분산 스펙트럼
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1. 개요
분산 스펙트럼은 신호를 넓은 주파수 대역에 걸쳐 확산시키는 기술로, 주파수 도약(FHSS), 직접 확산(DSSS) 등의 방식을 포함한다. 20세기 초에 개념이 등장하여 제1차 세계 대전 중 제한적으로 사용되었으며, 제2차 세계 대전 중 헤디 라마르와 조지 앤테일에 의해 주파수 도약 방식이 개발되었다. 분산 스펙트럼은 통신 은닉성, 간섭 저항성을 높이며, 전자기 간섭(EMI) 감소를 위한 클럭 신호 생성(SSCG)에도 활용된다. 주요 응용 분야로는 군사 통신, 이동 통신, 무선 LAN, 위성 항법 시스템 등이 있다.
분산 스펙트럼 기술은 통신 신호가 원래 필요로 하는 대역폭보다 훨씬 넓은 주파수 대역에 걸쳐 전송되는 통신 방식이다. 이러한 기술의 초기 개념은 무선 통신 초창기부터 간섭을 피하고 통신을 보호하려는 시도와 함께 등장했다. 1899년 굴리에르모 마르코니는 간섭을 줄이기 위해 주파수 선택적 수신을 실험했으며,[2] 주파수 도약 개념은 니콜라 테슬라가 1903년에 출원한 미국 특허에도 일부 설명되어 있다.[3][4] 독일의 라디오 회사 텔레풍켄은 이 기술을 채택했으며, 라디오 선구자 요나단 젠네크는 1908년 독일 서적 ''무선 전신''에서 이 과정을 설명하며 텔레풍켄이 이미 사용하고 있었다고 언급했다.[2]
분산 스펙트럼 통신은 전송하려는 원래 신호의 주파수 성분보다 훨씬 넓은 대역폭을 사용하여 신호를 전송하는 방식이다.[1] 이 기술은 신호를 마치 잡음처럼 보이게 하여 통신의 보안을 높이고, 다른 통신 시스템에 대한 간섭을 줄이며, 의도적인 방해 전파(재밍)를 회피하거나 통신 사실 자체를 숨기는(저감청 확률, LPI) 등의 목적으로 사용된다.[1] 원래 군사 통신 목적으로 개발되었으나, 현재는 CDMA 방식의 휴대 전화, 무선 LAN (Wi-Fi), GPS 등 다양한 민간 분야에서도 널리 활용되고 있다.[15][16]
2. 역사
제1차 세계 대전 중 독일군이 주파수 도약 기술을 제한적으로 사용했으며,[5] 이후 1929년 폴란드 기술자 레오나르드 다닐레비츠가 제안하기도 했다.[6] 1930년대에는 빌렘 브로에르티에스가 미국 특허 1,869,659(1932년 8월 2일 발행)를 냈고,[25] 제2차 세계 대전 중에는 미 육군 신호대가 일급 비밀 통신 시스템 SIGSALY에 이 기술을 활용했다.
또한 제2차 세계 대전 중, 고전 할리우드 영화 시대의 배우 헤디 라마르와 작곡가 조지 앤테일은 연합군 어뢰의 무선 유도를 위한 재밍 방지 시스템을 개발하여 1942년 8월 11일 "비밀 통신 시스템"(미국 특허 2,292,387)으로 특허를 받았다. 이들의 방식은 피아노 롤을 이용해 주파수 변경 순서를 제어하는 독특한 아이디어였으나 실제로 구현되지는 않았다.[7]
분산 스펙트럼 기술은 1940년대부터 군사 통신 시스템에 본격적으로 알려지고 사용되기 시작했으며, 1950년대에 이르러서는 최소 요구 대역폭보다 훨씬 넓은 대역폭으로 신호를 확산시키는 기술로 발전했다.[1] 이 기술은 통신 보안을 강화하고 다른 통신에 대한 간섭을 줄이는 데 효과적이며, 특히 재밍에 강하고 도청이 어렵다는 장점 때문에 군사적 목적으로 중요하게 활용되었다.
