▶ 대역확산 통신방식(Spread-Spectrum Technology)
CDMA 방식은 1960년대부터 군사용으로 주로 사용되어 온 주파수 대역확산 통신기술을 이용한 것이다. 대역확산 통신방식이 발달한 원인에는 군사용으로 사용한 전자파를 이용한 무선통신에서 적에게 도청이 되지 않고, 적의 방해전파에도 강한 통신방식을 구현하고자 하는 요구 때문이었다.
전자파는 공중에 사방으로 퍼져 나가므로 전자파 자체는 쉽게 다른 사람에 의해 적정한 안테나를 사용하여 수신될 수 있다. 이렇게 수신된 신호는 변조방법을 알면 쉽게 그 통화내용을 도청할 수 있는 것이다. 대개 보통 사용하는 변조방법은 쉽게 복조가 가능하므로 전자파를 이용한 무선통신은 쉽게 도청되는 것을 당연시 하기도 한다.
<그림 2-1>에 확산 코드에 의한 통신의 예를 보여주고 있다. 먼저 송신 데이타에 <그림 2-1>에서 보여주는 것과 같은 확산코드 10110100101 을 곱해준다. 확산코드는 원래의 데이타보다 훨씬 높은 비트 속도를 가지고 있으므로 하나의 송신 데이타에 여러개, <그림 2-1>에서는 11비트를 곱해준다. 이렇게 곱해진 원래의 송신 데이타는 <그림 2-1>에서 보여주는 것과 같이 훨씬 속도가 높은 확산코드와 같은 속도의 확산신호와 같이 된다. 이 확산신호를 전자파에 실어서 송신을 하고, 수신쪽에서는 이 확산신호에 다시 송신쪽에서 사용한 동일한 확산 코드를 곱해주면, 원래 송신하고자 했던 데이타와 동일한 수신 데이타를 얻을 수 있다.
그러나 수신된 확산신호에 다른 확산코드 01101001010 를 곱해 주면 수신 데이타가 <그림 2-2>와 같이 되어서, 원래의 데이타를 복구할 수 없다. 물론 이때 확산코드를 곱해주는 시간이 맞지 않으면 마치도 다른 확산코드를 곱해주는 것과 같으므로, 확산코드가 시작하는 시간까지 맞아야 한다. 따라서 사전에 미리 확산코드와 시작 시간을 모르는 사람은 데이타를 복구할 수 없고, 확산코드 신호와 시작 시간을 알고 있는 사람만 데이타를 복구할 수 있기 때문에 자연히 높은 비화 특성을 가지게 된다.
확산코드는 송신 데이타와 아무런 관계도 없으며 확산코드를 추정하기 곤란하게 거의 잡음과 같은 (디지틀 신호인 경우 랜덤 시퀀스(Random Sequence)) 신호를 곱해주며, 이 코드는 거의 무한히 만들 수 있기 때문에 임의의 확산코드를 쉽게 재생할 수 없다. CDMA 방식에서는 코드 갯수에 의해서 채널수가 결정되는 것이 아니라, 주변의 간섭량에 의해서 채널수가 결정된다. 이는 내가 아무리 우리말로 대화를 해도 주변에 영어로 이야기하는 소리가 너무 크면 말을 알아듣기 곤란한 것과 같은 이치이다.
이를 좀더 이론적으로 그럴듯하게 설명해보면, 먼저 송신 데이타가 <그림 2-3>에서 보여주는 것처럼 어떤 대역폭을 가지는 신호라 하자. 이 신호에 송신 데이타 보다 훨씬 높은 비트 속도를 가지는, <그림 2-1>의 예를 보면 11배나 높은 속도를 가지는 확산코드의 대역폭을 표시해 보면, 송신 데이타의 대역폭에 비해서 11배가 넓다는 것을 알 수 있다. 송신 데이타 신호에 확산코드 신호를 곱해주면, 이론적으로 확산 신호의 비트 속도가 확산코드 속도와 같게되므로 확산신호와 확산코드의 대역폭은 거의 비슷하다는 것을 알 수 있다.
