코드분할다중접속

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코드분할다중접속(영어: Code-Division Multiple Access, CDMA)은 다양한 무선 통신 기술에서 사용되는 채널 접속 방법이다. CDMA는 여러 송신기가 단일 통신 채널을 통해 동시에 정보를 보낼 수 있는 다중접속의 한 예이다. 이를 통해 여러 사용자가 주파수 대역을 공유할 수 있다(대역폭 참조). 사용자 간의 과도한 간섭 없이 이를 허용하기 위해, CDMA는 대역 확산 기술과 특수 코딩 방식(각 송신기에 코드가 할당됨)을 채택한다.

CDMA는 전체 주파수 범위에 걸쳐 전송하고 사용자의 주파수 범위를 제한하지 않으므로 가용 대역폭의 사용을 최적화한다.

이 방식은 많은 휴대 전화 표준에서 접속 방법으로 사용된다. "cdmaOne"이라고도 불리는 IS-95와 그 3G 진화형인 CDMA2000은 종종 단순히 "CDMA"라고 불리기도 하지만, GSM 사업자들이 사용하는 3G 표준인 UMTS 또한 무선 기술로서 "광대역 CDMA(W-CDMA)"뿐만 아니라 TD-CDMA 및 TD-SCDMA를 사용한다. 많은 통신사(AT&T, UScellular, 버라이즌)는 2022년과 2024년에 3G CDMA 기반 네트워크를 폐쇄하여, 해당 프로토콜만 지원하는 단말기로는 119(911) 전화조차 불가능하게 되었다.

또한 ALOHA와 같은 채널 또는 매체 접근 기술로 사용되거나, 사용자가 로컬 발진기를 공통 시스템 주파수에 동기화하여 채널 매개변수를 영구적으로 추정할 수 있도록 하는 영구 파일럿/신호 채널로 사용될 수 있다.

이러한 방식에서 메시지는 여러 칩(0과 1)으로 구성된 더 긴 확산 시퀀스에 변조된다. 자기 상관 및 교차 상관 특성이 매우 유리하기 때문에, 이러한 확산 시퀀스는 수십 년 동안 레이더 응용 분야에서도 사용되어 왔으며, 그곳에서는 바커 코드(보통 8~32의 매우 짧은 시퀀스 길이)라고 불린다.

우주 통신 응용 분야의 경우, 위성 이동으로 인한 큰 경로 손실과 도플러 편이 때문에 CDMA가 수십 년 동안 사용되어 왔다. CDMA는 가장 단순한 형태인 이진 위상 변조(BPSK)와 자주 사용되지만, 직교 진폭 변조(QAM)나 직교 주파수 분할 다중화(OFDM)와 같은 어떠한 변조 방식과도 결합될 수 있으며, 이는 일반적으로 매우 견고하고 효율적이다(또한 CDMA 없이는 어려운 정밀한 거리 측정 기능을 제공한다). 다른 방식들은 맨체스터 코드에서 영감을 받은 이진 오프셋 반송파 변조(BOC 변조)에 기반한 부반송파를 사용하며, 이는 OFDM 부반송파와 달리 가상 중심 주파수와 부반송파 사이의 간격을 더 크게 할 수 있다.

1996년 한국이동통신(현 SK텔레콤)에서 대한민국 최초로 상용화되었다.

기존의 IS-95 방식에서 현재는 CDMA2000과 같은 보다 고속의 데이터 통신을 위한 방식이 등장하고 있으며, 이들 근본 기술에 대한 칩셋 설계와 관련 기술 특허는 퀄컴이 가지고 있기 때문에 현재 이에 대한 로열티를 지불하고 있다.

역사

코드분할다중접속 채널 기술은 오래전부터 알려져 왔다.

미국

미국에서 CDMA에 대한 초기 설명 중 하나는 1950년 6월부터 8월까지 매사추세츠 공과대학교(MIT)에서 수행된 여름 연구 프로젝트인 "해외 운송의 보안"에 관한 하트웰 프로젝트(Project Hartwell) 요약 보고서에서 찾아볼 수 있다. 재밍 및 항재밍 맥락에서의 추가 연구는 1952년 MIT 링컨 연구소에서 수행되었다.

