대역확산통신

1. 개요

2. 대역확산통신의 이론적 기초

   2.1 대역확산통신 개념

   2.2 대역확산과 채널용량 

   2.3 대역확산통신방식의 특징

3. 대역확산방식의 종류

 가.직접확산(Direct Sequence)방식

  1) 송신측 대역확산

  2) 수신측 역확산

  3) 확산코드에 의한 확산

  4) 확산코드

 나. 주파수도약(Frequency Hopping)방식

 다. 시간도약(Time Hopping) 방식

 라. 첩변조방식           

 

 

 

 

 

1. 개요

 - 기존의 무선통신에서 주파수대역은 가장 비싼 자원이며, 시스템은 가급적 작은 주파수대역을 사용할 수 있도록 설계되어 왔다

 - 그러나 대역확산통신에서는 전송하고자하는 신호대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭으로 확산시켜 전송

 - 확산대역내에 소수의 사용자만 있는 경우는 주파수대역 사용효율이 매우 비효율적이지만, 다수의 사용자가 있는 경우에는 여러 사용자가 같은 주파수대역을 사용할 수 있으므로 주파수대역의 효율을 확보할 수 있다

 - 군사통신등 중요한 통신에서 제3자로부터의 도청을 방지하기 위하여 개발

 - 대역확산통신에는 DS(Direct Sequence), FH(Frequency Hopping), TH(Time Hopping), Chirp Modulation 방식이 있음

2. 대역확산통신의 이론적 기초

   2.1 대역확산통신 개념

      - 정보 Data 신호의 주파수 대역보다 매우 넓은 대역폭을 갖는 코드(PN 코드와 Walsh 코드)를 사용해서 정보 Data 신호를 대역확산 후 전송하는 통신방식

      - 이때 사용되는 코드는 정보 Data 신호와는 독립적

      - 수신기에서는 송신기에서 사용한 동기가 맞는 동일한 코드를 사용해서 대역축소 후 원래의 정보 Data 신호를 복원

 

   2.2 대역확산과 채널용량 

     - 샤논(Shannon)의 채널용량 공식으로부터 디지털 통신에 있어서 단위 대역폭당 에러없이 전송할 수 있는 비트수는 

                          C/B=log(1+S/N)[bps/Hz]  단, C는 전송용량(bps), B는 점유주파수대폭[Hz]

     - 이 공식은 가우시안 잡음이 부가되는 채널에서 정보를 전송할 수 있는 최대 전송 속도를 의미하며, 실제로는 충격잡음, 지연왜곡, 감쇠현상으로 훨씬 낮은 채널용량이 됨

     - 통신 용량을 크게 하려면 채널의 대역폭을 넓히거나 신호대 잡음비를 키우면 됨

     - 대역확산통신은 이론적 채널용량의 한계에 근접할 수 있도록 에러정정기법과 함께 사용하여 채널용량을 키우기 위한 통신 방식임

 

  2.3 대역확산통신방식의 특징

     - 확산코드를 모르면 원래 신호를 복원하기가 힘들기 때문에 비화특성이 우수

     - 일종의 코드로 자기 신호를 구분할 수 있으며 FDMA. TDMA 처럼 Multiple Access가 가능 

     - 확산과 역확산 과정을 거치기 때문에 외부의 협대역 간섭에 매우 강함

     -  주파수 대역이 넓어서 마치 주파수 다이버시티 효과를 얻을 수 있어 페이딩에 강하다

 

3. 대역확산방식의 종류

가. 직접확산(Direct Sequence)방식

  - 정보 Data 신호에 PN코드를 이용해서 직접 대역확산 후 전송하는 방식

  - 응용 예: 802.11 WLAN, Bluetooth

http://www.hanbit.co.kr/preview/1372/sample_chap3.pdf

 1) 송신측 대역확산

    - 전송하고자 하는 d(t)의 data열보다 빠른 속도를 가지는 독립적인 코드인 확산부호 p(t)를 통해 Data열이 대역확산됨

    - 이렇게 대역확산된 신호는 무선전송을 위해 반송파에 실려 송신된다

 

    2) 수신측 역확산

       - 대역확산되어 수신된 신호는 역확산 과정을 거쳐 원하는 data를 검출

       - 반송파에 실려 송신부에서 전송된 신호는 복조를 위해 확산의 역과정을 거치게 된다

       - 먼저 반송파를 제거하기 위해 송신측과 반송파를 곱하고 여파과정을 거친다.

