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OFDMA 특허 기술 동향(미국)

정호석* 장종인**

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OFDM의 변형된 구조로써 이용 가능한 부반송파의 일부를 각 사용자에게 제공하여 다중 액세스를 실현하는 것이다. 일반적인 주파수 다중 액세스(FDMA)와도 유사하나 다른 사용자 분리에 필요한 상대적으로 큰 보호대역이 필요 없는 특징이 있으며, 각 사용자가 각기 다른 도약 패턴을 가지고 도약(OFDMA가 실제로 FH-CDMA로 변환)되고, 주파수 다이버시티의 증가 및 모든 변형된 CDMA가 공통적으로 갖는 간섭에 대한 평균화 이점을 가짐으로써 각 사용자는 사용 가능한 모든 대역을 사용할 수 있다. 이와 같이 각 사용자에게 유리한 OFDMA 기술은 향후 4G 무선통신 기술의 핵심 기술이다. 따라서 본 고에서는 미국 특허를 중심으로 OFDMA 세부 기술을 분석해 보고 현재 OFDMA 특허 기술의 동향을 살펴보기로 한다.

 

I. 기술의 개요

특허 명세서 상에 나타난 OFDMA는 매우 유연한 다중 액세스 방식이며, 주파수 도약과 결합하면 다른 시스템이 갖는 모든 이점을 갖게 되는 특징이 있다.

무엇보다도 셀 내의 간섭 영향을 받지 않기 때문에 보다 큰 시스템 용량을 얻을 수 있고, 대용량 데이터 및 동영상을 광대역 변조방식을 통해 전송할 수 있으므로 요구 대역폭 관점에서 볼 때 매우 유연한 특징과 높은 데이터율을 지원하는 데 적합한 장점이 있다.

또한, 각 사용자가 요구하는 전송속도에 따라 할당되는 부반송파의 수를 변화시킴으로써 자원분배를 효율적으로 할 수 있다.

다시 말하면, 사용자마다 서로 다른 부반송파를 할당 받음으로 셀내 간섭이 존재하지 않으며, Interference Averaging/Avoidance 형태의 기술들을 이용하여 셀간 간섭을 줄일 수 있다는 것이다.

이 방식은 각 사용자별 채널 상황과 전송속도에 따라 적응적으로 각 사용자에게 좋은 주파수 대역과 비트 수를 결정할 수 있기 때문에, 다수 사용자에 대해 채널 용량을 최적화시킬 수 있고, 부채널의 개수가 많은 큰 크기의 FFT를 사용할 경우에도 다수의 사용자에 대한 자원분배가 용이하다.

특히, 상향 링크에 적은 수의 부반송파들을 OFDMA 방식으로 할 경우에 Power Concentration 효과와 우수한 Granularity를 갖는 장점이 있다.

 

II. OFDMA 특허 기술 동향

1. OFDMA 특허 동향

OFDMA 기술은 전세계적으로 주목 받고 있는 4세대 무선전송 기술의 코어 기술로써 미국에서는 Qualcomm 社 및 Broadstorm 社를 인수 합병한 Adaptix 社를 중심으로, 한국에서는 삼성전자와 ETRI의 주도로 연구개발이 이루어져 왔고, 단기간에 집중적으로 연구개발이 이루어진 결과 현재는 상용화가 가능할 정도로 기술이 성숙되었다.

미국의 주요 출원인은 <1> 과 같이 삼성전자, Qualcomm, Iospan Wireless, ETRI, Adaptix이며 최초 OFDMA라는 용어가 미국 특허 명세서에서 사용된 것은 미국특허 6,795,424 Tellabs Operations 이다. 그러나 해당 특허의 주요 내용은 OFDM 무선전송 시스템에서의 간섭완화 방법 및 장치에 관한 것으로 해당 기술을 OFDMA에서 적용 가능하다는 내용이다.

따라서, 실질적인 OFDMA 기술에 관한 특허는 1999년에 출원된 Nokia 社의 미국등록특허 6,606,296부터 이며, 상기 특허에서는 선형합동생성기 식 [fn =(afn-1+b) mod N]이 기재되어 있고, 주요 내용으로는 수신기에 있어 기준 캐리어의 일관성 있는 탐지를 위하여 이용하고 있는 부반송파를 다르게 할당하여 채널 추정을 실시하는 것이다. 그러나 아쉽게도 Nokia 社에서는 이후 OFDMA 기술에 대한 출원은 미흡한 것으로 분석되었다.

이와 같이 1998년과 1999년은 OFDMA 기술이 특허 명세서상 처음 등장한 시기이나 OFDMA 세부 기술에 대한 특허가 아닌 OFDMA에 적용 가능한 다중접속이나 무선전송 기술이었으며 1999년 이후부터는 주요 출원인에 의해 OFDMA 기술이 세분화되고 발전되어 가고 있는 것으로 분석되었다.

본 고에서는 이와 같은 특허 출원의 흐름을 토대로 주요 미국 출원인을 중심으로 하여 OFDMA 기술의 세부 기술 및 기술의 진화 과정을 상세히 분석하였다.

사용자 다중접속 방식에 따른 OFDMA(OFDM/FDMA) 기술은 4세대 매크로/마이크로 셀룰러 인프라에 적합한 방식이며, 특허 명세서 상의 세부 기술 내용은 아래와 같다.

1) 각 사용자가 요구하는 전송률에 따라 부반송파의 개수를 다르게 할당함으로써 자원분배를 효율적으로 할 수 있다.1)

2) 셀내 간섭이 없고 주파수 재사용 효율이 높으며, 적응 변조 및 granularity가 뛰어나다.2)

3) OFDMA의 단점을 보완한 것으로써 분산 주파수 도약 기법, 다중 안테나 기법, 강력한 부호화 기법 등을 사용하여 다이버시티를 높이고 셀간 간섭의 영향을 줄일 수 있다.

4) 각 사용자마다 데이터를 수신하기 전에 프리앰블을 사용하여 초기화할 필요가 없기 때문에 전송 효율이 증가하게 된다.

5) 많은 수의 부반송파를 사용할 경우(, FFT 크기가 큰 경우)에 적합하기 때문에 시간지연확산(Time Delay Spread)이 비교적 큰 넓은 지역의 셀을 갖는 무선통신 시스템에 효율적으로 적용된다.

이상과 같이 본 고에서의 근거는 미국과 한국의 OFDMA특허 기술을 참조하여 OFDMA 기술을 크게 5가지의 세부 기술로 분류하였다.

 

2. 미국 기업별 OFDMA 특허 기술

. Qualcomm

지난 1985년 미국 캘리포니아주 샌디에이고에서 창립자 어윈 마크 제이콥스 박사와 6명이 설립한 Qualcomm 社는 코드 분할 다중 액세스 방식(CDMA)이라 불리는 무선 기술을 입증하고 상업적으로 성공을 거두면서 통신업계의 주목을 받았다.3)

Qualcomm 社는 지난 20년간 MSM(Mobile Station Modem) 칩과 BBA(Baseband Analog Processor) 칩 원천 기술을 보유, 기술료를 받아오고 있으며 미국내 Qualcomm社의 이름으로 출원된 1,777건의4) 특허 중 OFDMA 기술관련 29건의 특허를 보유하고 있고, 최근 Flarion Technologies를 인수하여 OFDMA의 원천 기술까지 보유하게 되었다.

Qualcomm 社의 OFDMA 핵심특허로 미국공개특허 2004-0228267, 미국공개특허2004-0081131이 있다.

미국공개특허 2004-0228267 OFDMA 시스템에서 코드 분할 멀티플렉싱 파일럿을 사용한 고속 주파수 도약 기술은 광대역 파일럿을 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 프로세싱을 사용한 것으로 시스템 사용 용량을 개선한 특허이다. 상세 특허 기술 내용은 다음과 같다.

시스템에서의 각 송신기(단말기)는 모든 서브 대역상에서 광대역 파일럿을 송신하여, 수신기(기지국)가 전체 채널 응답을 동시에 추정할 수 있도록 한 기술이다. 각 송신기에 대한 광대역 파일럿은 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 프로세싱을 사용하여 그 송신기에 할당되는 의사 랜덤 수(PN) 코드에 기초하여 생성될 수도 있도록 하며, 이것은 수신기가 다수의 송신기에 의해 동시에 송신되는 다수의 광대역 파일럿을 개별적으로 식별하고 복구할 수 있게 한다. 시분할 멀티플렉싱 파일럿 송신 방식에 있어서, 각 송신기는 광대역 파일럿을 버스트로 송신하게 하고, 연속적인 파일럿 송신 방식에 있어서, 각 송신기는 광대역 파일럿을 낮은 송신 전력 레벨에도 불구하고 연속적으로 송신하게 한다. 또한 임의의 주파수 도약 레이트는 파일럿 오버헤드에 영향을 주지 않고 임의의 주파수 도약 레이트를 지원할 수 있는 기술이다. 주파수 도약 레이트는 도약 주기당 하나의 OFDM 심볼만큼 고속일 수도 있다. 고속 주파수 도약 레이트는 간섭 평균을 개선시키고, 요구되는 마진을 감소시킬 수도 있으며, 이것은 시스템의 사용 용량을 개선시킬 수 있다.

또한, 미국공개특허 2004-0228267의 경우 <2>와 같이 Qualcomm 社에서 전략적으로 PCT 출원을 통하여 전세계에 출원한 특허이다.

미국공개특허2004-0081131는 다수의 심볼 길이들을 사용하는 멀티캐리어 전송 기술로써 상세 특허 기술 내용은 다음과 같다.

직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA)는 큰 OFDM 심볼의 사용으로 인해 발생되는 용량의 초과로 인한 비효율성을 개선할 수 있다. OFDMA에 대하여, 다수의 사용자들은 주파수 영역 멀티플렉싱을 사용하여 큰 OFDM 심볼을 공유한다. 이는 서로 다른 소의(disjoint) 서브 대역들의 세트들을 시그널링하여 서로 다른 사용자들에게 할당하기 위한 서브 대역들을 준비하므로써 달성된다.

상기 2건의 특허에서 기술된 내용 이외에도 Qualcomm 社 특허의 특징은 앞에서 그룹핑한 OFDMA 세부 기술 중 II.1에서 언급한 1), 3), 4)에 해당하는 기술로 분석되었다.

 

. Adaptix

미국 시애틀에 본사를 두고 있는 Adaptix는 중국 상하이 기술개발센터 인력을 포함해 현재 50여명으로 구성되어 있으며, 최근 뉴욕 베이커 캐피털과 투자유치 계약을 체결하여 OFDMA에 대한 원천 기술을 가지고 있던 미국 Broadstorm의 특허권을 모두 인수하였고, 현재 국내 휴대인터넷 시장 진출을 타진하고 있는 기업이다.

OFDMA 관련 특허를 미국 내 총 6건을 출원하였으며, 그 중 OFDMA 관련 핵심 특허로 분석된 3건은5) 모두 한국에 출원되었다.

3건의 특허는 모두 이 분야의 전문가인 Liu Hui, LI Xiaodong 에 의해 발명된 것으로, 현재 미국 내에서는Adaptix 社의 이름으로 출원되었고, 국제 출원으로는 Waltical Solution 社의 이름으로 출원되었다.

Adaptix 社의 OFDMA 핵심특허 세부 기술은 다음과 같다.