소련

소련(USSR)에서 이 주제에 전념한 첫 번째 저작은 1935년 드미트리 바실리예비치 아게예프에 의해 발표되었다. 선형적인 방법을 통해 주파수, 시간, 보상형의 세 가지 신호 분리 유형이 있음이 밝혀졌다. CDMA 기술은 1957년 모스크바의 젊은 군사 무선 공학자 레오니드 쿠프리야노비치가 기지국을 갖춘 휴대용 자동 휴대 전화 실험 모델인 LK-1을 만들었을 때 사용되었다. LK-1은 무게 3kg, 작동 거리 20~30km, 배터리 수명 20~30시간이었다. 저자의 설명에 따르면 기지국은 여러 고객에게 서비스를 제공할 수 있었다. 1958년 쿠프리야노비치는 새로운 실험용 "포켓" 모델 휴대 전화를 만들었다. 이 전화기의 무게는 0.5kg이었다. 더 많은 고객에게 서비스를 제공하기 위해 쿠프리야노비치는 "코렐레이터(correlator)"라고 부르는 장치를 제안했다. 1958년 소련은 또한 소련의 MRT-1327 표준을 기반으로 자동차용 국가 민간 모바일 전화 서비스인 "알타이" 개발을 시작했다. 이 전화 시스템의 무게는 11 kg (24 lb)였다. 이 장치는 고위 관리들의 차량 트렁크에 배치되었고 객실에서는 표준 수화기를 사용했다. 알타이 시스템의 주요 개발자는 VNIIS(보로네시 통신 과학 연구소)와 GSPI(국가 전문 프로젝트 연구소)였다. 1963년 이 서비스는 모스크바에서 시작되었으며, 1970년에는 소련의 30개 도시에서 알타이 서비스가 사용되었다.

대한민국

한국이동통신(현 SK텔레콤)은 1996년에 대한민국 최초로 CDMA를 기반으로 한 이동통신 서비스를 상용화하였다.

1998년 LG텔레콤(현.LG유플러스)은 CDMA 데이터 서비스를 시작하였다. 2000년 CDMA 2000 1x EV/가 3세대 이동통신 규격으로 국제시장에 출시되었지만, KT의 경우, 4G LTE 주파수 재배치의 일환으로, 2012년 3월초에 2G PCS 서비스를 전국적으로 일제히 종료하였다.

더욱이, SK텔레콤의 경우, 2020년 7월 27일에 2G 서비스를 최종적으로 종료하였다. 이는, 시스템 노후화가 심해 통신망 장애 문제가 우려되고, 핵심부품의 단종으로 인한 유지보수의 불가로, 정상적인 서비스를 계속적으로 유지하기가 곤란하다는 전제 조건으로, 2G 서비스 종료를 단행하여, LG유플러스도 이듬해인 2021년 6월 말에 최종적으로 종료한 바 있다.

기술 개요

코드분할다중접속은 코드를 이용하여 하나의 셀에 다중의 사용자가 접속할 수 있도록 하는 기술이다. 이동통신은 제한된 주파수 대역을 활용하여 다수가 통신을 하므로 다중접속 기술이 반드시 필요하다. 코드분할다중접속 이외의 기술 중 널리 사용되고 있는 기술로는 GSM에서 사용되고 있는 시분할다중접속(TDMA)가 있다.

코드분할다중접속은 동일한 주파수 대역에서 다중의 사용자가 동시에 접속할 수 있도록 코드화한 신호를 대역 확산하여 전송한다. 단말기는 확산된 신호를 디코드하여 복조함으로써 사용자가 서비스를 이용할 수 있도록 한다.

다중접속의 종류와 CDMA

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다중접속의 종류와 개요

다중접속(Multiple Access)은 동일한 주파수 대역에 다수의 사용자가 서비스에 접속할 수 있도록 하는 기술이다. 다중접속은 기술 규격에 따라 다음과 같이 나뉜다. 기술 별 다중 접속의 대략적 개념은 오른쪽 그림에서 참조할 수 있다.

• 시분할다중접속(TDMA, Time Division Multiple Access),
• 주파수분할다중접속(FDMA, Frequency Division Multiple Access)
• 코드분할다중접속(CDMA, Code Division Multiple Access)

TDMA는 GSM의 기반기술로 상용화되었다. CDMA는 대한민국 등에서 사용된다. 주파수 사용의 효율성이 낮은 FDMA는 더 이상 사용되지 않는다.

대역확산과 코드화

대역 확산 기술은 일반적으로 전송할 정보신호의 대역폭보다 훨씬 큰 대역폭을 통해서 정보를 전달하는 기술이다. 이러한 방식을 통해 정보의 다중화와 고속처리가 가능해진다. 대역확산에는 주파수를 변조하는 주파수 도약과 동일 주파수 내에서 변조되는 직접 확산의 방식이 있다. CDMA는 직접확산 방식을 사용하고 있다. 이를 수학적으로 표현하면 아래와 같다.

s(t)Acos(ω_et+Φ)

s(t): 확산용 코드 Acos(ω_et+Φ):신호

위 수학적 표현의 통신상 의미는 결국 비교적 큰 신호인 통신 신호를 아주 작고 무작위적인 코드신호로 곱하여 변조시킨다는 것이다. 신호 변조의 개념도는 아래의 그림과 같다. 아래의 그림에서 제일 위는 전달하고자 하는 신호를 가운데는 코드를 나타낸다. 제일 아래는 두 신호를 XOR시킨 결과 변조된 신호이다. 이렇게 변조된 신호가 송출되게 된다.

