▶ CDMA 방식의 기본 특성
지금까지 CDMA 방식의 기본 기술인 대역확산 기술에 대해서 살펴보았다. 가장 큰 특징으로는 시스팀의 채널용량이 물리적인 채널수가 아니라, 간섭량에 의해서 채널용량이 결정되기 때문에 간섭을 잘 제어하면, 채널용량을 획기적으로 증가시킬 수 있다는 점이다. 초기 CDMA 방식이 무선접속 방식으로 제안이 되었을 때, 가장 큰 관심을 가졌던 부분이 바로 이 채널용량 이었다. 아날로그 방식인 AMPS에 비해서 이론적으로 20 배의 용량도 가능하다는 것은 매우 큰 매력이었다. 물론 지금 어느 정도 시스팀이 개발되고, 몇몇 회사에서 서비스를 시작하고 있는 시점에서, CDMA 방식의 용량을 아직도 AMPS의 20 배 라고 이야기 하는 사람은 거의 없다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 절의 채널용량 부분에서 자세히 설명한다.
채널용량 측면에서 CDMA 방식이 가지고 있는 또 다른 장점은 용량이 물리적인 채널수에 의해서 결정되지 아니하고, 간섭에 의해서 결정이 되기 때문에 약간의 음질만 희생하면 용량이 확대될 수 있다는 것이다. 이를 소프트 용량(Soft Capacity)라 한다.
다음으로는 원천 기술인 대역확산 기술이 가지고 있는 특징을 들 수 있다. 비화 특성이 우수하다는 것, 그리고 페이딩과 시간지연에 대해서 강하다는 특성이 있다. 대역확산 방식에서는 간섭에도 강한 것으로 되어 있으나, 실제 CDMA 방식에서는 채널용량을 증가시키기 위하여, 간섭을 제어하는 과정에서 신호의 크기를 낮추었기 때문에, CDMA 방식에서는 간섭에 강한 시스팀이라고 보기에는 무리가 있다. 물론 한 사람의 가입자가 느끼는 통화품질에서는 이를 어느 정도 이야기 할 수 있을 지 몰라도, 전체 시스팀의 성능 및 용량을 고려한다면, 이는 결코 맞지 않는다. 오히려 간섭에 약한 시스팀으로 볼 수 있다.
그리고 셀 설계 때 주파수 계획이 필요없다는 점, 이동국의 소비 전력이 작다는 점 등 외에도 근거리 원거리 문제가 발생한다든가, 레이크 수신기를 적용할 수 있는 점, 그리고 소프트 핸드오버를 할 수 있다. 여기에 대해서는 별도로 자세하게 설명한다.
근거리/원거리 문제 (Near/Far Problem)
근거리/원거리 문제는 CDMA 방식이 기본적으로 간섭에 의해서 채널용량이 결정되는 시스팀이기 때문에 발생하는 것으로, 전자파의 전파특성이 CDMA 방식의 채널용량에 영향을 주게되어 나타나는 CDMA 방식의 고유한 문제이다.
일반적으로 이동통신 환경에서 기지국과 이동국 사이의 무선 구간에서 발생하는 경로손실을 생각해 보면, 거리에 따른 전자파의 크기는 1/R3-5 정도의 비율로 줄어드는 것으로 알려져 있다. 따라서 단말기의 출력이 일정하다고 가정하면, 기지국에 가까이 있는 이동국과 기기국과 멀리 있는 이동국이 각각 기지국에 수신되는 크기를 살펴보기 위해 멀리 있는 이동국이 약 5km 근방의 셀경계에 있고, 가까운 곳에 있는 이동국은 500m 정도 떨어져 있다고 가정하면, 그 거리의 비율이 10배 이므로, 셀 경계에 있는 이동국의 수신전력은 기지국 가까이에 있는 이동국에 비해서 1/1000 - 1/100000 정도 작은 크기로 기지국에 수신된다.
이런 경우 TDMA 시스팀은 이러한 수신전력의 차이가 약간의 간섭이 증가하는 정도로 영향을 미치지만, CDMA인 경우는 앞에서 설명했던 것 처럼 CDMA의 채널용량이 기지국에 수신되는 각 단말기의 수신전력이 같을 때 최대가 되기 때문에, 이와 같이 전력차가 심하면 CDMA의 용량에 심각하게 줄어든다. 즉, 멀리 있는 이동국은 가까이 있는 이동국에 의한 간섭 때문에 아무리 역확산을 해도, 간섭보다 훨씬 작은 신호가 수신되기 때문에 복조가 불가능해진다. 이를 근거리/원거리 문제(Near/Far Problem)라 한다.
