방효창 | 두원공과대학 정보통신과 교수 서론 본 고에서는 월드컵을 앞두고 한창 서비스 개발에 열을 올리고 있는 비동기 방식의 WCDMA FDD(Fre-quency Division Duplex) 기술에 대해 간략하게 소개하고자 한다. Ⅱ. W-CDMA 주요 기술 1. 초기동기 동기와 비동기 방식을 구분하는데 있어 가장 중요한 차이는 기지국을 어떻게 인식하는가에 달려 있다. 동기식의 경우 동일의 PN 코드를 사용하여 offset을 조정하는데 비해 비동기식의 경우는 각기 다른 코드 패턴을 갖는 Gold 코드를 발생시켜 이용하므로 초기동기 기술 등이 다소 복잡하다. 비동기 방식에서는 기지국 구분용 PN 코드에 의해 스크램블 되지 않은 동기 채널을 검색하여 자신이 속한 기지국이 어떤 PN 코드를 사용하는지를 확인한 후 PN 코드에 의해 스크램블된 물리적 채널들과 동기를 이룬다. 비동기 방식에서 기지국의 구분을 위해 사용되는 PN 코드는 모두 512개(동기 방식에서의 PN offset 최대 개수와 동일)로서 구성되며 이는 다시 64의 그룹으로 분류되어 1개의 그룹당 8개의 PN 코드가 할당된다. 이와 같이 여러 개의 그룹으로 PN 코드를 분류하는 이유는 시간 정보를 갖고 있지 않은 이동국에게 PN 코드의 종류와 시작점을 찾아내기 위한 초기동기의 신속성을 제공하기 위해서이다. 동기채널은 일차 동기 채널(Primary) 과 이차 동기 채널(Secondary)로 구성되며, 이동국의 초기동기와 기지국 검색 절차는 아래의 3단계로 이루어진다. 가. 슬롯 동기 획득 일차 동기 채널은 아무런 동기 정보를 갖고 있지 않은 이동국을 위하여 슬롯 시작점을 알려주는 역할을 한다. 일차 동기 채널은 10msec의 프레임과 한 프레임은 15개의 슬롯으로 구성되며, 각 타임 슬롯마다 길이가 256비트인 특수코드(generalised hierachical golay sequence)가 반복되어 송신된다. 모든 기지국은 동일한 코드가 사용되며, [그림 1]에서 보듯이 매 슬롯 앞부분에 반복하여 전송한다. 가장 신호가 양호한 일차 동기 채널을 검색한 이동국은 슬롯 동기를 이룬 후 이차 동기 채널을 검색하게 된다. 나. 프레임 동기 및 코드 그룹 정보 획득 그림 1. W-CDMA 일차, 이차 동기 채널의 구성 [그림 1]에서 보듯이 이차동기 채널은 매 슬롯마다 다른 코드를 사용한다. 이차동기 채널에는 길이 256 비트인 64개의 직교 코드가 사용될 수 있으며 각 슬롯마다 할당되는 직교 코드의 조합으로서 자신이 속한 기지국의 PN 코드 그룹을 알려주게 된다. 다. PN 코드 정보 및 시스템 정보 획득 이차 동기 채널을 통해 자신이 속한 PN 코드 그룹을 알게된 이동국은 그 그룹내의 8개 PN 코드에 대해 모두 검색 과정을 거쳐 자신이 속한 기지국의 PN 코드를 파악할 수 있게 된다. 이와 같은 절차를 통하여 512 개의 PN 코드에서 단지 8개만 검색하면 자신이 속한 기지국의 PN 코드를 알게 되는 것이다. 해당 기지국의 PN 코드를 알아내게 되면 곧바로 브로드케스트 채널을 전달하는 물리 채널인 일차 공통 제어 채널을 검색하여 시스템 관련 정보를 습득한 후 수신대기 상태로 들어가게 된다. 2. 가변 전송 속도 기존 제 2세대 방식과의 큰 차이중의 하나가 속도의 가변이다. 데이터 전송을 주목적으로 하는 WCDMA 방식에서는 다양한 속도의 데이터 전송을 필요로 한다. 통화채널의 데이터 전송 속도별 구분을 비동기 방식에서는 확산계수(SF : Spreading Factor)로서 표현한다. 전송하고자 하는 한 개의 데이터 심볼은 한 주기의 왈쉬 코드에 의해 확산 변조가 이루어진다. 