변조에 사용되는 코드가 다르면 변조된 결과도 다르게 되므로, 사용자마다 다른 확산용 코드를 부여하여 하나의 주파수 대역 내에서 여러 명의 사용자가 통신을 이용할 수 있다. 이를 다중화라 한다.

다중화에 사용되는 코드는 되도록 백색잡음과 같이 무작위적이어야 한다. 코드가 일정한 경향을 가질 경우 충분히 많은 사용자가 동시에 접속하면 혼선이 있을 수 있기 때문이다. 따라서 CDMA에서는 상호상관(Cross-Correlation)이 거의 없는 일종의 무작위 신호를 코드로 사용한다. 이 코드를 생성하는 기술의 특허는 퀄컴이 소유하고 있다.

용도

CDMA2000 휴대 전화

• 동기식 CDM(코드 분할 '다중화', CDMA의 초기 세대)은 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)에 구현되었다. 이는 휴대 전화에서의 사용보다 앞선 것이며 그와는 구별된다.
• cdmaOne으로 판매되는 퀄컴 표준 IS-95.
• CDMA2000으로 알려진 퀄컴 표준 IS-2000은 글로벌스타 네트워크를 포함한 여러 휴대 전화 회사에서 사용된다.
• W-CDMA를 사용하는 UMTS 3G 휴대 전화 표준.
• CDMA는 운송 물류를 위한 OmniTRACS 위성 시스템에서 사용되어 왔다.

CDMA 변조 단계

CDMA는 대역 확산 다중 접속 기술이다. 대역 확산 기술은 동일한 송신 전력에 대해 데이터의 대역폭을 균일하게 확장한다. 확산 코드는 다른 좁은 펄스 코드와 달리 주파수 영역에서 좁은 모호성 함수를 갖는 시간 영역의 의사 난수 코드이다. CDMA에서는 로컬에서 생성된 코드가 전송될 데이터보다 훨씬 높은 속도로 실행된다. 전송할 데이터는 더 빠른 코드와 비트 단위 XOR(배타적 논리합)로 결합된다. 그림은 대역 확산 신호가 어떻게 생성되는지 보여준다. 펄스 지속 시간이 $T_{b}$(심볼 주기)인 데이터 신호는 펄스 지속 시간이 $T_{c}$(칩 주기)인 코드 신호와 XOR된다. (참고: 대역폭은 $1/T$에 비례하며, 여기서 $T$는 비트 시간이다.) 따라서 데이터 신호의 대역폭은 $1/T_{b}$이고 대역 확산 신호의 대역폭은 $1/T_{c}$이다. $T_{c}$는 $T_{b}$보다 훨씬 작기 때문에 대역 확산 신호의 대역폭은 원래 신호의 대역폭보다 훨씬 크다. $T_{b}/T_{c}$ 비율을 확산 계수 또는 처리 이득이라고 하며, 기지국이 동시에 지원하는 총 사용자 수의 상한선을 어느 정도 결정한다.

CDMA 신호의 생성

CDMA 시스템의 각 사용자는 신호를 변조하기 위해 서로 다른 코드를 사용한다. 신호를 변조하는 데 사용되는 코드를 선택하는 것은 CDMA 시스템의 성능에서 매우 중요하다. 최상의 성능은 원하는 사용자의 신호와 다른 사용자의 신호 사이에 우수한 분리가 있을 때 발생한다. 신호의 분리는 수신된 신호를 원하는 사용자의 로컬 생성 코드와 상관시킴으로써 이루어진다. 신호가 원하는 사용자의 코드와 일치하면 상관 함수가 높게 나타나고 시스템은 해당 신호를 추출할 수 있다. 원하는 사용자의 코드가 신호와 공통점이 없으면 상관 관계는 가능한 한 0에 가까워야 하며(따라서 신호를 제거함), 이를 교차상관이라고 한다. 코드가 0 이외의 시간 오프셋에서 신호와 상관되는 경우, 상관 관계는 가능한 한 0에 가까워야 한다. 이를 자기 상관이라고 하며 다중 경로 간섭을 거부하는 데 사용된다.

다중 접속 문제의 비유는 사람들이 동시에 서로 대화하고 싶어 하는 방(채널)이다. 혼란을 피하기 위해 사람들은 차례대로 말하거나(시분할), 서로 다른 음조로 말하거나(주파수 분할), 서로 다른 언어로 말할 수 있다(코드 분할). CDMA는 동일한 언어를 구사하는 사람들끼리는 서로를 이해할 수 있지만, 다른 언어는 잡음으로 인식되어 거부되는 마지막 예와 유사하다. 마찬가지로 무선 CDMA에서 각 사용자 그룹에는 공유 코드가 제공된다. 많은 코드가 동일한 채널을 차지하지만 특정 코드와 연관된 사용자만 통신할 수 있다.