서브캐리어 선택 방법으로서 서브캐리어를 서브캐리어의 하나 이상의 클러스터의 복수 그룹으로 분할하는 기술, 복수 그룹 중 하나 이상의 그룹의 가입자에 의한 선택의 지시를 수신하는 기술 및 가입자와 통신시 사용하기 위해 가입자에 의한 선택된 클러스터의 하나 이상의 그룹에 하나 이상의 클러스터를 할당하는 기술을 포함하는 서브캐리어 선택 기술(미국등록특허: 6,947,748)이다.

업 링크 및 다운 링크 신호에 대해 추정한 채널 상태 정보 및 공간 이득에 기초하여, OFDMA 다수 사용자 트래픽 채널 할당을 수행하고 복수의 OFDMA 트래픽 채널로부터 복수의 가입자로의 트래픽 채널을 할당하는 기술(미국등록특허 : 6,904,283) <3>의 주요 내용에 해당하는 기술로써, 상기 세부 분석한 미국등록특허 6,947,748 Family Patent이며 기술의 요지는 동일한 가운데 청구범위를 확장한 것으로 분석되었다.

다중-반송파는 다중 가입자 시스템에 대한 부반송파 할당 및 로딩 방법에 있어서 통신에 사용하기 위한 제 1 부반송파 클러스터 세트(first set of clusters of subcarriers)의 적어도 한 클러스터를 제1 가입자와 연관시키는 기술과 통신에 사용하기 위한 제 2 부반송파 클러스터 세트의 적어도 한 클러스터를 제 2 가입자와 연관시키는 단계와 통신에 사용하기 위해 제 1 가입자 및 제 2 가입자와의 연관된 각각의 클러스터에 대해서 제 1 시분할 동안의 제 1 가입자와 제 2 시분할 동안의 제 2 가입자 사이에 각 사용자의 사용을 다중화하는 기술을 포함하는 방법(미국공개특허: 2005-220002)이다. 미국등록특허 6,947,748 Family Patent이며 기술의 요지는 동일한 가운데 청구범위를 확장한 것으로 분석되었다.

상기 특허에서 기술한 내용 이외에도 Adaptix 社 특허의 특징은 앞에서 그룹핑한 OFDMA 세부 기술 중 II.1에서 언급한 1), 2), 5)에 해당하는 기술이며, 이는 Broadstorm 출신의 개발자가 설립한 Waltical Solution에서6) 출원한 국제공개특허 9(OFDMA 기술 6)의 특허에서도 동일한 것으로 분석되었다.

. Iospan Wireless

1999년 미국 스탠포드 대학의 교수에 의해 창업된 Iospan Wireless 社는 수신 신호 질의 개선을 위하여 다중 안테나 기술을 이용하고 있다. 이 기술은 고객의 단말기에 안테나를 여러개 설치하는 방법을 사용하고 있다. 다중 안테나는 수신감도가 충분하면 데이터의 전송량을 증가시킬 수 있다. 세부 기술로는 신호 품질을 향상시키기 위하여 데이터를 여러 개의 작은 조각으로 나누어 고객의 안테나에 여러 개의 신호를 전송하는 것이다.

Iospan Wireless 社의 OFDMA 핵심특허의 세부 기술은 다음과 같다.

무선 통신 시스템들을 위한 복잡도가 감소된 채널 추정 기술 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 타입의 통신을 제공하기 위해서 무선 통신 시스템들이 광범위하게 사용된다. 이러한 시스템들은 이용 가능한 시스템 자원들을 공유함으로써 여러 사용자들과의 통신을 지원할 수 있으며, 데이터의 전송량을 증가시키기 위하여 데이터를 여러 조각으로 나누어 전송함으로써 달성될 수 있다. 관련특허는 미국등록특허 6,298,092, 미국등록특허 6,351,499, 미국등록특허 6,377,636이다.

상기 특허에서 기술된 내용 이외에도 Iospan Wireless 社 특허의 특징은 앞에서 그룹핑한 OFDMA 세부 기술 중 II.1에서 언급한 2), 3)에 해당하는 기술로 분석되었으며 OFDMA에서 필요로 하는 기술보다는 여러 무선전송 기술에서 범용적으로 사용 가능한 기술들을 출원하는 특징을 보이고 있다.

 

3. 미국내 OFDMA 출원 국가

미국에 OFDMA 기술을 출원한 국가 비율을 분석한 결과 <4>와 같이 전체 특허 중 미국과 한국 기업이 94%(133)를 차지하고 있는 것으로 분석되었다. 이것은 OFDMA 기술이 미국과 한국의 주도로 성숙 발전되고 있는 것을 의미한다.

OFDMA 기술이 등장한 시기가 1990년대 말이며, 현재 등록된 특허보다 미등록 공개 특허가 많은 상태이나 출원인 분석에 의하여 판단된 특허의 양적 측면에서는 미국과 한국이 대등한 것으로 분석되었고, 세부 기술 분석과 특허의 질적 측면에서는7) 2004년 이후 한국의 급격한 출원 증가에도 불구하고 핵심특허 출원은 미국이 앞서고 있는 것으로 분석되었다.

4. 미국 기업들의 OFDMA 특허 기술 출원 경향

미국 기업들 중 OFDMA 특허를 다수 출원한 Adaptix , Iospan Wireless , Qualcomm 社사의 주요 특허 기술을 분석하면 다음과 같다.

- 서브캐리어-클러스터 구성 및 선택적 로딩(Adaptix)

- Interference 완화 기술, 통신 채널 형성 방법, 공간다중화 기술(Iospan Wireless)

- 채널 추정 기술, 주파수 재사용 기술, 전력제어 기술, 핸드오프 기술(Qualcomm)

각 기업마다의 타겟 기술과 기술력에는 차이가 있으나 각 세부 기술로 이루고자 하는 주요 기술 간에는 일정부분 기술 중복이 발생하는 것이 사실이다.

Adaptix 社의 경우 서브캐리어-클러스터 구성 및 선택적 로딩 기술 분야에 대한 특허 활동이 활발한 결과 자원의 효율적인 분배, 주파수 재사용, 많은 수의 부반송파 사용에 적합한 기술력을 보유하고 있으며, 이 같은 내용은 특허를 통하여 확인해 볼 수 있다.

Isopan Wireless 社의 경우 Interference 완화 기술, 통신 채널 형성 방법, 공간다중화 기술 분야에 강점을 가지고 있는 것으로 분석되었으며, 주파수 재사용, OFDMA 단점보완 기술 분야에 대한 기술력도 보유하고 있는 것으로 분석되었다.

Qualcomm社의 경우 비교적 늦게 OFDMA 특허 기술이 출원되었으나OFDMA 기술에 있어 반드시 필요한 구성요소인 채널 추정 기술, 제한적 주파수 재사용 기술, 전력제어 기술, 핸드오프 기술 등을 바탕으로 효율적 자원 분배, 주파수 재사용, OFDMA 단점보완, 프리앰블 사용 등 OFDMA 핵심 기술 대부분을 보유하고 있는 것으로 분석되었다.

먼저 정의된 5가지 세부 기술에 있어 미국 3社가8) 보유한 기술은 (그림3)과 같으며 이것을 세분화하여 각 기술별로 특허를 맵핑하므로써, 주로 연구되는 분야 및 기술의 진화과정을 분석한 결과는 다음과 같다.

효율적 자원 분배 기술에 있어 Adaptix 社에서 2000년 채널 할당 기술을 선보였으나 이후 관련 특허를 출원하지 않았고, 이후 2004년부터 Qualcomm 社에서 서브 대역상 광대역 파일럿을 이용한 채널 할당 및 파일럿을 버스트로 송신하는 등의 자원분배 기술을 출원하였다.

주파수 재사용 기술은 Iospan Wireless 社 와 Adaptix 社에서 2001년 개념적인 수준과 트래픽 채널 할당으로 주파수를 재사용할 수 있는 기술을 출원하였고, Qualcomm 社에서는 다른 방법인 부분적 주파수 재사용 기술과 동적 주파수 재사용 방법을 이용하여 주파수 재사용 기술을 진화 발전시켜 나간 것으로 분석되었다.

OFDMA 단점 보완 기술은 Iospan Wireless 社가 중점적으로 출원한 분야이며, 세부 기술로는 데이터의 조각화 후 전송 및 시스템 자원의 공유 등으로 시스템 복잡도를 감소시키는 것으로 분석되었고, 특히 모든 기지국에서 동일 중심 주파수를 이용하므로써 발생되는 셀간 간섭을 최소화하기 위하여 각 기지국마다 부채널 할당을 달리하며 일부의 부채널만 사용하고 나머지 부채널은 비워두는 방식을 적용하고 있다.

프리앰블 사용에 있어 Qualcomm사에서 IS-95방식 이후 프리앰블 생성 방법에 관한 특허를 다수 보유하고 있고, OFDMA 기술에서는 MIMO 커뮤니케이션에서의 프리앰블 시퀀스 사용에 대한 기술 역시 보유하고 있으나 Adaptix 社와 Iospan Wireless 社의 특허에서는 관련 기술 내용이 없는 것으로 분석되었다.

많은 부반송파 사용이 가능하게 하는 기술에 있어서는 Adaptix 社가 서브캐리어의 할당 및분할에 관련하여 여러 방법으로 관련 기술을 해결하기 위한 노력을 진행하였고, Qualcomm 社에서 서브대역 준비 기술과 같은 새로운 방법으로 많은 부반송파의 사용이 가능하도록 하는 기술을 개발하고 있는 것으로 분석되었다.

III. 결 론

OFDMA 기술은 대용량 멀티미디어 동영상과 데이터를 광대역 변복조 방식을 이용하여 수많은 사람들에게 제공하고자 하는 4세대 무선전송 기술의 핵심 기술로써, 연구 개발이 완료된 기술이 아닌 개량 특허와 새로운 방식이 심리스(Seamless)하게 제시되는 현재 진행형의 기술이므로 원천 기술을 보유한 미국 등의 외국기업에 대응하기 위해서 국내 기업들은 OFDMA 기술의 문제점을 해결하는 연구뿐만 아니라 새로운 아키텍처 및 방식에 대한 연구개발도 병행하여야 한다.

<참 고 문 헌>

[1]  전자신문, 해외 선진기업에서 배운다 ① 퀄컴, 2005. 11. 8.

[2]  특허청, 국제특허분쟁대비 특허정보분석 휴대인터넷과제, 2005.

[3]  ETRI, 와이브로의 핵심 다중접속 방식 대해부, 2005.

 

 

 

OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술

<전자부품연구원 뉴미디어통신연구센터 센터장 정현구, 선임연구원 백종호, 전원기>

출처: 전파진흥협회

 

. 서 론

 

최근에 들어, 무선 통신 시스템을 대표하는 이동 통신, 위성 통신, 초고속 가입자 선로 등의 성공적인 디지털화를 통해 본격적인 광대역 멀티미디어 서비스 시대가 도래하게 되었다. 이러한 21세기 정보화 시대에 살고 있는 사용자들에게 CD(Compact Disc), DAT(Digital Audio Tape) 등의 새로운 고품질 오디오와 비디오가 결합된 멀티미디어 서비스에 대한 욕구가 급속히 증가하였다. 그러나, 텔레비젼과 라디오와 같은 방송 통신 분야는 타 분야에 비해 일상 생활에서 오디오, 영상과 같은 정보를 가장 손쉽게 접할 수 있는 매체임에도 불구하고 디지털 시스템으로의 전환이 상대적으로 미진한 상태에 머물고 있는 실정이다지난 20세기동안 아날로그 방송을 통해 많은 사람들에게 다양한 정보를 제공해 왔지만, 이동시 수신 신호 품질이 급격히 저하되고, 잡음의 영향을 줄이기 위해 높은 송신 전력을 사용함으로써 전력효율이 감소되며, 동일 채널 간섭을 피하기 위하여 근접지역에서 다른 주파수를 사용함으로써 스펙트럼 효율이 저하되는 등의 기술적인 한계를 가지고 있다.