2. 1. 주파수 도약 방식의 발명
'''주파수 도약'''(frequency-hopping영어, '''FH''')은 주파수를 정해진 규칙(호핑 시퀀스 또는 호핑 패턴)에 따라 빠르게 바꾸면서 송수신기 간에 통신하는 분산 스펙트럼 방식 중 하나이다. '''주파수 도약 스펙트럼 확산'''(frequency hopping spread spectrum영어, '''FHSS''')이라고도 불린다. 송신 측과 수신 측은 동일한 호핑 시퀀스를 공유하며, 이 순서에 따라 통신 주파수를 계속 변경한다. 주파수를 변경하는 각 채널을 호핑 채널이라고 하며, 호핑 채널 수가 많을수록 외부의 방해나 간섭, 도청에 강해진다. 일부 호핑 채널에 잡음(노이즈)이 있더라도, 주파수를 빠르게 바꾸기 때문에 실제 통신에 미치는 영향이 줄어든다. 이런 특성 덕분에 잡음에 강하고, 호핑 시퀀스를 모르면 통신 내용을 알아듣기 어려워 통신 보안성도 높다고 평가받는다. 또한, 무선국마다 다른 호핑 시퀀스를 사용하면 다중 접속 통신도 가능하다. 이러한 장점 때문에 주로 군용 전술 무선 통신에 많이 사용된다.
무선 통신에서 간섭을 피하고 통신을 보호하려는 생각은 무선 기술 초기부터 있었다. 1899년 굴리에르모 마르코니는 간섭을 줄이기 위해 특정 주파수만 선택적으로 수신하는 실험을 진행했다.[2] 주파수 도약의 개념은 니콜라 테슬라가 1903년에 출원한 미국 특허에도 일부 설명되어 있으며,[3][4] 독일의 라디오 회사 텔레풍켄이 이 기술을 채택했다. 라디오 기술의 선구자인 요나단 젠네크는 1908년 독일에서 출판한 저서 ''무선 전신''에서 주파수 도약 과정을 설명하며 텔레풍켄이 이미 사용하고 있었다고 언급했다.[2] 이 기술은 제1차 세계 대전 중 독일군이 제한적으로 사용했으며,[5] 1929년에는 폴란드 기술자 레오나르드 다닐레비츠가 제안했다.[6] 또한, 1932년 8월 2일에 발행된 빌렘 브로에르티에스의 미국 특허 1,869,659[25]와 제2차 세계 대전 중 미 육군 신호대가 사용한 일급 비밀 통신 시스템 SIGSALY에도 주파수 도약 기술이 적용되었다.
제2차 세계 대전 중에는 고전 할리우드 영화 시대의 유명 여배우 헤디 라마르와 전위적인 작곡가 조지 앤테일이 연합군의 어뢰를 위한 '''재밍 방지''' 무선 유도 시스템을 개발했다. 이들은 "비밀 통신 시스템"이라는 이름으로 1942년 8월 11일 미국 특허 2,292,387을 획득했다. 이들의 방식은 자동 피아노에 사용되는 종이 롤(피아노 롤)을 이용하여 주파수 변경 순서를 제어한다는 점에서 매우 독창적이었으나, 실제로 구현되어 사용되지는 않았다.[7][17][18]
2. 2. 직접 확산 방식의 발명
'''직접 확산'''(direct sequence|직접 시퀀스eng, '''DS''') 또는 '''직접 시퀀스'''는 스펙트럼 확산 방식 중 하나로, 송신하려는 데이터보다 훨씬 넓은 주파수 대역에 걸쳐 에너지를 분산시켜 통신하는 기술이다.[19][20] 이 방식은 송신 측과 수신 측이 공유하는 특수한 코드인 '''확산 부호'''(spreading code)를 기반으로 작동한다. 이 때문에 '''직접 시퀀스 스펙트럼 확산'''(direct sequence spread spectrumeng, '''DSSS''')이라고도 불린다.