일반적으로 CDMA는 동기식(직교 코드)과 비동기식(의사 난수 코드)의 두 가지 기본 범주에 속한다.

코드 분할 다중화 (동기식 CDMA)

디지털 변조 방법은 단순한 무선 송수신기에 사용되는 방법과 유사하다. 아날로그의 경우 저주파 데이터 신호에 고주파 순수 사인파 반송파를 시간 곱셈하여 전송한다. 이는 사실상 두 신호의 주파수 컨볼루션(위너-킨친 정리)이며, 좁은 사이드밴드를 가진 반송파를 생성한다. 디지털의 경우 사인파 반송파는 월시 함수로 대체된다. 이들은 완전한 정규 직교 집합을 형성하는 이진 사각파이다. 데이터 신호 또한 이진수이며 시간 곱셈은 간단한 XOR 함수로 달성된다. 이는 회로에서 보통 길버트 셀 믹서로 구현된다.

동기식 CDMA는 데이터 문자열을 나타내는 좌표 벡터 간의 직교성이라는 수학적 특성을 활용한다. 예를 들어 이진 문자열 1011은 벡터 (1, 0, 1, 1)로 표시된다. 벡터는 각 성분의 곱을 합산하는 도트 프로덕트를 통해 곱해질 수 있다(예를 들어 u = (a, b)이고 v = (c, d)이면, 이들의 스칼라곱 u·v = ac + bd이다). 스칼라곱이 0이면 두 벡터는 서로 직교한다고 한다. 스칼라곱의 일부 특성은 W-CDMA가 작동하는 방식을 이해하는 데 도움이 된다. 벡터 a와 b가 직교하면 $\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =0$이며 다음과 같다:

$\mathbf {a} \cdot (\mathbf {a} +\mathbf {b} )=\|\mathbf {a} \|^{2},\ {\text{이유:}}\ \mathbf {a} \cdot \mathbf {a} +\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =\|\mathbf {a} \|^{2}+0,$

$\mathbf {a} \cdot (-\mathbf {a} +\mathbf {b} )=-\|\mathbf {a} \|^{2},\ {\text{이유:}}\ {-\mathbf {a} }\cdot \mathbf {a} +\mathbf {a} \cdot \mathbf {b} =-\|\mathbf {a} \|^{2}+0,$

$\mathbf {b} \cdot (\mathbf {a} +\mathbf {b} )=\|\mathbf {b} \|^{2},\ {\text{이유:}}\ \mathbf {b} \cdot \mathbf {a} +\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} =0+\|\mathbf {b} \|^{2},$

$\mathbf {b} \cdot (\mathbf {a} -\mathbf {b} )=-\|\mathbf {b} \|^{2},\ {\text{이유:}}\ \mathbf {b} \cdot \mathbf {a} -\mathbf {b} \cdot \mathbf {b} =0-\|\mathbf {b} \|^{2}.$

동기식 CDMA의 각 사용자는 자신의 신호를 변조하기 위해 다른 사용자의 코드와 직교하는 코드를 사용한다. 상호 직교하는 4개의 디지털 신호 예가 아래 그림에 나와 있다. 직교 코드는 교차 상관이 0이다. 즉, 서로 간섭하지 않는다. IS-95의 경우 서로 다른 사용자를 분리하기 위해 신호를 인코딩하는 데 64비트 월시 코드가 사용된다. 64개의 월시 코드 각각이 다른 모든 코드와 직교하기 때문에 신호는 64개의 직교 신호로 채널화된다. 다음 예는 각 사용자의 신호가 어떻게 인코딩되고 디코딩될 수 있는지 보여준다.

예시

상호 직교하는 4개의 디지털 신호 예시

서로 직교하는 벡터 세트에서 시작한다. (상호 직교성이 유일한 조건이지만, 이러한 벡터는 대개 디코딩의 편의를 위해 월시 행렬의 열이나 행에서 구성된다.) 직교 함수의 예는 인접한 그림에 나와 있다. 이 벡터들은 개별 사용자에게 할당되며 코드, 칩 코드 또는 치핑 코드라고 불린다. 간결함을 위해 이 예의 나머지 부분에서는 2비트만 있는 코드 v를 사용한다.

각 사용자는 서로 다른 코드, 예를 들어 v와 연관된다. 1비트는 양의 코드 v를 전송하여 표시되고, 0비트는 음의 코드 −v로 표시된다. 예를 들어, v = (v₀, v₁) = (1, −1)이고 사용자가 전송하려는 데이터가 (1, 0, 1, 1)이라면 전송되는 심볼은 다음과 같다.

(v, −v, v, v) = (v₀, v₁, −v₀, −v₁, v₀, v₁, v₀, v₁) = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1).

이 문서의 목적상, 이 구성된 벡터를 전송 벡터라고 부른다.

