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주파수 도약 확산 스펙트럼

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목차

1. 개요

주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS)은 통신 신호의 주파수를 특정 패턴에 따라 빠르게 변경하여 데이터를 전송하는 기술이다. 1899년 굴리에르모 마르코니의 실험에서 그 기원을 찾을 수 있으며, 1903년 니콜라 테슬라의 특허에 언급되었다. 제1차 세계 대전 중 독일군은 도청을 방지하기 위해 제한적으로 사용했으며, 제2차 세계 대전 중에는 헤디 라마르와 조지 안테일이 어뢰의 재밍을 방지하기 위해 이 기술을 활용하여 특허를 획득했다. FHSS는 군사 통신, 특히 블루투스와 같은 민간 분야에서 활용되며, 적응형 주파수 도약(AFH)과 같은 변형 기술도 존재한다.

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주파수 도약 확산 스펙트럼
개요
유형확산 스펙트럼
변조 방식주파수 변조
약칭FHSS
기술적 특징
설명캐리어 주파수를 빠르게 전환하여 전송하는 무선 통신 기술
장점간섭에 강함
보안성이 높음
다중 경로 페이딩에 강함
단점복잡한 회로 설계 필요
동기화 문제 발생 가능
응용 분야
무선 통신블루투스
군사 통신
무선 랜 (초기)
관련 기술
직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS)
추가 정보
기타주파수 호핑 속도
대역폭
호핑 패턴

2. 역사

1899년, 굴리에르모 마르코니는 간섭을 최소화하기 위해 주파수 선택적 수신을 실험했다.[3]

문헌에 주파수 도약에 대한 최초 언급은 1903년 3월 17일 니콜라 테슬라에게 수여된 [https://patents.google.com/patent/US725605 미국 특허 725,605]에 있으며,[4] 라디오 개척자 요나단 젠네크의 저서 『무선 전신』(독일어, 1908년, 영어 번역 McGraw Hill, 1915년)에도 언급되어 있다.[5] 젠네크는 텔레풍켄이 이미 시도했다고 쓰고 있지만, 니콜라 테슬라는 "주파수 도약"이라는 문구를 직접 언급하지는 않았지만, 확실히 암시하고 있다. "신호 방식"이라는 제목의 특허는 "신호 또는 메시지가 어떤 식으로든 방해받거나, 가로채거나, 간섭받을 위험이 없는" 무선 통신 시스템을 설명한다.[6]

1920년, 오토 B. 블랙웰(Otto B. Blackwell), 드 로스 K. 마틴(De Loss K. Martin), 길버트 S. 버남(Gilbert S. Vernam)은 1926년에 [https://patents.google.com/patent/US1598673A 미국 특허 1,598,673]으로 허가된 "보안 통신 시스템"에 대한 특허를 출원했다. 이 특허는 비밀 유지를 위해 여러 주파수에서 임의적인 방식으로 신호를 전송하는 방법을 설명했으며, 이는 이후 주파수 도약 시스템의 주요 특징을 예상했다.[4]

폴란드 엔지니어이자 발명가인 레오나르드 다니레비치는 1929년 폴란드 참모본부에 주파수 도약 개념을 제안했다고 주장했지만, 거절당했다.[8]

1932년에는 윌렘 브로에르티스(Willem Broertjes)에게 "무선 전신 메시지 전송 시 보안 유지 방법"이라는 이름으로 미국 특허를 받았다.

제1차 세계 대전 중 독일군은 영국군에 의한 도청을 방지하기 위해 고정된 지휘 지점 간의 통신에 제한적으로 주파수 도약을 사용했는데, 영국군은 이러한 시퀀스를 따라갈 기술이 없었다.[7]

제2차 세계 대전 중, 미국 육군 신호대는 SIGSALY라는 통신 시스템을 발명했다. 그러나 SIGSALY는 최고 기밀 통신 시스템이었기 때문에 그 존재는 1980년대까지 알려지지 않았다.