기술적으로 송신 측에서는 원래의 송신 데이터에 확산 부호를 곱하는 연산을 수행한다. 이 과정을 통해 데이터의 에너지가 원래 점유하던 대역보다 훨씬 넓은, 때로는 수십 배에서 수천 배에 달하는 넓은 주파수 대역으로 확산되어 송신된다. 확산에 사용되는 부호의 기본 단위를 '''칩'''(chip)이라고 부른다. 예를 들어, 원래 대역폭이 1MHz였던 신호를 100MHz 대역으로 확산시키면, 신호의 겉보기 전압은 1/100로 줄어들어 잡음 수준 아래로 내려갈 수 있다. 이처럼 신호 자체의 검출이 어려워지며, 낮은 송신 전력으로도 통신이 가능하다는 장점이 있다.[21]
수신 측에서는 송신 측과 동일한 확산 부호를 알고 있기 때문에, 이를 이용해 '''역확산 부호'''(despreading code)를 생성한다. 수신된 넓은 대역의 신호에 이 역확산 부호를 곱하는 연산을 수행하면, 원래의 송신 데이터가 복원된다. 확산 부호로는 주로 자기 상관성이 낮은 특성을 가진 '''의사 랜덤 잡음'''(pseudo random noiseeng, '''PN''') 패턴이 사용된다.[23] 또한, 두 종류의 PN 계열을 조합하여 만든 '''골드 시퀀스'''(Gold sequence)나 '''최대 길이 시퀀스'''(M-sequence) 등도 확산 부호로 활용된다.
직접 확산 방식은 여러 장점을 가진다. 첫째, 신호가 매우 넓은 대역에 분산되므로 특정 주파수에 국한된 잡음이나 간섭 신호의 영향이 크게 줄어든다. 즉, 잡음의 영향도 함께 확산되어 약화되므로 잡음 내성이 강하다.[22] 둘째, 신호 에너지가 넓게 퍼져 전력 밀도가 낮아지기 때문에, 제3자가 신호 자체를 탐지하기 어렵다. 또한, 올바른 역확산 부호를 모르면 수신된 신호가 잡음처럼 들리므로 도청이 어렵고 통신의 은닉성이 높아진다. 정당한 수신자가 아닌 사람이 해독하려면 광대역 수신기로 신호를 기록한 뒤 여러 가능한 역확산 부호를 시도해야 하므로 매우 어렵다.[24]
이러한 특성 덕분에 직접 확산 방식은 다양한 분야에 응용된다. 대표적으로 각기 다른 확산 부호를 사용자마다 할당하여 동일한 주파수 대역에서 여러 사용자가 동시에 통신할 수 있게 하는 부호 분할 다중 접속(CDMA) 기술의 기반이 된다. 또한 레이더 시스템에도 적용되어, 기존 레이더보다 훨씬 낮은 송신 전력으로도 목표물을 탐지할 수 있게 한다. 이는 레이더 장비의 소형화, 저전력화, 반도체화를 가능하게 하며, 낮은 송신 전력으로 인해 적에게 탐지될 가능성도 낮춘다.[19][20]
3. 분산 스펙트럼 방식
주요 분산 스펙트럼 방식은 다음과 같이 나눌 수 있다.[1]
이러한 분산 스펙트럼 기술들은 종종 의사 난수 시퀀스를 사용하여 신호의 확산 패턴을 제어하며[1], 공통적으로 간섭이나 도청, 신호 감쇠 현상인 페이딩에 강한 특성을 보인다. 또한, 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유하면서 동시에 통신할 수 있는 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기능을 가능하게 한다.[1]
3. 1. 주파수 도약 방식 (FHSS)
'''주파수 도약'''(frequency-hopping영어, '''FH''')은 분산 스펙트럼 통신 방식 중 하나로, 송신기와 수신기가 미리 정해진 패턴에 따라 주파수를 빠르게 변경하며 통신하는 기술이다.[1] '''주파수 도약 스펙트럼 확산'''(frequency hopping spread spectrum영어, '''FHSS''')이라고도 부른다.
송신측과 수신측은 '호핑 시퀀스' 또는 '호핑 패턴'이라는 규칙을 공유한다. 이 규칙에 따라 특정 통신 대역 내에서 여러 개의 주파수 채널(호핑 채널)을 빠른 속도로 옮겨 다니며 데이터를 전송한다. 호핑 채널의 수가 많을수록 전파 방해(간섭)나 도청에 더 강한 특성을 보인다.[1] 특정 주파수 채널에 잡음이 발생하더라도, 계속해서 주파수를 바꾸기 때문에 통신 전체가 방해받을 확률이 낮아진다. 이러한 특성 때문에 FHSS는 특히 펄스 형태의 잡음이나 간섭에 강한 면모를 보인다.[1]
또한, 호핑 시퀀스를 알지 못하면 중간에서 신호를 가로채더라도 내용을 파악하기 어렵기 때문에 통신의 보안 및 은닉성이 향상된다.[1] 서로 다른 무선국이 각기 다른 호핑 시퀀스를 사용하면 같은 주파수 대역에서 여러 사용자가 동시에 통신하는 다중 접속 (Multiple Access)도 가능하다. 이러한 장점 때문에 군사 통신이나 전술 무선 시스템 등에서 널리 활용된다.