근거리/원거리 문제를 극복하기 위해서는 기지국에서 수신되는 각각의 이동국의 수신전력이 일정하도록 이동국의 송신 전력을 조정하여야 한다. 즉, 기지국에 가까이 있는 이동국은 낮은 송신출력으로, 먼곳에 있는 이동국은 큰 전력으로 송신하도록 하여야 한다. 이를 '전력제어'라 하며, CDMA 시스팀에서는 매우 정교한 전력제어 시스팀이 구현되어야 한다.
현재 구현되어 있는 800MHz 대역의 디지틀 이동전화 시스팀에서는 동작범위가 80dB 이상 되고, 0.5dB 간격으로, 1초에 800번 전력을 증감할 수 있다. 1800MHz 대역의 PCS 시스팀에서는 1초에 800번 1dB 간격으로 전력을 증감한다. 자세한 전력제어 방법은 다음 절에서 자세하게 설명한다.
레이크(Rake) 수신기
CDMA 방식의 중요한 특징 중의 하나가 레이크 수신 기능이 있다는 것이다. 레이크 수신기는 서로 시간차(지연)가 있는 두 신호를 분리해 낼 수 있는 기능을 가진 수신기를 말하는 것으로, CDMA 의 대역확산 원리에 의해서 얻을 수 있는 특성이다.
전자파를 이용하여 통신을 할 때 전송품질에 영향을 주는 현상 중에 가장 큰 영향을 주는 요인이 다중경로에 의한 페이딩 이다. 다중경로에 의한 페이딩은 서로 다른 경로로 수신기에 도착한 신호의 위상차이(시간 지연 차이)에 의해서 발생하는 것이다. 이러한 페이딩은 신호의 크기를 감소시키므로, C/I를 악화 시켜, 전송에러를 집중적으로 발생시킨다. 그리고 시간지연은 신호간 간섭 (ISI : Inter-symbol Interference)을 발생시킨다. 대개의 전파를 이용한 통신방식에서는 페이딩은 다이버시티 기법을 이용하여 어느 정도 극복을 하고 있으며, 시간지연은 각 시간지연을 보상하는 등화기(Equalizer)를 이용하여 ISI를 줄이고 있다.
CDMA 방식이 레이크 수신기를 사용할 수 있는 이유를 설명해 보겠다. <그림 2-7>에서 보여주는 것처럼 다중경로에 의해서 수신기에 3개의 경로로, 3개의 신호가 시간차를 가지고 수신기에 도착했다고 하자. 이때 경로1을 기준으로 보면, 경로2 신호는 약 0.5 chip 정도(여기서 chip은 확산코드 한 펄스의 간격으로 데이터의 비트와 구별하여 사용한다. QCDMA 인 경우 확산속도가 1.2288 Mbps 이므로 한 chip의 시간은 0.814μS 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 3 개가 서로 다른 시간차를 가지고 도착했는데 이중에 경로1 신호만 역확산을 하여, 신호를 복조할 수 있지만, 다른 경로로 도착한 신호는 역확산이 되지 않아, 마치도 3개의 신호중에 경로1 신호만 추출한 것과 같다. 따라서 동기를 경로1 신호 대신에 2 chip 만큼 지연을 주어서, 경로3에 맞추면 이번에는 경로3 신호만 추출할 수 있는 것이다.
즉 CDMA에서는 시간차를 가지고 수신되어도 서로 독립된 신호로 인식하므로, 마치 시간 다이버시티와 같은 효과를 얻을 수 있는 것이다. 이와 같이 서로 다른 경로(또는 시간 차이)로 도착한 신호를 분리할 수 있는 이러한 수신기를 레이크 수신기라 한다.
그러나 <그림 2-7>에서 보는 것처럼, 경로1과 경로2의 시간차 처럼, 두 신호의 시간지연 차이가 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 시간지연차가 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.
소프트 핸드오버 (Soft Hand-over, Soft Hand-off)
CDMA 시스팀이 소프트 핸드오버를 지원할 수 있는 가장 큰 이유는, 통화채널의 주파수 대역이 같기 때문이다. 사용하는 주파수 대역이 같기 때문에 같은 RF 초단부분을 사용하고, 디지틀 부분인 확산과 역확산 과정에서 레이크 수신기를 이용하여, 서로 다른 확산 코드를 사용할 수 있도록하여 동시에 두 개 이상의 기지국에 접속할 수 있도록 한다. 이에 대한 자세한 설명은 IS-95 방식을 설명할 때 자세하게 하도록 한다.