이러한 이유로 방송 통신 시스템의 디지털화에 대한 필요성이 절실히 요구되어 왔으며 현재 이에 대한 연구, 개발이 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 먼저, 디지털 라디오 방송(Digital Radio Broadcasting: DRB)을 정의하자면, 넓은 의미에서 디지털 텔레비젼 방송과 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB) 모두를 포함하지만, 일반적으로 영상을 주 매체로 하는 디지털 텔레비젼 방송과 구분하여 주로 오디오(또는 사운드) 서비스를 제공하는 디지털 오디오 방송을 의미한다. , 디지털 라디오 방송은 기존의 아날로그 AM(Amplitude Modulation), FM(Frequency Modulation) 라디오 방송을 대체할 수 있는 디지털 오디오 방송을 의미한다. 현재 전 세계적으로 개발된 대부분의 디지털 라디오 방송 시스템들은 높은 압축률을 갖는 청자 중심의 최신 음성 부호화 방식을 사용하여 CD 수준의 고품질 오디오 서비스를 제공하며 이와 함께 날씨, 교통, 오락, 전자 및 영상 등의 다양한 부가 데이터 서비스를 제공한다. 1에 기존의 아날로그 FM 방송과 디지털 라디오 방송의 특징적인 기술을 간략하게 비교하였다.

이와 같이 다양한 서비스를 이동시에도 안정적으로 제공하기위하여 이동 환경 전송 채널의 특성인 다중 경로 페이딩(multipath fading) 영향에 강건하고 성능 열화없이 수신 가능한 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 전송방식을 사용하고 있다[1]-[11]. 또한, OFDM 전송방식을 통해 소전력으로 다수의 방송국을 이용하는 단일 주파수망(Single Frequency Network: SFN)의 구현이 가능하여 전국 어디에서나 단일 반송파 주파수를 사용하여 지역적인 경계 없이 방송 서비스가 가능하다. 그러나, OFDM 전송방식은 단일 반송파 전송방식에 비해 송수신단간의 반송파 주파수 옵셋이 존재할 경우 주파수 스펙트럼상에서 수신 신호의 부반송파간의 직교성(Orthogonality)이 상실되어 신호대잡읍비(Signal-to-Noise Ratio; SNR)가 크게 감소하는 단점이 있다. 또한, OFDM 전송방식은 반송파 주파수 옵셋은 물론 프레임 동기, 샘플링 동기에 민감하게 동작하기 때문에 해당 시스템의 수신단 구현시 이를 극복할 수 있는 최적의 알고리듬이 요구된다.

본 논문에서는 OFDM 기반의 디지털 라디오 방송 기술에 대하여 논하기로 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 서론에 이어, Ⅱ절에서 새로운 주파수 대역의 할당 유무에 따른 Out-of-Band 방식과 In-Band 방식에 해당하는 OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술에 대해 간략하게 설명하기로 한다. Ⅲ절에서는 이러한 디지털 라디오 방송 기술의 대륙별 표준화 및 서비스 현황을 알아보고, 마지막으로 Ⅳ절에서 향후 OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술을 전망하고 결론을 내린다.

 


<cinelove.net 은 개인홈페이지입니다.>



1. 아날로그 FM 방송과 디지털 라디오 방송의 특징적 기술 비교

방송 종류

항 목

VHF/FM

디지털 라디오 방송

다중경로 간섭 영향

많다

적다

Shadowing 영향

많다

적다

잡음과 간섭 영향

많다

적다

요구 CIR

37 40 dB 이상

5 10 dB 이상

전력 사용 효율

낮다

높다

요구 송신 출력

수십 kW 이상

수십 kW 이상

주파수 사용효율

낮다

높다(FM 대비 최소 39)

지역별 서비스 가용도

50 %

95.99 %

시간별 서비스 가용도

90 %

99 %

서비스 품질

낮다

높다

이동체 수신품질

낮다

높다

서비스 종류

오디오

오디오, 비디오 및 데이터

단일 주파수 방송망(SFN)

불가능

가능

난청지역 해소

어렵다

쉽다

채널 오류정정 기능

없다

있다

특정 가입자 선별 시청

불가능

가능

송신설비 공동 이용

어렵다

쉽다

스마트 단말 기능

없다

있다

 

. OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술

 

1. 디지털 라디오 방송 기술 분류

 

디지털 라디오 방송 기술은 크게 송출(Distribution) 방식, 주파수 대역, 수신 형태, 대역폭(Bandwidth), 전송 방식의 5가지 범주로 분류할 수 있다. 송출 방식으로는 지상파(ter-restrial)와 위성(satel-lite), 주파수 대역으로는 기존의 AM, FM 대역을 그대로 사용하는 In-Band와 새로운 주파수 대역을 할당하여 사용하는 Out-of-Band, 수신 형태로는 이동형(mobile)고정형(fixed), 대역폭으로는 광대역(Broad-band)와 협대역(Narrowband), 그리고 전송 방식으로는 Eureka-147, IBOC(In-Band On-Channel), DRM(Digital Radio Mondiale), ISDB(Intergrated Services Digital Broadcasting)-T, XM, Sirrius, Worldspace로 세분화 할 수 있다[11].

본 절에서는 5가지 범주 가운데 새로운 주파수의 할당 유무에 따른 대표적인 OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술에 대해서 간략히 논의하기로 한다.

 

2. Out-of-Band 방식

 

   . Eureka-147 DAB[4]

 

우리나라에서도 잠정 표준안으로 채택한 Eureka-147 DAB는 약 2 MHz의 대역폭으로 MPEG(Moving Pictures Experts Group) Audio Layer II에 기반한 고음질 오디오 압축 기술을 사용하여 CD 수준의 음질을 갖는 오디오 서비스와 다양한 부가 데이터 서비스가 가능하다이동체 수신에서 다중 경로 페이딩 및 도플러 확산에 대처하기 위해 부호화된(Coded) OFDM 전송 방식을 사용한다[1][2][9][10]. 오류 정정 부호화 방식으로는 1/4 길쌈 부호(convo-lutional code)를 기반으로 데이터율의 가변이 가능한 RCPC(Rate Compatible Punctured Code)와 오디오 및 데이터의 연집 오류를 방지하기 위해 시간 및 주파수 영역 인터리빙(Interleaving)을 사용한다. 또한, 제한된 대역폭과 주어진 채널 환경하에서 다수의 오디오 및 데이터를 최적 데이터율로 전송하기 위해 오디오 데이터의 경우 압축된 데이터의 영역에서 보여지는 특성인 오류 민감성을 고려한 UEP(Unequal Error Pro-tection)을 사용한다. 이와는 달리, 데이터의 경우에는 모든 데이터 영역에 균일한 EEP(Equal Error Protection)을 사용한다. 전송 규격으로는  지상파와 위성에서 모두 사용가능하도록 Ⅰ, , , Ⅳ의 4가지 전송 모드를 정의하고 있으며, 2에서 각 모드에 해당하는 전송 파라미터가 보여진다. 전송 모드에 따라 각기 다른 전송 파라미터가 결정되므로, 수신단에서는 표 2에서 보여진 각 전송 모드별 널 심볼 길이의 추정이 매우 중요하다.

 

2. Eureka-147 DAB의 전송 모드에 따른 파라미터

전송모드

 

응용

지상파

(SFN)

지상파

지상/

케이블

지상파

반송파 주파수

< 375 MHz

< 1.5 GHz

< 3 GHz

< 1.5 GHz

부반송파 수

1,536

384

192

768

부반송파 간격

1 KHz

4 KHz

8 KHz

4 KHz

보호구간 길이

246 μs

62 μs

31 μs

123 μs

유효심볼 길이

1 ms

250 μs

125 μs

500 μs

프레임 길이

96 ms

24 ms

24 ms

48 ms

널 심볼 길이

1.297 ms

324 μs

168 μs

648 μs

프레임 당 심볼수

76

76

153

76

변조방식

π/4-DQPSK

샘플링 주파수

2.048 MHz

시간 인터리빙

Depth = 384 ms

주파수 인터리빙

Width = 1.536 MHz

시스템 대역폭

1.536 MHz

유효 데이터율

0.8 1.7 Mbps

 

Eureka-147 DAB 전송 프레임은 SC(Synchro-nization Channel), FIC(Fast Information Channel), MSC(Main Service Channel)로 구성되어 있다. 한 예로 Eureka-147 DAB 전송 모드 I 경우에 해당하는 전송 프레임 구조가 그림 1에서 보여진다. 전송 모드과는 상관없이 SC는 널 앞서 언급한 바와 같이 전송 모드를 결정할 수 있는 널 심볼과 OFDM 심볼 동기 및 반송파 주파수 동기에 필요한 Reference 심볼로 구성되어 있다. 전송 모드 I인 경우 3개의 OFDM 심볼로 구성되어 있는 FIC MSC를 구성하는 오디오와 데이터 서비스들과 관련된 모든 정보를 포함하고 있는 MCI (Multiplex Configuration Information), 선택적 서비스가 가능한 SI(System Information) 및 데이터 서비스를 포함하고 있다. MSC는 전송하고자 하는 오디오와 데이터를 포함하고 있으며, 전송 모드 I인 경우 72개의 OFDM 심볼로 구성되어 있다. 그 밖의 전송 모드의 경우에도 그림 1에서 보여지는 전송 프레임 구조와 유사하다.

이와 같이 Eureka-147 DAB 전송 프레임을 정의하며, 이를 구현하기위한 Eureka- 147 수신 시스템의 기본 블록도가 그림 2에서 보여진다.

