폭발적인 증가를 기록하고 있습니다. 이에 따라 많은 사업자들은 기존 아날로그 시스템의 한계를 느끼고 고용량의 디지털 시스템 개발에 많은 관심을 기울여 왔으며, 사용자들 또한 음성통신 이외에 팩시밀리, 단문 전송, 고속 데이터 전송 등 데이터와 관련된 부가적인 서비스에 점점 관심을 돌리기 시작했습니다.

1991년 미국의 퀄컴사에서 CDMA 시스템을 공식적으로 제안하였는데, 그 이유는 CDMA 방식이 AMPS 방식에 비해 거의 20배 이상의 가입자 수용 용량을 증대시킬 뿐만 아니라 안정된 소프트 핸드오프, 통화의 보안성, 음성품질개선, 개인휴대통신의 등장시 다양한 부가서비스 제공의 융통성 등 여러 가지 이점이 있었기 때문입니다. 1989년 11월 퀄컴사는 미국의 샌디에고에서 최초로 CDMA 통화 시험을 성공시켰으며, 1990년 2월 뉴욕에서 2개의 기지국간 핸드오프 시험을 실시한 바 있습니다. 이에 따라 국내에서도 1992년부터 디지털 시스템 개발에 눈을 돌리기 시작했습니다.

1993년 정보통신부는 공식적으로 CDMA를 차세대 이동통신 방식으로 선정하였으며, CDMA가 선택이 된 이유는 가입자 수용 용량에 있어서 여타 방식보다 우수하고, 아직 상용화가 된 적이 없는 방식이므로 국내에서 성공할 경우 기술자립을 할 수 있다는 점을 고려하였으나 그 당시로는 무모한 결정이 아닐 수 없었습니다. 또한 정보통신부는 1993년 CDMA 방식의 상용화를 공표하였고, 이 국가적인 과제를 수행하기 위하여 정보통신부에서는 우리나라 통신시스템 개발에 선구자로 불리는 서정욱 박사를 중심으로 현 SK 텔레콤 인력을 근간으로 한 이동통신 기술개발 사업관리단을 발촉하였습니다. 이것은 1996년 CDMA 상용화를 불과 2년 6개월 남겨 놓은 시점이었습니다.

외국의 경우 Lucent사 등 세계 초일류 회사에서 일반 교환시스템을 새로 만들기 위하여 최소한 5년 이상의 시간을 투자하는 것에 비하여, 전 세계 통신업계는 검증조차 받지 않은 CDMA 기술로 만들어질 이 시스템을 2년 6개월만에 실현하겠다는 사실에 고개를 저었고, 더구나 그것이 한국에서 이루어지리라고는 아무도 생각하지 않는 분위기였습니다. 사실 국내의 무선통신 개발 분야는 외국과 비교할 때 그 기술 수준이 매우 낮았기 때문입니다. 그러나 부정적인 시각을 뒤로 한 채 CDMA 시스템은 강력한 개발 의지를 바탕으로 1994년 8월 국내에서 자체 개발된 시스템에 의해 최초의 CDMA호(Call)를 성립시켰고 1995년 1월 소프트 핸드오프가 성공하였습니다. 그 후 1년여의 시스템 보완작업을 통하여 CDMA 상용 서비스는 SK텔레콤에 의해 1996년 1월 1일 세계 최초로 인천, 부천 지역에서 시작하여 99년 8월 현재 이동전화 고객 800만 명을 유치하여 AT&T, NTT, DOCOMO 등 세계 일류 정보통신 기업들과 어깨를 나란히 하고 있고, 이렇게 세계 최초로 국내에서 상용화에 성공한 CDMA 기술은 PCS 사업에도 물론 사용될 뿐만 아니라, IMT-2000과 같은 차세대 이동통신 서비스에서도 근간이 되는 기술로 활용되고 있습니다.

§ 이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

CDMA 방식의 기본특성

 

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 20배의 용량도 가능하다는 것은 매우 큰 매력이었다. 물론 지금 어느 정도 시스팀이 개발되고, 몇몇 회사에서 서비스를 시작하고 있는 시점에서, CDMA 방식의 용량을 아직도 AMPS의 20배라고 이야기 하는 사람은 거의 없다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 절의 채널용량 부분에서 자세히 설명한다.

채널 용량 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 있을지 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.

<소프트 핸드오버>

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.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

CDMA의 장점

 

<통신방식의 종류>

이동통신 방식은 크게 아날로그와 디지털 방식으로 구분할 수 있습니다. 아날로그 방식에는 현재 AMPS라는 이름으로 서비스되고 있는 주파수분할 다중 접속 방식(FDMA: Frequency Division Multiple Access)이 있고, 디지털 방식에는 시분할 다중 접속 방식(TDMA: Time Division Multiple Access), 부호 분할 다중 접속 방식(CDMA: Code Division Multiple Access)등이 대표적입니다.

FDMA 방식은 주어진 주파수를 여러 개로 분할하여 분할된 각 주파수를 하나의 채널로 삼아 통화하는 방식으로 AMPS에서는 주파수 대역폭을 30KHz로 나누어서 사용하고 있습니다.
TDMA 방식은 디지털 이동전화 방식의 하나로서 일정한 주파수 대역을 시간적으로 분할하여 전송하려는 정보를 시간 차이로 보내고, 수신시에 시간 차이로 복원해 냄으로써 원래 신호를 재생해내는 방식입니다.
CDMA는 대역확산이라는 기술을 이동통신에 적용한 것으로서 보내고자 하는 신호를 그 신호의 주파수 대역보다 아주 넓은 주파수 대역으로 확산시켜 전송하는 방식입니다.

<코드분할다중접속(CDMA)의 특징>

CDMA는 우선 주파수 사용효율이 높고 가변 보코더를 사용하므로 용량을 아날로그보다 20배 이상 높일 수 있으며, 아날로그 시스템에서는 기지국과 이동국 간의 거리가 멀어질수록 수신신호의 전력이 떨어지고 통화 품질도 저하되지만 CDMA 방식에서는 디지털 정보를 주고 받음으로써 일정 전력 이상이면 거의 균일한 음성 품질을 제공할 수 있습니다. 또한 CDMA 방식은 VLSI 칩을 사용하여 휴대폰을 소형, 경량화할 수 있고 멀티미디어 서비스까지 가능하게 합니다.

<코드분할다중접속(CDMA)의 장점>

- 통화 용량의 증가 : 동일한 주파수를 많은 셀에서 사용할 수 있으며, 타 방식보다 간섭이 적고, 통화자가 침묵하고 있는 시간 동안 전송을 중지함으로써 아날로그 방식보다 수용 용량을 20배 이상 높일 수 있습니다.
- 고품질의 통화 서비스 제공 : 아날로그 방식에서는 다중 경로로 들어오는 신호들이 통화에 상당히 나쁜 영향을 미치나 CDMA에서는 이러한 다중 경로 신호를 각각 분리하여 양호한 신호를 선택, 사용하므로 아날로그 방식보다 품질이 우수하고, 핸드오프시 통화의 단절이 없는 소프트 핸드오프 방식을 사용하므로 통신의 품질이 양호합니다.
- 뛰어난 보안성 : 사용자마다 고유 PN(Pseudo Noise) 코드를 사용하여 암호화하므로 통화 비밀을 유지할 수 있습니다.
- 저전력 경량 단말기 : 소비 전력이 아날로그에 비해 1/3 수준이며, 이동 전화기가 ASIC 칩으로 이루어져 소형 경량화가 가능합니다.
- 첨단 부가서비스 제공 : 음성인식 다이얼 서비스, 음성사서함 서비스, 단문 메세지 기능 등의 다양한 부가서비스가 제공되어 이동전화 사용을 더욱 편리하게 합니다.
- 멀티미디어 서비스 구현 : 광대역 CDMA 개발로 미래에는 팩스, 데이터 파일, 동영상까지 전송할 수 있게 되어 어느 곳에서나 첨단 멀티미디어 서비스를 받을 수 있게 됩니다.

§ 이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

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 간섭에 의하여 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 재사용 하기 때문에 이론적으로 재사용 계수가 1이나, 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 7dB(5.0), 음성활동율 0.5, 3섹터로 가정하여 섹터화 효율은 2.55, 주파수 재사용 계수는 0.6을 적용하면 1.25MHz 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. 채널 용량면에서 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 10MHz라 하면 7개의 CDMA 채널을 확보할 수 있으므로 셀당 채널수는 3 섹터인 경우 셀당 266개이다. 여기서 적용한 채널수는 전력제어가 완벽하고, 다른 간섭을 고려하지 않은 채널수이다. 따라서 CDMA 시스템에서는 실제로 서비스를 제공하고 망을 운영하여야 전력제어와 다른 간섭원에 의한 채널 감소 영향까지 고려한 채널수를 파악할 수 있을 것이다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.  

IS-95 시스템의 일반특성

 

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

<단말기 종류>

단말기는 최대 출력에 따라 5등급으로 분류한다.

- 1등급 : -2 dBW ~ 3 dBW
- 2등급 : -7 dBW ~ 0 dBW
- 3등급 : -12 dBW ~ -3 dBW
- 4등급 : -17 dBW ~ -6 dBW
- 5등급 : -22 dBW ~ -9dBW

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 이루어져야 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 sequence의 초기 값으로 설정하여 사용한다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.  

IS-95의 전력제어

 

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

CDMA 시스템에서 용량을 최대화 하기 위해서는 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 오차 수정 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 전체 전력을 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 접속 탐색 절차에서 송신은 상응하는 회신이 있을 때까지 출력을 증가시킨다. 현장 시험 결과에 의하면 탐색 절차의 평균 횟수는 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 폐쇄루프 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 셀 경계지역에 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.

<순방향 개방루프 전력제어>

◇ 기지국은 접속시 단말기의 수신전력을 근거로 순방향 손실을 예측
◇ 예측값으로 각 통화채널의 초기 디지틀 이득을 조절한다.
◇ 기지국은 초기에 채널마다 기준 이득을 배정하고 있다.

<순방향 폐쇄루프 전력제어>

◇ 단말기는 순방향 통화채널 프레임의 품질을 측정하여 주기적으로 기지국에 보고 한다.
◇ 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.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.  

CDMA의 채널

 

순방향 링크(기지국에서 이동 단말기로의 접속)에서 사용되는 채널로는 파일롯 채널(Pilot Channel), 동기 채널(Sync Channel), 호출 채널(Paging Channel), 통화 채널(Traffic Channel)의 4가지가 있고 역방향 링크(이동 단말기에서 기지국으로의 접속)에서 사용되는 채널은 접속 채널(Access Channel), 통화 채널(Traffic Channel)의 2가지가 있다. 이 채널들의 구분은 순방향에서는 왈시코드(Walsh Code)로 하고 역방향에서는 긴 코드(Long Code)로 한다.

파일롯 채널은 각 기지국 또는 섹터마다 하나가 존재하고 항상 계속적으로 발사된다. 파일롯 채널은 64개의 왈시코드 중 첫번째인 W0를 사용한다. 미리 정해진 왈시코드를 사용함으로써 이동 단말기는 쉽게 이 채널에 동기를 맞추게 된다. 이동 단말기가 전원만 켜면 파일롯 채널을 만나게 되는데 이동 단말기가 파일롯 채널과 동기가 이루어지면 다음으로 동기 채널로 넘어간다.

동기 채널도 파일롯 채널처럼 항상 계속적으로 기지국에서 발사된다. 파일롯 채널처럼 동기 채널도 64개의 왈시코드 중 하나인 W32로 미리 고정되어 있어 이동 단말기는 동기 채널에 쉽게 동기를 맞출 수 있다. 이동 단말기는 이 동기 채널로부터 기지국과의 교신에 가장 중요한 정보인 기지국 내의 긴 코드 동기 정보, 현재의 시스템 시간, 호출 채널의 데이터 속도 등을 전송받는다. 이동 단말기는 기지국과의 정확한 교신을 위해서 동기 채널로부터 전해 받은 메세지중 시스템 시간을 맞춘 다음 호출 채널을 탐색하기 시작한다. 이 시스템 시간을 맞추는 것이 이동 단말기의 거리와 위치를 측정하게 하는 중요한 요소이다.

호출 채널도 파일롯 채널처럼 기지국으로부터 항상 계속적으로 발사된다. 호출 채널은 한 주파수 내에서 최대 7개까지 사용되며 이 호출 채널은 통화를 최종 확정 전달하는 역할을 한다. 호출 채널의 메세지에는 시스템의 오버헤드 메세지와 호출 메세지, 특정 이동국 제어를 위한 명령 메세지, 통화 채널의 할당을 위한 채널 할당 메세지 등이 있다.

통화 채널은 말 그대로 실제로 송수신하려는 데이터가 오고 갈 수 있는 채널이다.

접속 채널은 이동 단말기가 기지국과 통화를 시도할 때 사용하는 채널이다. 접속 채널을 통하여 통화 시도를 위한 발신, 응답, 명령 및 등록에 관한 정보가 송수신 된다. 접속 채널의 데이터 전송율은 4.8Kbps로 고정되어 있다.

§ 이글은 "전파와 CDMA란 무엇인가"에서 발췌한 것입니다.