1942년, 배우 헤디 라마르와 작곡가 조지 안테일은 어뢰가 적에게 탐지되거나 재밍되는 것을 더 어렵게 만들기 위해 88개의 주파수 간을 전환하는 데 피아노 롤을 사용하는 주파수 도약의 초기 버전인 "비밀 통신 시스템"에 대해 특허를 받았다.[9][10] 그 후 그들은 이 특허를 미국 해군에 기증했다.[11]

주파수 도약 아이디어는 1950년대 특허 검색 중에 재발견되었을 수 있다. 1957년, Sylvania Electronic Systems Division의 엔지니어들은 트랜지스터를 사용하여 주파수 도약 기술을 발전시켰다.[9] 1962년 쿠바 미사일 위기 당시 미국 해군은 실바니아의 기술을 활용했다.[12]

레이 진은 수신기-송신기를 동기화할 필요 없이 무선 장치가 작동할 수 있는 방법을 개발했다.

2. 1. 제1차 세계 대전

제1차 세계 대전 중 독일군은 영국군에 의한 도청을 방지하기 위해 고정된 지휘 지점 간의 통신에 제한적으로 주파수 도약을 사용했다.[7] 이는 영국군이 이러한 시퀀스를 따라갈 기술이 없었기 때문이다.[7] 요나단 젠네크의 저서 『무선 전신』은 원래 1908년 독일어로 출판되었지만, 적군이 전선에서 주파수 도약을 사용하기 시작하면서 1915년에 영어로 번역되었다.

2. 2. 제2차 세계 대전

제2차 세계 대전 중, 미국 육군 신호대는 SIGSALY라는 최고 기밀 통신 시스템을 발명했는데, 여기에는 단일 주파수 환경에서 확산 스펙트럼 기술이 포함되어 있었다.[9] 그러나 SIGSALY는 최고 기밀 통신 시스템이었기 때문에 그 존재는 1980년대까지 알려지지 않았다.

1942년, 배우 헤디 라마르와 작곡가 조지 안테일은 어뢰 유도 시스템에 적용하기 위해 피아노 롤을 이용한 주파수 도약 기술을 개발하여 "비밀 통신 시스템"에 대해 특허를 획득했다.[9][10] 이 기술은 어뢰가 적에게 탐지되거나 재밍되는 것을 더 어렵게 만들기 위해 88개의 주파수 간을 전환하는 방식이었다. 그 후 그들은 이 특허를 미국 해군에 기증했다.[11]

2. 3. 냉전 시대

1942년, 배우 헤디 라마르와 작곡가 조지 안테일은 어뢰가 적에게 탐지되거나 재밍되는 것을 더 어렵게 만들기 위해 88개의 주파수 간을 전환하는 데 피아노 롤을 사용하는 주파수 도약의 초기 버전인 "비밀 통신 시스템"에 대해 특허를 받았다.[9][10] 그 후 그들은 이 특허를 미국 해군에 기증했다.[11]

주파수 도약 아이디어는 1950년대 특허 검색 중에 재발견되었을 수 있다. 1957년, Sylvania Electronic Systems Division의 엔지니어들은 트랜지스터를 사용하여 주파수 도약 기술을 발전시켰다.[9] 1962년 쿠바 미사일 위기 당시 미국 해군은 실바니아의 기술을 활용했다.[12]

2. 4. 현대

1957년, Sylvania Electronic Systems Division의 엔지니어들은 헤디 라마르와 조지 안테일이 제안한 주파수 도약 아이디어를 차용하여 트랜지스터를 활용한 기술을 개발했다.[9] 1962년 쿠바 미사일 위기 당시, 미국 해군은 Sylvania Electronic Systems Division의 주파수 도약 기술을 군사 통신에 활용했다.[12]

레이 진은 수신기-송신기를 동기화할 필요 없이 무선 장치가 작동할 수 있는 주파수 도약 및 스윕 모드 기술을 개발하여, 저전력 무선 통신 분야에 기여했다. 이 기술은 유틸리티 계량, 기계 및 장비 모니터링, 원격 제어와 같은 낮은 데이터 속도 무선 응용 분야에 주로 적용된다. 진은 이 기술로 2006년에 특허를 받았다.[9]

3. 기술적 특징

주파수 도약에 필요한 전체 대역폭은 단일 반송 주파수만을 사용하여 동일한 정보를 전송하는 데 필요한 대역폭보다 훨씬 넓다. 그러나 주어진 시간에 이 대역폭의 작은 부분에서만 전송이 발생하기 때문에 순간적인 간섭 대역폭은 실제로 동일하다. 광대역 열 잡음에 대한 추가적인 보호를 제공하지는 않지만, 주파수 도약 방식은 협대역 간섭원으로 인한 성능 저하를 줄여준다.