이는 원래의 송신 데이타의 대역폭이 확산코드에 의해서 확산신호의 대역폭 만큼 넓어진 것으로 이해할 수 있다. 이 과정을 '확산(Spreading)'이라 한다. 이때 송신 데이타가 가지고 있는 에너지는 일정하므로 데이타에 해당하는 크기는 넓어진 대역폭만큼 반비례하여 작아진다. 이렇게 신호를 전송할 때 대역폭이 넓어졌다고 해서 이러한 기술을 대역확산(Spread-Spectrum)기술이라 한다.
이 확산신호에 다시 동일한 확산코드를 곱해주면, <그림 2-1>에서 보는 바와 같이 원래의 데이타를 복구할 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 이를 주파수 영역에서 보면, 확산신호의 대역폭이 다시 원래 데이타 신호의 대역폭으로 줄어든 것으로 이해할 수 있다. 이를 '역확산(Despreading)'이라 한다. 물론 여기서도 데이타가 가지고 있는 에너지가 일정하기 때문에 신호의 크기도 줄어든 대역폭만큼 다시 커져서, 다른 신호로부터 분리하여 데이타를 복구할 수 있다.
만일 여기에서 신호의 전송 도중에 확산신호에 강한 협대역 간섭 신호가 수신되었다고 하자. 이 두 신호가 수신기 쪽에서 역확산 과정을 거치게 되면, 원래 송신했던 신호는 역확산이 되지만, 간섭 신호는 여기에서 확산 과정이 일어나서 그 크기가 확산된 대역폭에 반비례하여 줄어들게 된다.
이를 <그림 2-4>에 그림으로 설명하고 있다. 점선으로 된 간섭신호가 포함되어도 역확산 과정에서 <그림 2-4>에서 보여주는 것처럼 확산이 되어 그 크기가 줄어들어 간섭신호의 크기는 줄이고, 자기 신호는 크기를 키우므로서 외부의 간섭에 매우 강한 특성을 가지게 된다.
또한 대역확산 방식은 페이딩에도 강한 특성을 보인다. 대역확산방식에서 확산된 신호의 주파수 대역폭이 수 MHz에 이른다. 예로 IS-95 방식 CDMA의 경우 1.25 MHz이고 W-CDMA의 경우는 5 MHz, 10 MHz에 이른다. 무선구간으로 전송되는 신호의 대역폭이 이렇게 넓기 때문에 페이딩에 강한 특성을 보인다.
이동통신 환경에서 많이 나타나는 페이딩 원인은 다중경로에 의한 레일리 페이딩으로 페이딩이 일어나는 대역폭이 200kHz 내외로 좁은 대역에서 일어난다. CDMA의 확산된 신호의 경우 대역폭이 1.25 MHz은 페이딩이 발생하더라도 신호의 크기가 전체적으로 줄지 않고 일부만 페이딩이 되어 마치 주파수 다이버시티를 적용한 것처럼 되기 때문이다. 특히 뒤에서 자세히 설명하겠지만 다중경로에 의한 전파지연이 발생한 경우에는 레이크 수신기를 이용하여 다중경로 다이버시티 효과까지 얻을 수 있기 때문에 페이딩에 강하다는 특징을 보여준다.
대역확산 방식의 특징을 요약하면, 첫째로 확산코드를 이용해서 대역확산을 하므로 비화 특성이 매우 우수하다는 것이고, 둘째는 확산과 역확산 과정을 거치기 때문에 외부의 협대역 간섭에 매우 강한다는 것, 셋째로 주파수 대역이 넓어서 마치 주파수 다이버시티 효과를 얻을 수 있어서 페이딩에 강하다는 것으로 요약할 수 있다.
대역확산을 하는 방식은 지금까지 예로 설명했던 직접확산방식(Direct Sequence Spread Spectrum)과 주파수 도약방식(Frequency Hopping Spread Spectrum), 그리고 시간 도약방식(Time Hopping Spread Spectrum)이 있다.
직접확산방식은 지금까지 설명한 것처럼, 확산코드를 데이타에 직접 곱해서 확산 신호를 얻는 방법이고, 주파수 도약방식은 확산코드에 따라서 주파수 대역을 옮기는 방식을 말하고, 시간 도약방식은 시간축에서 확산하는 방식을 말한다. 초기에는 주파수 도약방식을 많이 사용하였으나, 현재는 반도체 및 디지틀 소자의 고속화가 진행됨에 따라서 직접확산방식이 주로 사용되고 있다.