 

 그림 1. Eureka-147 DAB 전송 프레임 구조 (Mode I)

 

 

(a) 송신 시스템

(b) 수신 시스템

그림 2. Eureka-147 DAB의 송수신 시스템 블록도

 

   . 협대역 ISDB-T[8]

 

ISDB는 현재까지 개발된 다양한 전송 및 압축 기술을 총망라한 시스템으로 오디오와 TV 서비스가 모두 가능하도록 설계된 방식이며, 오디오 서비스를 위해 협대역 ISDB-T가 정의되어 있다. 협대역 ISDB-T는 경우에 따라, 430KHz(1 세그먼트) 혹은 1.3MHz(3 세그먼트)의 두 가지 대역폭을 사용할 수 있다. 오디오 압축 부호화 방식으로 MPEG-2 AAC(Advanced Audio Coding)를 사용하여 144Kbps 정도의 압축율을 유지하면서도 CD 수준의 오디오 음질을 제공한다. 따라서, 하나의 세그먼트를 사용하는 경우에 비교적 주파수 효율이 낮은 변조 방식을 사용하고 내부 부호(inner code)의 부호율을 낮추더라도 CD 음질 수준으로 3개의 오디오 서비스가 가능하다. 오류 정정을 위해 내부 부호로 길쌈 부호를 사용하고 외부 부호(outer code) RS(Reed-Solomon) 부호를 사용하며, 시간 및 주파수 인터리빙을 사용한다. 변조 방식으로는 QPSK, DQPSK, 16-QAM, 64-QAM을 사용한다. 3 3가지 전송 모드에 따른 파라미터를 나타내고 있으며, 그림 3은 협대역 ISDB-T의 송신 시스템의 블록도를 나타내고 있다

 

3. 협대역 ISDB-T의 전송 모드에 따른 파라미터

전송모드

 

1

2

3

심볼 길이

252 μs

504 μs

1.008 μs

보호구간

심볼 길이의 1/41/32

프레임당 심볼수

204

프레임 길이

5364 ms

106129 ms

212257 ms

내부 부호

길쌈 부호(1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8)

외부 부호

(204, 188) RS 부호

인터리빙

시간 및 주파수

세그먼트 수

1 또는 3

대역폭

430 KHz 또는 1.3 MHz

부반송파 간격

3.97 KHz

1.98 KHz

0.99 KHz

부반송파 수(1/3)

109/325

217/649

433/1297

데이터 부반송파 수(1/3)

96/288

192/576

384/1152

변조방식

QPSK, 16-QAM, 64-QAM, DQPSK

 

 

 그림 3. 협대역 ISDB-T의 송신 시스템 블록도

 

3. In-Band 방식

 

   . DRM[5][6]

 

DRM 30MHz 이하의 주파수 대역을 사용하며 9KHz 혹은 10KHz의 전송 대역폭을 기본으로 하고 오디오 압축 부호화 기법으로 MPEG-4 AAC SBR(Spectral Band Replication)을 사용하며, 음성 압축 부호화 기법으로는 사용 가능한 비트율에 따라 MPEG-4 CELP(Code Excited Linear Prediction) MPEG-4 HVXC(Harmonic Vector eXcitation Coding)를 사용한다. 특히, DRM에서 사용하는 SBR은 채널당 약 2Kbps정도의 적은 데이터량으로 고품질의 오디오 서비스를 재생할 수 있는 기법으로, 오디오 부호시 제거되는 높은 주파수 대역의 하모닉 성분을 효과적으로 추출하여 얻어진 정보를 전송함으로써, 오디오 복호시 SBR 정보를 AAC 복호기에 이용하여 보다 향상된 오디오 신호를 재생할 수 있다. AM 주파수 대역의 다양한 전송 환경에서 사용하기 위하여 채널 부호기로는 길쌈 부호를 기반으로 한 RCPC 4-QAM, 16-QAM 그리고 64-QAM 변조 방식과 이를 기반으로 전송 데이터의 종류에 따라 다른 형태의 계층적(hierar-chical) 변조 방식을 사용하여 보다 높은 신뢰성을 보장한다. 앞서 설명한 Eureka-147과 유사한 형태로 전송 채널의 상황에 따라 A, B, C, D 4가지 robustness 모드를 정의하고 있으며, 각 모드에 해당하는 전송 파라미터를 표 4와 같이 정의하고 있다.

 

4. DRM robustness 모드에 따른 파라미터

모드

항목

A

B

C

D

T (μs)

831/3

831/3

831/3

831/3

유효심볼 길이(ms)

24(288×T)

211/3(256×T)

142/3(176×T)

91/3(112×T)

보호구간 길이(ms)

22/3(32×T)

51/3(64×T)

51/3(64×T)

71/3(88×T)

보호구간/유효심볼

1/9

1/4

4/11

11/14

전체심볼 길이(ms)

262/3

262/3

20

162/3

프레임 길이(ms)

400

 

DRM 전송 프레임 구조로는 수신기에서 요구되는 동기 정보와 전송 채널과 관련된 정보를 지닌 FAC(Fast Access Channel), 오디오와 데이터를 포함하는 MSC(Main Service Channel), MSC의 채널 부호화 파라미터, 오디오 및 데이터 신호의 다중화 구조 전체를 지닌 SDC(Service Description Channel)로 구성되어 있다. Eureka-147 DAB와 마찬가지로 MSC의 오디오 데이터에는 UEP, 일반 데이터에는 EEP가 적용된다. 그림 4 DRM 송신 시스템의 블록도를 나타내었다.

 

 

그림 4. DRM 송신 시스템 블록도

 

  . IBOC[5]

 

IBOC는 크게 IBOC AM IBOC FM으로 구분할 수 있으며, 기존의 아날로그 AM 혹은 FM과 동시 방송이 가능한 Hybrid 모드와 All-Digital 모드의 2가지 모드를 제공한다. Hybrid 모드의 경우, AM 반송파를 중심으로 약 14.7 KHz의 대역폭을 사용하며, All-Digital 모드인 경우에는 AM 반송파를 중심으로 10 KHz의 대역폭을 사용한다. 앞서 기술한 DRM 시스템은 기존의 아날로그 AM 방송과 동시 방송을 할 때, 기존 아날로그 AM 주파수 대역에는 어떠한 디지털 신호를 실어보내지 않지만, IBOC AM에서는 디지털 신호를 core enhanced 영역으로 구분하여 기존 아날로그 AM 주파수 대역에 enhanced 영역을 두어 신호를 실어 보낸다. 오디오 압축 부호화로 MEPG-4 AAC SBR을 사용하며, 다양한 채널의 안정적인 수신을 위하여 오류 정정 부호 및 인터리빙을 사용하고, 변조 방식으로는 QAM을 사용한다. 특징적으로 All- Digital 모드에서 이동시 일반적인 정지기간 동안에 보다 강인한 수신 성능을 높이기 위하여 back-up 디지털 신호를 제공하는 blending 기법이 사용된다. IBOC AM IBOC FM의 전송 파라미터를 각각 표 5와 표 6와 같이 정의한다. 그림 5 Hybrid MF(medium frequency) IBOC 수신 시스템 블록도를 나타내었다

 

5. IBOC AM 전송 파라미터

Parameter Name

Symbol

Units

Exact Value

Computed Value

(to 4 significant

figures)

OFDM Subcarrier Spacing

Hz

1488375/8192

181.7

Cyclic Prefix Width

none

7/128

5.469×10-2

OFDM Symbol Duration

Sec.

(1+ )/ =

(135/128)?(8192/1488375)

5.805×10-3

OFDM Symbol Rate

Hz

1/

172.3

L1 Frame Duration

Sec.

65536/44100=256?

1.486

L1 Frame Rate

Hz

1/

6.729×10-1

L1 Block Duration

Sec.

32?

1.858×10-1

L1 Block Rate

Hz

1/

5.383

Digital Diversity Delay Frames

none

3

3

Diversity Delay Time

Sec.

?

4.458

 

6. IBOC FM 전송 파라미터

Parameter Name

Symbol

Units

Exact Value

Computed Value

(to 4 significant

figures)

OFDM Subcarrier Spacing

Hz

1488375/4096

363.4

Cyclic Prefix Width

none

7/128

5.469×10-2

OFDM Symbol Duration

Sec.

(1+ )/ =

(135/128)?(4096/1488375)

2.902×10-3

OFDM Symbol Rate

Hz

1/

344.5

L1 Frame Duration

Sec.

65536/44100=512?

1.486

L1 Frame Rate

Hz

1/

6.729×10-1

L1 Block Duration

Sec.

32?

9.288×10-2

L1 Block Rate

Hz

1/

10.77

L1 Block Pair Duration

Sec.

64?

1.858×10-1

L1 Block Pair Rate

Hz

1/

5.383

Diversity Delay Frames

none

3=number of L1 frames

of diversity delay

3

 

 

 

                          (a) 송신 시스템

 

(b) 수신 시스템  

그림 5. Hybrid MF IBOC 수신 시스템 블록도

 

 

. 대륙별 디지털 라디오 방송 기술의 표준 및 서비스 현황

 

1. 유럽

 

디지털 라디오 방송의 표준화를 위하여 ITU (International Telecommunication Union) WARC(World Administrative Radio Conference)-79에서 위성 디지털 라디오 방송에 대한 기술적 검토를 시작하여, 1987년에 유럽을 중심으로 여러 국가가 연합하여 새로운 주파수를 할당하여 사용하는 out-of-band 방식의 디지털 라디오 방송 시스템 개발을 목표로 첨단 기술 공동 개발 계획인 Eureka-147 프로젝트를 구성하였다. 그 후, 1991년까지 Eureka-147 DAB에 대한 기본적인 시스템 개발이 이루어졌으며, 1992년부터 1994년까지 Eureka-147 DAB에 대한 표준화 작업이 진행되어 1995년에 표준안이 제정되었고 2001년에 버전 1.3.3이 발표되었다[3][4]. 1895년 마르코니가 무선전신을 발명한지 정확히 100년이 되는 해인 1995년에 영국 BBC 방송국은 디지털 라디오 방송을 시작하였으며, 뒤이어 스웨덴, 덴마크에서 상용 디지털 라디오 방송을 시작하여 명실상부한 라디오 방송의 디지털 시대가 열리게 되었다. 이러한 out- of-band 방식의 Eureka-147 DAB 이외에 1998년 중국 꽝저우에서 20여개의 단체가 콘소시엄을 이루어 30 MHz 이하 주파수 대역에서 기존의 아날로그 AM에서 사용하는 대역폭을 기본으로 아날로그 AM 방송의 동시 서비스가 가능한 in-band 방식의 DRM 시스템 개발이 시작되었다[12]. 이후, 1999 2월까지 시스템의 평가를 마치고, 2000년부터 필드 테스트 Phase I을 수행했으며, 2002년 현재 필드 테스트 Phase II가 진행중에 있다. 2000 1월에 ITU-R DRM과 앞으로 언급될 미국 iBiquity사의 IBOC DSB(Double SideBand)에 대한 Call For Proposals(CFP)가 제출되었으며, 2001 4월에 ITU-R BS.1514 권고안으로 채택되었다[5]. 이와는 별도로 2001 9월에 유럽의 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)에서 DRM의 세부 기술 표준안을 확정하였다[6]. 2002년 현재 DRM 콘소시엄 업체들을 중심으로 프로토타입 송수신기를 사용한 파일럿 방송을 수행중이며, 2003년말에 DRM 본 방송 개시를 목표로 하고 있다. 한편, 2002 3 ITU-R에서는 AM 단파(short-wave)에서는 DRM을 단일 표준안으로, 중파(medium-wave)와 장파(long-wave)에서는 DRM IBOC DSB의 복수 표준안으로 결정한 바 있다. 이러한 ITU-R의 결정으로 볼 때, 향후 몇 년 후 AM 대역에서의 DRM IBOC DSB 가운데 어떤 방식이 생존할 것인가에 대한 귀추가 주목된다. DRM IBOC DSB 시스템의 방송 방식에 대한 비교 분석 결과를 표 7에 나타내었다.