FHSS 기술의 기초적인 아이디어는 제2차 세계 대전 중 배우 헤디 라마르와 작곡가 조지 앤타일이 어뢰의 무선 조종 시스템을 위해 고안한 것에서 비롯되었다.[17][18]
3. 2. 직접 확산 방식 (DSSS)
'''직접 확산''' 또는 '''직접 시퀀스''' (direct sequence|eng, '''DS''') 방식은 송신하려는 데이터보다 훨씬 넓은 주파수 대역으로 에너지를 분산시켜 통신하는 스펙트럼 확산 기술 중 하나이다.[1] 송신자와 수신자 양측이 미리 약속된 "확산 부호"라는 일종의 비밀 키를 공유하고 이를 기반으로 신호를 처리한다. 이 방식을 '''직접 시퀀스 스펙트럼 확산''' (direct sequence spread spectrum|eng, '''DSSS''')이라고도 부른다.
DSSS의 기본적인 원리는 송신 측에서 원래의 데이터 신호에 확산 부호를 곱하는 연산을 수행하여, 데이터 신호의 에너지를 훨씬 넓은 주파수 대역으로 펼쳐서 보내는 것이다. 데이터 신호가 차지하던 대역폭보다 수십 배에서 수천 배까지 넓은 대역으로 확산될 수 있다. 이때 확산에 사용되는 빠른 속도의 부호 비트를 "칩(chip)"이라고 부른다. 이렇게 넓은 대역으로 신호가 확산되면, 특정 주파수에서의 신호 세기는 원래 신호보다 훨씬 약해진다. 예를 들어, 대역폭이 1MHz였던 신호를 100MHz 대역으로 확산시키면, 겉보기 신호 세기는 1/100로 줄어들어 잡음 수준 아래로 내려갈 수도 있다. 이 때문에 신호 자체를 탐지하기 어려워지는 효과가 있다.[21]
수신 측에서는 송신 측과 동일한 확산 부호를 알고 있으므로, 이 확산 부호를 이용하여 "역확산 부호"를 생성한다. 수신된 넓은 대역의 신호에 역확산 부호를 곱하는 연산을 수행하면, 원래의 데이터 신호가 복원되고 동시에 넓은 대역에 퍼져 있던 잡음이나 간섭 신호는 다시 넓게 퍼지게 되어 그 영향력이 줄어든다.
확산 부호로는 주로 자기 상관 특성이 좋고, 서로 다른 부호 간의 상호 상관은 낮은 의사 난수 (pseudo random noise|eng, '''PN''') 패턴이 사용된다.[23] 대표적으로 골드 시퀀스나 M 시퀀스 등이 확산 부호로 사용된다.
DSSS 방식은 여러 장점을 가진다.
이러한 특성 덕분에 DSSS 방식은 레이더 시스템에도 응용된다. DSSS 레이더는 기존 레이더보다 훨씬 낮은 송신 전력으로도 목표물을 탐지할 수 있어[19], 레이더파의 탐지가 어렵고[20], 장비의 소형화 및 저전력화가 가능하다. 또한, 단순한 방해 전파에는 강하지만, 지연파를 이용한 위치 기만은 어렵다는 장점도 있다.
물론, 정당한 수신자가 아닌 제3자가 통신 내용을 해독하는 것이 불가능한 것은 아니다. 광대역 수신 장비로 신호를 기록한 뒤, 가능한 여러 역확산 부호를 대입해보는 방식으로 해독을 시도할 수 있지만, 이는 매우 어려운 과정이다.[24] DSSS는 CDMA 방식의 휴대 전화, 무선 LAN (IEEE 802.11 시리즈, Wi-Fi) 등 다양한 무선 통신 시스템에 널리 활용되고 있다.[15]
3. 3. 시간 도약 방식 (THSS)
시간 도약 분산 스펙트럼(Time-Hopping Spread Spectrum|타임 호핑 스프레드 스펙트럼eng, THSS)은 분산 스펙트럼 기술의 한 형태이다. 이는 주파수 도약 분산 스펙트럼 (FHSS), 직접 시퀀스 분산 스펙트럼 (DSSS), 첩 분산 스펙트럼 (CSS) 등과 함께 주요 분산 스펙트럼 기술 중 하나로 언급된다.[1]
3. 4. 처프 확산 방식 (CSS)
분산 스펙트럼 기술의 한 종류로 처프 확산 방식(Chirp Spread Spectrum|CSSeng)이 있다. 이 방식은 주파수가 시간에 따라 선형적으로 증가하거나 감소하는 처프 신호를 사용하여 통신 신호를 넓은 대역으로 확산시킨다. 즉, 신호의 주파수가 일정한 패턴으로 점진적으로 변하는 특징을 이용한다.
