다이버시티(diversity) 기법

개요

• 페이딩: 무선통신에서 전파 전파 경로 상의 매질 변동 등에 의해 수신 전계강도가 불규칙하게 변동되는 현상.
• 페이딩은 고정/이동통신, 아날로그/디지털 통신, 사용 주파수대 등에 따라 여러 형태로 나타나게 되는데, 이러한 페이딩의 방지 대책으로 사용되는 것이 다이버시티 기법임.

무선통신에서의 다이버시티 기법의 사용 이유

1. 대류권을 이용하는 VHF, UHF, M/W 통신의 라디오 덕트에 의한 페이딩과 산란형 페이딩 해소.
2. 전리층 반사파를 이용하는 LF, MF, HF 통신에서의 간섭성 페이딩, 편파성 페이딩, 도약성 페이딩, 선택성 페이딩 해소.
3. 다중경로에 의한 시간지연, 송신점의 거리에 따른 지연 등을 수신점에서 다이버시티를 이용하여 수신한 후 합성에 의해 신뢰성 있는 전송을 가능하게 함.
4. 편파를 달리하여 송신한 후 수신측에서 편파다이버시티로 수신하여 주파수 효율을 높임.
5. 공간다중화 기법을 이용한 송신과 공간 다이버시티로 수신하여 전송용량 증대.

다이버시티의 종류

• 수신파의 상대진폭 및 위상은 수신하는 위치, 편파, 주파수 등에 따라서 달라짐.
• 따라서 각 도래파의 합성 수신파의 포락선(envelope)은 각각 다르기 때문에 위치, 편파, 주파수 등의 다이버시티를 사용하여 수신하고 이들을 선택하거나 합성하며너 페이딩에 따른 열화를 줄일 수 있음.
• 비교적 협대역 혹은 저속 신호일 때는 수신 레벨이 높은 쪽을 선택하고, 고속 디지털 신호일 때는 다중파 지연의 영향이 작은 쪽을 선택하면 부호 에러를 줄일 수 있음.
• 다이버시티의 구성 방식에 따라 다음과 같은 종류가 있음.