IS-95 방식의 채널 구조

 

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 하기 위한 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 short 코드의 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, 시스팀ID, 망ID, 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, 9600bps와 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 획득한 후, 동기채널의 메시지를 수신하여 시스팀과 타이밍을 동기시킨 후, 계속 페이징 채널을 감시한다. 기지국에서 지원하는 페이징 채널이 둘 이상이면, 이동국은 Hashing 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 Slot 모드로 동작 여부를 결정하여, Slot 모드로 동작할 때, 그 이동국에 정해진 Slot에 메시지를 전송해야 한다. 여기에는 페이징을 위한 메시지, 명령, 채널할당 메시지, 문자열 전송을 위한 메시지, 인증 시도 메시지, 인증에 필요한 SSD 값을 갱신하는 메시지, 여러 정보를 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.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

IS-95 방식의 채널 구조

 

<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 0로만 신호를 전송한다. 이 Preamble한 데이터를 인지한 기지국은 Capsule 데이터를 20ms 단위로 Viterbi 복조기로 전달하여 복조한다.
이동국이 하나의 메시지를 보내고 그 메시지에 대한 확인을 받는 과정을 접속 시도라 한다. 이 접속 시도는 <그림 2-14>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, 이때에도 반응이 없으면, 다시 정해진 만큼 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>

순방향 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 800Hz 주기로 삽입된다. 또한 셀 경계에 존재하는 단말기의 통화품질을 확보하기 위하여 순방향 채널에서 디지틀 이득을 이용하여 순방향 전력제어를 한다.


<역방향 통화채널>

역방향 통화채널은 긴코드에 의해서 확산된다.


§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

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 바꾸어 주는 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 존재하는지를 감지하기 위해서 이동국에서 수신 가능한 파일롯 채널을 탐색한다. 이동국이 파이롯 채널을 탐색할 때는 망이 가지고 있는 파라미터인 PILOT-INC의 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.    1에서 통화중
나. 셀2의 파이롯 채널의 세기가 T_ADD를 초과, 이동국은 파이롯 채널 측정 결과를 MSG에 전송
다. 기지국은 핸드오버 방향을 MSC에 전송
라. 이동국은 핸드오버 완료를 MSC에 전송
마. 셀1의 파이롯 세기가 T_DROP 이하로 내려가면, 이동국은 핸드오버 Drop Timer를 작동
바. 핸드오버 Drop Timer가 완료되면, 셀1과 절단

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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, CDMA의 대역확산 원리에 의해서 얻을 수 있는 특성이다.
전자파를 이용하여 통신을 할 때 전송품질에 영향을 주는 현상 중에 가장 큰 영향을 주는 요인이 다중경로에 의한 페이딩이다. 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 통신 방식에서는 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. QCDMA인 경우 확산속도가 1.2288Mbps 이므로 한 chip의 시간은 0.814μS 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 3개가 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 시간차처럼, 두 신호의 시간지연 차이가 1 chip 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 2μS에서 3μS 정도로 알려져 있으므로, 이러한 환경에서는 레이크 수신기로 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나 마이크로셀 환경이나 옥내 환경에서는 시간 지연차가 0.2μS정도 이므로 큰 효과를 얻을 수 없다. 옥내 환경에서도 충분한 레이크 수신기의 효과를 얻기 위해서는 적어도 확산 대역폭이 50 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.

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Walsh Code

 

FDMA 방식에서는 적절하게 나뉘어진 주파수 대역이 채널이었으나 CDMA 방식은 FDMA 방식과는 달리 동일한 주파수를 여러 사람이 함께 사용하므로 주파수 단위의 채널 구분을 할 수 없다. 따라서 같은 주파수 내에서 각각의 통화를 위한 채널 구분이 필요하다. CDMA에서는 각각의 채널을 구분하기 위하여 특별한 코드를 사용한다. 퀄컴사의 CDMA 방식에서는 서로가 직교성(Orthogonal)을 가진 왈시코드를 사용한다. 왈시코드(Walsh Code)는 서로 다른 64개의 종류가 있으며 각각의 왈시코드는 64 비트로 되어 있다. 즉 왈시코드는 64 비트로 된 코드가 64 종류 존재한다.

왈시코드에 의한 채널은 W0, W1, W2...W63 등의 64 종류로 구분한다. 파일롯 채널은 W0로 동기 채널은 W32, 호출 채널은 W1 ~ W7, 통화 채널은 W8 ~ W63(W32 제외)으로 구분하여 사용한다. 호출 채널과 동기 채널을 할당하지 않고 W1 ~ W63까지 통화 채널로 사용할 수도 있다. 왈시코드는 이렇게 채널 구분을 하기 위해서도 쓰이지만 신호를 확산시키는 중요한 역할도 한다.

직교성은 다음과 같이 설명할 수 있다.
왈시코드가 64비트로 되어 있다고 했는데 편의상 4비트만 가지고 설명하기로 한다.
왈시코드 W0, W1, W2, W3이 0000, 0101, 0011, 0110 4가지가 있다고 하자.
직교성의 여부는 다음과 같은 계산을 통해 확인할 수 있다. 왈시코드끼리 곱한 후(자리 올림은 없으며 1은 -1로 0은 +1로 치환하여 값을 계산하며 이렇게 곱하는 것을 Exclusive OR라고 한다.) 나온 결과가 자신과 동일한 왈시코드를 곱한(W0*W0, W1*W1, W2*W2, W3*W3...) 코드값은 모두 +1의 값이 나오고 다른 코드를 곱한 (W0*W1, W0*W2...) 등의 코드값은 +1과 -1의 값이 나오는 것을 직교성이 있다고 한다.
왈시코드 64개의 종류는 자기 코드 외의 63개의 종류는 서로가 직교성이 있어 모두 결과가 +1과 -1이 나오도록 되어 있다. 즉 자기와 동일한 코드를 곱할 경우에만 +1의 값이 나온다. 64개의 왈시코드가 모두 독립적이므로 64개의 채널로 구분할 수 있다는 의미가 된다. 이러한 왈시코드의 특성을 이용하여 수신측에서는 64 비트의 왈시코드를 곱하여 그 값이 모두 +1이 나오는 데이터만이 자신과 같은 채널로 인정하여 데이터를 수신하게 된다.

암호화되어 19.2Ksps로 출력된 심볼은 64 비트의 왈시코드가 곱하여져서 데이터 전송율이 1.2288Mcps(19.2Ksps * 64비트)로 바뀌며 데이터 전송율이 커졌기 때문에 주파수 대역도 확산된다. 이렇게 확산되어 출력된 디지털 데이터는 전파로 발사하기 위하여 아날로그 신호로 변조되는데 이때 어느 기지국에서 송신하는가를 알 수 있도록 하기 위하여 각 송신 기지국 식별용의 짧은 PN 코드를 곱하여 준다. 이는 인접한 각각의 기지국들이 모두 동일한 주파수를 사용하므로 각각의 기지국을 구분하는 방법이다. 결국 데이터는 이 PN 코드에 의해 백색잡음에 가리워진 것처럼 되어 다른 사용자에 대한 간섭도 적어지고 잡음에도 강해지고 도청도 어려운 상태가 되는 것이다.

그러면 대역 확산된 데이터를 어떻게 검출하는가에 대해 알아보자.
먼저 결론부터 말하면 송신시 사용되었던 똑같은 왈시코드를 수신측에서 수신된 데이터에 곱해준다. 이것을 역확산이라고 하는데 송신측에서 사용한 왈시코드는 수신측으로 미리 통보된다. 역확산을 하면 오히려 수신된 데이터가 더 커지면서 더 넓은 대역으로 바뀌게 될 것이라고 생각할지 모르지만 역확산을 통하여 송신시 왈시코드를 곱하기 이전의 대역폭으로 협대역화 된다. 또한 잡음이나 다른 신호의 간섭은 오히려 줄어든다. 이를 수식으로 설명하면 다음과 같다.

송신측에서 왈시코드를 사용하기 전의 데이터를 X라 하고 왈시코드를 W, 잡음을 N이라고 하면 송신되는 데이터는 X*W가 되고 안테나를 통하여 송신 데이터가 발사되면 수신측에서 수신할 때에는 공간의 잡음(N)이 섞인다. 따라서 수신측에 수신된 데이터는 (X*W)+N이 된다. 수신된 데이터에 송신시 사용하였던 똑같은 왈시함수 W를 곱하면 ((X*W)*W)+(N*W)가 된다. 여기서 W*W는 1이므로 (X*1)+(N*W)=X+(N*W)가 된다. 결국 원래의 데이터에 잡음이 더해진 모양이 된다. 그러나 잡음은 왈시코드(W)가 곱해져 더욱 확산이 되면서 신호의 세력이 작아진다.

§ 이글은 "전파와 CDMA란 무엇인가"에서 발췌한 것입니다.

콘볼루션 인코더/심볼 반복기/블록 인터리버

1. 콘볼루션 인코더(Convolution Encoder)

데이터는 전송되는 동안에 여러가지 장애에 의해 데이터가 손상되는 에러가 발생한다.
일반적으로 통신 시스템에서는 효율적이고 신뢰성 있게 데이터를 전송하기 위해 에러 정정코드를 사용하여 전송시 발생한 에러를 복구한다. 이렇게 정보 데이터를 코드화 하는 것을 인코딩이라 한다. 예를 들어 전송하고자 하는 데이터가 10011이라고 할때 0대신에 00000을 보내고 1대신 11111을 보내면 송수신 데이터는 다음과 같다.

수신기에서는 수신 데이터 5비트중 1의 갯수가 많으면 1로 판단하고 0의 갯수가 많으면 0으로 판단한다. 따라서 수신 데이터 중 11100은 1이 많으므로 1로 판단한 것이다. 그러나 3비트 이상이 에러가 나면 복구가 불가능하게 되어 데이터에 영향을 주게 된다.

위의 예는 에러 정정 기법중에서 가장 간단한 방법이다. 에러를 정정하기 위해 사용하는 코드는 많이 있지만 CDMA에서는 콘볼루션 코드라는 것을 사용한다. 보코더에서 디지털 데이터로 바뀌어 출력된 데이터들은 콘볼루션 인코더로 입력되게 된다. 콘볼루션 인코더에서는 강력한 에러 정정 코드인 콘볼루션 코드를(길쌈 코드) 사용하여 전송시 발생한 에러를 복구하게 된다. 콘볼루션 코드는 한 비트를 출력하기 위해서 이전에 출력된 여러 비트를 연관시킨다. 출력된 데이터가 10011100010101이라고 할 경우 맨 뒤의 1은 앞서 출력된 1001110001010중의 어느 부분과 연관이 있다는 의미이다. 콘볼루션 코드화된 모든 비트들은 서로가 연관성이 있게 되므로 수신측에서는 이 연관된 성질을 이용하여 디코더를 사용하여 에러를 정정한다.

콘볼루션 인코더에서는 1비트의 입력에 대하여 2개의 코드 심볼이 만들어진다. 데이터 전송율도 9.6Kbps, 4.8Kbps, 2.4Kbps, 1.2Kbps가 19.2Ksps, 9.6Ksps, 4.8Ksps, 2.4Ksps로 바뀐다. 즉 데이터 전송율이 2배로 바뀐다. 데이터 전송율이 비트에서 심볼로 단위가 바뀌는 이유는 콘볼루션 코드화 되기 전까지는 비트 단위가 독립된 정보 단위로 취급되었지만 그 후에는 콘볼루션 코드가 더해져 비트만으로는 하나의 정보 단위중 부분만을 표현할 수 밖에 없으므로 새로운 독립된 하나의 정보를 표현하는 정보 단위 용어로 심볼을 도입한 것이다.

2. 심볼 반복기(Symbol Repetition)

콘볼루션 코드화된 심볼은 심볼 반복기를 통하여 여러 번의 반복 과정을 통하여 모두 19.2Ksps로 통일되어 출력된다. 즉 콘볼루션 코드화되기 전의 음성 데이터 전송율이 9.6Kbps일 경우는 반복을 하지 않고 4.8Kbps, 1.2Kbps의 경우에만 19.2Ksps가 되도록 반복 쓰기를 한다. 데이터 전송율이 통일되는 이유는 여러 개의 데이터 전송율로 계속 처리하게 되면 인터리브 등의 과정에서 그에 따라 시스템상 4가지의 회로가 필요하기 때문이다. 4가지의 데이터 전송율을 쓰는 이유는 말을 하지 않는 시간 등에는 주파수를 적게 쓰고 출력을 낮추어 다른 사용자에게 간섭을 줄이기 위해서이다. 데이터 전송율이 모두 한가지로 통일되었다 해도 그 데이터마다 당초의 음성 데이터 전송율이 얼마였었는지를 표시함으로써 전파로 최종 발사시에 출력을 조정할 수 있다.

3. 블록 인터리버(Block Interleaver)

전송에 따라 데이터에 에러가 발생하면 복구가 불가능하게 되어 데이터를 이용할 경우가 발생하는데 이를 최소화 하기 위하여 에러 정정 기술을 사용한다. 콘볼루션 코드는 에러가 드문 드문 산재되어 있을 경우에 복구가 가능하다. 만약에 에러가 일정 부분에 집중되어 있으면 에러 정정 코드로는 정정이 불가능해지게 된다. 아무리 좋은 에러 정정 코드를 사용한다해도 특정 부분에 에러가 집중되면 연속적인 데이터를 한꺼번에 잃어 버리게 되는 것을 방지할 수 없다. 그러나 블록 인터리버를 사용하여 이를 최소화 할 수는 있다. 콘볼루션 코드화된 데이터는 블록 인터리버로 입력되어 인터리빙된다.