처프 확산 방식은 낮은 전력으로도 먼 거리까지 통신할 수 있는 장점이 있어, 사물인터넷 (IoT) 분야에서 주목받는 저전력 장거리 통신 (LPWAN) 기술인 LoRa 등에서 핵심 기술로 사용된다.
다른 주요 분산 스펙트럼 방식으로는 주파수 도약 분산 스펙트럼 (FHSS), 직접 시퀀스 분산 스펙트럼 (DSSS), 시간 도약 분산 스펙트럼 (THSS) 등이 있으며, 때로는 이러한 기술들을 조합하여 사용하기도 한다.[1]
3. 5. 하이브리드 방식
하이브리드 방식은 직접 시퀀스(DS) 방식과 주파수 도약(FH) 방식을 함께 사용하는 기술이다. 일반적으로 먼저 DS를 적용한 후, 추가로 FH를 적용하는 방식으로 구현된다.
이 방식은 DS와 FH의 장점을 결합하여 처리 이득을 높일 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, DS의 중첩을 절반으로 줄인 뒤 FH를 적용하면 처리 이득이 3dB 향상될 수 있다. 하지만 여러 방식을 결합하기 때문에 신호 처리에 필요한 연산량이 증가한다는 단점도 가지고 있다. 여기서 처리 이득이란, 신호가 확산된 대역폭을 원래 전송하려던 데이터의 대역폭으로 나눈 값을 의미한다.
4. 분산 스펙트럼 클럭 신호 생성 (SSCG)
분산 스펙트럼 클럭 생성(SSCG, Spread Spectrum Clock Generation영어)은 동기식 회로, 특히 마이크로프로세서를 포함하는 시스템에서 발생하는 전자기 간섭(EMI)의 스펙트럼 밀도를 줄이기 위해 사용되는 기술이다. 동기식 디지털 시스템은 클럭 신호에 의해 작동하는데, 이 신호는 주기적인 특성상 특정 주파수와 그 고조파에 에너지가 집중되는 경향이 있다. 이로 인해 실제 시스템에서는 특정 주파수에서 FCC, JEITA, IEC 등에서 정한 전자기 간섭 규제 한도를 초과하는 강한 전자기파가 방출될 수 있다.
SSCG는 클럭 신호에 의도적으로 지터(jitter)를 가하여 클럭 에너지의 스펙트럼을 더 넓은 주파수 대역으로 분산시킨다. 이를 통해 특정 주파수에서의 에너지 집중을 완화하여 방사되는 에너지 최고점을 줄이고, 결과적으로 시스템이 전자기 적합성(EMC) 규정을 준수하는 데 도움을 준다. PCIe, USB 3.0, SATA 등에서는 저주파 소스를 이용한 주파수 변조를 통해 클럭 주파수를 약간 낮추는 방식(다운스프레딩, downspreading)이 흔히 사용된다.[8]
SSCG는 비교적 간단한 수정만으로 구현 가능하여 규제 승인을 얻기 위한 방법으로 널리 사용된다. 특히 더 빠른 클럭 속도와 고해상도 LCD 디스플레이를 탑재하는 소형 휴대용 기기에서 중요성이 커지고 있다. 이러한 기기들은 가볍고 저렴하게 설계되는 경우가 많아 콘덴서나 금속 차폐 같은 전통적인 수동적 EMI 감소 기법을 적용하기 어렵기 때문에, SSCG와 같은 능동적 EMI 감소 기법이 필요하다.