 

7. DRM IBOC DSB 시스템의 방송 방식

시스템

항목

DRM

IBOC DSB

송출 방식

지상파/공중파

지상파

주파수 대역

In-Band(30 MHz 이하 AM)

In-Band(30 MHz 이하 AM)

대역폭

9/10 KHz

9/10 KHz

전송 방식

COFDM

COFDM

오디오 압축

MPEG-4 AAC + SBR

MPEG-4 HVXC

MPEG-4 CELP

MPEG-4 AAC + SBR

Simulcast 여부

가능

가능

단일 주파수 방송망

가능

가능

변조 방식

QAM/QPSK

QAM

비트율

지상파: 24 Kbps

공중파: 10 22 Kbps

Core: 20 Kbps

Enhanced: 16 Kbps

(MPEG: Moving Picture Experts Group, AAC: Advanced Audio Coding, SBR: Spectral Band Replication, HVXC: , CELP: Code Excited Linear Prediction, QAM: Quadrature Amplitude Modulation, QPSK: Quaternary Phase Shift Keying)

 

2. 북미

 

북미를 대표하는 미국의 경우, 유럽에 비해 3년 정도 늦은 1990년에 비로서 NRSC(National Radio System Committee)를 중심으로 디지털 라디오 방송에 대한 인식을 갖기 시작했다. 기존 지역 라디오 방송국을 보호하며 지상파 전송방식을 지지하는 NAB(National Association of Broadcasters)와 위성 전송방식을 지지하는 EIA (Electronic Industry Association)의 두 그룹을 중심으로 연구가 시작되었다. 연구 초기에는 In-Band 방식으로 AM 1개 방식, FM 4개 방식과 Out-of-Band 방식으로 Eureka-147 DAB, 그리고 위성 방식 1개가 제안되어 관련 시스템의 테스트와 시연이 행해졌다. 1996년 필드 테스트에서는 Eureka-147 DAB, Eureka-147 DAB(SFN), AT&T IBAC(In-Band, Adjacent-Channel), VOA/JPL 4개 시스템만이 참가하였다. 필트 테스트 결과 모든면에서 Eureka-147 DAB의 우수성이 입증되었으나, 미국 전역에 산재되어 있는 1만여 개의 기존 아날로그 라디오 방송국의 강력한 반발에 부딪혀 미국의 자존심을 걸고 기존의 AM, FM 주파수 대역에서 사용 가능한 독자적 기술 개발을 진행하였다. 1998 NRSC DAB Committee가 재구성되면서 기존의 모든 방송 사업자가 DAB 주파수를 할당받을 수 있게 되었으며, 아날로그 방송 시스템에서 디지털 방송 시스템으로의 전환 비용에 대한 최소화를 선호하는 많은 방송사의 입장을 받아들여 미국에서는 IBOC 방식을 디지털 라디오 방송 방식으로 한정하기로 했다. 1998년에 들어서 IBOC에 대한 개발 업체가 USADR(USA Digital Radio), LDR(Lucent Digital Radio), DRE(Digital Radio Express) 3사로 압축되었으며, 같은 해 10 USADR FCC CFP를 제출하였다. 1999 DRE사는 IBOC 시스템 개발을 포기하였으며, 2000 8월 전송 방식 iDAB를 보유하고 있는 USADR과 오디오 압축 기술인 PAC(Percep-tual Audio Coding) 기술[13]을 보유하고 있는 LDR이 합병하여 iBiquity사로 탄생하였으며, 이를 계기로 IBOC 시스템 개발은 단일화 되었다[14]. 2001 8월에 IBOC 시스템의 필트 테스트가 완료되었으며, 그 해 9 NAB Radio에서 IBOC FM에 대한 일반인의 최종 평가가 이루어졌으며, 이러한 결과를 NRSC FCC에 제출하여, 2002년 중반에 IBOC AM/FM에 대한 승인을 얻을 예정이며 iBiquity 2003 IBOC AM/FM의 본 방송을 계획하고 있다.

 

3. 아시아 및 오세아니아

 

일본의 경우, 지상파 디지털 방송 시스템으로 유럽이나 미국과는 달리 오디오와 비디오를 구분하지 않고 개발에 착수했으며, 기존의 라디오 방송을 대체한다는 의미에서 디지털 음성 방송이라고 구분하였다. 1989년 우정성(현재 총무성에서 우정성의 기능을 통합함) NHK가 참여한 이동체 음성 방송 연구회를 구성하고, 1994년부터 TTC(Telecommuni-cation Technology Committee)의 주도하에 세계적인 추세에 맞추어 오디오, 비디오 및 데이터 서비스가 가능한 디지털 라디오 방송에 대한 기술적인 검토를 시작하였다[15]. 1995년 유럽의 디지털 텔레비젼 방식인 DVB-T와 유사하고 대역폭 가변이 가능한 BST(Band Segmented Transmis-sion)-OFDM 방식에 기초한 디지털 오디오 및 TV 통합 방식으로 ISDB-T(디지털 오디오 방송과 관련된 표준은 협대역 ISDB-T라고 함)를 개발하였다[8]. 1998 9 ARIB에서 ISDB-T가 잠정 표준 방식으로 승인된 후, 즉시 실험 방송을 실시하여 1999년에는 지상파 디지털 방송에 대한 기술적 조건의 만족 여부를 ARIB에 제출하였다. 현재, 총무성에서는 지상파 비디오 방송 보다 먼저인 2003년에 디지털 음성 방송에 대한 본 방송을 실시하기 위하여 방송 사업자를 모집하고 있는 중이다. ISDB-T의 가장 큰 특징으로 OFDM 기반의 이동중 안정된 수신과 더불어 여러 환경에 대응할 수 있는 오류 정정 부호 및 등화 방식의 사용이 가능하다. 또한, 다양한 멀티미디어 서비스가 가능하며, 비디오의 경우 국제 시스템 표준인 MPEG-TS(Transport Stream)를 사용하기 때문에 국제 신호의 정합에도 효율적으로 대응 가능하며, 기술적인 모든 면에서 앞으로 상당히 주목받는 기술이 될 것으로 전망된다.

호주, 캐나다, 멕시코, 싱가포르 등에서 Eureka-147 방식으로 채택하였으며 인도 중국, 터키에서 실험 방송중에 있다. 그 외의 많은 국가에서는 아직까지 실험 단계 혹은 사업의 타당성을 검토하여 전세계의 기술적인 발전 흐름을 주시하고 있는 실정이다. 남미의 브라질과 칠레 등에서는 Eureka-147, IBOC와 더불어 일본의 적극적인 노력으로 ISDB-T에 대한 기술적인 검토중에 있다. 8에 대륙별 각 국가의 디지털 라디오 방송에 대한 서비스 현황을 나타내었다[16].

 

8. 대륙별 각 국가의 디지털 라디오 방송 서비스 현황

대 륙

국 가

         

유럽

영국

99 11, 전국 상업 DAB 사업자로 Digital One(GWR NTL이 소유) 5개 서비스 분야로 시작, 향후 전체 10개 서비스 확대. 인구의 약 70%를 커버하는 Digital One은 향후 3년 이내 40개의 송신기를 추가함으로 85%까지 커버할 계획. 95 9, BBC가 서비스를 개시한 이래 전체 인구의 60%, 3천만 명 이상을 커버하는 네트워크 구축. 5개 전국 네트워크와 함께 스포츠 생중계, 의회 생중계를 동시 방송함. 영국 정부는 26개 지역에 대한 사업자 허가를 위한 작업을 진행 중이며, 7개 지역을 이미 확정. 런던, 버밍햄, 맨체스터 내의 지역 다중 사업자는 BBC의 지역서비스를 이용하여 서비스할 계획.CE Digital(00 6 7)은 런던, 버밍햄, 맨체스터에서, Score Digital(6 7)은 글래스 고우에서 서비스를 실시, SwitchDigital (6 26)은 런던에 기존 Analog 서비스 및 5 Digital 독점 Channel로 방송.

스웨덴

Swedish Radio Teracom사가 95 9월부터 서비스 개시. Teracom 네트워크는 인구 85%(6백만)를 커버. Swedish Radio 3개의 전국 네트워크와 24시간 음악채널, 핀란드어 채널, SR 국제서비스를 동시방송으로 제공하며, 64Kbps의 데이터 방송도 준비 중.

독일

99 4, 구 동독 지역 Saxony Anhalt주에서 첫 상용서비스가 개시. 이 지역 인구의 95%이상, 270만 명을 커버. 99 5월 바바리아주가 두 번째로 상용서비스 개시. 지역과 인구의 40% 커버. 01년 말 1,060만의 주민, 2003년까지 90%을 커버 확대 예정. Wurttemberg, Baden 99 11, Saxony Thuringia 00 1, North-Rhine Westphalia 00 5, Saarland 00 10월 정규 Digital 방송 시작. Rhineland-Palatinate, Berlin Brandenburg등은 01년부터 방송 시작. DAB의 핵심 성공국가, 38백만 가구와 4 2백만 자동차를 보유한 유럽의 거대 시장임. DAB 방송이 인구와 지역의 65%를 커버, 16개 연방 대부분 DAB 서비스 실시 중이며, 100개 이상 방송국이 운영중.

프랑스

97 1, TDF가 파리에 첫 DAB 송신소 설치, 13 DAB 프로그램이 파리와 인근 지역에 방송. 98년 주요 지역에 네트워크 구축. 파리의 3개 사이트에 6개 트랜스미터 설치. L밴드 이용하여 1천만 인구, 전체 인구의 17%를 커버. 99 8월 현재 인구 1 5백만, 전체 인구의 25% DAB 상용서비스를 받고 있으며, TDF 99년 말 25백만 인구를 커버.

덴마크

Tele Denmark 3개 송신소 운영중. 코펜하겐은 2 SFN 송신소, Vestjylland은 별도 독립적 송신소를 구축,인구의 30%를 커버.

이탈리아

95년 공영방송사인 RAI Aosta Vally지역에서 SFN으로 12VHF채널을 이용하여 DAB 서비스 개시. RAIway VHF band(Channel 12) 20 DAB 송신소를 운영, 전체인구 20%를 커버. 02년까지 전체인구의 40%를 서비스할 계획임.98년에 DAB 도입을 위해 Telecomm./Broadcasting법을 제정하여 기존의 FM방송국에 DAB 사용권을 부여함. A5 하이웨이 등지에 5개의 DAB 송신소를 설치, 운영중이며, 밀라노, 베네치아 등 전체 인구의 15%를 차지하는 지역에 RAI프로그램과 1개의 데이터 채널을 방송중. 주요 민영방송 사업자도 독자적인 민영 네트워크를 구축했으며 전송과 연구활동을 위해 RAI와 긴밀한 협력을 유지.

스페인

98 4월 마드리드, 바르셀로나, 발렌시아 등에서 DAB 서비스 개시. 공영방송인 RNE는 다수의 민영방송사와 공동 서비스 중, 99 12월 관련 법안이 통과되어 01 6월 전체 인구 50%, 06 80% 커버할 계획.

체코

체코디지털미디어그룹이 설립되어, 디지털 TV와 라디오를 담당. 체코라디오코뮤니케(텔레비젼, 라디오 네트워크공급자)와 공영방송인 체코라디오가 99 3월부터 프라하 지역 시험 서비스 개시. 현재 4개 라디오 프로그램 제공, 인구 12%를 커버하는 2 mini-SFN 체제 구축.

핀란드

전국 및 지역용으로 DAB 주파수 배정, 공영방송인 YLE가 네트워크를 구축. 민간사업자에게 방송 시설과 채널을 임대. 98 2월까지 전국 및 지역사업권 신청 접수하여, 32의 사업자가 신청, 99 4월부터 서비스 개시.