블록 인터리버의 원리는 다음과 같다.
전송할 데이터가 1, 2, 3, 4...20이라고 할 때 입력은 세로 방향으로 쓰여지고 출력은 가로 방향으로 하게 된다. 이렇게 데이터를 정열하는 것을 인터리빙이라고 하며 수신측에서는 다시 수신된 것과 반대로 정열하는 것을 디인터리빙(Deinterleaving)이라고 한다.

블록 인터리버를 통해 출력되는 데이터는 1, 6, 11, 16 / 2, 7, 12, 17 / 3, 8, 13, 18 / 4, 9, 14, 19 / 5, 10, 15, 20이 되어 암호화의 과정을 거친다. 이렇게 출력된 데이터가 전송중에 첫번째 보낸 1, 6, 11 ,16 모두가 깨어져도 수신시에 *2, 3, 4, 5 / *7, 8, 9, 10 / *12, 13, 14, 15 / *17, 18, 19, 20으로 디인터리빙 되어 에러가 분산되기 때문에 에러 복구가 가능하게 된다.
만약에 인터리빙하지 않고 1, 2, 3, 4, 5 처럼 연속적으로 데이터를 전송하다가 1부터 10까지의 데이터가 손상된다면 아무리 이전의 비트와 연관되었다 해도 이전의 데이터까지 손상되었으므로 콘볼루션 코드화 되었어도 데이터를 복구할 수 없다. 이렇게 집중적으로 특정 부분에 에러가 생기는 것을 버스트 에러(Burst Error)라고 하고 드문 드문 에러가 생기는 것을 랜덤 에러 (Random Error)라고 한다. 즉 블록 인터리버는 버스트 에러를 랜덤 에러화시키는 역할을 한다.

§ 이글은 "전파와 CDMA란 무엇인가"에서 발췌한 것입니다.

Walsh Code & PN Code

 

앞에서 살펴본 바와 같이 CDMA 방식이 사용하는 대역확산 통신방식은 확산코드로 완전 잡음과 같은 신호를 확산 신호로 사용해야 한다. 그러나 단지 잡음과 같은 확산코드로는 각 가입자마다 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.

첫번째 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 1이 섞여서 나오고 이를 모두 평균하면 0이 되도록 되어 있고, 같은 코드를 곱하면 모두 1이 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 4 비트로 구성된 Walsh 함수를 가지고 다른 코드를 곱했을 때와 같은 코드를 곱했을 때를 비교해서 보여주면 <표 2-3>과 같다.
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 결과가 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 일치시켜야 한다.

<표 2-3> Walsh 함수 곱셈의 한 예

짧은 코드는 기지국에서 사용하는 2exp(15) 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 shift를 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 2exp(15) 주기를 가지고 있으며, 이 2exp(15)주기가 Walsh 코드마다 시간오프셋을 가져야 하므로 2exp(15)/64=512 하여, 시간오프셋은 512개가 존재한다. 이 512개의 시간오프셋을 각 기지국 마다 적당히 분배해야 하는데 인접 기지국과의 시간오프셋 간섭을 고려하여 분배간격을 설정해야 한다. 이 분배간격(PILOT-INC)은 기지국 사이의 거리, pilot 신호를 검출하기 위한 C/I값, 경로손실 등에 의해서 결정되며, 대개 10 -12 사이의 값을 가진다. 따라서 실제로 인접 기지국에 분배할 수 있는 시간오프셋수는 41 - 52개 정도이므로, 이를 각각 기지국에 주파수 채널 할당과 비슷한 방법으로 적절히 할당해야 한다.
각 단말기용 PN 코드는 단말기 장치번호를 이용하여 2exp(42)-1의 주기를 가진다. 이 주기는 약 41.125일으로 매우 긴 주기를 가지고 있다. 이 Long 코드를 이용하여 각 이동국마다 비화특성을 얻을 수 있다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

근거리/원거리 문제

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/[R*exp(3~5)] 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.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

대역확산통신방식(Spread Spectrum)

 

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 10110100101을 곱해준다. 확산코드는 원래의 데이타보다 훨씬 높은 비트 속도를 가지고 있으므로 하나의 송신 데이타에 여러개, <그림 2-1>에서는 11 비트를 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 01101001010를 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 채널 수가 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 11 배나 높은 속도를 가지는 확산코드의 대역폭을 표시해 보면, 송신 데이타의 대역폭에 비해서 11 배가 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.

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확산이득(Processing Gain)

 

대역확산 방식에서 이 시스팀의 특성을 표현하기 위한 파라미터로 확산 이득이 있다.
확산이득은 데이터 신호의 대역이 확산코드에 의해서 얼마나 넓게 확산 되었는지를 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 있는지를 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 파라미터이다.

Up-banded IS-95 (QCDMA) 의 경우 확산이득은

8kbps 보코더인 경우 :

 

13kbps 보코더인 경우 :

 

와 같다.

확산이득은 대역확산 방식에서 통화채널 용량과 밀접한 관계가 있다. 이를 8kbps 보코더를 사용하는 IS-95를 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 32가 된다. 물론 보코더가 13 kbps이면 85.3/4=21.3이 되어서 동시에 사용할 수 있는 최대 사용자수는 21이 된다.

 

이는 다른 잡음을 전혀 가정하지 않은 것으로 외부의 다른 잡음원이 있으면 그 잡음원의 간섭 정도에 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 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.
예로 Qualcomm이 개발한 IS-95 방식을 살펴보면, 용량을 증가시키기 위해서 음성 활동율을 조사하여 가입자가 말을 안할 때는 송신을 전혀 하지 않도록 하는 방법을 적용하여 용량을 두배 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 줄어들기 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.

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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 0이 된다는 이야기는 아니다. 이는 SIN이나 COS 함수를 살펴보면, 이 함수는 한 주기를 적분하면 0이 되지만, 전력을 구하기 위해서 이 함수의 자승을 구하면, SIN^2과 COS^2은 0이 되지 않는다는 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 음성 신호를 확산시키는데 사용하는 매우 긴 PN 코드(Long code)를 사용한다. 이에 대해서는 다음 절에서 자세히 설명하도록 한다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.  

PCS(Personal Communication Service)란?

 

PCS는 CDMA 디지털 기술을 그대로 사용하는 주파수만 다른 이동전화 서비스입니다. (Cellular:800MHz, PCS:1.7GHz)
예를 들면 TV에서 주파수가 다른 VHF(30MHz∼300MHz)와 UHF(300MHz∼3GHz)를 사용하는 것과 마찬가지입니다.
셀룰러는 800MHz를, PCS는 1.7GHz를 사용하고 있는데 두 주파수대역의 특성을 비교해 보면 다음과 같습니다.

▶ 전파 도달거리
전파 도달거리가 길어야 안정된 통화가 가능합니다. 전파의 특성상 800MHz는 전파의 도달거리가 길어 넓은 지역을 안정적으로 커버할 수 있지만 1.7GHz는 주파수가 높아 감쇄가 심하고 전파 도달거리가 짧아 넓은 지역을 서비스하기 힘듭니다.

▶ 전파의 꺾임성(회절성)
전파가 어떤 장애물 끝부분을 통과할 때 그 장애물의 뒷면에 도달하는 전파의 세기는 800MHz가 회절성이 높아 전파가 골고루 도달하는데 반하여 1.7GHz는 회절성이 낮아 통화 불능 지역이 많이 발생합니다.

▶ 전파의 투과성
전파가 건물이나 산악지형을 통과하는 특성으로 투과성이 좋아야 빌딩내나 지하에서 통화가 잘 됩니다. 800MHz는 투과성이 높아 건물이나 산악지형 등 장애물의 영향을 적게 받지만 1,7GHz는 투과성이 낮아 장애물의 영향을 많이 받습니다. PCS 사업자들은 PCS가 고주파수를 사용하기 때문에 더 고품질의 서비스를 할 수 있다고 광고하지만 사실 고주파수와 고품질은 아무 관계가 없습니다.
PCS가 1.7GHz대역에서 서비스하는 것은 800MHz 주파수가 이동통신 서비스에 가장 적합한 주파수이기 때문에 이미 다 사용되어 더 이상 사용할 주파수가 없어 차선책으로 1.7GHz를 선택한 것일 뿐이지 멀티미디어 서비스에 적당한 주파수이기 때문에 그 주파수를 사용하는 것은 아닙니다. 동영상에서 멀티미디어까지의 고차원 서비스는 궁극적으로 모든 통신매체가 지향하는 방향이지 PCS만이 제공할 수 있는 서비스는 절대 아닙니다.

§ 이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

PCS 개요

 

1.       PCS 개념

1) 서비스 측면
PCS란 일반적으로 기존의 이동전화 서비스의 단점을 극복한 보행자 중심의 새로운 이동통신 서비스를 총칭한다.

2) 서비스 특징
PCS는 셀룰라 이동전화에 비해 저렴한 보행자 중심의 이동통신 서비스이며 저속의 이동체를 서비스 대상으로 한다. 핸드오프를 지원하고 유선전화와 동등한 수준의 통화 품질을 가지며 소형, 경량의 단말기를 저렴하게 공급하여 일반 대중이 널리 사용할 수 있는 이동통신 서비스이다.

3) 다양한 기능
음성 뿐만 아니라 데이타 및 영상 서비스등의 이용이 가능하며 사용자마다 개인 번호를 할당한다.

2. PCS의 접근 방식

PCS를 구현하는 기술 방식은 크게 Low Tier PCS와 High Tier PCS로 구분된다.
Low Tier는 디지탈 코드리스 전화 기술을 기본으로 주파수를 1.8GHz 대역으로 상향한 방식으로서 일반적으로 셀반경이 작고 저출력이며 저속 보행 중심의 서비스를 뜻한다. 아울러 단말기 가격의 저렴화가 가능하여 대중화하기 쉬우며 통화 시간과 충전지속 시간이 길어 현재의 셀룰라 폰의 단점을 극복할 수 있으며 통화 채널당 용량이 커 복합통신 서비스 제공에 적합한 기술이기도 하다.
반면 high Tier는 기존의 디지탈 셀룰라 기술에 주파수를 1.8GHz 상향한 방식으로 셀반경이 크고 고출력인 고속 중심의 셀룰라 계열의 서비스를 말한다.

3. PCS로 인한 사회/문화적 변화

정보화 시대를 맞이하여 시공간을 초월하는 통신 환경의 구축이 사회, 문화, 경제등 모든 활동 분야에서 매우 필요해지고 있는데 최근 연도별 셀룰라 현황을 가입자수의 측면에서 보면 1984년 이래 연평균 80% 이상 증가하고 있고 시설은 연평균 약 100% 증가하는 등 폭발적인 증가 추세를 나타내고 있다. 이는 국제경제가 발전하고 있고 생활 수준이 향상됨에 따라 이동통신에 대한 소비자의 수요가 급증하고 있음을 나타내는 것이다. 그러나 이러한 소비자의 욕구가 휴대전화 및 차량전화 등으로 충족되고 있으나 보편적인 서비스를 제공하기는 한계가 있다.
이에 비해 PCS는 많은 통화량을 수용할 수 있고 근본적으로 저가의 단말기, 낮은 통화료, 유선전화와 대등한 통화품질등을 전제로 하여 일반 대중을 상대로 널리 보급된 서비스이다. 또한 현재의 통신망에서는 정보 교환을 위한 통신의 종단점이 특정 장치나 기기로서 회선번호나 단말기 번호 같은 물리적인 번호를 사용하고 있는데 이는 통화 대상자의 연결이 이루어지지 않거나 지연되는 불편함이 있다. 최근 통계에 따르면 일반전화 통화의 30%만이 원하는 착신자와 연결이 되고 70%는 통화중이거나 착신자의 부재로 연결되지 못하는 실정이라고 한다.
이러한 상황에서 PCS는 전화번호 할당이 지금의 유선전화나 셀룰라와 같이 지역이나 단말기에 따른 할당이 아닌 각 개인에게 주민등록번호를 부여하듯이 번호가 할당되어 특정 단말기가 아닌 각 개인에게 연결되는 서비스로 수신자의 위치에 관계없이 언제 어디서나 통화가 이루어진다는 점에서 커다란 사회적 변화를 가져오게 되었다. 예를들면 전화번호가 단말기가 아니라 각 개인에게 부여됨으로써 개인이 어느 위치에 있든지 자신의 소재지만 알려주면(위치등록) 항상 통화가 가능하여 고정 단말기의 장소 제약을 해결해 주는 것이다.
최근 사회 환경과 생활 양식등의 변화에 따라 개인의 가치관이 다양화되고 있으며 통신 서비스에서도 종래의 획일적인 서비스가 아닌 개인의 생활패턴, 환경, 취향에 맞는 서비스가 요구되고 있는데 PCS는 이러한 수요에 부응하는 다양한 서비스의 개발을 한층 용이하게 하고 있다.

4. 기술적 측면에서 본 PCS의 중요성

PCS 서비스를 구현하기 위해 필요한 기술에는 무선접속기술, 망구성기술, 운용기술, 단말기술, ISDN기술, 교환기술, 통신제어기술등이 있으며 PCS는 이들 기술들이 복합적으로 체계화된 종합기술이다. 우리나라는 선진국에의 기술종속을 탈피하기 위해 초창기부터 핵심원천 기술 확보에 주력하여 경쟁력있는 시스템 구축에 성공하였다. PCS 구현에 적용된 다양한 기술들은 정보통신 타분야에 대한 기술 수준 향상에 지대한 영향을 주었다.