하지만 SSCG는 다른 동적 주파수 변경 기술과 마찬가지로 몇 가지 기술적 어려움을 야기할 수 있다. 가장 대표적인 문제는 클럭 신호와 데이터 간의 정렬 불량, 즉 클럭 스큐이다. 수신 측의 위상 고정 루프(PLL)는 변조된 클럭 신호를 정확히 추적할 수 있도록 충분한 대역폭을 가져야 한다.[9]
또한 SSCG는 방출되는 총 에너지양을 줄이는 것이 아니라 에너지를 더 넓은 대역폭으로 분산시키는 방식이므로, 시스템 전체의 간섭 발생 가능성 자체가 낮아지는 것은 아니다. EMC 테스트는 보통 약 120 kHz 폭의 주파수 대역으로 나누어 측정하는데,[14] SSCG는 특정 대역에서의 측정값을 낮춰 규제 한계를 통과하도록 돕는다. 이 때문에 SSCG가 실제 간섭 문제를 근본적으로 해결하기보다는 규제 기준의 허점을 이용하는 것이 아니냐는 비판도 존재한다.[9] 특정 협대역(narrowband)에 민감한 장비는 간섭을 덜 받게 되지만, 광대역(wideband) 장비나 다른 주파수에서 작동하는 장비(예: 다른 방송국으로 튜닝된 라디오 수신기)는 오히려 더 많은 간섭을 경험할 수도 있다.
FCC 인증 시험 등에서는 SSCG 기능을 활성화한 상태로 진행하여 측정된 방출량을 규제 한도 내로 맞추는 경우가 많다. 하지만 일부 개인용 컴퓨터의 BIOS 설정에서는 사용자가 SSCG 기능을 비활성화할 수 있도록 허용하기도 한다. 이는 EMI 규제의 본래 목적을 무력화할 수 있다는 점에서 허점으로 지적되기도 하지만, 기본 설정이 활성화 상태라면 일반적으로 문제 삼지 않는다. SATA[10] 등 일부 인터페이스에서는 SSCG 호환성이 요구되기도 하지만, 간혹 SSCG 클럭 처리에 문제를 보이는 칩셋도 발견된다.[11][12][13] SSCG를 비활성화하는 것은 오버클럭 사용자들에게 유용하게 여겨지기도 하는데, SSCG로 인한 타이밍 변화(지터)가 달성 가능한 최대 클럭 속도를 낮출 수 있기 때문이다.
5. 동기 및 원근 문제
FH 방식과 DS 방식 모두 송신기와 수신기 사이에 동기화가 정확히 이루어져야 기대하는 처리 이득을 얻을 수 있다. 동기화 과정은 두 단계로 나뉜다. 첫 번째는 '동기 포착(Acquisition)'으로, 초기 동기를 맞추는 과정이다. 두 번째는 '동기 추적(Tracking)'으로, 한번 맞춰진 동기를 계속 유지하는 과정이다.
분산 스펙트럼(SS) 방식에는 '원근 문제(Near-Far Problem)'라는 고유한 어려움이 존재한다. 이 방식은 동일한 주파수 대역을 여러 송신기와 수신기가 공유하여 사용하는데, 이때 송신 출력이 매우 강한 기지국 근처에 있는 약한 신호는 수신기에서 제대로 수신되지 못하는 현상이 발생한다. 이러한 원근 문제는 특히 DS 방식에서 두드러지게 나타난다. 이 문제를 완화하기 위해 각 송신기의 출력을 적절히 제어하여 지나치게 강한 신호를 보내는 기지국이 없도록 조정하는 방법을 사용한다.
6. 응용 분야
분산 스펙트럼 기술은 원래 군사 통신 분야에서 통신의 보안을 강화하고 전파 방해를 극복하기 위한 목적으로 개발되었으나,[1] 그 기술적 장점으로 인해 점차 다양한 민간 분야로 응용 범위가 확대되었다.[15]
대표적인 민간 응용 분야로는 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기술을 사용하는 휴대 전화 시스템, 무선 LAN(IEEE 802.11 시리즈, Wi-Fi), 무선 접속, 그리고 위성 항법 시스템(GPS)[16] 등이 있다. 이러한 시스템들은 분산 스펙트럼 기술을 통해 간섭에 대한 저항성을 높이고, 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용하여 다수의 사용자를 수용할 수 있게 되었다.