각 송신기는 해당 세트에서 선택된 서로 다른 고유 벡터 v를 갖지만 전송 벡터의 구성 방법은 동일하다.

이제 간섭의 물리적 특성으로 인해 한 지점의 두 신호가 위상이 같으면 더해져 각 신호 진폭의 두 배가 되지만, 위상이 다르면 빼져 진폭의 차이가 되는 신호가 된다. 디지털 방식으로 이 동작은 전송 벡터를 성분별로 합산하여 모델링할 수 있다.

송신기0의 코드가 (1, −1)이고 데이터가 (1, 0, 1, 1)이며, 송신기1의 코드가 (1, 1)이고 데이터가 (0, 0, 1, 1)일 때, 두 송신기가 동시에 전송한다면 이 표는 코딩 단계를 설명한다.

단계	송신기0 인코딩	송신기1 인코딩
0	코드0 = (1, −1), 데이터0 = (1, 0, 1, 1)	코드1 = (1, 1), 데이터1 = (0, 0, 1, 1)
1	인코딩0 = 2(1, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (1, −1, 1, 1)	인코딩1 = 2(0, 0, 1, 1) − (1, 1, 1, 1) = (−1, −1, 1, 1)
2	신호0 = 인코딩0 ⊗ 코드0 = (1, −1, 1, 1) ⊗ (1, −1) = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)	신호1 = 인코딩1 ⊗ 코드1 = (−1, −1, 1, 1) ⊗ (1, 1) = (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1)

신호0과 신호1은 공중으로 동시에 전송되기 때문에, 이들이 더해져 가공되지 않은(raw) 신호를 생성한다.

(1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1) + (−1, −1, −1, −1, 1, 1, 1, 1) = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0).

이 신호를 간섭 패턴이라고 한다. 수신기는 송신기의 코드를 간섭 패턴과 결합하여 알려진 송신기에 대한 이해 가능한 신호를 추출한다. 다음 표는 이것이 어떻게 작동하는지 설명하고 신호들이 서로 간섭하지 않음을 보여준다.

단계	송신기0 디코딩	송신기1 디코딩
0	코드0 = (1, −1), 신호 = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0)	코드1 = (1, 1), 신호 = (0, −2, −2, 0, 2, 0, 2, 0)
1	디코딩0 = 패턴.벡터0	디코딩1 = 패턴.벡터1
2	디코딩0 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)) · (1, −1)	디코딩1 = ((0, −2), (−2, 0), (2, 0), (2, 0)) · (1, 1)
3	디코딩0 = ((0 + 2), (−2 + 0), (2 + 0), (2 + 0))	디코딩1 = ((0 − 2), (−2 + 0), (2 + 0), (2 + 0))
4	데이터0=(2, −2, 2, 2), 의미 (1, 0, 1, 1)	데이터1=(−2, −2, 2, 2), 의미 (0, 0, 1, 1)

나아가 디코딩 후 0보다 큰 모든 값은 1로 해석되고, 0보다 작은 모든 값은 0으로 해석된다. 예를 들어 디코딩 후 데이터0은 (2, −2, 2, 2)이지만 수신기는 이를 (1, 0, 1, 1)로 해석한다. 정확히 0인 값은 다음 예와 같이 송신기가 데이터를 전송하지 않았음을 의미한다.

신호0 = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)이 단독으로 전송되었다고 가정하자. 다음 표는 수신기에서의 디코딩을 보여준다.

단계	송신기0 디코딩	송신기1 디코딩
0	코드0 = (1, −1), 신호 = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)	코드1 = (1, 1), 신호 = (1, −1, −1, 1, 1, −1, 1, −1)
1	디코딩0 = 패턴.벡터0	디코딩1 = 패턴.벡터1
2	디코딩0 = ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)) · (1, −1)	디코딩1 = ((1, −1), (−1, 1), (1, −1), (1, −1)) · (1, 1)
3	디코딩0 = ((1 + 1), (−1 − 1), (1 + 1), (1 + 1))	디코딩1 = ((1 − 1), (−1 + 1), (1 − 1), (1 − 1))
4	데이터0 = (2, −2, 2, 2), 의미 (1, 0, 1, 1)	데이터1 = (0, 0, 0, 0), 의미 데이터 없음

수신기가 송신기1의 코드를 사용하여 신호를 디코딩하려고 하면 데이터가 모두 0이 된다. 따라서 교차 상관이 0이고 송신기1이 데이터를 전송하지 않았음이 분명해진다.

비동기식 CDMA

 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 문서를 참고하십시오.