네덜란드

98 7월 시험서비스에서 수신기 출시. DAB주파수 허가는 00, Dutch DAB재단에 의해 운영되고 있는 시험 다중송신은 3개의 송신소를 통해 인구의 45%를 커버, 상업방송인 Sky Radio, Veronica, Classic Arrow Rock, Radio 10 Gold가 공영방송인 NOS Radio2, 3과 함께 다중 송신사업 운영중. 99년 초 암스테르담, 브레다, 헬몬드, 아인트호벤에서 L밴드로 방송 서비스 개시.

스위스

99 2월 공영방송사업자인 SRG/SSR 12개 채널, 패키지를 방송하고, 다중송신 DAB 네트워크를 운영할 수 있는 사업권을 연방정부로부터 부여. 99년 10월 15 DAB방송(베른, 인터라겐 등 4개 지역), 99 11월 쥬리히가 실시했으며, 02 5월까지 4개 공용어로 실시할 예정이며, 06년에 100% 커버 목표.

오스트리아

비엔나를 커버하는 1개의 다중 방송사업이 운영중이며, 잘츠부르크 등 북부지역의 도시로 확대 예정.

아일랜드

99 5월부터 RTE가 더블린에서 5개 채널 DAB 시험 서비스 개시.

포루투갈

DAB 허가절차가 98년부터 시작되어, 하나의 네트워크가 전국을 커버. 나머지 네트워크는 14개 지역 커버. RDP가 전국 대상 허가권 부여받고, 99 12B 주파수 블록에서 6개 프로그램 제공의 풀 서비스 개시.

노르웨이

99 2, 상용서비스 개시(공영 및 상업서비스 포함). 전송망 사업자인 Norkring이 네트워크를 확장 중이며, 현재 인구의 35% 커버, 00 4 Radio 2 Digital 방송 실시.

폴란드

공영 방송 Polskie Radio가 밴드 II를 이용, 4채널 제공 및 인구 8%를 커버 (중부지역 중심).

벨기에

99 1월 공영 방송사가 서비스 개시, 5백만 인구를 대상으로 서비스 중

북미

미국

00 11, NRSC iBiquity Digital Radio사가 개발한 IBOC 승인, FCC에 표준으로 승인할 것을 권장. FCC 97 XM Sirius 2개의 S-Band 위성 DAB를 허가하여 01년부터 서비스 실시. 92년 설립된 XM Radio 01 9월부터 서비스를 실시하고 11월 미국 전역으로 확대. 현재 Rock Roll이라는 S-Band 위성을 사용, 100개 채널을 서비스 중이며, 월 이용료는 9.99달러. 향후, 전용 단말기를 GM에 독점적으로 공급할 계획. 89년 설립된 Sirius 01 11월 사업을 개시. 비정지 궤도 위성 3개를 이용하여 100개의 채널을 서비스 중임. 월 이용료는 12.95달러이며, Ford, Chrysler 등에 독점적 공조체제 구축을 위한 제휴관계 체결. 90년 설립된 WorldSpace는 국제 위성 DAB 사업자임. 99년부터 2개의 위성으로 서비스를 시작, 아프리카, 아시아, 중남미 등으로 광범위하며, 채널은 약 150여 개임.

캐나다

99 11월 몬트리올에서 디지털 라디오가 공식 출범 이후, 토론토, 몬트리올, 벤쿠버에서 99년초, 온타리오 윈저 등에서 00년 초 송신 시작, 4개 도시의 송신소는 인구의 35% 1,000만 명에게 서비스 제공.

아시아 및 오세아니아

일본

ISDB-T 방식을 독자 개발 성공. 0507년에 ISDB-T 서비스를 실시할 예정, 다른 국가에서 이 방식을 채택한 예가 전혀 없어, 세계 표준화에 어려움. 98 5월 도시바가 도요다, 후지쯔와 같이 개인 휴대 위성방송 서비스를 위해 설립한 MBC(Mobile Broadcasting Corp.) 02년 상반기 사업권 획득, 04 1월 서비스 개시를 목표함. 6070개의 서비스 채널로 영상 컨텐츠 비율이 높으며, 이동 멀티미디어 서비스를 지향.

싱가포르

97 RCS SAFRA Radio가 시험 서비스 개시, 99 1 RCS 최초 상용서비스 허가권을 취득. RCS의 서비스는 5개의 오디오 서비스와 교통, 경제정보 채널 포함.

한국

02 4월부터 Eureka 147에 대한 실험방송을 실시중.VHF 대역인 175240㎒를 사용하여, TV 방송과의 혼신문제 해결을 위해 현장시험을 통한 기술적 보완 및 적합 채널 확보를 목적으로 시행. 본격적 DAB 실험방송이 추진되면, MP3 관련 기업의 참여 확대가 전망됨.

중국

96 3대의 Eureka-147 송신기 가동후 답보상태임. 전국망 구축 비용 문제로 유럽형 디지털 AM 방식 DRM 적극 검토중.

호주

01년부터 L밴드와 VHF 대역 이용하여 서비스 시작. 공용 및 상업방송사 컨소시엄인 DR2000 그룹은 00 6월부터 Eureka 147 시험방송 실시, 시드니에 2 SFN 송신소 구성, 콘텐츠는 ABC Austereo, Macquaire, ARN, 2KY Racing Radio 5개 회사에서 제공.

 

. OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술의 향후 전망

 

20세기말부터 사람의 청각과 시각의 특성을 이용한 오디오 및 영상의 디지털 압축 기술, 이를 효과적으로 전송 및 저장할 수 있는 디지털 통신 기술, 그리고 고성능 컴퓨터와 저전력 고집적 반도체 기술 등의 비약적 발전을 통해 저가의 방송 통신 시스템 구현이 가능해져 방송 통신 분야의 디지털화 추세는 더욱더 가속화되어 새로운 디지털 방송 시대가 열리게 되었다.

현재 디지털 라디오 방송과 관련된 시장이 열리고 있으며, 앞으로 3년 내지 4년 후에는 급속한 성장기로 접어들어 그 후 안정적인 시장 형성을 예상할 수 있다. 지난 2001년 디지털 라디오 방송 잠정 표준방식 공청회 자료에 의하면 Eureka-147 DAB의 국내 시장 규모가 2005년경에 수출 2000억원, 수입 8억원, 내수 40억원으로 전망하고 있으며, 세계 디지털 라디오 수신기 시장은 DAB Fo-rum 자료에 의하면  2005년에 약 30억불, 2015년에 약 70억불로 전망하고 있다[17]. 특히, 개발된 대부분의 디지털 라디오 방송 기술이 OFDM 기반인 점을 고려해 볼 때, 대륙별 국가별로 다양한 모든 방식들의 서비스가 가능한 새로운 형태의 디지털 라디오 수신기의 탄생을 의미한다고 볼 수 있다. 따라서, 우리나라의 경우 디지털 라디오 방송 기술과 관련한 핵심 기술 및 국제 표준안 제정에는 다소 늦어다고 볼 수 있지만 향후 전개될 OFDM 기반 디지털 라디오 방송 수신기와 관련한 핵심 기술을 확보한다면 앞으로 수 년후 디지털 라디오 방송 기술과 관련하여 세계 시장을 선도할 수 있을 것으로 전망된다. 또한, OFDM 기반 디지털 라디오 방송 기술을 통해 고품질 오디오 서비스 이외에 영상 서비스, 인터넷 서비스 등의 양방향 복합 멀티미디어 서비스를 위한 세계 표준화 작업이 보다 활발히 이루어질 것으로 예상되므로 이 분야에 대한 연구, 개발을 집중적으로 수행해야 할 것이다.

 

참고문헌

 

[1]B. L. Floch, M. Alard, and C. Berrou, Coded orthogonal frequency division multiplex,Proc. of

   IEEE, vol. 83, no. 6, pp. 982-996, June 1995.

[2]M. Alard and R. Lassale, Principles of modulation and channel coding for digital broadcasting

   for mobile receiv-ers,EBU Tech. Review, no. 224, pp. 3-25, Aug. 1987.

[3]ETSI EN 300 401, Radio broadcasting systems; digital audio broadcasting (DAB) to mobile,

   portable and fixed receivers, Feb. 1995.

[4]ETSI EN 300 401, Radio broadcasting systems; digital audio broadcasting (DAB) to mobile,

   portable and fixed receivers, May 2001.

[5]ITU-R BS.1514, System for digital sound broadcasting in the frequency bands below 30 MHz, Apr.

   2001.

[6]ETSI TS 101 980, Digital radio mondiale(DRM); system specification, Sept. 2001.

[7]H. C. Papadopoulos and C.-E. W. Sundberg, Simultaneous broadcasting of analog FM and digital

   audio signals by means of adaptive precanceling techniques,IEEE Trans. Commun., vol. 46, no. 9,

   pp. 1233-1242, Sep. 1998.

[8]ISDB-T, Specification of channel cod-ing, framing structure and modula-tion, Sept. 1998.

[9]L. C. Cimini, Jr., Analysis and simu-lation of a digital mobile channel using orthogonal

   frequency-division multiplexing,IEEE Trans. Commun., vol. 33, no. 7, pp. 665-675, July 1985.

[10]J. A. C. Bingham, Multicarrier mod-ulation for data transmission: an idea whose time has

    come,IEEE Commun. Magazine, vol. 28, no. 5, pp. 5-14, May 1990.

[11]박지형, 디지털 라디오 방송, 2000 9.

[12]DRM website: http://www.drm.org

[13]T. Painter and A. Spanias, Percep-tual coding of digital audio,Proc. of IEEE, vol. 88, no.

    4, pp. 451-513, Apr. 2000.

[14]iBiquity website: http://www. ibiquity.com

[15]TTC website: http://www.ttc.or.jp

[16]DAB산업동향보고서, 전자부품연구원, 2002 3.

[17]DAB forum website: http://www. worlddab.org

 

 

 

 

OFDM 기반의 5GHz 대역 무선 LAN 기술

                                                                출처: 전파진흥협회

 

I.      서론

 

최근 인터넷의 보급과 멀티미디어 자료의 급격한 증가에 의해서 초고속 통신망에 대한 수요가 늘어가고 있다. 이중 LAN 1980년대 후반부터 도입되어 초기에 1-4Mbps 정도였던 전송량이 현재는 100Mbps fast Ethernet이 일반적으로 사용되며, Gigabit Ethernet에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 휴대용 컴퓨터 및 PDA의 보급이 확산됨에 따라 장소에 상관없이 네트워크 망에 접속하고자 하는 요구가 늘어나면서 무선 LAN에 대한 관심이 급증하고 있다. 무선 LAN은 기존 유선 LAN에 비해서 데이터 전송률은 떨어지지만, 이동성 및 휴대성, 간편성 등의 이점을 가질 수 있기 때문에 응용분야가 확장되고 있다. 특히 4세대 이후의 무선 통신 시스템에서는 IMT-2000과 같은 시스템과 무선 LAN과의 연동을 생각하고 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다.

데이터 전송량의 증가에 대한 요구와 무선 전송 기술의 발달로 인해서 초기 1-2Mbps IEEE 802.11 규격을 향상시켜 802.11b, 802.11a와 같은 규격을 확정하였으며, 현재 802.11g 규격을 표준화 회의를 통해 결정 중에 있다.[1]-[4] 특히 NII 밴드의 5GHz 대역에서 6-54Mbps의 전송률을 가지는 802.11a OFDM을 전송기술로 사용하고 있으며, OFDM 전송과 5GHz 대역의 사용에 대한 관심의 증가로 인해 다른 무선 LAN 규격에 비해 각광을 받고 있다.

