근거리 무선 네트워크에서 기기 간의 간섭의 감소 및 대역폭 효율의 증대를 위한 중첩 상승여현 펄스정형 OQQPSK 변조 기법에 관한 연구

최근 데이터 통신 시스템을 위한 다양한 무선 통신 기법들이 연구되어왔다. 국내에서 제안된 근거리 무선통신 기술 피코캐스트(Picocast)는 이미 국제 표준 과정을 거쳤으며 지속적인 기술 연구를 통해 진화가 이뤄지고 있다[1]. 피코캐스트 기술은 국제적으로 비면허로 동작할 수 있는 2.4GHz인 ISM 대역에서 운영된다[2,3]. 이 주파수 대역은 이미 보편화 되어있는 WLAN을 비롯하여 Bluetooth, Zigbee와 같은 다양한 근거리 무선 네트워크(Wireless Personal Area Networks : WPAN) 기술들이 사용되고 있으며 이들의 사용량은 지금도 꾸준히 증가되고 있다. 사용량이 증가됨에 따라 무선 기기들은 같은 공간에 존재하는 경우가 점점 빈번해지고 있으며 같은 공간에서 같은 주파수 대역을 사용함에 따라 시스템 상호간 간섭으로 인한 문제들이 더욱 증가될 것이다. 따라서 피코캐스트, WLAN, Bluetoothe, Zigbee 등의 통신 장치들이 공존하는 2.4GHz 주파수 대역에서는 이종 시스템 간의 간섭뿐만 아니라 동종 시스템 간의 간섭도 발생하므로 잡음에 강인하면서도 타 시스템에 대해 간섭을 최소화하기 위해 스펙트럼 효율이 우수한 변조 방식에 대한 연구가 진행되어왔다.
각각의 무선 기기에서 사용되는 변조 방식은 다음과 같다. IEEE 802.15.1에서 무선 주파수를 이용하여 서로 통신할 수 있도록 정의된 Bluetooth 는 GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying) 방식을 사용한다[4]. IEEE 802.15.4 Zigbee는 저가, 저속, 저전력 근거리 무선 네트워크를 위해 정의된 표준이며 변조 방식으로는 OQPSK(Offset Quadrature Phase Shift Keying) 방식을 사용한다[5]. 피코캐스트 1.0은 Bluetooth와 동일하게 GFSK 변조 방식을 사용한다[2]. 다음 버전인 피코캐스트 2.0은 빠른 멀티미디어의 확산과 그에 따른 데이터 사용의 증가에 따라 고속의 데이터 전송 속도의 요구를 만족시키기 위하여 피코캐스트 1.0과 Bluetooth, Zigbee에서 사용되는 변조 방식인 GFSK와 OQPSK보다 대역폭 효율이 증가된 방식 고려되고 있다. 차기 피코캐스트 2.0에서는 두 개의 MSK(Minimum Shift Keying) 신호를 멀티플렉싱한 QMSK(Quadrature Minimum Shift Keying)가 검토되고 있다.
OQPSK변조 방식은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)에서 I 채널 Q 채널의 데이터가 동시에 변화하면 도, 즉 만큼의 반송파 위상 변화가 발생하는데 이를 방지하기 위한 것이다[6]. QPSK 변조된 신호에서 의 위상차이는 송신기 및 수신기 필터를 통과하면 출력 신호의 진폭에 변화가 일어나게 되며 추가적인 오차를 발생시킨다. 특히 의 위상 천이는 포락선을 순간적으로 0이 되게 한다. 따라서 선형성(linearity)이 매우 좋은 전력 증폭기의 사용이 요구된다[7]. 만일 I 채널과 Q 채널의 부호가 동시에 변화하는 경우가 발생하지 않도록 한다면 QPSK 신호의 위상은 변화하는 경우가 발생하지 않는다. OQPSK 변조 방식은 I 채널과 Q 채널의 데이터 중 하나가 시간 상으로 반 심볼 길이만큼, 즉 만큼 지연되도록 만들고 직교 반송파로 다중화 변조하는 전송 방식이다. 이와 같이 두 채널의 신호간에 시간차가 생기게 함으로써 I 채널과 Q 채널이 동시에 부호 변화가 일어나는 것을 방지하여 변조된 신호의 방송파 위상이 천이되는 현상이 발생하지 않는다. QPSK가 마다 위상 천이가 일어나는데 비해 OQPSK는 마다 최대 의 위상 천이가 일어날 수 있으며, 필터를 통과하였을 때 QPSK와 달리 포락선이 순간적으로 0으로 떨어지는 일이 발생하지 않는다. 즉 OQPSK 신호도 대역제한 필터를 통과하였을 때 순간적으로 포락선 변동이 생길 수 있지만 QPSK에 비해 변화 폭이 작다. 이러한 이유로 OQPSK는 시스템이나 채널 비선형성이 있는 경우, 또는 이동 단말기와 같은 증폭기의 높은 효율이 요구되는 경우 유리하다. 하지만 QPSK나 OQPSK 변조된 신호는 나 의 위상 변화가 있기 때문에 고주파 성분이 많이 생성된다. 따라서 위상 변화 폭을 더 줄이면 대역 외 스펙트럼 특성을 더 좋게 만들 수 있을 것이다. MSK(Minimum Shift Keying)은 OQPSK 신호에 펄스 정형을 함으로써 신호의 위상 변화를 연속적으로 하는 변조 방식이다[8].