1. Frequency Diversity
   • 서로 다른 두 주파수의 페이딩 상태가 다르게 되는 것을 이용한 것으로, 주파수에 따라서 전리층과 같은 반사물질에서 반사되어 수신기에 도달하는 시간이나 반사되는 위치의 차이가 있으므로 두 개의 주파수로 동일 신호를 전송하여 수신기에서 합성시키는 방법임.
   • 서로 다른 두 주파수의 경우 심한 페이딩의 상태가 동시에는 일어나지 않는 점을 이용한 것으로 두 개의 수신 전력을 적당하게 합성하거나 선택할 수 있다면 전송 내용이 손상되지 않고 페이딩을 개선할 수 있음.
   • 장점: 이동체 등과 같이 공간이 좁은 곳에서도 사용이 가능.
   • 단점: 2개 이상의 주파수가 필요.
2. Space Diversity
   • 동일 전파를 서로 충분히 떨어진 두 지점에서 수신하면 공간파는 산악, 건물 등의 반사체에서 반사되어 도달하는 통로의 차이에 의해 서로 간섭을 일으켜서 페이딩이 발생함.
   • 수신 위치를 달리하면 수신 전계강도의 페이딩 상태가 다르므로 두 개의 수신 출력을 적당히 합성하거나 선택하여 페이딩의 영향을 경감할 수 있음.
   • 단파통신에서는 수신안테나의 위치가 서로 어느 정도 이상 떨어져야 하므로 설치장소 측면에서 불리함.
   • M/W에서는 6~23m 정도가 가장 적당하며 위상지연에 대한 대책이 있어야 함 (equalization).
3. Polarity Diversity
   • 전파의 수직편파와 수평편파에 따라 페이딩을 받는 방식이 다르므로 수평편파용과 수직편파용의 두 개의 안테나를 설치하여 그 출력을 합성함으로써 페이딩을 방지하도록 한 방식.
   • 단파 전파는 전리층에서 반사할 때 지구 자계의 영향으로 패러데이 회전을 일으켜 타원 편파가 되며, 마이크로파 대에서는 빗방울을 통과하면서 편파면이 회전하게 됨.
   • 이동통신에서는 지형, 건물 등에서 산란되면서 편파면이 흐트러지게 됨.
   • 도시내에서는 공간 다이버시티에 가까운 효과를 기대할 수 있으나 교외에서는 효과가 적음.
4. Angle Diversity
   • 다른 지향성의 안테나를 사용하여 출력에서 선택하거나 합성함.
   • 다중파를 수신할 때 지향성의 영향으로 각 수신파의 진폭/위상이 안테나 간에 차이가 있음.
   • 안테나의 수를 여러 개 로 하고 각각의 지향성을 예민하게 함으로써 도래파의 수나 지연 분산으ㅏㄹ 제한하는 것으로서 특히 고속 디지털 전송일 때 다른 방식에 비하여 다중 지연에 의한 오율을 개선할 수 있음.
   • 다중경로 페이딩에 대한 대책의 하나로 공간 다이버시티보다는 효과가 작음.
5. Time Diversity
   • 수신국 혹은 송신국이 이동한다는 것을 전제로 한 방식으로 그 특성은 공간 다이버시티에 대응함.
   • 이동국의 경우에 이동 중에 수신레벨이 시시각각으로 변화하므로 시간 간격을 다르게 하여 수신하면 수신레벨의 상관계수가 낮아짐.
   • 상관관계가 충분히 낮은 시간간격으로 재전송하여 수신레벨이 높은 쪽을 선택하는 방식으로 전송용량을 희생하는 대신에 신뢰도를 높일 수 있음.
6. Route Diversity
   • 위치적으로 상당한 간격을 두고 route를 선정하는 것으로 회선의 신뢰도를 매우 중요시하는 데 이용되나 많은 site가 2중으로 설치되어야 하는 단점이 있음.
   • 일반적으로 강우감쇠와 같이 강우의 영향에 따른 경우 이격거리는 10km 이상이어야 함.
   • 마이크로파 통신이나 원거리 고정국 간의 단파 통신, 이동통신 등에서 페이딩에 대한 방지 대책으로 활용됨.
7. Site Diversity
   • 수신 안테나의 설치 장소가 다르면 수신 전계의 페이딩이나 강우감쇠의 발생 시간, 크기, 빈도 등이 달라지는 것을 이용.
   • 2개 이상의 수신소 또는 송신소의 장소를 달리하여 설치하고, 각 전파로의 수신 출력을 합성 또는 절체하여 그 영향을 경감시키는 것으로 위성통신 지구국이 대표적임.
   • 시간, 편파, 각도 다이버시티는 2개 이상의 안테나를 설치하여야 하고, 시간, 주파수 다이버시티는 1개의 안테나로 가능하지만 복수의 시간 또는 주파수를 사용하기 때문에 그 효과는 주파수 이용률을 고려하여 평가할 필요가 있음.

합성수신법

• 다이버시티 branch로부터 서로 상관 없이 페이딩의 영향을 받은 신호를 합성하기 위하여 실현이 용이하고 효과가 크도록 여러 가지 방식이 제안되어 있음.

1. 선택합성법
   • 어느 주어진 시간에 서로 다른 branch에서 수신된 모든 신호를 비교하여 가장 좋은 신호를 선택하는 방식.
2. 등이득합성법
   • 각각의 branch 신호를 모두 합하기 위해 위상이 고정된 합성회로를 사용함.
3. 최대비합성법
   • 여러 개의 branch로부터 입력된 신호를 최적의 성능을 얻기 위해서 중첩하고, 합성 전에 동기를 취하는 방식.
4. 안테나절환
   • 상태가 좋은 안테나로 절환하여 수신.

결론

• 마이크로파 통신이나 원거리 고적국 간의 단파통신, 이동통신 등에서 페이딩에 대한 방지 대책으로 다이버시티 수신 방식이 활용되고 있음.
• 특히 이동통신에서는 페이딩 수신파의 포락선 레벨이 열잡음 레벨까지 빈번하게 하강되기 때문에 고품질 전송을 실현할 수 없으며, 위상도 시간과 함께 불규칙하4게 변화하므로 페이딩이 신호 품질의 주요 열화 요인이 됨.
• 수신파의 상대 진폭과 위상은 수신하는 위치, 편파, 주파수 등에 따라서 달라지게 되므로 각 도래파의 위치, 편파, 주파수 등의 다이버시티를 사용하여 수신하고 이들을 선택하거나 합성하면 페이딩에 따른 품질의 열화를 줄일 수 있음.
• 최근에 널리 사용되고 있는 MIMO(multi-input multi-output) 기술은 지금까지 한 개의 송신 안테나와 다중 수신 안테나를 채택하여 송수신 데이터 효율을 향상시킬 수 있는 방법인 바 다이버시티의 범주에 속한다.