본 글에서는 무선 LAN의 전망과 여러 가지 무선 LAN 표준안에 대하여 설명한 후, OFDM을 사용하는 IEEE 802.11a 시스템의 특징, 물리 계층에 대하여 기술한다. 마지막으로 차세대 무선 LAN 시스템에 대해 간략하게 설명한 후 결론을 맺도록 한다.

 

II.   무선 LAN의 응용 분야 및 전망

 

무선 LAN의 기반을 이루는 기술은 오래 전에 생겨났으나 무선 LAN이 상업적 개발의 타당성과 경쟁력을 갖게 된 것을 몇 년 사이에 일어난 일이다. 무선 LAN의 응용이 가능한 곳은 사무실, 학교, 병원, 산업체, 가정 등의 거의 모든 곳에서 사용 가능하다. 무선 LAN은 새로운 통신 방법이라기 보다는 현재 사용하고 있는 유선 LAN을 대체할 수단으로써, 유선 LAN으로 가능한 모든 것이 가능하며 케이블에 의한 제약이 없어지므로 보다 자유롭게 많은 곳에 사용할 수가 있다.[5],[6] 하지만 현재 무선 LAN은 학교나 국제 회의장 등의 제한적인 장소에서만 사용되고 있으며, 공중 무선 LAN은 거의 사용되고 있지 않다. 외국의 경우 현재 공중 무선 LAN 서비스는 호텔이나 공항, 커피숍 등의 사람이 많이 모여드는 장소에서 서비스 되고 있으나, 많은 문제로 인해 빠르게 확장되어가고 있지는 못하고 있다. 하지만 이동 전화 시스템이 초기에 겪었던 것과 같은 여러 문제가 시간이 흘러감에 따라 해결될 것이고, 그 이후로 활발하게 서비스가 이루어 질 것으로 예상하고 있다.

어떤 사람들은 공중 무선 LAN이 기존 이동통신 사업자의 데이터 통신 수입에 정면으로 대항하고 있다는 견해를 가지고 있다. 하지만 공중 무선 LAN 3G 이동 전화 시스템과 공생 관계를 맺으면서 성장할 것으로 예상된다. 무선 LAN은 보다 큰 멀티미디어 데이터 위주의 애플리케이션을 3G 주파수 대역에서 무선 LAN 주파수 대역으로 이동시킴으로써, 상대적으로 부족한 3G 시스템의 밀집 현상을 경감시키고 데이터 속도를 증가시킬 수 있다. 특히 무선 LAN의 경우는 휴대전화가 아니라 케이블을 사용한 LAN을 대체하는 개념이기 때문에 3G 시스템 자체에는 영향을 주지 않을 것이다. 공주 무선 LAN은 커피숍이나 공항과 같은 선택된 영역에서의 데이터 트래픽만을 담당 할 것이다. 왜냐하면, 무선 LAN 서비스 사업자 대도시 지역에서의 끊김 없는 data 전송과 같은 서비스를 제공하고자 하지 않을 것이기 때문이다. , 무선 LAN은 고정된 위치에서 보다 빠른 전송에 대한 요구를 충족시킬 수 있다. 1은 여러 무선 시스템의 차이를 보여주고 있다.

현재 많은 이동통신 장비 생산 업체들은 궁극적으로 휴대전화와 무선 LAN을 하나로 합치는 다양한 듀얼모드 이동 단말기를 계획하고 있다. Ericsson사는 Telenor Mobile와 팀을 이루었고, Intel 또한 British Telecom 802.11b GPRS를 통합하는 방법을 연구하고 있으며, Texas Instruments사는 자사 제품의 상호 호환성에 대한 협력을 모색하고 있다. 표준화 단체 또한 이 분야에서 활발하게 움직이고 있는데. ETSI에서는 HiperLan/2 3G의 상호 연동성을 허용하기 위한 표준을 연구하고 있다.

 

 

1. 여러 무선 시스템의 비교

 

 

3G(WCDMA)

802.11b

802.11a

Bluetooth

최대 전송률

2Mbps

11Mbps

54Mbps

1Mbps

로밍

가능

불가능

준비중

불가능

보안

높음

보완필요

보완필요

보완필요

잠재적 간섭

낮음

높음

중간

높음

주파수

인가

비인가

비인가

비인가

주파수 밴드

1.9GHz

2.4GHz

5GHz

2.4GHz

 

 

III.  무선 LAN 표준안

 

무선 LAN의 표준안 중 가장 먼저 결정된 것은 IEEE 802.11이다. IEEE 802.11 90년대 무선 LAN 사업자들을 중심으로 표준화 작업이 이루어져 1997년 최종 표준안이 제정되었다. IEEE 802.11 2.4G 대역의 ISM 밴드를 사용하여 최대 2Mbps의 전송률을 지원한다. IEEE 802.1에서는 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) MAC을 사용하고, 물리 계층에서는 전송 방식으로 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum), FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)과 적외선 방식을 사용한다.

2Mbps의 최대 전송률을 가지는 IEEE 802.11은 케이블을 사용하는 유선 LAN에 비해서 전송률이 너무 떨어지는 이유로 전송률을 대폭적으로 향상시킨 표준안들이 제정되었다. 그 중에서 IEEE 802.11b IEEE 802.11과 같은 2.4GHz 대역에서 전송 기술을 DSSS 이외에도 CCK(Complementary Code Keying)를 사용하여 전송률을 10Mbps급으로 향상시켰다.

또한 1999년에는 고속 무선 데이터 전송을 위해 5GHz 대역의 U-NII(Unlicensed N-II) 밴드에 OFDM을 사용한 IEEE 802.11a 표준안을 발표하였다. IEEE 802.11a에서는 최대 54MBps의 전송률을 지원한다. 또한 유럽 지역에서는 IEEE 802.11a와 거의 같은 물리계층 구조를 가지는 HIPERLAN/2의 표준안을 제정하였다. HIPERLAN/2 IEEE 802.11a의 차이점은 HIPERLAN MAC IEEE 802.11a CSMA/CA 방식과 달리 동적 시분할 및 이중화 방식(Dynamic Reservation TDAM/TDD)을 사용하여 다양한 QoS를 보장할 수 있는 것이다.[6]

현재는 IEEE 802.11b와 같은 대역에서 전송률을 높이기 위해 IEEE 802.11g가 표준화 작업 중에 있다. IEEE 802.11g IEEE 802.11b와 같은 2.4G대역에서 OFDM을 사용하여 전송률을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 802.11g에서는 OFDM 이외에도 PBCC(Packet binary convolutional code) option 사용하려고 하고 있다. 무선 LAN의 표준안들을 정리하면 다음 표와 같다.[6]

 

 

2 무선 LAN 표준안 비교

 

Parameter

IEEE 802.11b

IEEE 802.11a

HIPERLAN/2

IEEE 802.11g

Configura-tion

AP(access point)

Peer-to-Peer

AP(access point)

Peer-to-Peer

AP(access point)

AP(access point)

Peer-to-Peer

Range

60-100 m

30-60 m

30-60 m

60-100m

Channel access

CSMA/CA

CSMA/CA

Reservation based access

CSMA/CA

Freq. band

2.4G

5G

5G

2.4G

Duplexing

TDD

TDD

TDD

TDD

Data rate

1,2M (DS/SS)

5.5, 11M (CCK)

6,9,12,18,24,36,48,54M (OFDM)

6,9,12,18,27,36,48,54 M (OFDM)

6,9,12,18,24,36,48, 54M (OFDM)

22,33 M (PBCC)

 

 

현재 상품화 되어 나와있는 거의 모든 제품은 IEEE 802.11b에 기반한 제품들이며, 그 시장이 점점 넓어져 가는 추세이다. 하지만 2.4GHz 대역을 사용하는 IEEE 802.11b의 경우, 그 개발 가능성이 매우 제한된다고 평가 받고 있다. IEEE 802.11b 2.4GHz 대역은 많은 나라에서 ISM 밴드로 지정하여 인가 없이 사용하도록 되어있다. 그런 이유로 많은 다른 장치들이 동일한 2.4GHz 대역을 공유한다. 이런 장치들에는 무선전화기, 전자레인지와 같은 전자 제품들뿐만이 아니라 블루투스(Bluetooth), HomeRF와 같은 무선 LAN과 비슷한 장치들도 있다. 이러한 장치들은 근접한 거리에서 무선 LAN의 데이터 전송에 간섭을 일으키게 된다. 또한 IEEE 802.11b은 로밍 및 11Mbps의 전송률이 현실적으로 불가능하여, 미래의 무선 LAN의 해결책은 아닌 것으로 평가 받고 있다.  따라서 IEEE 802.11b은 무선 LAN의 성장 가능성을 제대로 실현할 수 없을 것으로 예상되고 있다.

이런 이유로 5GHz 대역에서 작동하는 IEEE 802.11a HIPERLAN/2가 많은 각광을 받고 있다. 5GHz 대역의 경우 비교적 높은 주파수인 관계로 다른 소형 무선 장치들이 주파수 경쟁을 하기에는 부적절하다. 이런 이유로 IEEE 802.11a IEEE 802.11b보다 다른 장치에 의한 간섭이 현격하게 줄어들 것으로 예상된다. 또한 OFDM의 특성으로 인해 높은 전송률의 전송이 가능하여, 이후 무선 LAN의 성장은 주로 5GHz 상품에 의해 주도될 것을 예측하고 있다. IDC 5GHz 장비의 판매가 2005년 이후로는 2.4GHz 대역 장비를 대체할 것으로 추정하고 있다.

 

그림 1. 2001년과 2006 2.4GHz 5GHz 무선 LAN 판매대수비교[출처:IDC, 2002] 

 

그림 2 세계 주파수 대역별 무선 랜 시장 전망 [출처 : IDC, 2002]

 

IV.   IEEE 802.11a 물리 계층

 

본 장에서는 5GHz대역을 사용하는 OFDM 방식의 고속 무선 LAN IEEE 802.11a의 물리 계층 및 송수신 절차에 대해 알아보도록 한다. 간단하게 IEEE 802.11a를 살펴보면, IEEE 802.11a 5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz U-NII 밴드에서 20MHz의 대역폭을 사용하여 6-54Mbps의 전송률을 제공할 수 있게 되어 있다. 전송 방법으로는 52개의 부반송파를 사용하는 OFDM 방식을 채택하고 있으며, convolutional 코드를 사용하여 BPSK-64QAM 방식을 사용하여 전송을 하게 된다. IEEE 802.11a 무선 LAN의 주요 물리 계층 파라미터를 정리하면 표 3과 같다.

 

3 IEEE 802.11a 중요 물리계층 파라미터

 

Information data rate

6,9,12,18,24,36,48 and 54 Mbit/s

(6,12 and 24 Mbit/s are mandatory)

Modulation

BPSK OFDM

QPSK OFDM

16-QAM OFDM

64-QAM OFDM

Error correcting code

K=7 convolutional code

Coding rate

1/2, 2/3, 3/4

Number of subcarrier

52

OFDM symbol duration

40

Guard interval

0.8

Occupied bandwidth

16.6 MHz

 

1.      OFDM 물리 계층 구성

5GHz OFDM 물리 계층 구조는 그림 3에 나타나 있는 IEEE 802.11 권고안과 같이 구성된다. OFDM 물리 계층은 다음과 같은 3가지의 블록으로 구성되어 있다.

