스펙트럼 확산,CDMA,셀룰러 통신에 대해서 알아보자

내용:

2차 세개대전이 한창이던 1940년도 9월,

어린이 90명과 군인들을 수송하던 영국 함선이 독일 유보트에 의하여 침몰되는 사건이 발생한다

이 사건을 목격하고 안타까워하며 연합군을 도울 방법을 모색하던 한 인물이 있었는데,

바로 당시 할리우드의 섹스심벌이자 유명 배우였던 헤디 라마르였다

그녀의 남편은 나치즘에 경도된 무기상인이었는데,

그녀는 그의 그런 사상에 역겨움을 느끼고 그와 이혼하였고,

연합군에 도움을 주고자 낮에는 할리우드의 배우, 밤에는 과학자의 길에 뛰어들며 이중생활을 시작했다.

그녀는 수십명의 사람들이 유보트에 희생당하는 것을 보고 무엇보다 통신의 "보안" 문제를 해결 할 방법을 찾기 시작했다

감청, 재밍 등을 극복 할 방법을 연구하기 시작한 그녀는

1942년, FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum) 이라는 기술을 개발, 미국 특허청에 신청하였고

이는 미 국방부에 의해 1급 국가기밀로 지정되었다.

이 FHSS 기술의 기본 개념인  Spread Spectrum은, 2G, 3G와 셀룰러 이동통신의 핵심 기술이며, 통신의 보안과 다중접속을 획기적으로 보장할 수 있는

매우 혁신적인 방법이다

지금부터 이  Spread Spectrum(확산 스펙트럼)과 그 응용기술에 대해 알아보자.

우선, 확산 스펙트럼이란 무엇인가?

수식적으로 설명하면 이해하지 못 할 사람들이 많을 것이므로, 개념만 간단히 설명하면

"정보를 흩뿌리는" 것이다

우리가 정보를 전송할 때 특정 주파수 대역, 특정 시간 대역에 정보를 전송하여

수신기는 그 대역에 맞추어

그 대역에 있는 정보를 획득하여 해석하고

해석된 정보를 우리에게 보여준다

라디오, 텔레비전 등이 대표적인 예라고 할 수 있다

라디오 주파수, 텔레비전 채널 등, 우리는 수신기의 수신대역을 특정 구간에 맞추어 정보를 얻는다

그러나 이러한 특성은 큰 문제점을 낳는데,

대표적으로, 우리가 이 신호를 특정 수신자에게만 전송하고 싶어도

제 3자가 중간에서 이를 감청한다면, 이것을 막을 방법이 없다.

이는 군대, 경찰, 보안업체 등 보안이 중요한 곳에서 매우 큰 문제가 된다.

유보트에 의하여 영국 함선이 침몰된 것도 감청을 통하여 함선의 위치가 탄로나서였기 때문이다

그렇다면 이를 어떻게 해결할까?

바로 신호를 쪼개서 흩어버리는 것이다

분홍색이 공기중의 잡음이며,

실선이 우리가 송신할 신호이다

우리가 저 잡음보다 낮은 크기로 신호를 넓게 펼쳐서 보낸다면?

적들은 우리의 신호가 잡음인지, 유의미한 신호인지 분간할 방법이 없어진다.

"엥? 그러면 저렇게 보내면 받는 입장에서도 안보이지 않나요? 어떻게 통신이 된다는 건가요?"

좋은 질문이다.

저것을 극복하는 방법이 바로 확산 스펙트럼의 핵심 개념이다!

차근차근 한 번 알아보도록 하자

이 기술을 이해하려면 우선 코드라는 것을 알아야 한다.

위 그림은 대표적인 코드인 PN(거짓 잡음) 코드에 대한 그림인데,

싱붕이들이 이해하기엔 버거울 것이므로 매우 간단한 2개의 코드만을 생각 해 보자

만일 우리가 01 이라는 신호를 보낸다고 하고, 다음을 생각 해 보자

1. 01(2개의 비트) 를 보낸다

2. 적은 이 신호를 받아도 해독할 수 없어야 한다

우리가 충족해야 할 조건은 두 개이다.