분산 스펙트럼은 단순한 통신 방식을 넘어 정보 변환 기술로서도 활용된다. 예를 들어, 전자 기기의 클럭 발생기에서는 분산 스펙트럼 클럭 발생(Spread spectrum clock generation영어, SSCG) 기술을 적용하여 특정 주파수에 에너지가 집중되는 것을 막음으로써 전파 장애(EMI) 발생을 줄인다. 또한, 이미지 처리 분야에서는 직접 확산 방식을 이용하여 눈에 보이지 않는 미세한 색조 변화 등으로 정보를 이미지 안에 숨기는 스테가노그래피 기법에도 응용될 수 있다.
6. 1. 군사 통신
분산 스펙트럼 기술은 1940년대부터 개념이 알려졌고, 1950년대부터 군사 통신 시스템에 본격적으로 활용되기 시작했다.[1] 군사 통신의 핵심 요구사항인 보안 유지, 적의 전파 방해(재밍) 방지, 도청 회피 등을 목적으로 개발되었으며, 일반적인 통신 방식보다 훨씬 넓은 대역폭을 사용하는 것이 특징이다.군사 통신에서 분산 스펙트럼 기술이 중요한 이유는 다음과 같다.
- 전파 방해 저항성: 분산 스펙트럼 방식은 의도적인 전파 방해에 강한 특성을 보인다. 특히, 주파수 도약 분산 스펙트럼(FHSS) 방식은 펄스 형태의 재밍에 효과적이며, 직접 시퀀스 분산 스펙트럼(DSSS) 방식은 연속적인 협대역 재밍 신호의 영향을 크게 줄일 수 있다. 이는 신호 에너지를 넓은 대역폭에 분산시키거나, 통신 주파수를 빠르게 변경함으로써 방해 신호의 영향을 최소화하기 때문이다.[1]
- 도청 저항성 및 요격 확률 감소(LPI): 신호를 넓은 대역폭에 분산시키면 신호의 전력 스펙트럼 밀도(PSD)가 낮아져 배경 잡음 수준 이하로 숨겨질 수 있다. 또한, 주파수 도약(FH) 패턴이나 확산 부호(DS)를 모르면 신호 복원이 어렵기 때문에 도청 가능성이 낮아진다. 이로 인해 통신 사실 자체를 적에게 탐지당할 확률(LPI)도 줄어든다.[1] 하지만 분산 스펙트럼 기술 자체만으로는 완벽한 보안을 제공하지 못할 수 있으며, 민감한 군사 통신에서는 강력한 암호화 기술과 함께 사용되는 경우가 많다.
- 페이딩 저항성: 넓은 대역폭을 사용하므로 특정 주파수 대역에서 발생하는 다중 경로 전파로 인한 신호 감쇠(페이딩) 현상의 영향을 덜 받는다. 이는 신호가 여러 경로를 통해 수신되더라도 레이크 수신기 등을 통해 안정적으로 신호를 복원할 수 있게 돕는다.[1]
- 코드 분할 다중 접속(CDMA) 지원: 각 사용자에게 고유한 확산 부호를 할당하여 동일한 주파수 대역에서 여러 사용자가 동시에 통신할 수 있는 다중 접속 환경을 제공한다. 이는 군사 작전 시 제한된 주파수 자원을 효율적으로 활용하는 데 유리하다.[1]
이러한 장점들로 인해 분산 스펙트럼 기술은 현대 군사 통신 시스템의 핵심 기술로 자리 잡았다. 주파수 도약(FH) 방식은 전술 무선 통신 장비에 널리 사용되며, 직접 시퀀스(DS) 방식은 신호 탐지가 어렵다는 장점을 살려 레이더 시스템 등에도 응용된다. DS 방식을 적용한 레이더는 낮은 송신 출력으로도 운용이 가능하여 탐지 회피에 유리하고, 장비의 소형화 및 저전력화에도 기여한다.[19][20][21]
6. 2. 이동 통신
분산 스펙트럼 기술은 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 동시에 사용할 수 있게 하는 코드 분할 다중 접속 (CDMA) 기능을 가능하게 한다.[1] 각 사용자는 서로 다른 고유한 확산 부호(분산 시퀀스)를 할당받아 통신하므로, 신호 간의 간섭 없이 다중 접속 환경을 구현할 수 있다.이러한 특징 덕분에 분산 스펙트럼 기술, 특히 직접 시퀀스 분산 스펙트럼 (DSSS) 방식은 CDMA 방식의 휴대 전화 시스템에서 핵심 기술로 채택되어 널리 사용되었다.[15] CDMA는 제한된 주파수 자원을 효율적으로 활용하여 많은 사용자를 수용할 수 있다는 장점이 있다.