5. Q & A

1) PCS란?
저렴한 가격과 우수한 통화품질로 저속차량 및 보행자를 중심으로 제공되는 이동통신 서비스를 말하며 일반인을 대상으로 서비스의 대중화를 목표로 한다.

2) PCS와 기존 셀룰라 이동전화의 차이점은?
첫째, 셀룰라 이동전화는 가입자 수용 용량이 적고 단말기 가격과 서비스 요금이 비싸 이용층이 국한되는 경향이 있었으나 PCS는 가입자 수용 용량을 높이고 단말기 가격 및 서비스 요금의 저렴화를 통해 모든 국민이 사용할 수 있도록 서비스의 대중화를 실현한다.

3) TDMA란 무엇인가?
다중접속 방식이란 다수의 사용자가 동시에 통화를 할 수 있도록 기지국과 단말기간 무선 구간을 연결해 주는 방식을 말한다. TDMA는 일정한 주파수 대역을 시간적으로 분할하여 전송하려는 정보들을 시간 차이를 두고 보내고 수신시에 시간 차이를 두고 복원함으로서 원래 신호를 재생해 내는 방식이다. 이 방식은 유럽, 미국, 일본에서 널리 이용되어 실용성이 검증되고 기존 아날로그 방식에 비해 2~3배 정도의 수용 용량을 갖는 장점이 있으나 일정한 대역을 여러 채널로 할당하여 주어진 채널 주파수의 범위내에서만 정보를 다중화할 수 있는 특성으로 인하여 폭발적인 수요에 대처하는데는 미흡하여 용량면에서 부족하다고 볼수 있다.

4) CDMA란 무엇인가?
대역확산(Spread Spectrum) 기술을 활용하여 일정한 주파수 대역을 채널로 분할하지 않고 전체 대역내에서 각각의 정보를 특정부호 및 시간차이로 분할하여 동시에 보내고 수신쪽에서 전체 대역내에 포함된 수많은 정보 중에서 보낼때 사용한 부호와 시간차이를 갖는 정보만을 골라내어 원래 신호를 재생해 내는 통신 방식이다. CDMA는 다중화 범위를 특정 채널 주파수가 아닌 일정 대역 전체를 사용하므로 일정 주파수 대역내의 수용 용량을 극대화할 수 있는 통신 방식으로서 기존 아날로그 시스템과 비교하여 약 10배 이상의 수용 용량을 갖는다.

5) WCDMA와 NCDMA의 차이점은?
NCDMA는 채널 대역폭이 1.25MHz인데 비해 WCDMA는 채널 대역폭이 이보다 넓은 5MHz 대역폭을 사용한다. 넓은 채널 대역폭을 사용하면 페이딩 현상이 강해져 옥내에서도 양호한 통화 품질을 유지할 수 있고 데이타, 영상등 멀티미디어 서비스에도 적합하다.

이동통신 서비스별 장단점 비교

ㅇ 우수한 통화품질
ㅇ 다양한 부가서비스 제공 : (문자서비스, 전자우편착신통보, 단문메시지 전송, 인증, 무선데이타서비스 등)
ㅇ 탁월한 통화보안성과 원음 재생력
ㅇ 단말기(PCS)의 소형, 경량화


§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

PCS의 개념

 

▶ PCS(Personal Communications Services)는 휴대단말기를 이용해 언제, 어디서나, 누구와도 통신할 수 있는 고도의 개인휴대통신 서비스로 기존 이동전화 서비스보다 한단계 진화된 휴대통신 서비스입니다.

① 고품질의 통화서비스 : 100% CDMA 방식으로 기존 이동전화보다 2배 높은 1.8GHz대역의 주파수를 사용하며 13K 보코더라는 첨단 음성신호 변환처리 방식을 이용, 소리가 더욱 또렷하고 세밀하여 원음에 가깝습니다.
② 고속주행시에도 완벽한 통화품질 : 고급 하이티어 기술을 이용해 완벽한 핸드오프 기능으로 시속 100Km 이상 고속 주행시에도 끊김없는 통화품질을 제공합니다.
③ 경제적인 서비스 요금 : PCS 시스템에 이르러서 새로운 기술혁신으로 고성능의 장비를 저가에 생산하게 되어 고품질의 서비스를 보다 경제적인 요금에 제공합니다.
④ 작고 가벼운 PCS폰 : PCS폰은 첨단 부품을 사용해 작고 가벼워 휴대가 편합니다. 또한 고성능 리튬이온 전지를 사용해 사용시간이 길어지고 고집적 반도체 장착으로 다양한 부가기능도 갖추게 됩니다.
⑤ 다양하고 편리한 부가서비스 : 1초당 14.4Kbps의 고속 데이타 전송능력으로 문자서비스, 음성사서함, 상대번호표시, 회의통화, PC통신 등 다양하고 편리한 부가서비스를 제공합니다.
⑥ 뛰어난 보안성 : CDMA 자체의 보안성은 물론 PCS만의 암호화 기법을 추가해 매우 뛰어난 통신보안성을 갖추고 있습니다.
⑦ 멀티미디어 서비스 : 기존의 유선망(전화망, 공중패킷망, 인터넷망)과 PCS시스템을 상호 결합해 무선 데이타 통신 서비스뿐만 아니라 향후 멀티미디어의 무선통신 서비스를 가능하게 합니다.

○ 휴대통신의 발전단계

○ PCS개념도 (망구성도)


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PCS의 이해

1.       셀룰라 시스템의 구조

각 기지국은 고출력의 송신기와 수신기, Controller, 안테나로 구성된다. 통상 셀은 육각형으로 표시되는데 이것은 도식화된 것일 뿐이지 실제는 다양한 형태를 나타낸다. 기지국은 전방향으로 방사되는 Omni 안테나나 120도 Sector 안테나를 사용하며 Sector 안테나는 특정 방향으로 전력을 집중할 필요가 있거나 용량의 증가가 필요한 경우 사용한다.
단말기는 저출력의 송신기와 수신기, 안테나, Microprocessor Control Unit으로 구성된다. 만약 통화중 기지국의 신호가 약해지면 단말기는 다른 채널로 전환하게 되는데 이것을 Handoff라고 부른다. 사용자는 호가 Handoff됨을 느끼지 못하지만 데이타 통신에는 치명적인 영향을 미치게 된다.
각 단말기는 ESN(Electronic Serial Number)와 MIN(Mobile Identification Number)를 가지며 통화를 시도할 때마다 ESN과 MIN은 Database에서 인증되는 절차를 거친다.

2. 셀룰라 통신의 역사

셀룰라 통신은 비교적 복잡한 역사를 가지고 있다. 가장 먼저 상용화된 무선통신 시스템은 디트로이트 경찰국에서 1921년 사용한 MRS(Mobile Radio Service)이며 차량에 2MHz의 송수신기를 장착하여 사용하였다. 일반인에게 최초로 공개된 시스템은 27MHz에 40개의 채널을 가진 Citizen's Band Radio이다.
이동통신 시스템은 1960년대부터 괄목할 만한 성장을 하게 되는데 FCC는 1974년에 사용되지 않는 UHF TV 채널을 제거하여 806MHz에서 947MHz 대역을 이동통신용으로 확보하게 된다. 1981년 4월에 FCC는 셀룰라 이동통신의 개념을 받아들이게 되고 1982년 11월에 800MHz 대역(단말 송신 824~849MHz, 기지국 송신 869~894MHz)에 대한 셀룰라 이동통신 서비스를 허가하였다.
FCC는 음성의 FM(Frequency Modulation) 변조와 FSK(Frequency Shift Keying) 신호처리 방식의 아날로그 이동통신을 허가하였고 그 결과 Bell Labs에서 제안한 AMPS(Advanced Mobile Phone System)가 등장하였다. AMPS의 각 채널 대역폭은 30KHz이고 총 832개의 채널을 가진다. AMPS는 현재도 북미와 호주등의 국가에서 주요한 이동통신 시스템 중의 하나이다.

3. Other Cellular Standards

AMPS가 소개된 이후 유럽에서는 이와 유사한 시스템이 많이 등장하였고 그중 가장 널리 퍼진것 것이 TACS이다. TACS는 Total Access Communications System의 약자로 영국에서 개발되었으며 890~915MHz/935~960MHz 대역을 사용한다. TACS는 영국이외에 이탈리아, 스페인, 오스트리아, 아일랜드 등지에서 사용되었고 25KHz의 대역폭을 가지는 채널 1000개를 제공한다.
ETACS는 872~905MHz/917~950MHz 대역에서 운용되었고 NMT(Nordic Mobile Telephone System)은 450MHz 대역과 900MHz 대역의 두개의 대역에서 운용되었다. 프랑스는 무선통신 개발에서 뒤쳐지지 않기 위해 192.5MHz와 428MHz의 대역에서 4개의 대역을 제공하는 Radiocom2000 시스템을 개발하였고 이탈리아는 450MHz 대역의 RTMS(Radio Telephony Mobile System)를, 독일과 포르투갈은 450MHz 대역의 C-450 시스템을 개발하였다. 일본은 843MHz와 940MHz에서 운용되는 NTT와 JTACS/NTACS를 개발하였다.
이들 시스템은 각기 다른 변조 방식과 주파수 대역, 채널 대역폭을 사용함으로써 상호 호환성이 없다.

4. Digital 통신

1980년대 이후 LSI(Large Scale Integration)과 DSP(Digital Signal Processing) 기술의 발달로 아날로그 통신은 디지탈 통신으로 발전하게 되었다. 디지탈 통신에서는 아날로그 신호가 디지탈(0과 1의 비트열)로 변환되어 전송된다.

디지탈 통신의 장점은 아래와 같다.

- 채널의 효율적 이용 : 다수의 음성, 데이타 신호가 하나의 회선을 통해 동시에 전송 가능하다.
- Integration의 용이성
- 우수한 품질 : 디지탈 신호의 특성상 장거리 전송에서도 우수한 품질을 유지한다.
- 보안성 : 신호가 디지탈로 Encrypt되므로 Decoding이 쉽지 않다.
- 저전력, 소형 단말기 : 디지탈 변조 기술로 인해 저출력 송신이 가능하며 단말기의 크기와 가격을 줄일수 있다.
- 성장 가능성 : Speech Coder 기술의 발달로 채널을 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

5. Multiple Access Technologies

다수의 사용자들이 동시에 시간과 주파수를 공유하며 접속이 가능한 방식을 다중접속이라 한다. 다중접속의 하나로서 FDMA(Frequency Division Multiple Access)가 있으며 FDMA는 한 사용자에게 하나의 주파수를 할당한다. 사용자의 통화가 끝날때까지 주파수는 점유되어 있으며 통화가 끝난 후에야 다른 사람이 접속할 수 있게된다. FDMA는 아날로그 방식이며 구현이 용이하지만 주파수 채널의 낭비가 심하다.

FDMA의 주파수 사용상의 비효율성을 개선하기 위한 방안으로 TDMA(Time Division Multiple Access)가 제안되었으며 TDMA는 FDMA의 주파수 분할 개념에 시간 분할 개념을 더한 것이다. TDMA에서 음성 신호는 디지탈 프레임이나 패킷으로 변환되어 전송되며 각 채널은 짧은 시간 주기로 분할되어 있다. 즉 사용자는 미리 정해진 짧은 시간동안만 통화를 할수 있으며 그 시간 주기 이후에는 할당된 채널은 순서에 따라 다음 사용자에게 넘어간다. 이러한 방법으로 다수의 사용자는 하나의 채널을 공유한다. TDMA의 대표적인 방식으로 유럽의 GSM(Global System for Mobile communications)과 북미의 IS-54가 있다.
TDMA는 기존 아날로그 통신에 비해 증가된 가입자 수용 용량, Caller ID, Voice Encryption, Text Messaging등 많은 잇점을 제공하였다. IS-136는 Microcell의 개념 도입, Data 전송의 신뢰성 확보, 배터리 수명 연장, OTA등 더 많은 장점을 가지고 있다.

CDMA(Code Division Multiple Access)는 Spread Spectrum 기술을 응용한 것으로 다수의 사용자가 동시에 시간과 주파수를 공유한다. 각 사용자는 고유의 코드로 분할되며 코드로 확산된 데이타를 변복조하기 위해 송수신기간 동기를 맞추어야 한다. CDMA는 일찌기 군통신에서 활용되었고 Qualcomm에서 제안하여 1993년 TIA에서 IS-95로 채택되었다. CDMA는 시간과 주파수를 공유하므로 주파수 스펙트럼은 마치 여러개의 전력의 층처럼 보인다. 사용자간에는 정확한 동기가 확보되어야 하며 최대 14.4Kbps의 데이타 전송 속도를 가진다.
CDMA는 페이딩과 간섭에 강한 특성을 보이는데 이것은 한 채널의 대역폭이 1.25MHz에 이르는 광대역 확산 방식의 특성에 따른 것이다. 통상 협대역 신호는 Multipath(신호가 서로 다른 시간에 다른 경로를 통해 도달하는 것)의 영향을 심각하게 받지만 CDMA에서는 Rake Receiver를 사용하여 이러한 문제를 제거한다. 또 송신시 넓은 대역으로 확산된 신호에 간섭이 유입된다 하더라도 수신측에서 역확산시킬때 동일한 확산 코드를 가진 원신호만 역확산되고 간섭신호는 확산되므로 간섭에 강하다. CDMA는 이외에 보안성이 높아 도청하기 어렵다는 장점이 있는데 이것은 CDMA가 Pseudo Random Code를 사용하기 때문이며 동일한 PN 코드로 확산되지 않은 모든 신호는 잡음으로 간주된다.