즉, chip 속도 3.84Mcps 왈쉬 코드에 의해 15Ksps의 데이터 심볼이 확산 변조가 이루어지기 위해서는 왈쉬 코드의 길이가 256 chip이어야 하며 이를 SF 256으로 표현한다. 따라서, 데이터 전송속도가 증가할수록 SF는 낮아지게 된다. W-CDMA FDD 방식에서는 4∼256까지의 SF를 정의하며 이를 데이터 속도로 환산 시 960Kbps∼15Kbps를 의미한다. 가변 전송 속도를 지원하기 위해 W-CDMA에서는 가변 확산 계수(Variable Spreading Factor)와 멀티코드 두 가지 방법을 사용한다. 가변 확산 계수는 지정 데이터 채널의 확산 계수를 역방향 링크의 경우 4∼256, 하향 링크의 경우 4∼512 사이에서 변화시키는 것을 의미한다. 멀티 코드는 복수개의 지정 데이터 채널을 한 명의 사용자가 동시에 사용하는 것으로, 역방향에는 동시에 최대 6개까지의 지정 데이터 채널을 사용할 수 있으며 순방향에서는 규격으로 정의되지는 않았으나 무선 용량에 맞추어 한 사용자가 사용하는 지정 데이터 채널의 수를 적절하게 조절하여야 할 것이다. 3. OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) 그림 2. OVSF 코드 트리 동기식에서와 동일하게 기지국에서 순방향 채널간, 이동국에서 역방향 채널간의 구분은 왈쉬 코드(직교코드)에 의하며, 전송되는 데이터 속도에 따라 왈쉬 코드 길이가 변화하는 OVSF(Orthogonal Variable Spreading Factor) 기법이 사용된다. [그림 2]는 길이가 가장 짧은 코드로부터 트리 구조를 통하여 길이가 다른 직교 코드의 집합을 만들어내는 OVSF 코드 발생 개념을 설명하고 있다. 4. 송신 다이버시티 그림 3. 공간시간 다이버시티 인코딩 가. 개루프 송신 다이버시티(Open Loop Transmit Diversity) -공간 시간 다이버시티 (STTD : Space Time Transmit Diversity) 일반적인 공간 다이버시티는 동일한 데이터를 공간상에서 일정 간격 떨어진 복수개의 안테나를 통하여 전송함으로써 서로 다른 무선 환경을 통하여 전송이 될 때 얻어진다. 시간 다이버시티는 동일한 신호를 시간 지연시켜 반복 전송함으로써 전송되는 신호가 각기 다른 페이딩 환경을 거치게 함으로서 구현된다. W-CDMA에서 채용한 공간 시간 다이버시티는 두 가지 개념을 동시에 적용한 것으로 동일한 데이터를 두개의 안테나를 통하여 보내면서 다이버시티용 안테나를 통해 전송되는 데이터의 전송 순서를 뒤바꿈으로써 시간 다이버시티의 효과도 얻는 기술이다([그림 3] 참조). W-CDMA의 대부분의 순방향 링크 채널은 공간 시간 다이버시티를 적용하며, 디코딩의 복잡도를 고려할 때 현실적으로 안테나는 2개, 비트는 4 bits를 고려하고 있다. -시간 교차 다이버시티(TSTD : Time Switched Transmit Diversity) 대부분의 순방향 링크 채널이 공간 시간 다이버시티를 사용하는데 비해, 동기 채널(SCH)만은 시간 교차 다이버시티를 사용한다. 시간 교차 다이버시티를 적용할 경우, 각 프레임에서 짝수번째 슬롯에서는 일차 동기 코드(PSC)와 이차 동기 코드(SSC)를 1번 안테나를 통하여 전송을 하고, 홀수번째 슬롯에서는 일차 동기 코드와 이차 동기 코드를 2번 안테나를 통하여 전송하게 된다. [그림 10-4]는 TSTD에 의한 동기 채널 전송 구조를 설명하고 있다. 나. 폐루프 송신 다이버시티(Closed Loop Transmit Diversity) 그림 4. TSTD 기능에 의한 동기채널 전송 폐루프 송신 다이버시티는 이동국에서 수신된 기지국 송신 신호의 품질을 역방향 지정 제어 채널을 통하여 피드백(FBI 비트) 받아 한쪽 RF 경로의 송신 신호 위상을 앞,뒤로 제어하여 이동국에 도달하는 두 무선 경로의 신호를 합한 수신 신호의 크기가 최대가 되도록 제어하는 방식이다. 