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이동통신
2007. 2. 22
PLATFORM TEAM 정용학
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차 례
CDMA 기초 CDMA 무선기술의 발전 CDMA 시스템 전파전파 디지털 통신의 기초
링크 구조 비대칭 링크구조 순방향 링크구조 역방향 링크구조
질의 응답 및 토의
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1.CDMA 기초
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CDMA 무선기술의 발전
1세대 아날로그 이동통신
2세대 디지털 이동통신 미국의 CDMA, 유럽의 GSM
3세대 멀티미디어 이동통신 미국의 cdma2000, EV-DO, EV-DV 유럽의 비동기 CDMA방식인 W-CDMA
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CDMA 무선기술의 발전
CDMA란? Code Division Mutiple Access 이동국과 기지국간의 무선망 접속방식을 코드 분할을 통해 사용자 다중 접속하는
방식
동기식 미국의 CDMA GPS를 이용하여 모든 기지국간 시간동기 유지 단말기에서 초기동기 및 핸드오프 과정의 용이
비동기식 유럽의 GSM 기지국간 시간 비동기 단말기에서 초기동기 및 핸드오프 과정 다소 복잡
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CDMA 무선기술의 발전
FDMA (Frequency) 모든 사람이 같은 언어를 사용하고, 모임 장소를 이야기를 할 수 있도록 작은 구
역으로 나누어 논 각각의 구역에서 차례를 기다렸다가 들어가서 이야기 TDMA (Time)
같은 언어를 사용하지만, FDMA 방식과는 다르게 모든 사람이 같은 장소에 모여서 이야기를 한다. 그러나 모든 사람이 동시에 이야기를 하는 것이 아니라 각각 이야기 하는 시간을 정해서 자기에게 할당된 시간 동안에만 이야기
CDMA (Code) 여러 사람이 같은 장소에 모여서 동시에 이야기를 하는 것과 같다. 다만 서로 다
른 언어를 사용하기 때문에 자기가 알 수 있는 언어로 이야기 하는 내용만 알아 들을 뿐이고, 다른 사람이 이야기 하는 것은 단지 잡음으로만 느낌
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CDMA 무선기술의 발전
CDMA 장점 통화용량증대 (데이터 통화용량 포함) 수용 용량의 유연성 방해 신호 제거에서 우수 다중경로(multi path)에 강함 전력제어에 의한 단말기 배터리 수명 연장 핸드오프가 우수 통화 비밀의 보호 향상 (대역확산) 주파수 재사용 계획이 단순함 FDMA나 TDMA 방식보다 낮은 송신전력 사용 가능 고품질 서비스 제공
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CDMA 시스템
기지국 이동국과 무선구간으로 연결되어
이동국을 제어하고 통화채널을 연결시켜주는 시스템
이동국 가입자가 이동통신망을 이용하여
통신할 수 있도록 하는 단말장치 기지국 제어장치
무선링크 및 유선링크를 제어하고 타 통신망과 접속을 수행
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전파전파
전파 손실 이동통신 시스템 설계에 있어서 가장 중요한 요소 송신기에서 수신기까지의 전파 손실 전파전파 경로 : 직접파(1), 반사파(0.5), 회절파(0.3) 수신전력 대 송신전력의 비
신호의 세기는 거리가 멀어질수록 제곱에 반비례
전파손실 L 주파수와 거리에 따라 결정됨
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)4(Pr
dGrGt
Pt πλ⋅⋅=
dBdBPtL Pr−=
dBdfdGrGt
44.32log20log2098.21log20log20log10log10
++=++−−−= λ
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전파전파
전파 손실 모델 : 모든 전파를 이론적으로 검토하는 것은 사실상 불가능하기 때문에 측정 데이터의 통계 처리에 의한 실험식이 쓰임 오쿠무라 모델
일본 동경지역에서 측정을 바탕으로 경험적인 모델발표(통계) 지형을 준평활 지역과 불규칙 지역으로 나누고, 준평활지역을 기준으로 삼고, 그 외 지
역은 보정값으로 표현