주파수 도약 시스템의 과제 중 하나는 송신기와 수신기를 동기화하는 것이다. 한 가지 방법은 송신기가 고정된 기간 내에 모든 채널을 사용하도록 보장하는 것이다. 그러면 수신기는 임의의 채널을 선택하고 해당 채널에서 유효한 데이터를 수신 대기하여 송신기를 찾을 수 있다. 송신기의 데이터는 이 채널의 데이터 세그먼트에서 발생할 가능성이 낮은 특수 데이터 시퀀스로 식별되며, 이 세그먼트는 무결성 검사를 위한 체크섬을 포함할 수도 있다. 송신기와 수신기는 고정된 주파수 도약 패턴 테이블을 사용할 수 있으므로, 동기화되면 테이블을 따라 통신을 유지할 수 있다.

미국에서는 FCC 15부의 비면허 스펙트럼 확산 시스템에 관한 규정이 902–928 MHz 및 2.4 GHz 대역에서 비확산 스펙트럼 시스템보다 더 많은 전력을 허용한다. FHSS(주파수 도약 확산 스펙트럼) 및 DSSS(직접 시퀀스 확산 스펙트럼) 시스템 모두 1와트의 전력으로 전송할 수 있는데, 이는 비확산 스펙트럼 시스템의 1밀리와트 제한보다 천 배나 높은 수치이다. FCC는 또한 최소 주파수 채널 수와 각 채널의 최대 체류 시간을 규정한다.

3. 1. 동기화 문제

주파수 도약 시스템의 과제 중 하나는 송신기와 수신기를 동기화하는 것이다. 한 가지 방법은 송신기가 고정된 기간 내에 모든 채널을 사용하도록 보장하는 것이다. 그러면 수신기는 임의의 채널을 선택하고 해당 채널에서 유효한 데이터를 수신 대기하여 송신기를 찾을 수 있다. 송신기의 데이터는 이 채널의 데이터 세그먼트에서 발생할 가능성이 낮은 특수 데이터 시퀀스로 식별되며, 이 세그먼트는 무결성 검사를 위한 체크섬을 포함할 수도 있다. 송신기와 수신기는 고정된 주파수 도약 패턴 테이블을 사용할 수 있으므로, 동기화되면 테이블을 따라 통신을 유지할 수 있다.

3. 2. 성능

주파수 도약에 필요한 전체 대역폭은 단일 반송 주파수만을 사용하여 동일한 정보를 전송하는 데 필요한 대역폭보다 훨씬 넓다. 그러나 주어진 시간에 이 대역폭의 작은 부분에서만 전송이 발생하기 때문에 순간적인 간섭 대역폭은 실제로 동일하다. 광대역 열 잡음에 대한 추가적인 보호를 제공하지는 않지만, 주파수 도약 방식은 협대역 간섭원으로 인한 성능 저하를 줄여준다. 주파수 도약 시스템의 과제 중 하나는 송신기와 수신기를 동기화하는 것이다. 한 가지 방법은 송신기가 고정된 기간 내에 모든 채널을 사용하도록 보장하는 것이다. 그러면 수신기는 임의의 채널을 선택하고 해당 채널에서 유효한 데이터를 수신 대기하여 송신기를 찾을 수 있다. 송신기의 데이터는 이 채널의 데이터 세그먼트에서 발생할 가능성이 낮은 특수 데이터 시퀀스로 식별되며, 이 세그먼트는 무결성 검사를 위한 체크섬을 포함할 수도 있다. 송신기와 수신기는 고정된 주파수 도약 패턴 테이블을 사용할 수 있으므로, 동기화되면 테이블을 따라 통신을 유지할 수 있다.

미국에서는 FCC 15부의 비면허 스펙트럼 확산 시스템에 관한 규정이 902–928 MHz 및 2.4 GHz 대역에서 비확산 스펙트럼 시스템보다 더 많은 전력을 허용한다. FHSS(주파수 도약 확산 스펙트럼) 및 DSSS(직접 시퀀스 확산 스펙트럼) 시스템 모두 1와트의 전력으로 전송할 수 있는데, 이는 비확산 스펙트럼 시스템의 1밀리와트 제한보다 천 배나 높은 수치이다. FCC는 또한 최소 주파수 채널 수와 각 채널의 최대 체류 시간을 규정한다.