MSK 변조 방식은 QPSK에 비하여 주엽의 크기가 증가하지만 부엽의 크기가 대폭 감소하여 인접 채널 간의 간섭이 줄어든다. 또한 전송 신호가 정 포락선 특성을 유지하여 비선형 채널에서 충격성 잡음에 강인하므로 비용이 저렴하고 전력 효율이 좋은 비선형 증폭기를 사용할 수 있다[9].
[10]에서 제안된 방식은 기저대역 MSK 신호에 Gaussian-Filter를 적용하여 펄스 정형함으로써 GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying)이라 불린다. GMSK와 Bluetooth에서 사용되는 GFSK는 Gaussian-Filter를 사용하므로 부엽의 크기가 MSK나 FSK에 비하여 더 억제되는 방식이다. 하지만 부엽의 크기를 줄여 채널 간 간섭을 줄이는 것도 중요하지만 디지털 통신 시스템 설계에서는 주어진 대역폭에서 가장 높은 데이터 전송 속도를 제공하도록 하는 것도 중요하다.
MSK와 GMSK는 정 포락선 특성을 유지하면서 좋은 스펙트럼 특성을 가져 대역폭 효율이 우수한 연속 위상변조(Continuous Phase Modulation : CPM)에 해당된다. CPM 변조 방식은 주파수 펄스 길이에 의해 크게 두 종류로 구분되는데 펄스 길이가 한 심볼 구간인 경우 full response라 하고 여러 심볼 구간인 경우 partial response로 구분한다[11~14].
Full response CPM은 주파수 펄스가 한 심볼로 제한되므로 심볼 간 간섭인 ISI가 발생하지 않아 비트오율 성능이 우수하며 대표적인 변조 방식으로는 MSK가 이에 해당된다. Partial response CPM은 주파수 펄스의 길이가 여러 심볼이므로 ISI에 의한 약간의 성능 열화가 발생하지만 위상 천이가 full response 방식보다 부드러워져 부엽의 크기가 더 억제되어 스펙트럼 특성이 더 우수해지는 장점이 있다. Full response CPM의 대표적인 변조 방식은 [10]에서 제안한 GMSK이며 이는 Gaussian-Filter로 펄스 정형하므로 위상 변화가 MSK 방식보다 더 부드러워 부엽의 크기가 작아지는 장점이 있다.
하지만 최근 멀티미디어 데이터 전송요구에 맞춰 더 빠른 전송 속도가 요구되고 ISM 대역에서 여러 무선기기들의 사용이 증가되므로 간섭 또한 증가하고 있다. 따라서 주어진 대역폭에서 전송률을 증가시켜 대역폭 효율을 개선시키며 부엽에 크기를 줄이는 연구가 활발히 진행되어왔다. QPSK(OQPSK)나 GMSK보다 데이터 전송률을 증가시킨 대표적인 예로 Q2PSK(Quadrature Quadrature Phase Shify Keying)와 QMSK변조 기법이 있다.
QQPSK는 QPSK를 확장한 변조 방식으로 BPSK(Binary Phase Shift Keying)와 동일한 비트오율 성능을 얻으면서 MSK보다 주엽의 폭이 절반으로 감소하므로 대역폭 효율이 우수하다[15]. [16]에서 제안된 QMSK 변조 방식은 피코캐스트 1.0에서 사용하는 GFSK보다 데이터 전송률이 높기 때문에 차기 피코캐스트 2.0에서 검토되고 있다. QMSK는 여현파 기반의 MSK 신호와 정현파 기반의 MSK 신호를 멀티플렉싱하여 전송 신호를 생성한다.