하타모델 오쿠무라 모델의 단점을 수학적으로 모델링 그래프 → 수식 으로 변환
LEE 모델 영역 대 영역, 지점 대 지점 예측 모델 오쿠무라, 하타 모델보다 좀 더 자세한 특정 지형을 예측
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전파전파
페이딩 현상 (fading) 이동국의 수신안테나에서는 다양한 반사파가 합쳐서 들어와서 신호가 커졌다 작
아졌다 하는 현상 이 반사파는 진폭, 위상, 주파수가 랜덤 특성을 가짐 Long term 페이딩 : 지형 형태에 의한 페이딩 Short term 페이딩 : 주의의 건물 또는 장애물 등 난반사에 의해 생기는 페이딩
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전파전파
다이버시티 (Diversity) 다양한 무선경로를 의미 어떤 방법으로 선택하느냐에 따라 더 좋은 신호를 받음 공간 다이버시티
안테나를 수평 또는 수직으로 특정거리를 이격시켜 놓고 더 좋은 신호를 detect 편파 다이버시티
신호파장의 위상을 90도 차이로 만듬 (직교, 상관관계가 없음) sin, cos 파
시간 다이버시티 Multipath fading 시간지연을 이용 시간적으로 반복하여 같은 신호를 전송 후 반복 수신, 하지만 의도적으로 사용하지 않
음 레이크 수신기를 이용
주파수 다이버시티 주파수에 따라 신호감쇠가 다르기 때문에 다른 주파수 2개를 보내면 수신단에서 더 좋
은 주파수 detect 주파수 선택적 특성
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전파전파
레이크 수신기 (Rake Receiver) Multipath fading 을 통해 수신된 신호들을 잘 묶어서 더 나은 신호를 얻을 수 있도
록 해주는 수신장치 1개의 sercher 와 3개 이상의 finger 시간 지연을 갖고 도달하는 각 반사파를 독립적으로 분리하여 복조하는 수신기 시간지연에 의한 시간 다이버시티로 이용, 통신품질 향상 시간지연이 큰 경우 ISI (Inter Symbol Interference)발생
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디지털 통신의 기초
DB의 개념 일반적으로 데시벨 두 개의 소리가 있을 경우 절대적이 아닌 상대적인 크기 예) 철수의 목소리톤보다 영희의 목소리톤이 6dB높다
영희의 목소리톤이 8배나 더 크다는 뜻 철수의 목소리가 숫자치로 100이라고 하면 영희는 800이라는 뜻
3dB = 2배 -3dB = 1/2 배6dB = 4배 -6dB = 1/4 배9dB = 8배 -9dB = 1/8 배10dB = 10배 -10dB = 1/10 배30dB = 12배 -30dB = 1/12 배60dB = 14배 -60dB = 1/14 배90dB = 18배 -90dB = 1/18 배100dB = 20배 -20dB = 1/20 배
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디지털 통신의 기초
디지털 무선 통신 마이크(신호) → 원천 부호화(보코더) → 채널 부호화(컨볼류서널 부호기) → 다
중화(CDMA) → 변조(PSK) → 증폭 → 안테나로 송신 수신과정은 송신과정의 역과정
원천 부호화 : 데이터를 디지털 처리에 적합하도록 변환 및 압축 파형 부호화 방식, 음원 부호화 방식
채널 부호화 : 오류 정정 순방향 오류 정정(FEC), 데이터 재전송 방식(ARQ)
다중 접속 FDMA, TDMA, CDMA
디지털 변복조 ASK, FSK, PSK, QAM
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디지털 통신의 기초
음성 부호화 부호화기(변조, 신호 만들기)와 복호화기(복조, 신호 재생)로 구성
파형부호화기 : 음성 파형을 변조 PCM, DM, DPCM 등등 16Kbps이상에서는 양질의 음성을 보장, 저전송률에서는 보장 못함
음원부호화기 : 음성 파형이 아닌 음성 모델을 분석하여 얻어진 데이터를 변조 LPC 음원 부호화기, 채널 음원 부호화기, 위상 음원 부호화기 등등 사람의 귀로 들을 때 최대한 원래 신호와 차이가 없도록 재생
혼성 부호화기 : 파형부호화기 + 음원부호화기 8Kbps정도에서도 우수한 음질 유지
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디지털 통신의 기초
채널 부호화(CRC) 데이터전송 과정에서 오류를 검출 데이터를 블록단위로 나누고, 각 블록 뒤에 다항식의 특수 계산에 의해 얻어진 순