폐루프 방식은 위상과 크기를 동시에 제어하는 방식과 크기만을 제어하는 방식이 있을 수 있다. 5. 전력제어 그림 5. 전력제어의 기본 구성 W-CDMA의 전력 제어는 역·순방향 링크 모두 목표 SIR(Signal Interference Ratio)을 기준으로 한 고속 폐루프 전력제어 기능을 수행하며 외부 루프 전력제어(Outerloop Power Control)에서는 목표 SIR을 정하고, 내부 루프 또는 폐루프 전력제어(Innerloop Power Control)에서는 목표 SIR과 비교하여 송신출력을 조절한다. 이러한 폐루프 전력제어는 역·순방향 지정 제어 채널의 TPC(Transmit Power Control) 비트를 통하여 이루어진다. 동기방식 IS-2000에서 고속 전력제어의 속도가 역·순방향 모두 800Hz인 것에 비해, W-CDMA에서는 TPC 비트가 매 슬롯(66.7us)마다 포함되어 있으므로 W-CDMA의 고속 전력제어 속도는 역·순방향 모두 1500Hz이다([그림 5] 참조). 6. 핸드오버 W-CDMA에서의 소프트 핸드오프는 IS-95 방식과 기능 및 절차가 매우 유사하다. Active 셀과 Neighbor 셀 등의 Add 및 Drop 절차시 현재 자신의 Active 셀 Ec/Io와의 상대 값을 비교하는 다이내믹 핸드오프 방식으로서 이는 IS-95B에서의 기능과 절차가 동일하다. 그러나, 비동기 방식에서는 주파수간 하드 핸드오프를 위하여 압축모드(Compressed Mode)라는 독특한 기능을 채택하여 효율적인 주파수간 핸드오프를 지원한다. 7. 압축모드 (Compressed mode) 그림 6. 압축모드에 의한 프레임 구조의 변화 주파수간 핸드오프를 위해 주파수가 다른 인접 셀을 통화중에 검색하기 위해서는 일반적으로는 단말기 내에 두 개의 수신 RF 경로가 필요하다. 한 개의 이동국에 두 개의 RF 수신회로는 매우 비현실적이기 때문에 한 개의 수신 RF 회로를 내장한 단말기가 다른 주파수의 인접 셀을 검색하기 위해 통화중 일시적으로(수 msec) 송·수신 동작을 중지시키는 기능을 압축모드라 한다. 이와 같이 일시적으로 중시되는 시간동안 (TGL : Transmission Gap Lengths) 이동국은 수신 주파수를 인접 셀 주파수로 일시 변경시켜 인접 셀과의 핸드오프 필요성 등을 검색하게 된다. TGL은 한 개 또는 두개 프레임에 걸쳐서 설정될 수 있으며 3, 4, 7, 10, 14 슬롯의 크기를 갖는다. [그림6]은 두개의 프레임에 걸쳐 압축모드가 발생하였을 경우를 설명하고 있다. 압축모드가 일어나는 프레임의 전송 데이터 속도를 일시적으로 낮추어 준다. 확산인자 변경이 발생치 않도록 하기 위해서 심볼 속도를 낮추도록 한다. 8. 패킷 데이터 전송 기능 W-CDMA 전송 채널은 사용 방법에 따라 공통 채널, 지정 채널, 공용 채널, 공통 패킷 채널 등으로 나눌 수 있다. 패킷 스케줄링 기능은 전송이 요구되는 패킷 데이터의 특성 및 길이에 따라 위의 채널 중 한 개를 선택하여 전송 채널로 사용하게 된다. 가. 공통 채널 역방향 엑세스 채널(RACH)과 순방향 엑세스 채널(FACH)은 시그날링 메시지뿐만 아니라 데이터 전송의 용도로도 사용된다. 공통 채널은 각 채널에 대한 피드백 채널이 별도로 있지 않기 때문에 폐루프 전력제어 기능은 적용되지 못하며 개루프 전력제어 또는 고정 출력으로 동작하며, 핸드오프도 지원되지 않는다. 따라서, 전력 편차에 의한 용량 저하 요소를 갖으며, 고속으로 이동시 핸드오프 실패에 의한 호 절단이 예상된다. 