Spread Spectrum
jamming 이나 interception 을 보다 어렵게 하기 위해 Base Band Signal을 보다 넓은 스펙트럼에 걸쳐 전체 에너지는 유지합니다. 그리고 각 주파수에서의 에너지는 낮추어 보내려는 signal이 제3자가 보았을 때 데이터 신호인지 노이즈인지 파악하기 어렵게 하기 위해 탄생한 개념입니다.
2가지 타입이 있습니다.
- Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
- Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS)
FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
원래는 한 채널로 데이터를 보내는 것이 일반적이지만, 일정 시간마다 주파수를 이동하면서 데이터를 분산시킵니다. 주파수 이동을 Hopping 이라고 합니다. 대표적으로 블루투스, 와이파이가 해당됩니다.
블루투스, 와이파이, 무선 마우스, 키보드 등은 모두 License Free ISM 밴드 대역을 사용합니다. 2.4GHz ~ 2.4835GHz 사이의 79.1MHz 대역폭을 사용합니다. 79개의 1MHz 채널로 구성되어 있습니다. 이 대역폭에서는 한 대역을 강하게, 오랫동안 사용할 수 없습니다. 따라서 FHSS 방식을 사용해야만 합니다.
이렇게 주파수를 hopping 할 때는 pseudo-random sequence 를 따라야 합니다.
- 참고) pseudo-random sequence : 랜덤한 시퀀스는 아니나, 제 3자가 보았을 때 랜덤인 것 처럼 보이는 것을 말합니다.
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
전송하려는 데이터보다 주파수가 높은 pseudo-noise (PN) 신호를 논리곱(xor) 하여 생성한 신호를 보내는 방식입니다. 논리곱을 적용하여 나온 코드를 보면, 노이즈처럼 보이지만 데이터 수신자는 받은 데이터에 똑같은 pseudo-noise 신호를 논리곱 해주면 원래의 데이터 신호를 얻을 수 있습니다.
- 참고) Pseudo-random Numbers
initial seed에 따라 알고리즘을 통해 구한 수 입니다. 이를 통해 구한 숫자는 랜덤 숫자는 아닙니다. 하지만, 제 3자는 규칙을 알기 매우 어렵기 때문에 랜덤으로 여기고 사용합니다.
에러, 노이즈 복구에 강하다
좁은 대역폭을 사용하여 데이터를 전송할 경우에는, 각 주파수에 담긴 정보가 많습니다. 따라서 조금의 에러나 노이즈에도 보내려는 데이터의 손실이 커져 복구가 어려울 수 있습니다.
하지만 Spread Spectrum 방식을 이용할 경우, 각 주파수 대역에 담긴 정보의 양이 적습니다. 따라서 에러, 노이즈가 발생해도 복구가 보다 쉽고, 데이터 손실이 적습니다.
문제점
대역폭을 낭비하는 일입니다. Multiplexing 의 목적은 주파수의 효율적인 사용이나, 이 방식을 이용할 경우에는 주파수의 효율적 사용이 아닌 데이터 보호, 은닉의 목적이므로 목적이 다릅니다.
CDM (Code Division Multiplexing)
같은 주파수를 같은 시간에 공유할 수는 없을까 ?!
에서 시작된 방식입니다. 다른 신호를 제거할 수만 있다면, 같은 시간에 같은 주파수를 사용하여 데이터를 전송할 수 있습니다. 이를 위해서 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 기술을 사용합니다.
구현
Orthogonal 한 두 코드를 생성하고, 보내려는 두 신호에 각각 곱해줍니다. 이렇게 곱한 두 신호를 더하고, 더한 신호를 전송합니다. 수신자는 각각의 코드를 다시 곱해주어 원하는 신호를 얻습니다.
Spread Spectrum VS CDM
CDM도 spread spectrum 기술에 기반한 개념이지만, 목표가 다릅니다. CDM은 효율적인 자원 사용이 목표이고, spread spectrum은 보안, 간섭 등에 대한 강인성을 위한 기술입니다.
예시
데이터 A, B가 있습니다. 그리고 CDM 을 위한 2개의 Orthogonal 코드가 있습니다.
- 1, -1, 1, -1
- 1, 1, -1, -1
두 코드를 열벡터로 생각하여 곱셈을 해보면,
이므로 Orthogonal 임을 알 수 있습니다.
직교하는 두 코드를 각각의 데이터에 곱해줍니다. 그리고 나온 값들을 더해서 나온 신호를 전송합니다. 그리고 수신자는 각각의 직교 코드를 다시 곱해 원래의 신호를 얻습니다.
Orthogonal Code 생성하기
직교하는 두 코드를 얻기 위해서, Walsh-Hadamard(WH) Matrix 를 사용합니다. recursive하게 행렬을 생성하여 직교 코드를 얻습니다.
이렇게 재귀적으로 행렬을 생성하면, 각각의 열벡터 혹은 행벡터들끼리는 전부 orthogonal 합니다.
SDM (Spatial Division Multiplexing)
공간이 다르다면, 동일한 시간에 동일한 주파수를 사용할 수 있습니다. 이에 기초한 개념이 SDM 입니다. 이 때 공간을 분할하는 기법을 Cellular Structure 라고 합니다.
Cellular Structure
기지국을 중심으로 통신 반경 내의 단말들과 통신이 이루어집니다.
이렇게 벌집 모양의 구조를 통해 동일한 통신 반경을 유지하면서 배치할 수 있습니다. 그런데, 이 때 셀의 인접 지역에서는 주파수 간섭이 발생할 수 있습니다. 따라서
이렇게 인접한 셀 끼리는 서로 다른 주파수 대역을 사용하여 인접 지역의 간섭을 해소합니다. (graph-coloring 문제입니다) 간섭이 없으므로, 주파수를 재사용할 수 있습니다.
- 참고) 셀 크기가 줄어든다 = 기지국 수가 증가한다 = 주파수 재사용 극대화 = 높은 대역폭 제공 가능
Frequency Reuse Factor
몇 개의 셀을 반복해서 Cellular Structure를 구축하는지를 나타내는 수치 입니다. 예를 들어
그렇다면,
CDMA (Code Division Multiple Access) 를 이용하면, Frequency Reuse Factor는 몇일까요??
다른 코드를 사용하여 다른 주파수를 사용할 필요가 없습니다. 따라서 이 경우에는, 1 입니다.