6. PCS

PCS를 구현하는데 있어서는 앞서 언급된 IS-54, GSM, IS-136, CDMA등 다양한 방식의 적용이 가능하다. 원래 PCS(Personal Communications Services)는 일반 대중들이 언제(Anytime) 어디서나(Anywhere) 다양한 형태의 정보(any kind)를 Communicate 하도록 한다는 개념이다. 각 사용자에게는 UPT(Universal Personal Telecommunication) Number라 불리는 고유의 개인번호를 할당하고 전세계 어디에서나 자유롭게 통신하고자 하는 개념에서 출발하였으나 국가간 상이한 시스템의 개발로 현실적으로 이루어지지 못했다. 유럽, 특히 영국에서는 PCS가 PCN(Personal Communication Network)라 불리기도 한다.

7. PCS의 이해

PCS는 많은 점에서 Cellular 통신과 유사하다. 단지 셀룰라 통신이 반경 수km에 이르는 Macrocell에 기초하고 있다면 PCS는 반경이 더 작은 Microcell에 기초하고 있으며 셀룰라보다 보다 많은 기지국을 필요로 한다는 점이 다를 뿐이다. PCS는 음성 뿐만 아니라 데이타, 단문 메세지, 호출 서비스등 궁극적으로는 멀티미디어 서비스를 목표로 하고 있으며 단말의 이동성을 보장한다. 서비스상 high-tier와 low-tier로 구분되는데 high-tier는 셀룰라와 매우 유사하며 low-tier는 저속의 사용자를 위한 무선 전화기에 가까운 개념이다. 셀룰라 이동통신에서 각국의 이동통신 방식이 상이하여 발생되는 문제를 해결하기 위하여 PCS 기술은 국제적으로 통일화 시키려는 움직임이 있었으나 미국과 유럽의 대립으로 무산되었다.
경제적인 측면에서 보았을때 PCS는 기존의 셀룰라 시스템보다 가입자당 서비스 비용을 줄일수 있는 장점이 있다. 비록 PCS를 구현하는데 있어 셀룰라 시스템보다 많은 수의 기지국이 필요하지만 PCS용 기지국은 그 크기가 작아 설치가 용이하므로 비용을 줄일 수 있다. 반면 셀룰라 기지국의 경우 설치 비용, 국사 임대 비용등이 많이 들어 결국 망구축 총비용은 PCS가 낮다.

8. 미국의 PCS

미국에서 PCS 상용화가 시작된것은 1993년 9월 FCC가 1850~2200MHz를 PCS용으로 허가하면서 부터이다. 이듬해 FCC는 1850~1990MHz의 120MHz를 PCS용으로 할당키로 결정하였고 주파수 경매를 통한 사업자 선정에 들어갔다. 이 120MHz 대역은 모두 6개의 대역(A, B, C, D, E, F Band)으로 분할되었고 낙찰자는 원하는 방식으로 PCS 서비스를 할 수 있었다. 특이한 것은 1850~1910MHz 및 1930~1990MHz만 PCS용으로 할당하고 1910~1930MHz(U-PCS Band)는 WLAN등 다른 무선통신 서비스를 위해 유보했다는 점이다. 미국의 주파수 경매는 70조 달러에 이르는 사상 최대의 경매로 기네스북에 올라있다. 경매 지역은 Rand McNally Commercial Atlas and Marketing Guide에 따라 51개의 Major Trading Area(MTA)와 493개의 Basic Trading Area(BTA)로 나뉘어졌다. 30MHz의 A, B Band는 MTA용으로 할당되었고 30MHz의 C Band는 BTA용으로, 10MHz의 D, E, F도 BTA용으로 할당되었다.

9. GSM

GSM은 900MHz 대역(단말 송신 890~915MHz, 기지국 송신 935~960MHz)에서 각각 200KHz 대역폭을 갖는 채널 128개를 제공한다. GSM는 고속의 데이타 전송이 가능하고 페이딩에 강하며 생산원가를 낮출수 있는 장점이 있다. GSM은 TDMA 기술을 이용한 것으로 각 채널에는 8개의 Time Slot이 있고 초당 217번 주파수 도약을 한다. 즉 한 채널당 8명의 사용자가 동시 통화가 가능하다는 뜻이다. Synchronous 및 Asynchronous 데이타를 2400, 4800, 9600bps로 송수신 가능하며 Audio Modem(V.22bis, V.32bis) 및 ISDN과 연동을 지원한다. 또한 수신 확인이 가능한 양방향 메세지 서비스를 제공하며 메세지 송수신은 통화중에도 가능하다.
GSM은 PCS의 개념을 완전히 확립한 유일한 시스템으로 보아도 좋다. 가입자의 정보가 담겨있는 SIM(Subscriber Identity Module)을 사용하여 자신의 단말기가 아닌 다른 단말기에도 이 SIM을 넣기만 하면 전화를 할 수 있다. GSM의 또다른 형태로 DCS(Digital Cellular System)1800이 있으며 1.8GHz 대역에서 운용된다. GSM900과 DCS1800의 유일한 차이점은 DCS1800의 셀반경이 GSM900보다 적다는 점이다.

10. The Issue of Propagation

사용되는 주파수가 높아지면 높아질수록 Propagation에 대한 고려를 많이 해야 한다. 고주파 대역일수록 Line of Sight가 중요해지는데 이는 반드시 LOS를 확보해야 한다기 보다는 전파가 장애물을 통과할 때 감쇄를 더 많이 받는다는 뜻이다. 이동통신 환경에서 송신 전력의 분포는 인접 채널로부터의 간섭을 방지할 수 있을 정도로 충분히 낮아야 하며 동시에 신호의 반사, 산란, 흡수, 지연을 극복할 정도로 충분히 높아야 한다.
전파의 반사(Reflection)가 가장 심각하게 일어나는 경우는 전파의 파장보다 큰 장애물에 전파가 반사될 때이다. 이러한 장애물은 지구의 표면, 건물 또는 아주 큰 비행물체일수도 있다. 전파의 반사는 수신단에서 특정 신호의 전력 증폭 또는 감쇄의 문제를 일으킨다.
산란(Scattering)은 전파가 전송중에 전파의 파장과 비슷한 크기를 가지는 물체에 부딪쳤을때 발생하며 이러한 장애물은 냉장고, TV등이 될수 있다. 이러한 장애물에 전파가 부딪치게 되면 전파는 다양한 각도로 재방사된다.

셀룰라와 PCS 네트웍은 Macrocell 또는 Microcell로 구성되는데 이들 모두 Propagation 문제를 가지고 있다. 1~20km의 반경을 가진 Macrocell(송신출력 1~20W)의 경우 가장 심각한 문제는 Multipath에 의한 신호의 감쇄이다. 특히 이러한 현상은 셀의 가장자리에서 많이 발생하며 전파의 반사 또는 반사로 인한 전파의 수렴으로 인하여 수신단에는 Out-of-phase 신호가 도달하여 신호를 약하게 하거나 소멸시켜 버린다. 또한 Macrocell에서는 금속성의 건물 또는 탑에 의한 전파의 흡수 문제가 발생한다.
PCS에서 많이 사용되는 반경 0.1~100m의 Microcell은 저전력(0.1~1W)의 송신기를 사용하며 단위 면적당 더 많은 가입자를 수용한다. Microcell은 주로 대도시에 많이 설치되며 빌딩내에 설치되기도 한다. Microcell에도 전파의 반사와 지연의 문제가 있으나 셀룰라 네트웍에서 처럼 심각하지는 않다. 반면 건물, 가구, 벽등에서의 전파의 흡수가 큰 문제가 되는데 이는 심각한 수준의 감쇄를 야기하기도 한다. 주파수는 감쇄의 함수로 나타낼 수 있으며 일반적으로 주파수가 2배가 되면 감쇄도 2배가 된다.

11. Canada의 PCS

Canade에서는 1992년 10mW의 디지탈 Digital Cordless 방식이 944~948.5MHz 대역에서 채택되었다. 이 시스템은 TDMA에 기초하고 있으며 100KHz의 대역폭을 갖는 채널 40개를 제공하고 5KHz는 Signaling용이다. 통상 CT2Plus라고 불리는 이 시스템은 DCT(Digital Cordless Telephony)의 일종이며 높은 음성 품질, 4800kbps의 데이타 전송, 호출 서비스등의 장점을 가지고 있다. 사용자는 일반 유선전화 수준의 저렴한 요금으로 이동통신 서비스를 받을 수 있다. CT2는 원래 영국에서 최초에 소개되었으나 적은 수의 채널과 수신이 불가능하다는 단점으로 인해 결과적으로는 실패한 시스템이다.

12. 일본의 PCS

일본은 PCS의 Solution으로 PHS(Personal Handyphone System)을 선택했다. PHS는 1895~1918.1MHz 대역에서 운용되며 300KHz의 대역폭을 가지는 채널 77개를 제공한다. 이중 40개의 채널은 일반용이며 나머지 37개 채널은 가정과 사무실용으로 할당되었다. 일본 MPT는 1995년 1월 21개의 PHS License를 발급하였다.
기술적으로 PHS는 단말기 출력이 10mW(최대 80mW)이며 기지국은 0.5W(최대 4W)의 출력을 가진다. 또한 최대 9600kbps의 Full Duplex 데이타 전송을 지원한다.

13. 맺음말

PCS는 작은 셀(Microcell)의 크기, 소형의 단말기, 다양한 서비스를 특징으로 한다. 하지만 PCS는 셀룰라 보다 두배의 주파수를 사용하고 있으며 동일한 거리에 신호를 전송하고자 할때 셀룰라 시스템 보다 많은 전력을 필요로 한다. 뿐만 아니라 기존에 이미 셀룰라 시스템이 구축되어 서비스되고 있는 상황에서 PCS 네트웍을 또 구축한다는 것은 중복 투자가 될 수도 있다. 가입자는 이미 안정화된 셀룰라 서비스에 비교하여 잦은 통화단절을 경험하게 될 것이고 서비스되지 않는 지역이 많아 불편을 느낄 것이다. 하지만 분명한 것은 PCS가 도입됨으로써 사용자는 보다 저렴한 가격으로 이동통신 서비스를 이용할수 있게 되었으며 시간이 흐를수록 셀룰라와 PCS의 경쟁으로 좋은 품질의 서비스를 제공받게 된다는 점이다.

HDR 개요

 

CDMA IS-95 기술의 일반화에 성공, 전세계적인 CDMA 기술의 급속한 확산 계기를 마련한 퀄컴이 새로 선보일 패킷 무선데이터 신기술 "HDR(High Data Rate)'은 IS-95 테크놀로지 이후 퀄컴이 야심차게 준비하는 새로운 무선기술이다. 최대 2Mbps 전송속도를 갖는 IMT-2000의 상용화 이전에라도 기존 IS-95 네트웍을 활용, 최대 2.547Mbps의 데이터 전송속도를 실현하는 HDR은 이미 상용화를 위한 막바지 테스트가 샌디에고에서 실시되고 있다.

<기존 IS-95 네트웍과 호환, 최대 2.5Mbps 속도 실현 … 2000년 상용화>

최근 국내 이동전화 사업자들이 잇따라 상용 서비스를 한 IS-95B의 경우, 이론적인 최대 전송속도는 115.2Kbps(PCS의 경우. 최대 8개 채널 할당시)이다. 현재의 주파수 용량을 2배로 확대하는 IS-95C(cdma2000 IX RTT)가 제공될 때 약속하는 데이터 전송속도는 144Kbps. 그러나 기존 IS-95 네트웍이 사용하는 주파수대역(1.25MHz)에서 메가급 데이터 전송을 실현할 수 있다면? HDR은 이 '꿈의 데이터 전송'을 실현할 수 있는 신기술이다.

<'IS-95'에서 메가급 데이터 속도 실현>

IMT-2000에서 메가급 데이터 전송이 이루어졌을 경우, 우리는 쉽게 얼굴을 보면서 통화하거나 단말기를 통한 리얼타임 동영상 구현 등을 생각할 수 있다. '꿈의 차세대 통신'이라는 개념은 여기에서 출발하는 것이다. 현재 IMT-2000(DS, MC 3X)에서는 이러한 개념의 현실화를 위해 주어진 주파수 대역(20MHz)내에서 5MHz씩 할당, 최고치의 데이터 전송속도를 가져갈 계획이다. 그러나 MC 모드의 진화 경우, IS-95/A/B/C (cdma2000 1X)에서 사용되는 1.25MHz는 MC 3X(5MHz) 단계에 들어서기전 음성 위주로 데이터 속도를 향상시켜가는 형태를 취하게 된다. 대표적인 것이 IS-95C로서 용량을 2배로 확대, 제공할 수 있는 데이터 속도는 최대 144/384Kbps를 나타내는 것이다.
결국 5MHz를 전부 사용, 비디오나 동영상을 전송할 수 있는 시기로 현재로서 2002년께를 예상하고 있을 뿐 정확한 상용화 시점을 논하기엔 현재 관련 표준화 일정이 유동적인게 또 현실이다.
현재 퀄컴이 어원 제이콥스 회장이 CDMA 상용화 이후에 가장 관심을 갖고 있다는 HDR은 이러한 기술적인 한계를 극복, 현재의 CDMA 셀 사이트내에서 최대 2.547Mbps를 실현할 수 있도록 하는 신기술이다.
HDR은 MC 3X(혹은 DS W-CDMA) 이전, 고속의 데이터 수요를 흡수한다. 음성과 데이터를 모두 제공하는 IS-95/A/B/C 서비스의 진화와 병존하면서 데이터 수요를 병행 흡수할 수 있는 이 기술은 특히 기존 시스템에 '밥 숟가락 하나 얹는' 정도의 저렴한 투자로 실현 가능하다는 점을 장점으로 하고 있다.
기존 CDMA 셀 사이트와 안테나를 공유하면서 HDR 억세스 포인트(HDR Access Point)를 설치하거나 (Decentralized Architecture), 기지국(BTS)내 HDR 억세스 포인트 기능을 내장하는 방식(Centralized Architecture)을 사용, IS-95/HDR 듀얼 모드 단말기를 가진 사용자는 기존 음성 서비스외 고속의 무선데이터 서비스를 이용할 수 있다.
CDMA 네트윅과 호환, HDR 사이트는 IS-95 네트웍내에 선택적으로 채용될 수 있다. 이는 기존 네트웍의 진화 계획에는 전혀 변화를 주는 것 없이 현재 사용중인 동일한 셀 사이트, 타워, 안테나를 공유할 수 있다는 것을 의미한다. 여기엔 그만큼 '맘만 먹으면' 언제든 신속히 서비스가 가능하다는 뜻도 담겨있다.
HDR은 고정(Fixed)/포터블/모바일 단말기를 사용하는 다양한 가입자층을 수용할 수 있으며, IS-95 RF와의 호환성을 바탕으로 그 수요를 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 퀄컴은 고도의 통합기술을 채용한 IS-95/HDR 칩(ASICs) 개발을 통해 칩 소형화는 물론, 기존 네트웍의 하드웨어와 소프트웨어 솔루션과 완벽 호환 되도록 해나갈 방침이라고 밝혔다.