4. 활용 분야

4. 1. 군사

확산 스펙트럼 신호는 적이 주파수 도약 패턴을 알고 있지 않는 한 고의적인 전파 방해에 매우 강하다. 군용 무전기는 송신자와 수신자가 사전에 공유하는 비밀 전송 보안 키(TRANSEC)의 제어 하에 주파수 도약 패턴을 생성한다. 이 키는 KY-57 음성 보안 장비와 같은 장치에 의해 생성된다. 주파수 도약을 사용하는 미국 군용 무전기에는 JTIDS/MIDS 제품군, HAVE QUICK 항공 이동 통신 시스템 및 SINCGARS 전투 통신망 무전기, Link-16이 포함된다.

4. 2. 민간

미국에서는 연방 통신 위원회(FCC)가 규정을 개정하여 비규제 2.4 GHz 대역에서 FHSS 시스템을 허용하였다. eFCC CFR 47 part 15.247은 902–928 MHz, 2400–2483.5 MHz, 5725–5850 MHz 대역에 대한 미국의 규정과 주파수 도약에 대한 요구 사항을 다룬다.[2]

FHSS 기술을 사용하는 일부 무전기는 900 MHz 대역에서 비면허 사용을 위해 개발되었다. FHSS 기술은 무선 조종 모형 자동차, 비행기 및 드론에 사용되는 많은 취미용 송수신기에 사용된다. 이전의 FM 또는 AM 무선 조종 시스템과 달리, 동일한 대역에서 수백 쌍의 송신기/수신기가 동시에 작동할 수 있도록 하는 다중 접속 방식이 구현되었으며, 이는 동시 채널이 제한적이었다.

주파수 도약 시스템의 과제 중 하나는 송신기와 수신기를 동기화하는 것이다. 한 가지 방법은 송신기가 고정된 기간 내에 모든 채널을 사용하도록 보장하는 것이다. 그러면 수신기는 임의의 채널을 선택하고 해당 채널에서 유효한 데이터를 수신 대기하여 송신기를 찾을 수 있다. 송신기와 수신기는 고정된 주파수 도약 패턴 테이블을 사용할 수 있으므로, 동기화되면 테이블을 따라 통신을 유지할 수 있다.

미국에서는 FCC 15부의 비면허 스펙트럼 확산 시스템에 관한 규정이 902–928 MHz 및 2.4 GHz 대역에서 비확산 스펙트럼 시스템보다 더 많은 전력을 허용한다. FHSS 및 DSSS 시스템 모두 1와트의 전력으로 전송할 수 있는데, 이는 비확산 스펙트럼 시스템의 1밀리와트 제한보다 천 배나 높은 수치이다. FCC는 또한 최소 주파수 채널 수와 각 채널의 최대 체류 시간을 규정한다.

4. 3. 적응형 주파수 도약 (AFH)

블루투스는 적응형 주파수 도약(AFH)을 사용하여 무선 주파수 간섭을 줄인다. AFH는 "좋은" 주파수만 사용하고 "나쁜" 주파수, 즉 주파수 선택적 페이딩을 겪거나, 제3자가 통신을 시도하거나, 적극적으로 재밍되는 주파수를 피하는 방식으로 작동한다. 이를 위해 AFH는 좋고 나쁜 채널을 감지하는 메커니즘을 갖추고 있다.

하지만 무선 주파수 간섭 자체가 동적인 경우, AFH의 "나쁜 채널 제거" 전략은 제대로 작동하지 않을 수 있다. 예를 들어, 여러 개의 동일 위치에 있는 주파수 도약 네트워크(블루투스 피코넷)가 있는 경우 서로 간섭하여 AFH 전략이 실패할 수 있다.

이러한 동적 간섭 문제, 사용 가능한 도약 채널의 점진적 감소, 그리고 레거시 블루투스 장치와의 하위 호환성 문제는 블루투스 표준 버전 1.2(2003)에서 해결되었다. 이러한 상황은 비면허 대역을 사용하는 시나리오에서 자주 발생할 수 있다.

동적 무선 주파수 간섭은 네트워크와 장치가 주파수 가변 작동을 해야 하는 인지 무선 관련 시나리오에서도 발생할 수 있다.