우선 "나와 수신자만 아는" 특정한 암호를 생성한다.

이 암호는 서로가 알고 있어야 하며, 모른다면 상호간 통신이 되지 않는다!!

그 암호가 0110 1001 이라고 생각 해 보자

우리가 보내야 할 신호는 0 1이고, 이 신호를 암호와 EX - OR 를 한다

잠깐, 여기서 EX-OR란?

두 신호가 같다면 1을, 다르다면 0을 결과로 내는 연산이다

즉,

1 1이면 1

0 1이면 0 

1 0이면 0

0 0이면 1 인 것이다

그럼 우리가 보낼 신호는

0 1

암호는

0110 1001

결국, 우리가 보내는 신호는

0 (EX - OR) 0110 > 1001

1 (EX - OR) 1001 > 1001

이 되는 것이 된다.

그렇다면, 적의 입장에서는

1001 1001을 받게 되므로,

우리가 보낸 원 신호인 0 1과는 전혀 다른 신호를 받게 된다

그러나 우리가 원하는 대상은,

1001 1001을 받으면

다시 암호인 0110 1001과 EX - OR을 하여

1001 (EX - OR) 0110 > 0000 > 0

1001 (EX - OR) 1001 > 1111 > 1

즉 0 1을 다시 복조해 낼 수 있다

여기서 짚고 갈 사항들은 다음과 같다

1. 01이라는 신호가 1001 1001 이라는 신호로 늘어난다

>> 01이라는 신호를 보낼 때 보다 더 빠른 속도가 필요하다. 2개만 보내면 될 것은 8개로 보내야 하니 당연하다

2. 속도가 빨라진다는 것은 주파수가 높아진다는 것이다

>> 주파수가 높아진다는 것은 그만큼 주파수 대역에서 큰 폭을 차지한다는 것이다. 이는 더 넓은 주파수 대역이 필요하다는 것을 의미한다

즉, 주파수가 확산된다.

     

쉽게 말하자면, 75Mhz라는 대역을 할당받은 방송국이, 74.9~75.1Mhz에 맞추면 자신의 방송을 들을 수 있게 만들었다고 해 보자.

그런데 방송국이 마음대로 이 구간을 74~76 Mhz로 늘려버렸다고 생각 해 보자.

그럼 76Mhz, 74Mhz을 할당받은 방송국들은 방송을 못 하는 상황이 된다. 75Mhz 방송의 영향을 받아서 간섭이 일어나기 때문이다.

즉, 차지하는 주파수 대역이 크다는 것은 그만큼 다른 신호를 넣을 자리가 없어진다는 것이므로 단점이다

3. 그럼에도 불구하고 보안 문제가 해결되었다

>> 적들은 듣지 못하고 아군만 들을 수 있다는 조건이 충족되었다

4. 전력은 동일하나, 동일한 전력을 나눠서 전송한다

>> 01이라는 신호를 1이라는 크기로 보낸다면, 0은 0.5 , 1은 0.5를 가질 것이다

그러나 1001 1001이라는 8개로 보낸다면?

각각 0.125라는 크기를 갖게 될 것이고, 즉, 1/4로 나눠져서 , 흩어져서 전송된다는 것이다

이는 적들이 공기중의 다양한 신호들 중 내 신호를 탐지하게 어렵게 만든다.

이것이 바로 DS(Direct Squence 직접 확산) 이다.

직접확산이라는 이름이 붙은 것은.,

그냥 말 그대로 신호를 무식하게 흩어버리기 때문에 그런 것이다.

그럼 FH는?