QQPSK는 QPSK보다 데이터 전송률을 증가시켜 대역폭 효율을 개선시켰지만 기본적으로 PSK 변조된 신호의 스펙트럼은 부엽이 크기 때문에 QQPSK도 여전히 대역 외 간섭이 크다는 단점이 있다. QMSK 변조 방식은 MSK 기반이므로 partial response CPM 보다는 부엽의 크기가 큰 편이므로 인접 채널에 미치는 간섭 영향이 증가하여 스펙트럼 효율이 상대적으로 낮다.
MSK보다 부엽 억제 특성이 우수한 GMSK를 다중화한 quadrature multiplexed GMSK(QM-GMSK)는 Q2PSK나 QMSK보다 주엽의 폭은 약 정도 크지만 부엽의 크게 억제되므로 실제 스펙트럼 효율이 상대적으로 더 높다[17,18]. 두 개의 GMSK 신호를 다중화하는 과정에서 발생하는 ISI에 의한 비트오율 성능 열화를 방지하기 위하여 반 파장의 정현파를 곱하는 방식으로 BFSK와 대등한 비트오율 성능을 보장한다.
QM-GMSK는 입력 비트를 차동부화화하여 인접 비트의 극성에 의해 두 개의 기저대역 파형 중에서 하나의 기저대역 파형을 선택하는 방식으로도 볼 수 있다[17,18]. QM-GMSK에서 기저대역 펄스를 반 파장 정현파의 제곱으로 근사화시키면 가우시안 LPF를 펄스 정형필터로 사용하지 않고 송신기를 구현할 수 있어서 구조가 간단해지는데, 이것이 [19]에서 제안된 offset-QQPSK(OQQPSK)이다. OQQPSK는 별도의 필터 사용이 요구되지 않아 송/수신기 구조가 간단해지며 QM-GMSK와 유사한 스펙트럼 특성을 갖는 장점이 있다.
OQQPSK는 Bluetooth에서 사용되는 변조 방식인 GFSK와 Zigbee에서 사용되는 OQPSK보다 데이터 전송률도 우수하며 부엽의 크기도 감소하여 스펙트럼 효율이 우수하다. 본 논문에서는 기존의 OQQPSK에서 펄스 정형으로 사용되는 반 파장 정현파 대신 심볼길이보다 큰 RC(Raised Cosine), SRC(Square Raised Cosine) 펄스를 사용하여 중첩 펄스 정형하는 방식을 제안하였다[20]. 제안된 방식은 중첩 펄스 정형으로 RC 펄스를 사용하면 부엽의 크기는 유사하면서 주엽의 폭은 약 감소하며 SRC 펄스로 중첩 펄스 정형 하면 주엽의 폭은 기존의 OQ2PSK와 동일하면서 부엽의 크기가 감소하여 스펙트럼 특성을 개선시켰다. 또한 기존 OQQPSK의 송신기로 복조가 가능하며 BFSK와 동일한 성능을 보장한다[20]. 따라서 여러 무선 기기들이 공존하는 WPAN에 적용하기 적합하리라 예상된다.
논문의 구성은 다음과 같다. 2 장에서는 기존에 연구가 진행되었던 여러 변조 기법에 대하여 알아본다. 1 절에서는 full response CPM과 partial response CPM의 대표적인 변조 방식인 MSK와 GMSK를 통해서 CPM의 여러 특성을 알아보며 2 절에서는 직교 역위상 천이 기반 변조 방식 중에서 잘 알려진 QPSK, QQPSK, QMSK, QM-GMSK 및 OQQPSK에 대하여 기술한다. 3 장에서는 본 논문에서 제안한 중첩 펄스 정형 기법을 적용한 OQ2PSK에 대하여 기술한다. 중첩 펄스 정형 기법을 적용한 OQ2PSK의 송/수신기 구조 및 비트오율 성능과 스펙트럼 특성에 대하여 기술하였으며 이론적은 스펙트럼을 증명하고 이를 시뮬레이션으로 검증하였다. 4 장에서는 본 논문의 결론을 맺는다.