원래 군사 통신 목적으로 개발되었던 분산 스펙트럼 기술은 이후 민간 분야로 응용이 확대되어, 휴대 전화 외에도 무선 LAN (IEEE 802.11 시리즈, Wi-Fi), 무선 접속, GPS[16] 등 다양한 무선 통신 시스템에 적용되고 있다.[15]
6. 3. 무선 LAN
무선 LAN (IEEE 802.11 시리즈, Wi-Fi)은 분산 스펙트럼 기술을 활용하는 대표적인 민생용 기기 응용 분야 중 하나이다.[15] 무선 표준 IEEE 802.11은 라디오 인터페이스에서 FHSS 또는 DSSS 방식을 사용한다. 이러한 기술들은 무선 접속 환경에서 노이즈나 간섭에 대한 저항성을 높여 안정적인 통신을 제공하는 데 기여한다.6. 4. 위성 항법 시스템 (GPS)
위성 항법 시스템 (en: Global Positioning System, '''GPS''')은 분산 스펙트럼 기술을 활용하는 대표적인 민간 응용 분야 중 하나이다.[16] GPS 시스템은 지구 궤도를 도는 위성에서 지상 수신기로 신호를 전송하여 위치 정보를 제공하는데, 이때 신호 전송에 주로 직접 시퀀스 분산 스펙트럼 (DSSS) 방식이 사용된다.GPS 위성에서 보내는 신호는 매우 미약하여 지상에 도달할 때는 잡음 수준보다 낮아질 수 있다. DSSS 방식은 신호 에너지를 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 분산시키므로, 신호 자체의 전력 스펙트럼 밀도는 낮아져 탐지가 어렵지만, 수신 측에서는 약속된 확산 부호를 이용하여 원래 신호를 효과적으로 복원할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 GPS 수신기는 잡음이나 간섭이 많은 환경에서도 안정적으로 위성 신호를 수신할 수 있다.
또한, 분산 스펙트럼 기술은 코드 분할 다중 접속 (CDMA)을 가능하게 한다. 각 GPS 위성은 고유한 확산 부호(Pseudo Random Noise, PRN 코드)를 사용하여 신호를 전송하므로, 수신기는 동일한 주파수 대역에서 여러 위성으로부터 오는 신호를 동시에 수신하고 구별할 수 있다. 이는 정확한 위치 계산을 위해 필수적인 기능이다. 이처럼 분산 스펙트럼 기술은 GPS 시스템이 높은 신뢰도와 정확성을 가지고 작동하는 데 핵심적인 역할을 한다.
6. 5. 기타
분산 스펙트럼 기술은 원래 군사 통신을 위해 개발되었으나, 점차 민간 기기로 응용 범위가 확대되었다.[15] 대표적인 예로는 CDMA 방식의 휴대 전화, 무선 LAN (IEEE 802.11 시리즈, Wi-Fi), 무선 접속, GPS[16], 2세대 무선 전화 접속 등이 있다.통신 분야 외에도 다양한 영역에서 활용된다. 전자 장치의 클럭을 생성하는 클럭 발생기에서도 사용되는데, Spread spectrum clock generation|분산 스펙트럼 클럭 발생영어 (SSCG) 기술은 클럭 신호에 의도적으로 지터 (요동)를 가하여 특정 주파수에 에너지가 집중되는 것을 막는다. 이를 통해 전파 장애 (EMI)의 원인이 되는 에너지 집중을 완화하여 방해를 줄일 수 있다.
또한, 정보 변환 방법으로서의 특성을 활용하여 이미지 처리 분야에도 응용된다. 예를 들어, 특정 정보를 직접 확산 방식으로 변환하여 이미지의 색조 변화 등 눈에 보이지 않는 형태로 숨기는 스테가노그래피 기술에 사용될 수 있다.
직접 확산(DS) 방식은 레이더 시스템에도 적용된다. 기존 레이더보다 훨씬 작은 송신 전력으로도 신호 복원이 가능해져[21] 송수신 회로의 반도체화, 소형화, 저전력화 등을 가능하게 한다. 또한 송신 전력이 작아 레이더파의 탐지가 어렵고[19][20], 지연파를 이용한 위치 기만이 불가능하여 방어 효과가 높다는 장점이 있다.
참조
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