짹짹 변조는 사용 가능한 주파수를 순차적으로 스캔하는 주파수 도약의 한 형태로 볼 수 있다. 주파수 도약은 시스템 성능을 향상시키기 위해 다른 변조 또는 파형에 중첩될 수 있다.

5. 한국의 주파수 도약 기술

5. 1. 스마트 팩토리

5. 2. 사물 인터넷 (IoT)

5. 3. 관련 연구 및 표준화

6. 변형 기술

블루투스에서 사용되는 '''적응형 주파수 도약 확산 스펙트럼'''('''AFH''')은 도약 시퀀스에서 혼잡한 주파수를 피함으로써 무선 주파수 간섭에 대한 저항성을 개선한다. 이러한 종류의 적응형 전송은 DSSS보다 FHSS로 구현하기가 더 쉽다.

AFH의 핵심 아이디어는 "좋은" 주파수만 사용하고 "나쁜" 주파수, 즉 주파수 선택적 페이딩을 겪는 주파수, 제3자가 통신을 시도하는 주파수 또는 적극적으로 재밍되는 주파수를 피하는 것이다. 따라서 AFH는 좋고 나쁜 채널을 감지하는 메커니즘으로 보완되어야 한다.

그러나 무선 주파수 간섭 자체가 동적인 경우 AFH의 "나쁜 채널 제거" 전략은 제대로 작동하지 않을 수 있다. 예를 들어, 여러 개의 동일 위치에 있는 주파수 도약 네트워크(블루투스 피코넷)가 있는 경우 서로 간섭하며 AFH의 전략은 이러한 간섭을 피하는 데 실패한다.

동적 간섭 문제, 사용 가능한 도약 채널의 점진적 감소 및 레거시 블루투스 장치와의 하위 호환성은 블루투스 표준 버전 1.2(2003)에서 해결되었다. 이러한 상황은 종종 비면허 대역을 사용하는 시나리오에서 발생할 수 있다.

또한, 동적 무선 주파수 간섭은 네트워크와 장치가 주파수 가변 작동을 나타내야 하는 인지 무선과 관련된 시나리오에서 발생할 것으로 예상된다.

짹짹 변조는 통신하기 위해 사용 가능한 주파수를 순차적으로 스캔하는 주파수 도약의 한 형태로 볼 수 있다.

주파수 도약은 시스템 성능을 향상시키기 위해 다른 변조 또는 파형에 중첩될 수 있다.

6. 1. 짹짹 변조 (Chirp Modulation)

짹짹 변조는 통신을 위해 사용 가능한 주파수를 순차적으로 스캔하는 주파수 도약의 한 형태로 볼 수 있다. 주파수 도약은 시스템 성능을 향상시키기 위해 다른 변조 또는 파형에 중첩될 수 있다.

참조

[1] 서적 Principles of Spread-Spectrum Communication Systems, 4th ed.
[2] 웹사이트 47 CFR § 15.247 - Operation within the bands 902–928 MHz, 2400–2483.5 MHz, and 5725–5850 MHz. https://www.law.corn[...] law.cornell.edu 2019-12-17
[3] 서적 How I Discovered World War II's Greatest Spy and Other Stories of Intelligence and Code https://books.google[...] Auerbach Publications 2014
[4] 간행물 Random Paths to Frequency Hopping https://www.american[...] 2019-01-01
[5] 서적 Wireless Telegraphy McGraw-Hill 1915-08-01
[6] 웹사이트 A short history of spread spectrum https://www.eetimes.[...] 2012-01-26
[7] 서적 Haig's Command - A Reassessment
[8] 서적 Enigma: How the German Machine Cipher Was Broken, and How It Was Read by the Allies in World War II 1984
[9] 간행물 June 1941: Hedy Lamarr and George Antheil submit patent for radio frequency hopping https://www.aps.org/[...] 2011-06-01
[10] 웹사이트 Hedy Lamarr: Not just a pretty face https://www.scientif[...] 2008-06-03
[11] 웹사이트 Remarks by Director Andrei Iancu at 2018 Military Invention Day https://www.uspto.go[...] United States Department of Commerce 2018-05-19
[12] 간행물 A tale of two lives https://physicsworld[...] 2018-08-01


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