환 부호를 여분으로 붙여서 전송 수신 측에서는 다항식의 특수 계산에 의해 얻어진 순환 부호가 0이면 오류 없음,
다른 값이면 오류
192bit = 172 + 12 + 8 172 = 음성부호화에서 만든 신호, 정보 12 = 잉여비트, 나머지 값 8 = 꼬리, 무조건 0
1)( 489101112 +++++++= XXXXXXXxg
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디지털 통신의 기초
채널 부호화(Convolutional Code) 랜덤 에러를 방지 CRC코드와 달리 메모리가 필요 현재의 메시지와 이전에 메모리된 기억 차수에 해당하는 메시지와의 연산
(Exclusive OR)에 의해 부호어가 만들어짐 순방향 : 구속장 k=9, 부호율 = 1/2 역방향 : 구속장 k=9, 부호율 = 1/3 (단말기 밧데리 적어서 오류에 더 신경)
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디지털 통신의 기초
채널 부호화(Interleaving) 버스트성 에러 방지(연속적 bit 에러) 버스트성 에러를 랜덤에러로 변환시킴 부호어를 분산시키고 비트와 비트를 서로 독립적으로 배치시켜, 각 비트가 서로 독립적으로 페이딩의 영향을 받도록 하는 것
종류 : Block, Helical, 랜덤, Odd-even, GF, Mother 등등
1 1 0 1 0 1 0 1 1 1
1 1 0 1 0 1 0 1 1 1
0 1 1 0 1 1 1 1 0 1
1 0 0 0 1 1 0 1 0 0
0 1 1 1 0 0 0 0 0 1
전송
에러나는 구간
<송신> <수신>
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디지털 통신의 기초
다중접속 통신을 하고자 하는 여러 명의 사용자들이 하나의 전송 매체를 이용하여 통화할
때, 다른 통화자에게는 서로 간섭을 주지 않고 자신의 정보를 자기가 원하는 상대방에게 전달하는 기술
FDMA, TDMA, CDMA CDMA는 동일 주파수 이용 시 각기 다른 PN 코드를 가지고 있음
상호상관이 매우 작거나 0 (다른 코드끼리 곱하면 0 ) 각 코드의 행렬 곱은 1 (자기 자신끼리 곱하면 1 ) 집합에서 각 코드열은 서로 같거나 차가 1이내어야 함
메시지, PN 코드 비트 0 은 -1로 표시
위의 세 개의 메시지를 한 개의 전송매체로 보내면..
C1 = -1, +1, -1, +1C2 = -1, -1, +1, +1C3 = -1, +1, +1, -1
m1 = +1, -1, +1m2 = +1, +1, -1m3 = -1, +1, +1
S = m1(t)C1(t) + m2(t)C2(t) + m3(t)C3(t)
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디지털 통신의 기초
다중접속 수신측에서는 자기 자신의 PN Code를 곱
S = m1(t)C1(t) C1(t) + m2(t)C2(t) C1(t) + m3(t)C3(t) C1(t) = m1(t) · 1 + m2(t) · 0 + m3(t) · 0 = m1(t)
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디지털 통신의 기초
Walsh Code 1923년 J.L.Walsh 직교함수로 소개 직교 : 코드간에 서로 상관관계가 매우 적어 서로 간섭을 주지 않음 채널을 구분하기 위한 용도로 사용 직교 조건
상호 상관은 ‘0’이거나 매우 작아야 한다 집합에서 각 계열은 +1과 -1이 서로 같거나 +1이 -1보다 한 개 많다 각 코드의 행렬 곱은 1과 같아야 한다
Walsh Code w2 에서부터 계속 만들 수 있음 w4 는 w2를 4개 붙여서 만듬, 가장 마지막 원소는 역변환
0 00 1
0 0 0 00 1 0 10 0 1 10 1 1 0w2
w4
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디지털 통신의 기초
PN Code pseudo random noise code : 무작의한 잡음 특성의 코드 전송 능력, 동시 접속 사용자 수, 전력 스펙트럼 밀도, 초기 동기 및 동기 추적의
설정, 보안성 등 CDMA 시스템의 성능을 결정하는 중요한 요소 자기상관특성
같은 code가 시간적인 동기를 이루었을때 일정한 상관값을 갖음 자기 상관 특성이 우수한 PN code 사용 자기 자신과 곱하면 ‘1’
상호상관특성 다른 code 끼리 일정한 값 이하의 상관값을 유지 다른 code 간의 혼란을 방지 다른 코드와 곱하면 ‘0’