       - 이 신호를 역확산하기 위해 송신측에서 사용한 것과 동일한 확산코드를 통해 원하는 data열을 복원

       - 이 때 간섭신호 및 송신측에서 대역확산에 사용한 코드와 다른 코드는 역확산을 위한 확산코드에 의해 확산되어 버려 원하는 신호를 복원하는데 영향을 주지 않는다

 

 

    3) 확산코드에 의한 확산

        예1>

       예2>

     4) 확산코드

        - 대역확산 기술을 다중접속 기술로 사용하려면 확산코드를 여러개 사용하여 각각의 확산코드에 의해서 통화채널을 확보하게 된다

        - 이 확산코드는 대역확산을 효과적으로 하기 위해서, 각각의 확산코드 사이에 상호연관이 없어야 한다, 즉 랜덤잡음(또는 White noise)와 같은 특성을 가지고 있어야 한다.

        - 두 확산 신호 사이에 cross-correlation이 있으면, 두 확산코드 사이에 이 양만큼 상호 간섭을 주게되어, 통화품질 저하 및 채널용량이 감소

         - 위와 같은 특성을 수학적으로 표현하면

            어떤 임의의 신간 T동안에 각각의 확산코드를 상호 곱했을 때 같은 확산코드를 곱해준 경우에만 1이 나타나고, 다른 확산코드를 곱해준 경우에는 0이 되어, 서로 다른 확산코드가 곱해지면 신호가 나타나지 않아야 한다는 것을 나타냄

         - 위에서 보여준 수식이 갖는 특성을 잘 만족하는 신호(디지털 신호인 경우는 비트열)는 반복 주기가 무한히 긴 랜덤잡음이다. 디지털 신호인 경우는 랜덤 시퀀스이다.

         - 따라서 재생이 가능하면서 랜덤 시퀀스와 유사한 특성을 보이는 신호를 사용하는데 이를 PN(Pseudo random Noise) 시퀀스라 한다.

         - PN sequence 는 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.         

나. 주파수도약(Frequency Hopping)방식

   - 정보 data 신호를 한 중심주파수에서 PN 코드를 이용한 주파수 합성장치(Frequency Synthesizer)를 이용해서 다른 주파수로 도약시켜

대역이 확산되게하는 방식

   - 유효한 통신 대역폭을 수개의 주파수 slot으로 분할하여 전송시간마다 그 중 어느 유효한 slot을 통하여 정보를 전송하며, slot의 선택은 PN 부호 발생기의 출력에 의하여 이루어짐

   - 특징: 간섭에 강하고, 보안성이 높은, 전력소모가 크고, 페이딩에 강함

   - 응용 예: IEEE 802.11 WLAN, IEEE 802.15.4 LR-WPAN 등 

 

 

다. 시간도약(Time Hopping) 방식

  - PN 부호 발생기에서 출력되는 랜덤한 2진 부호에 의해 선택된 특정 시간 슬롯동안에만 Burst 형태로 전송하는 대역확산 방식임

  - 한 프레임에 여러 개의 시간슬롯을 만들고 이 시간슬롯에 신호전력의 유무를 PN 부호 발생기에 의해 결정함

  - 타 방식과 함께 조합해서 사용

 

라. 첩변조방식                          

  - 시간에 따라 주파수가 변하는 Chirp 신호를 사용하여 전송하는 데이터의 주파수 대역을 확산시키는 방식    

              

<References>

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hence74&logNo=110073453258

http://www.rfdh.com/tech/cdma/cdma_spread.htm

http://blog.naver.com/gealm63?Redirect=Log&logNo=80100783052