<기존 사업자 어떤 이익이 있나?>

이러한 기술을 채용할 경우, 기존 CDMA 네트웍을 운영하는 사업자들은 어떤 이익을 취할 수 있을까. 퀄컴은 우선 저렴한 설치 비용과 경쟁 기술보다 고속화된 데이터 서비스를 전면에 내세우고 있다. 3G로 진화하기 이전, 데이터 고속화를 위한 노력은 GSM으로 대표되는 유럽 진영에서도 진행중이다. 대표적인 기술로는 115Kbps를 실현하는 GPRS(General Packet Radio Service)와 384Kbps를 실현하는 EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)를 꼽을 수 있다. 에릭슨을 중심으로 하는 이러한 기술 개발을 통해 급격히 증가하는 데이터 수요를 흡수하겠다는 것이 이들 유럽 진영의 생각이다.
이러한 움직임들은 데이터 고속화를 위해 일보 전진하고 있는 IS-95 진영과 흡사하다. 각각 'B'와 'C'로 진화해가는 기술 방식들이 이와 유사한 데이터 속도를 끌어 안으면서 자기 진화를 재촉하고 있는 것이다. HDR은 이러한 서비스 방식의 진화와는 별개의 기술이지만 이들 서비스 진화와 더불어 진화한다는 특징을 보이고 있다. 상호 대립의 관계라기보다 공존이라는 개념으로 설명되는 HDR의 도입은 이미 그 기술 자체가 '수년 앞선 2Mbps급 데이터 서비스'를 선보일 수 있다는 점에서 다른 경쟁 기술과는 차원을 달리한다는 것이다.
특히 사업자들은 관련 시장에 첫 발을 내딛음으로써 광범위한 시장 선점의 효과를 가져갈 수도 있을 것으로 보인다. HDR은 이후 메가급 데이터 속도를 보이는 3G 이후에도 유효할 것이라는게 퀄컴측 설명이다. 새로운 기술이 탄생하면 기존 기술이 사장되는 형태를 띠는 것이 아니라 상호 병행 발전하기 때문에 HDR 나름의 입지를 충분히 가져갈 수 있을 것으로 내다보고 있다.
한편 퀄컴은 사용자 측면에서도 HDR이 사용요금에 민감한 사용자들을 배려한 고속 데이터 서비스로서 무제한 접속, 다양한 단말기 및 듀얼모드 음성/데이터 단말기를 통한 서비스 이용등의 이점을 가져갈 수 있다고 밝혔다.

<상용화와 표준화, '두마리 토끼 쫓기'>

현재 HDR에 높은 관심을 보이고 있는 업체는 일본 업체들인 것으로 알려지고 있다. 일본내 CDMA 서비스를 제공하고 있는 DDI와 IDO가 데이터 속도에 관심을 기울이는 이유는 이미 일본내에서 PHS가 64Kbps 데이터 서비스를 제공하고 있는 것과 무관하지 않다. 새로운 기술로 적극 홍보하고 있는 CDMA가 빠른 시간내 이 정도 속도 이상을 가져가지 않으면 큰 메리트를 가져가지 못할 것이라는 우려 때문이다. 더욱이 '넘어야 할 산'인 NTT 도코모가 유럽의 고속 데이터 서비스인 GPRS와 EDGE 도입을 가시화하고 있는 시점에서 HDR 도입은 가장 강력한 경쟁 수단으로 사용 가능하다는 계산이 섰음직하다는 분석이다.
퀄컴은 이러한 업체들의 참여를 통한 컨소시엄 구성을 통해 이를 업계 표준화하기 위한 것으로 보인다. (퀄컴은 시연회에서 복수의 셀 사이트(3~4개)에서 여러 섹터를 통한 완전한 모습의 기능을 선보일 것이라고 밝혔다. 지난해 PCS 쇼와 CTIA 쇼에서 선보인 '맛뵈기'와는 차원이 다를 것이라는 설명이다.) 업계 지원이 'TIA 표준화'를 이룬다는 당연한 명제는 특히 퀄컴으로 하여금 CDMA 종주국이라고 할 수 있는 한국 업체의 참여를 적극 기대하게끔 하고 있다. "새로운 기술 개발에 있어서 업계 표준이 되기 전, 퀄컴은 확신을 갖고 이를 오래 전부터 준비해왔다"며 퀄컴은 IS-95 상용화를 실례로 꼽았다. HDR도 유사한 길을 가고 있다고 밝힌 퀄컴은 HDR이 차세대 데이터 통신 기술로서 전체 업게의 자발적인 참여에 의해 확산될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이는 HDR을 자사의 다음 세대 '브랜드'로 하기 위한 퀄컴의 차세대 전략과 맞닿아 있는 것으로 해석된다.
신기술 공여와 관련, 특히 한국의 입장에서 가질 수밖에 없는 당연한 질문의 맨 앞자리에는 '로열티'가 자리잡고 있다. 그렇다면, HDR을 국내 사업자/제조업체가 받아들였을 때는? 퀄컴은 "기술을 가져가는데 대한 로열티는 없다"고 밝혔다. 자사 CDMA 인프라를 에릭슨이 모두 가져갔을 때, 이 기술을 남겨둔 것은 이미 '칩 전문회사'가 된 퀄컴 입장에서 HDR 확산을 통한 칩 공급을 염두에 둔 것이라는 설명이다. 퀄컴이 IPR을 쥐고 있는 한 에릭슨이 이를 독점할 수 없을 것이라는 판단이 여기엔 적용했다.
그러나, 삼성과 LG, 현대, 맥슨을 제외한 다른 업체들이 이 기술을 사용하기 위해서는 기술 사용료를 지불해야 한다. 이는 'CDMA 기술의 모든 것'을 라이센스하는 이들 선발업체들이 갖는 이점인데, 후발 업체들의 비애는 일본의 CDMA 참여 업체들도 크게 다르지 않다는 것이 퀄컴측 설명이다.

§ [월간셀룰러/뉴 테크놀로지] 中

HDR 기술 개요 및 특징

 

최대 2Mbps의 전송속도를 갖는 IMT-2000의 상용화 이전에 기존 CDMA 기술을 활용하여 최대 2.547Mbps의 데이타 전송속도를 실현하는 HDR은 상용화를 위한 각 사업자들의 테스트를 준비중이다.
CDMA IS-95 기술의 상용화에 성공, 전세계적인 CDMA 기술의 급속한 확산 계기를 마련한 퀄컴이 새로 선보일 패킷 무선데이터 전송 신기술 HDR(High Data Rate)은 메가급 고속 데이타 전송을 가능하게 하는 새로운 무선 전송 기술이다.
이미 국내에서 상용서비스를 시작한 IS-95B의 경우, 이론적인 최대 전송속도는 115.2Kbps이며 현재는 57.6kbps로 서비스 중이다. 그리고 현재 표준화 과정이 마무리 단계인 IMT-200 MC의 1xRTT 시스템은 음성과 데이타 모두를 지원하기 위한 시스템이므로 1.25MHz 대역으로 고속의 데이타를 전송하는 데는 그 한계가 있다. 또한 현재의 IS-95 네트웍은 아직 144kbps 이상을 지원하지 않으므로 당분간은 고속 데이타 전송이 힘든 상황이다.

HDR은 고속 패킷 전송만을 위해 최적화된 시스템으로 현재의 IS-95 시스템과 동일한 주파수 대역(1.25MHz)을 사용하면서, 사용자에게 평균 670kbps의 데이타 전송 서비스를 제공한다.

1. 시스템 아키텍처

<그림1>은 HDR의 시스템 구성도이다.
AP(Access Points)는 IS-95시스템의 기지국(BTS)역할을 하는 장비로 내부에 호(session)의 제어 기능을 하는 BSC와 MSC가 내장되어있다. 따라서 HDR은 단지 이 AP를 라우터에 연결하고 요금 과금과 사용자인증 그리고 데이타 서비스를 위한 사업자 망에 연결함으로써 HDR 망 구성이 가능하다.

<그림1> HDR 시스템 구성도

AP는 하나의 FA에 3개 Sector까지 지원하며 현재의 IS-95 기지국에 설치할 수 있다. HDR의 AP는 IS-95와 RF 특성이 동일하기 때문에 안테나를 공유하며 적은 공간을 차지하기 때문에 추가적인 기지국 건설의 필요 없이 현재의 기지국 내부에 설치가 가능하다.
<그림2>, <그림3>은 HDR시스템을 기존의 IS-95 시스템과 함께 설치한 모습으로 HDR의 두가지 Architecture 중의 하나인 Decentralized architecture를 보여주고 있다.

<그림2> Decentralized Architecture

<그림3> Centralized Architecture

Decentralized architecture는 AP가 모든 사용자의 호(Session) 제어 기능을 수행하며 기존 IS-95 시스템의 구조를 전혀 변경할 필요가 없다. 또한 데이타 서비스를 위한 네트웍은 IS-95B 시스템의 네트웍을 그대로 사용할 수 있으므로 초기 설비투자를 최소화 할 수 있다.
Decentralized architecture 외에도 HDR에는 Centralized architecture가 있다. Centralized architecture는 IS-95시스템의 BSC와 MSC역할을 하는 SF(Selector Function)을 BSC에 설치함으로써 구현이 가능하다. 위 두가지 architecture는 단지 구현상의 문제일 뿐 성능에는 별다른 차이가 없다.

2. IS-95 시스템과 HDR

<그림4>는 현재의 IS-95 셀 위에 HDR이 overlay 되는 모습을 보여주고 있다. HDR은 IS-95B와 Packet Handoff가 되기 때문에 전국에 HDR 셀을 설치할 필요가 없으며 먼저 고속 데이타 서비스가 필요한 지역에만 AP를 설치하고 나머지 지역은 IS-95B 시스템으로 서비스를 제공할 수 있다.

<그림4> HDR over IS-95

또한 HDR의 RF 스펙트럼은 IS-95의 스펙트럼과 동일하기 때문에 HDR 시스템을 설치하더라도 기존 IS-95 시스템에는 거의 영항을 주지않는다. 그리고 IS-95의 망 설계 기술을 HDR에도 그대로 사용할 수도 있다.

3. HDR 단말기

HDR 단말기는 크게 3가지로 구분된다. 첫번째는 IS-95+HDR 듀얼 모드 단말기로 평상시에는 IS-95 시스템을 이용하여 음성통화 서비스를 제공받고, 필요한 경우에는 랩탑 등에 연결하여 무선 데이타 서비스를 받는 단말기이다. 두번째는 무선 PDA 형태의 단말기로 웹 브라우징 기능을 갖고 있는 단말기를 사용하여 이동 중에 E-메일을 주고 받거나 웹 서핑을 즐길 수도 있는 단말기이다.
그리고 세번째는 고정형 단말기로 듀얼 안테나를 사용하여 PC 등에 연결하여 고속 데이타 서비스를 안정적으로 받을 수 있는 장비이다.

