오병훈
◇87년 KAIST시스템공학과 졸업
◇96년 KAIST시스템공학 박사 수료
◇87~91년 삼성전자.삼성종합기술원 근무
◇91~96년 신세기통신 기술연구소 근무
◇96~99년 한솔PCS 정보통신연구소 근무
◇현재 C&S마이크로웨이브 책임연구원
무선통신시스템을 발전시키는 데 널리 사용되고 있는 기술이 스프레드 스펙트럼(Spread Spectrum)기술이다. 이 기술은 원래 2차 세계대전 중에 개발된 것이다. 당시에는 주파수 전파방해를 받기 쉬운 환경에서 신뢰성 있는 통신을 제공해 줄 수 있고 제3자에 의해 발생되는 신호의 간섭으로부터 자기 신호를 보호할 수 있는 스프레드 스펙트럼 기술의 이점 때문에 군용 및 외교용 통신수단으로 주로 사용됐다. 이같이 스프레드 스펙트럼 기술은 군용으로 널리 사용되어 왔는데도 불구하고 1985년 미연방통신위원회(FCC)와 유럽통신위원회에 의해 기술기준(FCC 규약 15.247, ETS 300 328)으로 채택되기 이전까지 상업용으로 이용되지 못했다. 하지만 이후 스프레드 스펙트럼 기술이 상업용으로 이용되기 시작, 현재는 국내 및 전세계적으로 널리 사용하고 있는 CDMA 이동전화시스템의 근간을 이루고 있다.
CDMA 이동전화시스템 외에도 스프레드 스펙트럼 기술은 유·무선 통신망의 전송로를 구성하기 위한 무선 전송시스템에 이용되어 최근에 미국 및 유럽 등지에서 2400㎒와 5800㎒의 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수 대역을 이용한 스프레드 스펙트럼 방식의 디지털 마이크로웨이브 시스템(DMRS)이 개발되어 사용되고 있다. 협대역폭에 신호를 집중시키는 과거의 협대역 변조(Modulation)기법과는 달리 스프레드 스펙트럼 기법은 이보다 훨씬 넓은 대역폭을 사용한다. DMRS는 의사잡음(PN : Pseudo Noise)코드라고 하는 2진 비트 시퀀스에 의한 변조로 신호를 20∼30㎒의 대역폭 전체로 확산시켜서 E1/T1채널 방식에 의해 신호를 전송한다. 여기서 신호를 확산시키는 방법으로는 다이렉트 시퀀스(DS : Direct Sequence)방법과 프리퀀시 호핑(FH : Frequency Hopping)방법 두 가지가 이용되고 있다.
DS방식은 PN코드를 사용해 바이너리 신호를 발생시키고 발생된 신호(원하는 신호)의 전력을 넓은 주파수 대역으로 고르게 퍼지게 하여 해당 신호의 전력 레벨을 일정수준 이하로 낮춘다. 다시 이렇게 확산된 신호는 PN코드로 디스프레딩(Despreading)해 원래 신호로 재생시켜 주는 방식이다. 특히 DS방식에 의한 DMRS는 무선 데이터망에서 고속 디지털 데이터전송에 자주 사용되고 있다.
DS 스프레드 스펙트럼 변조기술은 두 가지 장점을 지니고 있다. 첫째, 전송신호를 넓은 주파수 대역으로 확산시킴으로써 주어진 주파수에서의 전력량을 최소화, 신호의 NF(Noise Floor)를 기존 협대역 수신기의 NF레벨 이하가 되게 한다는 것이다. 둘째, DS방식 수신기는 굉장히 낮은 출력의 신호도 탐지할 수 있고 또한 불요 캐리어 신호뿐만 아니라 원하는 스프레드 스펙트럼 변조신호보다 훨씬 파워가 높은 신호라도 정확히 걸러낼 수 있다.
FH방식은 캐리어 신호가 기존 협대역 캐리어 신호와 유사하다는 점에서 광대역 캐리어 신호의 특징을 갖는 DS방식과 다르다. FH방식에서는 캐리어 신호가 매초마다 여러 번 주파수를 바꿔가면서 전송된다는 점에서 기본적으로 차이가 있다. 주파수 호핑(Hopping) 순서는 랜덤하게 이뤄지며 주어진 주파수 대역을 모두 사용하되 어떤 주어진 시점에서 특정 신호가 점유하는 대역폭은 전체 주파수 대역폭의 일정폭만을 차지하게 된다. FH DMRS는 인터넷서비스를 위한 무선 데이터망의 전송로로 사용되고 있다.
셀룰러·PCS와 같은 이동통신망은 최근 몇년 사이에 급격한 성장을 해왔다. 그래서 오늘날 이들 이동통신 사업자는 급증하는 수요를 해소하고 가입자에게 다양한 서비스를 제공하되 그에 따른 투자비용은 가능한 최소화하는 문제에 직면해 있다.
이러한 상황에 비춰볼 때 기지국과 교환국, 교환국과 교환국을 연결해주는 무선시스템은 전통적인 유선망과 비교해 보면 통신망 구축비용을 최소화시켜줄 수 있는 매우 경제적인 통신망 구축수단이라고 할 수 있다. 그래서 등장한 것이 DMRS다.