 

.   PLCP(Physical Layer Convergence Procedure)

PLCP 계층은 IEEE 802.11 MAC PMD와 최소한의 연관성을 가지기 위해서 정의한다. , IEEE 802.11 MAC에서 발생된 서비스를 OFDM 물리계층으로 또는 OFDM 물리계층에서의 신호를 IEEE 802.11 MAC의 서비스에 맞는 신호로 바꾸어 주는 역할을 수행하는데, IEEE 802.11 MAC OFDM 물리계층과는 관계없이 독립적으로 동작할 수 있도록 하는 역할을 하는 블록이다.

.   PMD(Physical Medium Dependent)

PMD 계층은 OFDM 물리 계층이 신호를 주고 받는 방법을 제공하는 계층이다. , OFDM 물리계층과 밀접하게 관련되어서, IEEE 802.11 MAC에서의 서비스를 OFDM 물리계층 동작에 적합하도록 바꾸어 주는 역할을 한다.

.   PLME(PHY Management Entitiy)

PLME 계층은 MAC management entity와 연동하여 물리 계층의 기능을 관리하는 역할을 수행한다

 

그림 3. 802.11의 물리계층과 데이터 링크 계층

 

 

2.      OFDM 물리계층 서비스 파라미터

 

IEEE 802.11 MAC 구조는 물리 계층과 독립적으로 동작하는 것을 목표로 하여 정의되었다. 따라서 물리 계층을 구현하기 위해서는 PMD의 요구사항을 만족시키기 위한, MAC 계층에서 동작하는 medium management state machine이 필요하다. 이러한 물리 계층에 종속적인 state machine MLME(MAC sublayer management entity)라고 한다. MLME PLME와 연동하게 되는데, 이를 위해 물리 계층에서는 TXVECTOR RXVECTOR를 정의하여 PHY service primitive로 사용한다. OFDM 물리 계층을 위한 TXVECTOR RXVECTOR는 다음과 같은 파라미터를 가진다.

 

.   TXVECTOR 파라미터

TXVECTOR의 파라미터를 정리하면 다음 표 2와 같다. 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. LENGTH는 현재 MAC이 물리 계층을 통해 전송하고자 하는 데이터 옥텟(octets)의 개수를 지시하며, 값은 1-4095의 범위를 가지게 된다. DATARATE 파라미터는 무선 LAN에서 전송하고자 하는 신호의 전송률을 의미한다. 이 값은 IEEE 802.11a에서 지원하는 전송률의 값을 가진다. SERVICE 필드는 스크램블러의 초기화를 위한 7개의 null bit와 차후에 사용될 것을 위해 남겨진 9개의 null bit로 이루어져 있다. TXPWR_LEVEL은 현재 전송에서 사용될 전송 신호의 파워를 결정하는데 사용되며, 1-8의 값을 가진다.

.   RXVECTOR 파라미터

RXVECTOR의 파라미터를 정리하면 다음 표 3과 같다. 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. LENGTH는 수신된 PLCP header에서 LENGTH field가 가지고 있는 값을 이용하며, TXVECTOR와 마찬가지로 1-4095 사이의 값을 가진다. RSSI(Received signal strength indicator)는 현재 데이터를 수신하는 안테나로부터 관찰된 신호의 에너지를 검출하여 사용하며, PLCP preamble을 수신할 때 결정한다. DATARATE는 현재 수신된 데이터의 전송률을 의미하며, SERVICE null로 결정된다.

 

4. TXVECTOR 파라미터

 

Parameters

Associate primitive

Value

LENGTH

PHY-TXSTART.request

1-4095

DATARATE

PHY-TXSTART.request

6,9,12,18,24,36,48, and 54

(6,12,and 24 data rates is mandatory)

SERVICE

PHY-TXSTART.request

7 null bits + 9 reserved null bits

TXPWR_LEVEL

PHY-TXSTART.request

1-8

 

5. RXVECTOR 파라미터

 

Parameters

Associate primitive

Value

LENGTH

PHY-RXSTART.indicate

1-4095

RSSI

PHY-RXSTART.indicate

0-RSSI maximum

DATARATE

PHY-RXSTART.request

6,9,12,18,24,36,48 and 54

SERVICE

PHY-RXSTART.request

NULL

 

 

3.      OFDM PLCP 계층

 

그림 4 IEEE 802.11a PPDU(PLCP protocol data unit)의 프레임 구조를 보여주고 있다. PPDU 프레임은 크게 PLCP preamble, SIGNAL, Data 3부분으로 나누어 진다. 이중 PLCP preamble은 신호 검파, 시간 및 주파수 동기, 채널 추정 등을 위해 사용되며, SIGNAL TXVECTOR의 내용이 전송된다. Data는 주로 PSDU(PHY sublayer service data units)가 전송되며, TXVECTOR의 파라미터에 따라 코딩 및 변조 방식이 바뀌어 전송되게 된다.

 

.   PLCP preamble

PLCP preamble OFDM 물리 계층의 동기화 및 채널 추정을 위한 신호이다. PLCP preamble 10개의 짧은 훈련신호와 2개의 긴 훈련신호로 이루어져 있다. 그림 5 IEEE 802.11a에서 사용되는 OFDM 훈련신호 구조를 보여주고 있다. PLCP preamble 중 짧은 10개의 훈련신호는 신호 검파, AGC, diversity selection, 미세 시간 동기 및 정수배 주파수 오차 추정에 사용되며, 긴 훈련신호는 채널 추정과 소수배 주파수 오차 추정에 사용된다. IEEE 802.11a 시스템에서는 preamble을 이용하여 동기 및 채널 추정을 수행하여 한 프레임동안 계속 사용하기 때문에, 빠르면서도 정확한 추정을 수행을 수행하는 것이 전체 시스템 성능에 크게 영향을 주게 된다.[8] 

그림 4.  PPDU 프레임 구조 

 

그림 5. PLCP preamble 구조

 

.   SIGNAL

SIGNAL은 전송률을 나타내는 RATE PPDU의 길이를 나타내는 LENGTH field를 중심으로 예약된 1bit와 패러티 체크를 위한 1bit, 6bit tail bit을 포함하고 있다. SIGNAL은 부호율을 1/2을 사용하는 convolutional 부호화에 의해 부호화되고 BPSK를 통해 전송된다. RATE에 따른 전송률을 살펴보면 표 5와 같다.

 

6. IEEE 802.11a 전송률 관련 사항 정리

 

Data rate

(Mbit/s)

Modulation

Coding rate(R)

Coded bits per subcarrier

Coded bits per OFDM symbol

Data bits per OFDM symbol

6

BPSK

1/2

1

48

24

9

BPSK

3/4

1

48

36

12

QPSK

1/2

2

96

48

18

QPSK

3/4

2

96

72

24

16-QAM

1/2

4

192

96

36

16-QAM

3/4

4

192

144

48

64-QAM

2/3

6

288

192

54

64-QAM

3/4

6

288

216

 

.   DATA

DATA field PSDU SERVICE, TAIL bits, PAD bit로 이루어져 있다. TAIL bit convolutional 부호화기를 초기 상태로 만들어주기 위해 사용하며, PAD bit는 총 data bit가 하나의 OFDM 심볼의 부호화된 bit의 정수배가 되지 않을 경우, 정수배가 되도록 추가하는 bit이다. DATA field에 있는 모든 bit들은 스크램블링 된 후에 SIGNAL에서 정의한 RATE에 따라서 convolutional 부호화되고, interleaving을 거쳐 RATE에서 정의한 변조기법을 통해 전송된다. Convolutional 부호화는 puncturing을 통해 이루어지며, OFDM 변조는 IFFT를 통해 이루어진다.

 

4.      OFDM PLCP ,수신 절차

 

그림 5 PLCP 전송 절차를 보여준다. 데이터를 전송하기 위해 MAC에서 PHY-TXSTART.request를 보내면 물리 계층은 전송 모드가 되며, 적당한 주파수로 송신하기 위해 준비된다. 채널이 사용되고 있지 않은 상태라면, PHY-TXSTART.request(TXVECTOR) primitive를 전달 받는 것에 의해서 PPDU를 전송하게 된다. PLCP PMD_TXPWRLVL PMD_RATE를 통해 물리 계층을 준비시킨 후, PMD_TXSTART.request를 통해 PLCP preamble부터 전송을 시작한다. 일단 PLCP preamble의 전송이 시작되면, 스크램블러와 부호화기를 초기화 시켜 데이터에 스크램블링과 부호화를 시작한다. 이후 물리 계층은 PLCP header MAC으로부터 전송된 데이터들을 스크램블링과 부호화를 거쳐 계속 전송하게 된다. OFDM PHY LENGTH field에 따라 마지막 bit가 전송되게 되면, 전송은 정상적으로 종료된다. 하지만 전송 도중 MAC으로부터의 PHY-TXEND.request에 의해 종료될 수도 있다. 일단 패킷의 전송이 종료되면 물리 계층은 수신 상태로 전환한다.

그림 6 PLCP 수신 절차를 보여준다. 데이터를 수신하기 위해서는 PHY-TXSTART.request disabled되어야 한다. PLCP preamble을 수신하기 시작하면, 수신 신호의 level PMD_RSSI.indicate를 통해 MAC에 전달하고, MAC에서는 PHY_CCA.indicate(BUSY)를 통해 한 프레임동안 정확한 수신이 가능하도록 한다. 그 이후에 물리계층은 훈련신호를 수신하고, 전송된 데이터의 길이, 복조 방식 및 복호 방식의 결정을 위해 SIGNAL을 찾는다. 일단 SIGNAL이 패러티에 의해 에러 없이 수신되었다고 하면, Viterbi 복호기에 의해 복호가 이루어지며, 이 복호된 신호는 ITU-T CRC-32에 의해 검사된다. 만일 CRC-32 검사가 실패할 경우, 물리 계층은 Idle 상태로 돌아간다. PLCP header의 수신이 아무 문제 없이 없다면, PHY-RXSTART.indicate(RXVECTOR)에 의해 RXVECTOR가 전송된다. 수신된 PSDU octet으로 변환되고 복호된 후 MAC에 전달된다. 마지막 데이터 비트를 수신한 후에는 수신단은 RX IDLE 상태로 돌아가고, PHY-RXEND.indicate(NoError)가 발생된다

 

그림 6 PLCP 전송 과정

 

그림 7 PLCP 수신 과정

 

 

V.      결 론

본 글에서는 무선 LAN의 응용분야 및 무선 LAN의 전망에 대해 알아보고, 최근 많은 관심을 받고 있는 OFDM 방식의 무선 LAN IEEE 802.11a 물리계층에 대하여 소개하였다. IEEE 802.11a는 유럽의 HIPERLAN/2와 물리 계층 표준안이 거의 비슷하고, 5GHz 대역의 무선 LAN 시장이 계속하여 확대되어갈 전망이므로 이에 대한 설계 및 구현에 대한 기술 확보는 무선 통신 기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 특히 시스템의 전송률 높이는 것이 중요한 이슈가 되어가고 있는 요즘, 무선 LAN과 다중 안테나를 결합하는 것에 대한 연구는 중요한 연구분야가 될 것으로 예상된다.