<그림5> HDR 단말기

4. Forward Link

HDR의 포워드 링크(Forward Link)는 IS-95의 포워드 링크와 많이 다르다. HDR은 사용자를 직교 부호로 구분하는 것이 아니라, 시간슬롯으로 구분하며 하나의 시간 슬롯은 1.67msec 이다. 어떠한 순간에 한 사람만이 채널을 점유함으로써 다른 사용자의 간섭이 전혀 없으며, Power Control을 하지 않기 때문에 AP는 항상 최대 출력으로 신호를 전송할 수 있다. Power Control을 하지않는 것은 Packet 전송이 갖는 이점을 극대화하기 위한 것이다.
IS-95 시스템의 경우에는 모든 사용자에게 동일한 데이타 레이트를 보장해야 하지만 Packet 전송의 경우에는 그럴 필요가 없다. 따라서 강한 신호를 받는 사용자는 그만큼 높은 데이타 레이트의 서비스를 받을 수 있으며, 반대로 약한 신호를 받는 사용자는 그 대신 시간 슬롯을 더 많이 할당해 줌으로써 불평등한 데이타 레이트를 보상해준다. 또한 AP는 1.67msec 단위로 각 사용자에서 채널을 최적의 상태로 할당해줌으로써 전송 효율을 극대화 할 수 있다.
<그림6>은 HDR의 포워드 링크 채널의 구조를 나타낸다. IS-95 시스템은 모든 사용자가 동시에 신호를 전송하며, Pilot 신호도 동시에 전송되므로 Pilot 신호에 의한 간섭과 전파 전력 낭비의 문제점이 있다.
HDR은 Burst Pilot을 사용하기 때문에 Pilot 신호가 최대 출력으로 전송되며 따라서 그만큼 정확하게 신호의 세기를 측정할 수 있고 에러율을 감소시킬 수 있으며, Pilot 신호에 의한 간섭을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 동기 시스템이므로 인접 셀의 Pilot 신호 또한 동시에 발생하기 때문에 인접 셀의 Pilot 신호에 의한 간섭도 극소화 했다고 할 수 있다.

<그림6> HDR 의 Forward Link Channel

HDR의 포워드 링크는 단말기가 받는 신호의 세기에 따라 적게는 38.4kbps에서 크게는 2.5Mbps까지 서비스를 받을 수 있지만, 실제로 80% 이상의 사용자는 600kbps 이상의 데이타 레이트의 서비스를 받을 수있다.
<그림7>은 이동중의 HDR 단말기가 Virtual Soft Handoff를 수행하는 과정을 나타낸 것이다.

<그림7> HDR 의 Virtual Soft Handoff

HDR 단말기는 1.67msec 단위로 각 AP가 보내는 신호를 측정하여 이를 바탕으로 가장 강한 신호를 보내는 AP로부터 Packet을 전송 받는다. 이러한 과정은 매우 고속으로 이루어지므로 사용자는 이동 중에도 아무런 끊김 없이 서비스를 지속적으로 받을 수 있다.

5. 리버스 링크

HDR의 리버스 링크(Reverse Link)는 IS-95 시스템의 리버스 링크와 유사하며 사용자 Pilot 신호를 사용하여 성능을 향상시켰다. 또한 전통적인 IS-95의 Power Control 방법을 사용하였으며 9.6kbps에서 307.2 kbps 서비스를 제공한다.

6. 미래의 HDR의 서비스

HDR 시스템은 Bursty한 특성을 갖고 Delay에 민감하지 않은 Packet 전송 시스템을 위해 최적화된 시스템이다. HDR의 고속 데이타 전송기술을 사용하면 IMT-2000에서나 기대할 수 있었던 메가급 데이타 전송이 이루어질 수 있으므로 화상전화나 단말기를 통한 리얼타임 동영상 구현 같은 멀티미디어 서비스도 가능할 것이다.

§ 이글은 월간 모바일컴아이에 게재된 것입니다.

1XTREME 개요

 

<노키아·모토로라, HDR 보다 2배 빠른 무선통신기술 발표>

1XTREME 기술은 기존 CDMA의 기본 채널인 1.25MHz 폭을 사용하면서도 최대 5.2Mbps의 전송 속도(하향)를 얻을 수 있는 것으로,이 기술이 실현될 경우, 동일한 기본 채널에서 2.4Mbps의 속도를 내는 것으로 알려진 퀄컴의 HDR과 한판 승부가 불가피하게 됐다. 더욱이 모토로라 주장대로 1XTREME이 HDR보다 두 배 이상의 속도를 낼 경우, 퀄컴 HDR의 세계 전략에도 일대 전환이 불가피할 것으로 보인다.
모토로라와 노키아가 내놓은 1XTREME은 이미 모토로라가 발표한 1X PLUS를 보다 발전시킨 형태로 알려졌다. 당시 모토로라의 네트웍 솔루션 부문은 와이어리스2000에서 기존 CDMA 방식 (IS-95A/B/cdma2000 1x)의 이동전화망을 확장한 무선통신 기술 1X PLUS를 처음 공개했다. 모토로라는 이를 CDMA개발그룹(CDG)에 제안했다. 모토로라는 1X PLUS가 1.25MHz 폭의 CDMA 기본 채널에서 최대 5.2Mbps의 전송 속도를 실현하는 신기술로, 1단계 최대 1.38Mbps,2단계 최대 5.184Mbps의 단계적인 개발 일정을 가져가겠다고 밝힌 바 있다.

<'1.25MHz CDMA'로 누가 더 빠르나>

모토로라는 와이어리스 2000에서 1X PLUS 기술이 음성 트래픽의 피크와 데이터 통신 트래픽의 피크가 일치하지 않는다는 트래픽 특성을 살린 시스템으로서 음성과 데이터를 동일한 기본 채널에 실음으로써 주파수 이용 효율을 높이게 된다고 설명했다.
이에 반해 cdma2000이나 HDR은 음성용 채널과 데이터용 채널이 서로 다르다.
모토로라는 또 1X PLUS의 경우, 현재 CDMA 망 기지국에 대응 모듈을 추가하는 것만으로 서비스가 가능하며, 1 가입자당 추가비용은 약 30달러로 예상하고 있다고 밝혔다.
한편, 퀄컴의 HDR은 고정형, 이동형 및 휴대용 장비를 이용 1.25MHz 표준 채널 대역폭에서 최고 2.4Mbps의 초고속 무선 데이터 전송률을 발휘하는 신기술로 패킷 데이터 서비스에 최적화된 HDR은 표준 IP에 기반한 유연한 아키텍처를 갖고 있다. 퀄컴에 따르면, 이 기술은 사용자들이 항상 지속적이고 자유롭게 인터넷과 차세대 데이터 서비스를 이용할 수 있게 할 뿐 아니라, 전자 메일, 웹 브라우징, 이동 전자상거래, 통신관련 학문 및 다른 많은 응용 분야들도 지원한다. 기존 네트웍 운영자들이 평가하고 있는 HDR의 장점 중 하나가 이 기술이 표준 CDMA 라디오 주파수 캐리어 내에서 운영되면서도 표준 IP에 기반해서 초고속 데이터 통신에 최적화된 솔루션이라는 점이다. 이는 곧 네트웍 운영자들이 기존의 음성서비스 장비를 이용해서 이동 멀티미디어 웹 브라우징을 포함한 초고속 이동인터넷 서비스를 구현할 수 있다는 것을 의미한다. HDR의 초당 데이터 전송률(2.4M)은 국제통신연합(ITU)이 규정하고 있는 3G 표준으로서의 요구 조건을 상회하는 것이다.

새로 HDR에 도전장을 들이민 1XTREME은 모토로라의 1X PLUS를 토대로 모토로라와 노키아가 개발한 기술을 모아 종합, 작성된 것이다. HDR보다 2배 더 빠른 5.2M의 전송속도로 개념상으로는 동일한 조건에서 1XTREME이 일단 속도면에서 더 매력적인 기술이 되는 것이다. 모토로라의 네트웍 솔루션 부문의 CDMA 제품 사업 책임자 닐 캠프벨(Neal Campbell)은 "사업자들은 전세계 오픈 스탠다드 제안인 1XTREME를 통해 IS-2000 1X를 뛰어넘는 서비스 진화를 자연스럽게 가져갈 수 있을 것"이라면서 "이 기술을 통해 무선 네트웍 운영자들은 자신들의 고객에게 통합된 실시간 음성과 데이터/멀티미디어 서비스를 기존 HDR보다 2배의 속도로 제공할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

<'HDR Vs. 1XTREME' 불가피>

모토로라가 이번 노키아와의 공동 표준화 작업을 발표한 것은 '실체가 없다'는 일부 분석에 쐐기를 박는 효과를 가져다준 것으로 보인다. 모토로라가 와이어리스 2000에서 "필드 테스트를 거쳐 다른 제조업체와 공동으로 cdma2000의 차세대 규격으로서 이를 ITU 등 각 표준화 단체에 제안해간다"고 했던 것은 결국 노키아를 염두에 둔 언급이었던 셈이다. 모토로라와 노키아는 ITU가 제안하고 있는 3G 표준의 요구조건을 모두 만족시키는 1XTREME와 관련, 3GPP2가 표준화 작업을 진행토록 요구해 나갈 방침이다.
모토로라와 노키아 양사의 이런 적극적인 공세는 바야흐로 초고속 무선 데이터 서비스에 있어서 HDR과 일전을 불가피하게 할 것으로 보인다. 벌써 업계에서는 이미 HDR을 도입키로 한 LG정보통신, 텔슨정보통신, 한국통신프리텔, 루슨트 테크놀로지스, 히타치제작소, 소니 등의 '퀄컴 진영'과 '모토로라/노키아 진영'이라는 이분법을 제시하고 있기도 하다. 특히 루슨트 테크놀로지스는 퀄컴과 CDMA에 기반한 데이터 용량이 향상된 루슨트의 3G 시스템을 시장에 내놓기로 발표한 데 이어 지난달, 차세대 무선 통신기술을 상용화하기 위해 두 회사간 맺은 전략적 제휴 관계를 연장한다고 발표했다. 덧붙여 퀄컴과 루슨트는 IP에 기반한 광대역 무선 데이터 통신 솔루션인 퀄컴의 HDR을 개발하는데 협력하기로 했다.
cdma2000 1x라고 불리는 3G 기술의 현장 시연은 2000년 중반으로 예정돼 있다.
퀄컴과 루슨트는 전세계 CDMA 서비스 업체와 함께 HDR의 종합적인 운영 검토 작업을 할 예정이며, 이 결과에 따라 cdma2000 1x 기술을 기반으로 하는 표준화 제안서가 마련된다. 양 진영 대립과 관련, 물론 현재로서는 1XTREME보다 HDR이 훨씬 앞서 있는 것이 사실이다. 이미 HDR 도입을 공식 발표한 위 회사들을 포함해 삼성전자, 도시바, 마쓰시타 통신공업, 산요전기, 샤프, 교세라, 덴소, 텍트로닉스, 시에라, 애질런트, 에릭슨 등 한ㆍ미ㆍ일ㆍ유럽 16개 업체가 HDR 채택은 물론, 올해 안 이를 ITU에 국제 표준 방식으로 승인해줄 것을 요청키로 했다. 국내 이동전화 단말기 제조업체들과 사업자들 대부분이 HDR에 관심을 보이고 있으며, 실제 몇몇은 '입장상' 공식적인 발표를 뒤로 미루고 있을 뿐이다. 마찬가지로 일본과 미국 등지에서도 HDR 채용에 대한 업체들 검토가 상당부분 진전돼 있다는 것이다. 또 지난 2월 있었던 3GPP2 회합에서는 HDR을 IMT-2000 공식 표준으로 하기 위한 논의가 이루어졌으며, 실제 참가업체들 간에 이를 위한 SG(스터디 그룹)가 만들어진 것으로 전해졌다. 세계 각 표준화 단체의 3G관련 표준화 움직임에 자사 규격을 반영시키려는 이들 양 진영의 움직임은 앞으로도 더욱 가열될 것으로 예상된다. 어쩌면 IMT-2000을 '무위'로 돌려버릴 수도 있는 이러한 신 기술의 잇단 도입은 이를 통해 관련 시장을 선점하려는 업체간 이해 다툼을 전제로 하고 있기 때문이다.

한편 모토로라는 1XTREME 발표와 동시에 최대 1.6M의 전송 속도를 얻을 수 있는 CDMA 네트웍용 1X의 개량판도 제안했다. 모토로라는 이번에 제안된 1.6Mbps의 1X와 5.2M의 1XTREME의 시험을 2000년 말 시행할 예정이다. 각각의 상용화 운용 개시는 2001년과 2002년을 계획하고 있다.

§ 이글은 월간 모바일컴아이에 게재된 것입니다.

IS-95B 개요

 

1. IS-95B 소개

IS-95B는 기존 IS-95A PCS 전송속도인 14.4Kbps에 비해 최대 4~8배 빠른 속도를 제공한다. 즉, IS-95B에서는 서킷 데이터 서비스의 경우 64Kbps, 패킷 데이터 서비스는 115.2Kbps의 전송속도를 지원한다.
IS-95B는 기존 IS-95A가 하나의 무선 채널만을 이용하는데 비해 최대 8개의 무선채널을 동시에 할당하는 식으로 더욱 빠른 데이터 전송을 실현하게 된다. 이를 통해 14.4Kbps * 8 = 115.2Kbps를 실현할 수 있다는 산술적인 계산이 나오는 것이다.
그러나 현재는 MSM3000 칩의 자체 한계에 의해 순방향(Downlink)는 57.6Kbps, 역방향(Uplink)는 14.4Kbps급 서비스가 제공되고 있다. MSM3000 칩의 제약은 데이터 수요보다 현저히 많을 수 밖에 없는 기존 음성 가입자를 배려한 조치로 보여진다.(IS-95B 사용자는 전체 사용자의 20% 수준에 이를 것으로 보인다.)
IS-95B 사용자는 최대 8개 채널(실제는 4개 채널)을 사용하므로 요금을 일반 사용자와 동일하게 가져가기는 어려울 것으로 생각되는데 예상외로 IS-95B 사용자가 증가할 경우 데이터 채널 제한 기능으로 음성 가입자를 보호해야 할 필요성이 있다.
즉, IS-95B의 경우 데이터 통신을 할때 4개의 채널을 할당하게 되는데 같은 지역에서 데이터 통신을 하는 사람이 많아지면 음성 통화자들의 통화 접속율이 낮아질 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 서비스 사업자들은 기존 데이터 통신을 쓰는 사람들의 성향을 파악, 많이 쓰는 곳에서는 장비를 증설하겠다는 방침과 데이터 통신을 쓰는 중이라도 음성 통화가 들어오면 데이터 통신의 채널을 할당하여 음성 통화자가 불편이 없도록 한다는 방침을 가지고 있다.