이동 단말기에서 기지국으로의 링크를 정밀하게 조정할 수 없는 경우, 특히 단말기의 이동성 때문에 다른 접근 방식이 필요하다. 임의의 무작위 시작 지점에 대해 직교하면서 코드 공간을 완전히 활용하는 시그니처 시퀀스를 생성하는 것은 수학적으로 불가능하기 때문에, 비동기식 CDMA 시스템에서는 확산 시퀀스라고 불리는 고유한 "의사 난수(pseudo-random)" 또는 "의사 잡음(pseudo-noise)" 시퀀스가 사용된다. 확산 시퀀스는 무작위로 보이지만 의도된 수신기에 의해 결정론적인 방식으로 재현될 수 있는 이진 시퀀스이다. 이러한 확산 시퀀스는 위 예시에서 보여준 동기식 CDMA의 직교 코드와 동일한 방식으로 비동기식 CDMA에서 사용자의 신호를 인코딩하고 디코딩하는 데 사용된다. 이러한 확산 시퀀스는 통계적으로 무상관이며, 많은 수의 확산 시퀀스의 합은 가우시안 잡음 과정(중심 극한 정리에 따름)에 근사하는 다중 접속 간섭(MAI)을 발생시킨다. 골드 코드는 코드 간의 상관 관계가 낮기 때문에 이 목적에 적합한 확산 시퀀스의 한 예이다. 모든 사용자가 동일한 전력 수준으로 수신되는 경우, MAI의 분산(예: 잡음 전력)은 사용자 수에 정비례하여 증가한다. 즉, 동기식 CDMA와 달리 다른 사용자의 신호는 관심 신호에 잡음으로 나타나며 사용자 수에 비례하여 원하는 신호를 약간 간섭한다.

모든 형태의 CDMA는 대역 확산 확산 계수를 사용하여 수신기가 원치 않는 신호를 부분적으로 차별화할 수 있도록 한다. 지정된 확산 시퀀스로 인코딩된 신호는 수신되는 반면, 다른 시퀀스(또는 동일한 시퀀스이지만 다른 타이밍 오프셋)를 가진 신호는 확산 계수만큼 감소된 광대역 잡음으로 나타난다.

각 사용자가 MAI를 생성하므로 신호 강도를 제어하는 것은 CDMA 송신기에서 중요한 문제이다. CDM(동기식 CDMA), TDMA 또는 FDMA 수신기는 이론적으로 이러한 시스템의 직교성 덕분에 서로 다른 코드, 시간 슬롯 또는 주파수 채널을 사용하여 임의의 강한 신호를 완전히 거부할 수 있다. 이는 비동기식 CDMA에는 해당되지 않으며, 원치 않는 신호의 거부는 부분적일 뿐이다. 원치 않는 신호 중 일부 또는 전부가 원하는 신호보다 훨씬 강하면 원하는 신호를 압도하게 된다. 이로 인해 모든 비동기식 CDMA 시스템에서는 수신기에서 보이는 다양한 신호 전력 수준을 대략적으로 일치시켜야 한다는 일반적인 요구 사항이 발생한다. CDMA 셀룰러에서 기지국은 빠른 폐루프 전력 제어 방식을 사용하여 각 모바일의 송신 전력을 엄격하게 제어한다.

2019년에는 도플러 및 지연 특성에 따라 코드의 필요한 길이를 정밀하게 추정하는 방식이 개발되었다. 그 직후, 원하는 길이와 확산 특성의 시퀀스를 생성하는 머신러닝 기반 기술도 발표되었다. 이들은 고전적인 골드 및 웰치 시퀀스와 매우 경쟁력이 있다. 이들은 선형 피드백 시프트 레지스터에 의해 생성되지 않고 조회 테이블(lookup table)에 저장되어야 한다.

다른 기술에 비해 비동기식 CDMA가 갖는 장점

고정 주파수 스펙트럼의 효율적인 실제 활용

이론적으로 CDMA, TDMA 및 FDMA는 정확히 동일한 스펙트럼 효율을 갖지만, 실제로는 각기 다른 과제가 있다. CDMA의 경우 전력 제어, TDMA의 경우 타이밍, FDMA의 경우 주파수 생성/필터링이 그것이다.

TDMA 시스템은 모든 사용자의 전송 시간을 신중하게 동기화하여 올바른 시간 슬롯에 수신되고 간섭을 일으키지 않도록 해야 한다. 모바일 환경에서는 이를 완벽하게 제어할 수 없으므로 각 시간 슬롯에는 가드 타임(guard time)이 있어야 하며, 이는 사용자가 간섭할 가능성을 줄이지만 스펙트럼 효율을 떨어뜨린다.

마찬가지로 FDMA 시스템은 사용자 이동성으로 인해 예측할 수 없는 신호 스펙트럼의 도플러 편이 때문에 인접 채널 사이에 가드 밴드(guard band)를 사용해야 한다. 가드 밴드는 인접 채널이 간섭할 가능성을 줄이지만 스펙트럼 활용도를 떨어뜨린다.