반대로 피드백 채널이 없기 때문에 접속 속도가 매우 빠르다. 이와 같은 특성으로 인해 매우 짧고 독립적인 패킷 데이터 전송에 적합하다. 대표적으로 SMS나 글씨 위주의 이메일, 웹페이지 마우스 클릭 정보 등의 패킷 데이터 전송에 적합하다. 나. 지정 채널 지정 채널은 폐루프 전력제어와 핸드오프가 지원되어 전파 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있지만 공통채널에 비해 접속 시간이 많이 걸리게 된다. 또한, 전송 속도는 확산인자에 따라서 프레임 단위로 수십 Kbps에서 수 Mbps 까지 변화가 가능하다. 이때 지정채널을 통하여 전송하고자 하는 최고속도에 맞추어 직교코드를 설정하여야 한다. 다. 공용 채널 공용 채널은 순방향 링크에서 고속의 버스트 패킷 데이터를 전송하기 위한 채널이다. 여러 개의 통화 채널들이 저속 또는 중속의 데이터는 각각 자신의 지정채널을 통하여 전송하다가 고속의 패킷전송이 요구되면 한 개의 공용 채널을 여러 개의 통화 채널이 시분할 공유하여 사용하는 채널이다. 이 채널은 OVSF 코드 트리 구조로부터 낮은 SF(높은 데이터 전송률을 위한)에서 할당할 수 있는 직교코드 수의 한계를 극복하기 위한 목적으로 사용된다. 라. 공통 패킷 채널 역방향에서만 사용되는 공통 패킷 채널은 공통채널과 공용 채널의 개념을 합친 기능을 수행하며, 작거나 중간 사이즈 정도의 데이터 전송에 주로 사용된다. 9. 대역 확산 코드(채널화 코드) 인터리빙 과정을 거친 각 물리 채널들은 대역 확산 과정과 스크램블 과정을 거치게 된다. 대역 확산 과정은 상대적으로 저속인 물리 채널의 데이터 심볼에 채널화 코드(Channelization Code)를 곱하여 최종 전송 속도인 3.84 Mcps를 만들어내는 과정으로서, 이 과정을 통해 대역 확산에 의한 확산 이득(PG : Processing Gain)이 얻어진다. 채널화 코드는 순방향 및 역방향 링크에서 동시에 전송되는 채널들을 구분시키기 위해 곱해지는 직교 코드로서 실질적인 확산 이득을 나타내기에 확산 코드라고도 칭한다. 채널화 코드로는 역방향 링크, 순방향 링크 모두 OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) 코드를 사용한다. OVSF 코드의 생성을 위한 코드 트리 구조는 앞서 [그림 2]에 설명하였다. 이 그림에서 확산계수와 채널화 코드의 길이 및 사용 가능한 코드의 갯수도 동일함을 알 수 있다. 또한 코드 트리의 특정 코드를 선정시 하부 가지에 해당하는 코드는 직교성이 보장되지 않기 때문에 동일한 기지국 또는 이동국내의 다른 채널에서는 사용되어서는 안된다. 따라서 사용 가능한 채널화 코드의 갯수는 확산 계수와 동일하게 된다. 즉, 고속 데이터 전송을 위해 작은 확산 계수를 사용하는 경우 할당 가능한 코드 채널 수는 감소하게 된다. 그러나, 이러한 문제점은 순방향 공용 채널을 채택하여 상당부분 해소시킬 수 있다. Ⅲ. 결론 지면 관계상 비동기 방식 WCDMA 기술 중에서 특징적인 몇 가지만 다루어 보았다. 기회가 되면 앞으로 좀더 자세하게 다뤄 보고자 한다. 이제 세계인의 축제인 월드컵 경기가 얼마 남지 않았다. 새로운 이동전화 사업자인 KT 아이컴에서는 비동기 방식의 WCDMA 기술을 기반으로 한 IMT-2000 서비스를 시범적으로 운영하기 위해 각고의 노력을 하고 있다. 또한, SKT나 KTF, LGT 등에서도 동기 방식의 IMT-2000 서비스를 확대하기 위해 노력을 경주하고 있는 상황이다. 모두 열심히 노력해서 축구경기 뿐만 아니라 통신 기술에서도 성공하는 월드컵이기를 기원한다.