PN 코드 발생 n개의 shift register와 특정 register 값을 모듈러 2연산 선택된 tap에 따라 선형성 유지 선형성 : 궤환 탭이 결정된 상태에서 쉬프트 레지스터의 초기값에 상관없이 항상 같은
코드가 발생하는 특성
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디지털 통신의 기초
PN Code 발생 예제 2n-1개 = 15개 maximal 코드
PN Code 특성 자기 상관 특성 상호 상관 특성 균형성
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디지털 통신의 기초
Short PN Code 15개 shift register 로 구성 maximal PN code 주기는 215 주기 32768chips (=26.666msec) 기지국의 구별
64chip 의 배수로 지연 (PN offset) 32768chips / 64chips = 512개 (기지국 구별 수)
Long PN Code 42개의 shift Register 로 구성 maximal PN code 주기는 242 -1 주기 4398046511104chips (= 41.4일 ) 기지국과 단말기간에 상대방의 코드 시작점을 알고 있어서 빠른 시간에 동기 Long PN 코드의 시작 시간 지연은 단말기의 ESN을 이용하여 자동 할당
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디지털 통신의 기초
비동기 방식 PN Code 모든 기지국이 GPS의 정밀한 시간정보를 이용하여 시간적으로 동기를 유지하느
냐 아니냐의 차이 모든 기지국이 별개의 PN코드 사용 많은 PN코드를 위하여 Gold 코드와 Kasami 코드 발생 W-CDMA에서는 Gold 코드 사용
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디지털 통신의 기초
디지털 변복조 기술 장점 : 잡음에 덜 민감, 왜곡이 적음, 전송 효율이 높음 단점 : 대역폭 넓게 요구, 시스템이 복잡
PSK Phase Shift Keying 순방향에서는 QPSK
홀수번째 비트는 I채널, 짝수번째 비트는 Q채널 두 채널을 이용하여 변조 위상변화가 최대 180도 발생해서 왜곡이 발생
역방향에서는 OQPSK ½ Chip delay 시켜서 급격한 위상 천이를 줄임
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2.링크 구조
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비대칭 링크구조
순방향 구성 : 1개의 파일롯 채널, 1개의 동기 채널, 1~7개의 호출 채널, 다수의 통화 채널 총 64개의 채널
통화가 있거나 없거나 파일롯, 동기, 호출채널을 항시 송신하는 동기구조 각 채널은 Walsh code에 의해 구별 : code간 직교 유지 각 채널은 QPSK 확산 변조
역방향 구성 : 액세스채널, 통화채널 두 채널이 항시 공존이 아니라 기능 및 필요성에 따라 동작하는 비동기 Long PN 코드에 의해 OQPSK 확산 변조 각 채널 송신을 시작할 때마다 기지국과 초기 동기
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순방향 링크구조
순방향 채널의 송신 경로 구성
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순방향 링크구조
파일롯 채널 Walsh 코드의 0번에 해당 (총 0번부터 63번까지 있음) Short PN 코드 자체가 되어 이동국에게 시간 및 위상 기준을 제공 기지국을 구분하는 기준정보를 제공 (PN offset) Broad Casting
PN offset PN code의 시작 시점 시간을 지연 GPS와 모든 기지국이 동기 전파지연 시간 3.3μsec 구분 215 주기의 Short PN 코드를 64 chip 단위로 구분, 즉 512개의 기지국을 구분
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순방향 링크구조
동기 채널 Walsh Code 32번 기지국 초기 동기 정보 (initial acquisition)를 이동국에 전달 이동국 초기 동기 정보 입수 후 호출 채널 수신 상태로 감 Broad Casting 초기 동기에 필요한 정보
기지국 PN code offset 값 Long code 의 동기 정보 호출채널 Date rate 등
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순방향 링크구조
