첩 확산 스펙트럼 방식을 사용하는 네트워크에서의 신호 송/수신 장치 및 방법과 그 시스템 document_id A220623061159

최근 주목 받고 있는 유비쿼터스 네트워킹은 점차 지능화, 자율화되고 있으며, 네트워크를 통해 생산, 유통, 물류 등의 경제 활동 서비스, 의료, 요양 등의 복지 서비스 그리고 환경 서비스 등 새로운 유비쿼터스 서비스를 창출하고 있다. 이로 인해 인류의 삶을 더욱 윤택하게 해주는 기술로 각광 받고 있다. 유비쿼터스 네트워킹을 구현하기 위한 통신 기술의 하나로 센서 네트워크를 예로 들 수 있다. 최근에는 상기 센서 네트워크의 일종으로 센서 노드간 데이터 전송 및 정밀한 위치 인식을 위한 IEEE 802.15.4a 표준화가 진행되고 있다. IEEE 802.15.4a는 위치 인식 기능과 저전력 기능을 특징으로 하는 위치 인식 저전력 센서 네트워크 표준화 그룹으로써 지그비(Zigbee)의 물리 계층으로 사용되는 저속 WPAN(IEEE 802.15.4)와 UWB(IEEE 802.15.3)의 혼용 기술이다. 이러한 IEEE 802.15.4a는 기존의 802.15.4-2003 물리 계층과는 별도로 3.1~106GHz에서의 새로운 변조 방식인 펄스형 UWB와 2.4GHz ISM 대역을 사용하는 첩 확산 스펙트럼(Chirp Spread Spectrum: 이하 "CSS"라 칭함)의 새로운 두가지 물리 계층이 동시에 표준으로 채택되어 있다. 상기 CSS는 전파의 세기만으로 위치 측정을 하는 기존 지그비(Zigbee) 방식 등과 달리 전파 도달 시간을 측정하여 삼각 측정법에 적용함으로써 더욱 정밀한 위치 분석이 가능하다. 또한, 방해 전파와 잡음에 대한 내구성이 뛰어나, 무선 랜 등의 타 무선 통신 방식과도 함께 사용이 가능하다. 이하에서 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 IEEE 802.15.4a에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 일반적인 CSS 전송 방식에서의 첩 신호의 주파수-시간 속성 및 베이스밴드 파형을 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, CSS 시스템에서의 첩 신호는 1개의 풀-첩(Full-Chirp) 심볼이 총 4개의 서브 첩(Sub-Chirp)(101 내지 107)으로 이루어진다. 또한 각 서브 첩은 상승형 코사인 윈도우(Raised-Cosine Window)를 사용하여 대역제한(Band Limit) 신호를 만들며, 각 하이 밴드(High Band)와 로우 밴드(Low Band)의 두 개의 첩이 존재한다. 각각의 서브 첩은 직교성을 지닌 동 위상 채널(I 채널)과 직교 위상 채널(Q 채널)을 포함하며, 이들의 위상 변조(phase modulation)를 이용하여 실제 데이터를 싣는다. 이때, 주파수가 시간이 증가함에 따라 선형적으로 증가해 가는 신호를 업-첩(Up-Chirp)(101, 103)이라 하고, 이와 반대로 주파수가 시간에 따라 선형적으로 감소해 가는 신호를 다운-첩(Down-Chirp)(105, 107)이라 한다. 도 2는 IEEE 802.15.4a 에서 정의된 4가지 심볼을 정의한 도면으로써, 동일 대역 상에서 4 개의 서로 다른 피코 넷(pico-net)을 구현하기 위하여 상호 직교적인 4가지 조합으로 이루어진 4가지 심볼을 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 Ⅰ 내지 Ⅳ, 각각의 4가지 심볼(200 내지 260)은 서로 다른 업-첩과 다운-첩의 조합으로 직교성을 보장할 뿐만 아니라, 시간차에 의해서 발생하는 직교성을 이용하기 위해 짝수 번째로 전송되는 심볼의 전송 시간 슬롯의 시작점을 달리 둠으로써 피코 넷 간의 직교성을 더 확보하고 있다. 이때, τ1 ~ τ4 는 각각 468.75, 312.5, 156.25, 0 ns 로 정의되며, 그에 따른 심볼간의 시간차는 각각 2.1875 us, 1.875 us, 1.5625 us, 1.25 us이다. 상술한 도 1 및 도 2를 참조하여 살펴보면, IEEE 802.15.4a CSS PHY 에서 정의된 첩 심볼은 4개의 서브 첩을 조합할 때, 대역 제한(band-limiting)을 위해 RC 윈도우(raised-cosine window)를 적용하므로 절대파워가 심볼 내에서 변하게 된다. 또한, 심볼간의 시간차 직교성을 위해 적용한 타임 갭(time gap)으로 인해 절대파워가 변화한다. 즉, 연속된 데이터 전송이 이루어지더라도 신호의 파워는 반복적으로 변화하게 된다. 한편, 무선 전송에서 RF(radio frequency)단에서는 송신단과 수신단의 거리 및 기타 전송 환경의 영향으로 발생하는 신호 손실(loss)을 보상하기 위하여 RF 증폭기(amplifier)를 사용한다. 이러한 증폭기의 이득(gain)을 입력되는 신호의 세기에 따라 가변하는 자동 이득 제어기(Automatic Gain Controller: AGC)를 적용하여 증폭기의 출력을 가능한 일정하게 만들어 주어야 A/D 변환기(Analog-to-digital Converter)에서 일정한 범위의 디지털 샘플링 값을 출력할 수 있다. 일반적인 무선 통신 시스템은 신호 세기가 신호의 진폭에 비례하므로 신호의 존재 유무나 전송 손실에 따른 이득 조정이 비교적 간단하다. 그러나, CSS PHY의 경우에는 신호가 존재하는 구간에서도 계속하여 파워가 변화하기 때문에, AGC의 피드백 루프(feedback loop)의 대역폭을 얼마로 할 것인지가 중요한 변수가 된다. 실제로 신호가 버스트(burst)하게 들어오는 무선 통신 시스템에서는 신호가 입력되는 순간에 AGC를 즉각적으로 낮추기 위해 피드백 루프의 대역폭이 매우 넓어야 한다. 그러나, 대역폭이 너무 높으면 CSS PHY의 심볼 내의 파워 변화까지 그대로 AGC에 반영되는 문제점이 있다. 또한, CSS PHY의 심볼간 시간차는 상대적으로 매우 길기 때문에 신호가 없다가 들어오는 경우와 구분하기 어렵다.