유연한 자원 할당

비동기식 CDMA는 자원의 유연한 할당, 즉 활성 사용자에게 확산 시퀀스를 할당하는 데 있어 주요한 이점을 제공한다. CDM(동기식 CDMA), TDMA 및 FDMA의 경우 동시 직교 코드, 시간 슬롯 및 주파수 슬롯의 수가 각각 고정되어 있으므로 동시 사용자 수 측면에서 용량이 제한된다. CDM, TDMA 및 FDMA 시스템을 위해 할당될 수 있는 직교 코드, 시간 슬롯 또는 주파수 대역의 수는 고정되어 있으며, 전화 및 패킷 데이터 전송의 버스트 특성으로 인해 활용도가 낮은 상태로 남게 된다. 비동기식 CDMA 시스템에서 지원할 수 있는 사용자 수에는 엄격한 제한이 없으며, SIR(신호 대 간섭비)이 사용자 수에 반비례하여 변하므로 원하는 비트 오류 확률에 의해 제어되는 실제적인 제한만 존재한다. 모바일 전화와 같은 버스트 트래픽 환경에서 비동기식 CDMA가 제공하는 이점은 성능(비트 오류율)이 무작위로 변동하도록 허용되며, 평균값은 사용자 수에 활용 비율을 곱한 값에 의해 결정된다는 것이다. 시간의 절반만 통화하는 2N명의 사용자가 있다고 가정하면, 항상 통화하는 N명의 사용자와 동일한 평균 비트 오류 확률로 2N명의 사용자를 수용할 수 있다. 여기서 중요한 차이점은 항상 통화하는 N명의 사용자에 대한 비트 오류 확률은 일정한 반면, 절반의 시간 동안 통화하는 2N명의 사용자에 대해서는 무작위 양(동일한 평균값을 가짐)이라는 점이다.

즉, 비동기식 CDMA는 많은 수의 송신기가 불규칙한 간격으로 상대적으로 적은 양의 트래픽을 생성하는 모바일 네트워크에 이상적으로 적합하다. CDM(동기식 CDMA), TDMA 및 FDMA 시스템은 개별 송신기에 할당될 수 있는 직교 코드, 시간 슬롯 또는 주파수 채널의 수가 고정되어 있기 때문에 버스트 트래픽에 내재된 활용도가 낮은 자원을 회수할 수 없다. 예를 들어 TDMA 시스템에 N개의 시간 슬롯이 있고 절반의 시간 동안 통화하는 2N명의 사용자가 있다면, 시간의 절반은 N개 이상의 시간 슬롯을 사용해야 하는 N명 이상의 사용자가 존재하게 된다. 더욱이 직교 코드, 시간 슬롯 또는 주파수 채널 자원을 지속적으로 할당하고 해제하는 데 상당한 오버헤드가 필요할 것이다. 이에 비해 비동기식 CDMA 송신기는 할 말이 있을 때 전송하고 그렇지 않을 때 방송을 중단하며 시스템에 연결되어 있는 동안 동일한 시그니처 시퀀스를 유지한다.

CDMA의 대역 확산 특성

대부분의 변조 방식은 대역폭이 제한된 자원이기 때문에 이 신호의 대역폭을 최소화하려고 노력한다. 그러나 대역 확산 기술은 최소 필요한 신호 대역폭보다 몇 배 더 큰 전송 대역폭을 사용한다. 이렇게 한 초기 이유 중 하나는 유도 및 통신 시스템을 포함한 군사적 응용이었다. 이러한 시스템은 보안성과 재밍에 대한 저항성 때문에 대역 확산을 사용하여 설계되었다. 비동기식 CDMA는 신호가 의사 난수 코드를 사용하여 확산되기 때문에 어느 정도의 프라이버시가 내장되어 있다. 이 코드는 대역 확산 신호를 무작위로 보이게 하거나 잡음과 같은 특성을 갖게 한다. 수신기는 데이터를 인코딩하는 데 사용된 의사 난수 시퀀스에 대한 지식 없이는 이 전송을 복조할 수 없다. CDMA는 또한 재밍에 강하다. 재밍 신호는 신호를 방해하는 데 사용할 수 있는 유한한 양의 전력만을 갖는다. 재머는 자신의 에너지를 신호의 전체 대역폭에 분산시키거나 신호 전체의 일부만 방해할 수 있다.

CDMA는 또한 협대역 간섭을 효과적으로 거부할 수 있다. 협대역 간섭은 대역 확산 신호의 작은 부분에만 영향을 미치므로, 정보 손실 없이 노치 필터링을 통해 쉽게 제거할 수 있다. 컨볼루션 인코딩과 인터리빙은 손실된 데이터를 복구하는 데 도움이 될 수 있다. CDMA 신호는 또한 다중 경로 페이딩에 강하다. 대역 확산 신호는 넓은 대역폭을 차지하므로 특정 시점에 다중 경로로 인해 페이딩을 겪는 것은 극히 일부분에 불과하다. 협대역 간섭과 마찬가지로 이는 적은 데이터 손실만을 초래하며 극복할 수 있다.