기존의 IS-95A 시스템을 IS-95B로 Upgrade하기 위해서는 BSC의 CCPA(Call Control Processor Assembly Board)와 BMBP(BSC Master Back Panel), TASA(Transcoding And Selector Board Assembly)를 교체해야 하며 그외 BTS, BSC, HLR, IWF의 Software를 변경해야 한다. 사업자는 IS-95B 도입을 위해 상당한 비용을 추가 투자해야 하는데 IS-95C 도입이 가시화되는 시점에서 IS-95B를 도입한다는 것은 과도기적인 기술에 불필요한 투자라는 논란이 있기도 했다.

IS-95B 서비스는 잘 알려진대로 IS-95C를 거쳐 IMT-2000 서비스로 가는 길목의 한단계인 서비스이다. IS-95B 서비스는 이론에 의하면 기존 무선망 속도인 14.4Kbps 보다 8배 이상 빠른 114Kbps 이상의 고속 데이터 통신 속도를 제공하는 것으로 통화 절단율이 크게 줄어들고 음성통화 품질도 향상된다. 또한 IS-95A가 음성 중심의 서비스를 하는데 반해 IS-95B는 음성과 데이터를 동시에 즐길 수 있다는 것이 장점이다. 이는 기존과 달리 MDR(Medium Data Rate)를 지원하는 방식이기 때문에 가능한 것이다. 여기에 시스템에서 지원하는 속도와 단말기가 고용량, 다기능화 되면서 무선으로 다양한 멀티미디어 서비스를 받을 수 있게 된다.

2. IS-95B의 기능

IS-95B에서 지원하는 기능은 아래와 같다.

☞ 고속 데이터 서비스
☞ Power Up Function(PUF)
☞ Priority Access & Channel Assignment(PACA)
☞ Access Entry, Access Probe, Access Handoff
☞ Soft Handoff 방식 개선
☞ Hard Handoff 방식 개선
☞ 3단계 전력제어

IS-95C 개념과 특징

 

얼마 전 "IS-95C는 정부의 인허가 대상이 아니다"라는 정보통신부의 해석으로 인해서 그동안 IS-95C와 관련한 각 통신 사업자들 간의 엇갈린 주장들이 일단락 되었다. 따라서 IS-95C의 도입 목적이 "IMT-2000 서비스의 조기 활성화 및 시장 선점을 위해서다", "기존 시스템 수용용량 증가에 따른 주파수의 이용 효율 차원을 위해서다", 또는 "보다 더 고속화된 무선 데이터 통신 서비스를 제공받고자 하는 가입자의 욕구를 충족시키기 위해서다" 라는 등의 명분을 뛰어 넘어서 이제는 IS-95C를 순수하게 기존 이동전화의 기술진보에 따라 생겨난 기술 및 서비스로 규정하고 받아들여, 앞으로 전개될 시장을 예측하며 IMT-2000과 중복투자를 피하면서 가입자에게 편익을 제공하고 사업자들이 적정한 이익을 창출하는 현명한 방법을 생각하는 것이 옳은 일일 것이다.
이동통신 시장 특성상 기존방식과 차별화된 서비스를 제공하는 사업자를 가입자들이 선호하는 경향 때문에, 각 사업자들은 앞 다투어 빠르면 올해 4/4분기, 늦어도 내년 상반기 중에 IS-95C 상용서비스를 시작할 것으로 보인다. 따라서 현재 서비스되고 있는 IS-95A/B와 비교한 IS-95C의 차이점과 그 향상된 기능, 그로 인해 사용자들이 제공받게 되는 차별화된 서비스 및 기존의 형태에서 달라진 단말기 형상에 관해 알아보고 또 요즘 이슈화 되고 있는 IS-95C가 IMT-2000과 다른 점, IMT-2000으로 진화하기 위해서 필요한 upgrade 방안 등에 대해 기술적인 차원에서 이해를 꾀하는 것이 통신시장의 전체 흐름을 파악하는데 도움이 될 것이므로 위 몇 가지 사항들에 대해 간단하게 살펴 보고자 한다.

<표1>방식별 비교

1. IS-95C란?

IS-95C는 일반적으로 단말기(MS)와 무선구간의 데이터 전송을 담당하는 기지국(BTS) 사이의 접속 프로토콜을 말한다. 그러나 여기서 이야기 하고자 하는 IS-95C는 좀더 포괄적인 개념으로, 무선구간을 넘어서 시스템 전체적으로 현재 서비스 되고 있는 기존망 즉 IS-95A/B에서 성능이 향상되어 진화한 형태로서 기존 셀룰러(800MHz대역), PCS(1.7~ 1.8GHz대역)에서도 IMT-2000의 초기 데이터 전송속도인 144kbps까지 지원이 가능한 기술을 말한다. 따라서 IS-95C를 제대로 알기 위해서는 현재 PCS 3사가 제공하고 있는 IS-95B에 대한 이해가 선행되어야 한다.

2. IS-95B는...

1단계 무선망인 IS-95A가 진화된 2단계 무선망으로서 IS-95A에 비해 통화 단절율을 줄이고 음성통화품질을 향상시키는 등 다양한 특성을 갖고 있다. 데이터 전송속도는 IS-95A의 14.4kbps의 4배 정도인 64kbps(실제 속도 57.6kbps)-최고115.2kbps로 오히려 전화선 모뎀속도 56kbps보다 더 빠르다. 물론 57.6kbps 이상의 고속 무선 데이터 통신을 수용하기 위해서는 이에 필요한 최소 MSM-3000 칩을 탑재한 단말기를 기본 전제로 하여야 한다.
이 기술은 14.4kbps급 채널을 병렬로 연결해 속도를 높이는 것으로, 트래픽 채널은 호가 끝날 때까지 트래픽을 유지하는 한 개의 FCC(Fundamental Channel Code)와 보조채널인 SCC(Suppleme-ntal Channel Code)로 구성되며 이 보조채널을 한 가입자에게 7개까지 열어 주었을 때 115.2kbps까지도 구현된다. 접속시에만 채널을 점유함으로써 사용자가 데이터를 전송받지 않을때 채널을 다른 사람에게 열어주어 채널을 신축성 있게 사용할 수 있는 'Dormant' 기능도 제공한다.
이밖에 우선권을 가진 단말기에게 먼저 접속시킬 수 있는 PACA(Priority Access Channel Assignment)기능, 125m의 정확성으로 단말기 위치를 파악할 수 있는 Location Service, 통화중 핸드오프 뿐 아니라 통화시도 중에 핸드오프를 가능케 해서 호 setup 성공율을 높 여주는 Access Handoff 등을 지원하게끔 되어 있으나 이 부분은 현재, 각 사업자에서 상용 서비스를 하고 있지 않는 실정이다

3. IS-95C의 특징

IS-95B에서 진화하였다고 하지만 우선 데이터 전송속도가 6초일 경우 A4 용지 100장 정도를 전송할 수 있는 144kbps까지 지원되므로, 비록 속도면에서는 IMT-2000과 관련해서 ITU가 권고하는 2Mbps까지는 아니지만 IMT-2000에서 논의 되고 있는 대부분의 서비스를 유사하게 제공할 수 있는 기술이다.
국내 기술만으로도 데이터 전송속도와 핸드오프 기능을 향상시키면서도 IS-95B가 가진 기술을 그대로 활용 가능하며, 2G(2Generation)대비 FEC개선, Power control 개선, Soft handoff 개선, User별 Pilot 채용 등으로 시스템 용량이 증대되어 가입자 용량이 2배로 확대되고, data 서비스의 경우 2G 대비 약 1~100배 효율이 증대될 수 있다.
이것은 무선데이터 통신의 수요를 불러 일으키는데 이동성 및 contents 질과 더불어 결정적인 기여를 할 요소로 작용 할 것으로 보이며, 단말기 대기시간도 기존 제품에 비해 4배까지 향상되어 가입자는 현재의 많은 불편을 해소할 수 있게 될 것으로 예측되고 있다.
그외 기본적으로 IS-95B와 Backward compatibility를 지원하며 기존망에서는 기지국에서만 가능하던 diversity 기능을 단말기에서도 가능한 형태의 transmit diversity를 수행하여 에러율을 줄이므로서 통화품질이 한층 향상되고 2G spec에 있으나 서비스 되고 있지 않는 PACA, Location Service, Access Handoff 기능도 제공될 수 있다.
결정적으로, 기존망을 이용해 제공했던 Simple IP는 해당 zone을 벗어나면 데이터 송수신이 단절됐던 반면에 IS-95C에서는 음성통화의 핸드오프와 유사한 Mobile IP 기능을 추가함으로써 데이터 서비스시 단말기에게 이동성을 제공할 수 있다. 또한 단말기에 UIM카드를 삽입하여 타인의 단말기를 이용하거나 타 사업자 망, 나아가서 GSM망에서도 서비스가 가능할 수 있도록 구현할 수 있는 방법도 있다.

4. IS-95C의 망구성도

기지국 back bone망은 ATM으로 구성되어 있으며, 기존 망에서 Mobile Packet Data Service 처리를 위해 별도의 Data Core Network가 추가 되었다.

<업그레이드 방안 및 기존망과의 연동방안>

IS-95B의 HLR, WIN 등의 망 요소는 IS-95C 시스템에 적합하도록 software upgrade를 통하여 구현하며 BSC, BTS, DCN과 관련되는 망요소는 144kbps의 packet data 서비스를 지원하기 위해 재설계되어 구현하게 된다. 현재 개발되거나 개발 완료된 IS-95C 시스템은 2G 망의 시스템과 backward compatibility를 만족하고 향후 3G(cdma2000 3x)로 더 나아가서 All IP Network으로 진화하기 용이한 구조로 개발되고 있다.
또한 IS-95A/B 단말기가 95C 커버리지 내로 진입했을 때 Forward compatibility가 가능하여 IS-95A/B 수준의 서비스를 제공하며 반대로 IS-95C 단말기가 IS-95A/B 지역으로 들어 왔을 때 Backward Compatibility로 IS-95A/B 수준의 서비스를 제공한다.

<단말기 형태>

상용 서비스 초기에 동화상 통화를 이용하는 사용자가 많지 않을 것으로 보이나 사업초기에 기본적인 Red, Green, Blue 삼원색을 처리할 수 있는 컬러 액정을 갖는 단말기가 출시될 수 있을 것이다 이를 통해 정지화상이나 간단한 동영상을 주고 받을 수 있을 것이고 만일 영상 전화로 평균전력을 사용한 경우는 2시간 이상 사용이 가능할 것이다. 아울러 외부 데이터 인터페이스로서 단말기간 근거리 무선통신 서비스의 대표격인 Bluetooth(속도-1Mbps, 전송거리-약10m)와 IrDA(무선적외선포트,전송속도-4Mbps,전송거리-1m)도 탑재될 것이다.
IS-95A/B와 backward compatibility 제공을 위해서는 IS-95A/B와 IS-95C 모두 지원하는 Dual mode One chip으로 퀄컴의 MSM5000 이상이 탑재될 것으로 예상된다.
사업자간 로밍과 국제로밍 및 보다 효과적이고 안정된 인터넷 뱅킹을 위해서 단말기는 무선신호의 전송과 Application을 담당하는 ME(Mobile Equipment)와 사용자 인증을 위해 탈착이 가능한 UIM(User Identity Module:유럽의 SIM과 인증 알고리즘만 다를뿐 physical layer나 기타 기능이 유사함)으로 구성될 것이다.
그러나 서비스 초기에는 기존 단말기와 유사한 형태가 대부분일 것이며 전자상거래나 무선 인터넷 뱅킹 수요가 증가하면서 이와 같은 형태의 단말기가 일반화 될 것으로 예상된다. 현재 유럽의 70~80% 이상의 가입자가 SIM 카드를 장착 가능한 단말기를 소유하고 있으며 지금까지 보안이 유출된 일이 전혀 없었다고 한다. 국제 로밍은 UIM 인증 알고리즘 표준화가 완료되는 단계에서 가능할 것이다.

5. 시장 분석 및 예상 서비스 형태

이동전화의 급성장과 인터넷의 활용 증대로 통신서비스 시장의 패러다임이 유선/음성통신에서 무선/데이터 통신으로 급속히 전환되고 있다. 이러한 통신시장의 환경적 변화를 간단하게 그려보면 아래와 같다.


이상으로 급증하고 있는 무선인터넷 시장의 활성화와 관련하여 현재 개발 완료 단계에 있는 IS-95C 기술을 중심으로 알아보았다
요약하자면 IS-95C 기술은 현재보다 빠른 데이터 전송과 시스템의 용량 증가가 기술적으로 가능하므로, 사업자들은 이 기술을 잘 활용하여 앞으로 전개될 시장을 예측하며 IMT-2000과 중복투자를 피하면서 가입자에게 편익을 제공하고 사업자들이 적정한 이익을 창출하는 현명한 방법을 선택하여야 할 것이다.

 

                                                               

최종편집일 2003년 2월 19일 강완신