우리가 만든 암호를 토대로

신호가 다다다다다다 넓은 대역에서 뛰어다니는 것을 말한다

미리 암호를 알고있다면 이 뛰어다니는 패턴을 알고 있기 때문에

뛰어다니는 것을 따라가면서 신호를 얻어서 복조가 가능하다.

여기까지 우리는 확산 스펙트럼의

1. 주파수 확산

2. 크기 확산

3. 보안성

4. FH와 DS

네 주제에 대해 알아보았다

그럼 이 기술의 활용은 무엇이 있을까?

그럼 이 기술들이 현대에는 어떻게 활용될 수 있을까?

바로 CDMA이다

CDMA는 퀄컴사가 세계 최초로 상용기술을 개발하였으며,

세계 최초로 이 CDMA기술을 제품으로 만들어 상용화한 곳은 대한민국의 SK 텔레콤 이다.

확산 스펙트럼의  "코드를 공유하면 1:1로 간섭 없이 감청 없이 대화를 할 수 있다" 라는 특성이

단말기 간의 원활한 1:1 통신을 가능하게 한 것이다.

즉, 단말기 당 하나의 암호를 배정하여 사적인 통화를 할 수 있게 하는 것이다.

기존의 통화 방식은 전화선을 통하여 기지국으로 신호를 보내고 기지국에서 이를 다시 다른 곳으로 보내주어야 했지만,

(공중전화, 집전화)

확산 스펙트럼은 이를 그냥 공기중으로 쏘아보내도 가능하게 만든 것이다.

즉, 이동통신의 시대가 열린 것이다

그렇담 셀룰러 통신은 무엇인가?

사실 앞에서 암호 하나를 배정하여 통신을 한다고 했는데

이 방법이 무적이 아니다.

단말기가 적다면 충분한 암호의 숫자가 있겠지만

콘서트가 있다든지, 크리스마스의 명동이라든지

사람이 크게 몰리는 상황이면 이 코드가 독립성과 보안성을 유지하기 어려워진다.

비유를 하자면

단말기 하나당 언어 하나를 배정해서 이야기 하는데 ( 일본어, 중국어, 영어, 한국어 등등 )

한국어로 통신을 한다면 다른 일본어나 중국어를 배정받은 단말기는 한국어를 해석할 수 없다

그러나 단말기가 너무 많은 나머지 언어의 수가 부족하여

한국어가 아니라 전라도 사투리 경상도 사투리로 나누어 이야기 한다고 생각해 보면 된다

이러면 독립성과 보안성을 유지할수 없어진다

그렇기 때문에 일정 범위마다 잘라서 코드를 할당하고

이것이 바로 셀룰러 통신이다.

지금까지 확산 스펙트럼과 그 활용기술에 대해 알아보았다

현재는 CDMA이란 기술은 4G로 넘어오며 여러가지 기술적 한계로 인하여 OFDM으로 넘어갔지만

그럼에도 확산 스펙트럼 기술은 여러 분야에서 광범위하게 쓰이는 기술이다

대표적으로 와이파이, 블루투스가 각각 DS,FH를 활용한 기술이다.

그리고 글에서는 간단하게 설명하였지만 사실 매우 어려운 기술이다

현재까지도 저 기술을 성공적으로 제대로 기능하는 칩을 만든 회사는 대표적으로 삼성, 퀄컴, 브로드컴 정도가 대표적인데

그 삼성도 발열문제로 고생하였던 것을 보면

이론은 쉬워도 이를 실제로 손톱만한 칩으로 구현하는 것은 참으로 어려운 일이라 할 수 있다 

또한 현재는 6G 기술표준이 논의되는 중인데, 50% 이상이 AI가 차지하는 중이다

2G, 3G, 4G, 5G에서는 통신상의 잡음, 채널문제, 페이딩 등을

막대한 계산과 고급통계 기술을 통하여 문제를 해결하였지만

현재는 AI로 딸깍하는 방법으로 진행되고 있다

참으로 기대가 된다