CDMA가 다중 경로 간섭에 강한 또 다른 이유는 전송된 의사 난수 코드의 지연된 버전이 원래의 의사 난수 코드와 상관 관계가 낮기 때문에 수신기에서 무시되는 다른 사용자로 나타나기 때문이다. 즉, 다중 경로 채널이 최소 한 칩 이상의 지연을 유도하는 한, 다중 경로 신호는 의도된 신호로부터 시간적으로 최소 한 칩 이상 어긋난 상태로 수신기에 도착한다. 의사 난수 코드의 상관 특성상 이러한 약간의 지연은 다중 경로가 의도된 신호와 무상관인 것처럼 보이게 하여 무시된다.

일부 CDMA 장치는 다중 경로 지연 성분을 활용하여 시스템 성능을 향상시키는 레이크 수신기를 사용한다. 레이크 수신기는 각각 다른 경로 지연에 맞춰진 여러 상관기(correlator)의 정보를 결합하여, 가장 강한 신호의 경로 지연에 맞춰진 단일 상관기를 가진 단순한 수신기보다 더 강한 버전의 신호를 생성한다.

주파수 재사용은 셀룰러 시스템 내의 다른 셀 사이트에서 동일한 무선 채널 주파수를 재사용할 수 있는 능력이다. FDMA 및 TDMA 시스템에서 주파수 계획은 중요한 고려 사항이다. 서로 다른 셀에서 사용되는 주파수는 서로 다른 셀의 신호가 서로 간섭하지 않도록 신중하게 계획되어야 한다. CDMA 시스템에서는 의사 난수 코드를 사용하여 채널화가 이루어지기 때문에 모든 셀에서 동일한 주파수를 사용할 수 있다. 모든 셀에서 동일한 주파수를 재사용하면 CDMA 시스템에서 주파수 계획이 필요하지 않게 된다. 그러나 한 셀에서 수신된 신호가 인근 셀의 신호와 상관되지 않도록 서로 다른 의사 난수 시퀀스에 대한 계획은 이루어져야 한다.

인접한 셀들이 동일한 주파수를 사용하기 때문에 CDMA 시스템은 소프트 핸드오프(soft hand-off)를 수행할 수 있는 능력이 있다. 소프트 핸드오프는 휴대 전화가 동시에 두 개 이상의 셀과 통신할 수 있도록 한다. 핸드오프가 완료될 때까지 최상의 신호 품질이 선택된다. 이는 다른 셀룰러 시스템에서 활용되는 하드 핸드오프와 다르다. 하드 핸드오프 상황에서는 휴대 전화가 핸드오프 지점에 접근함에 따라 신호 강도가 갑자기 변할 수 있다. 반면 CDMA 시스템은 감지할 수 없고 더 안정적이며 고품질의 신호를 제공하는 소프트 핸드오프를 사용한다.

협력형 CDMA

새로운 다중 사용자 공동 전송 및 탐지 방식인 협력형 CDMA(collaborative CDMA)가 상향링크를 위해 연구되었으며, 이는 MAI 제한 환경에서 확산 길이를 훨씬 초과하여 사용자 용량을 늘리기 위해 사용자 간의 페이딩 채널 시그니처 차이를 활용한다. 저자들은 과부하된 CDMA 시스템의 주요 연구 과제인 플랫 페이딩 채널에서 낮은 복잡도와 높은 비트 오류율 성능으로 이러한 용량 증가가 가능하다는 것을 보여준다. 이 접근 방식에서는 기존 CDMA처럼 사용자당 하나의 시퀀스를 사용하는 대신, 저자들은 소수의 사용자를 그룹화하여 동일한 확산 시퀀스를 공유하게 하고 그룹 확산 및 역확산 작업을 가능하게 한다. 새로운 협력형 다중 사용자 수신기는 두 단계로 구성된다. 그룹 간의 MAI를 억제하기 위한 그룹 다중 사용자 탐지(MUD) 단계와, 최소 유클리드 거리 척도 및 사용자의 채널 이득 계수를 사용하여 공동 확산된 사용자의 데이터를 공동으로 복구하기 위한 낮은 복잡도의 최대 가능성(maximum-likelihood) 탐지 단계이다. 인터리브 분할 다중 접속(IDMA)으로 알려진 향상된 CDMA 버전은 CDMA 시스템에서 사용되는 시그니처 시퀀스 대신 직교 인터리빙을 사용자 분리의 유일한 수단으로 사용한다.

같이 보기

• 이동 통신
• 무선 네트워킹
• 퀄컴
• PN 시퀀스

각주

내용주

외부 링크

• The Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2) 보관됨 2004-01-23 - 웨이백 머신
• The Third Generation Partnership Project (3GPP)
• CDMA Development Group (CDG) 보관됨 2011-02-08 - 웨이백 머신
• Radio-Electronics.Com