현재 상용중인 DMRS는 주로 2.4㎓와 5.8㎓의 ISM 주파수 대역에서 운용되고 있다. 원래 ISM 주파수는 공업·과학·의료용 설비운용을 위해 지정되어 주파수 사용허가 없이 사용할 수 있고 전파사용료가 면제된다는 커다란 이점이 있다. 반면에 ISM 밴드 운용시 무선통신업무국은 외부로부터의 혼신을 용인해야 하며 외부로의 복사를 될 수 있는 한 억제하여 타무선통신업무에 혼신을 일으키지 않도록 해야 한다는 한계도 있다.
현재 ISM 주파수는 6765∼6795㎑, 1만3553∼1만3567㎑, 2만6957∼2만7283㎑, 40.66∼40.70㎒, 2400∼2500㎒, 5725∼5875㎒, 24∼24.25㎓로 분배되어 사용을 원하는 모든 무선역무에 사용 가능하다.
최근 3∼4년 전부터 미국·유럽 등 많은 국가에서 고정 및 이동통신 업무용으로 널리 운용되면서 2400∼2500㎒와 5725∼5875㎒ 디지털 전송장비가 상용화됐다. 이들 시스템은 모두 스프레드 스펙트럼 기법을 적용하고 있다.
국내에서도 올해 중 ISM 밴드에 대한 사용을 허가할 계획으로 있다. 이를 위해 관련기관에서는 필요 기술기준 검토 등의 작업을 진행하고 있다. ISM 주파수는 혼신을 용인해야 하는 점을 제외하고는 주파수 특성 및 운용면에서 다른 대역의 주파수에 비해 월등히 우수한 것으로 나타나고 있다. 특히 2.4㎓와 5.8㎓의 ISM 밴드는 혼신을 용인하는 대역이기 때문에 혼신 영향이 큰 도심내 사용에는 다소 어려움이 예상되며 상대적으로 혼신이 적은 도심외 지역에 사용하는 것이 적합할 것으로 본다. 또한 ISM 주파수의 전파사용료는 주파수 이용계수를 다른 주파수와 달리 공동이용으로 가정(공동이용계수=1)하여 계산결과 5.8㎓의 ISM 주파수가 가장 경제성이 높은 것으로 나타나고 있다.
DMRS는 현재 2㎓ 이상 40㎓ 이하의 주파수를 이용해 점 대 점(Point to Point) 또는 점 대 다점(Point to Multipoint)의 무선 통신경로를 구성하고 이를 통해 두 지점간 정보(음성·데이터·이미지)를 고속, 고신뢰성을 갖고 송수신이 가능하게 해주는 수단으로서 현재 기간통신 사업자들이 주로 의존하고 있는 전용회선을 대체, 보완하는 용도로 널리 사용되고 있다.
DMRS를 실제 통신망에 적용해 운용하기 위해서는 기후환경 요인과 지형적 요인을 충분히 고려하여 사용하여야 한다. 마이크로웨이브는 강우 감쇄가 크기 때문에 이를 고려해 설계시 마이크로웨이브 출력에 필요한 마진을 두어야 한다. 그러나 DMRS에 사용되는 주파수는 2.4㎓와 5.8㎓의 비교적 낮은 대역의 주파수를 이용하기 때문에 상대적으로 감쇄의 영향이 작아 동일한 조건에서보다 먼거리까지 신호를 전송할 수 있는 이점을 가지고 있다.
마이크로웨이브 신호를 파라볼라 안테나를 통해 송신할 때 신호에너지는 빛과 같이 퍼져 나가는 성질을 갖고 있기 때문에 마이크로웨이브 빔은 안테나와 안테나 사이의 지형물이나 무선경로상의 물체들에 의해 영향을 받게 된다. 그래서 한 지점의 안테나에서 다른 지점의 안테나까지 연결하는 마이크로웨이브 빔의 중앙선이 그 경로상의 장애물을 스쳐 지나갈 때 굴절·회절·반사 등의 영향으로 인해 얼마 정도의 신호손실이 발생하게 된다. 이 같은 지형적 요인으로 인한 손실을 최소화하기 위해서는 송수신 지점간 명확한 가시거리(LOS : Line of sight)를 확보하기 위한 공학적 설계가 필요하다.
DMRS경우는 감쇄의 영향이 미미하기 때문에 다른 주파수 대역의 시스템보다는 운용하기가 수월하지만 반사 및 통신경로상의 물체에 의한 LOS 장애는 마찬가지로 고려해야 한다. LOS 장애는 두 통신 지점간에 프레즈넬 존(Fresnel Zone) 클리어런스(Clearance)가 확보되도록 설계를 함으로써 해결할 수 있다.
프레즈넬 존이란 마이크로웨이브 경로를 둘러싸고 있는 동심원적 타원의 연속공간이라고 할 수 있다. 전파의 관점에서 보면 첫번째 프레즈넬 존은 양쪽 송수신 지점까지의 거리 합이 양쪽 끝지점간 직선거리보다 정확히 반파장 긴 모든 점들로 이뤄진 면으로 정의되고 있다.
지금까지 스프레드 스펙트럼 기술을 사용해 구현한 DMRS에 대한 전반적인 내용을 살펴 보았는데 통신산업이 크게 성장하면서 통신 인프라 비용도 비례하여 커지고 있는 현재의 환경에 비춰볼 때 보다 효과적인 통신 인프라 구축수단을 찾아서 적용하는 것이 각 통신사업자 입장에서 시급한 문제라고 할 수 있을 것이다. 이러한 사업자의 고민을 어느 정도 해결해줄 수 있는 솔루션으로서 DMRS가 커다란 역할을 할 것으로 기대된다.