호출 채널 4.8kbps 또는 9.6kbps 정보전송 : 국내의 경우 9.6kbps 전송 1초 동안 180번 정도 이동국 호출 채널 정보 : 전체시스템 구성 관련정보, 이동국 호출 및 이동국 요구에 대한 응답,
방송메세지(Broadcase message)
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순방향 링크구조
통화 채널 음성과 data 전송, 신호메시지 전송(통화 중:빈 프레임 이용) 전력제어 data (power control bit)추가 Rate Set 1 : 1.2, 2.4, 4,8, 9.6 kbps (셀룰러) Rate Set 2 : 1.8, 3.6, 7,2, 14.4 kbps (PCS) Rate Set 2 가 음성품질은 좋지만 33%의 통화 품질 감소 Data Rate가 4종류로 구성된 이유는 천천히 이야기 할때는 낮은 속도로, 빨리 이
야기 할때는 높은 속도를 할당함으로써 실질적 평균 Data rate를 낮추어 기지국 통화 용량 증대
음성활성화율 : Data rate의 평균값 / 최대값 채널정보 : SID ( Service Identification), NID (Network Identification), Handoff 관련정보, PN 검색 window사이즈 정보, 전력제어 메시지
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순방향 링크구조
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순방향 링크구조
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역방향 링크구조
역방향 링크 파일럿 채널 존재하지 않음 Walsh code에 의한 채널 구분 방식은 사용되지 않는다 Long PN code가 각 이동국을 구분하는 용도로 사용
액세스 채널 이동국에서 전화 걸때 (orgination message) 기지국으로부터의 호출에 대한 응답 (status response message) 기지국으로부터의 특정한 지시에 대한 응답 (status response message) 기지국에 특정한 요청을 할 때 (order message) 위치 등록 실시 (registration message) 단문 데이터 전송시 (data burst message) Data Rate : 4.8Kbps (Rate set 1, 2)로 고정 OQPSK 사용 : 배터리 전력소모 방지
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역방향 링크구조
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역방향 링크구조
액세스 채널(1) 짧은 시간동안 frame 전송(4~26
frame,일반적으로 9frame:180ms): probe
(2) 일정시간 (TA) 동안 기지국 응답 기다림
(3) 응답이 없으면 랜덤시간 동안 ( RT) 지연 후 출력증가(IP)
(4) 증가 된 출력으로 frame 재전송, (1)~(4)반복 수행
(5) 기지국의 호출채널 응답이 오면 송신중지, (1)~(4)는 1+Num_step 반복, 최대 16회
(6) 응답이 없으면 일정 시간 후 (RS+RD) (1)~(4)재반복, Access sequence 라고 함 (최대 15회 반복 : MAX_REQ_SER)
(7) (1)~(6) 과정에서도 호출채널응답이 없으면 실패
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역방향 링크구조
역방향 통화 채널 음성과 데이터, 통화 중에 기지국과의 제어 신호 받음 액세스 채널과 비슷하나 Data Burst Randomization 과정이 추가
예를 들어 1/8 rate로 신호가 올 경우 순방향 : power 자체를 1/8 로 줄여서 8개를 다 보냄 1/8 * 8 = 1 역방향 : 8개중 1개의 신호 보냄 1 * 1 = 1 이동국에서 송신되는 평균출력을 감소시켜 기지국 내의 역방향 통화용량을 증대
주요 신호 순방향 전력제어 설정을 위한 메시지 핸드오프 시점 결정을 위한 PSMM 메시지 핸드오프 수행 보고 메시지 3자 통화를 위한 메시지 단문전송을 위한 메시지 DTMF 톤 전송을 위한 메시지
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역방향 링크구조
통화 채널
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질의 응답 및 토의
