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
- 대류권을 이용하는 VHF, UHF, M/W 통신의 라디오 덕트에 의한 페이딩과 산란형 페이딩 해소.
- 전리층 반사파를 이용하는 LF, MF, HF 통신에서의 간섭성 페이딩, 편파성 페이딩, 도약성 페이딩, 선택성 페이딩 해소.
- 다중경로에 의한 시간지연, 송신점의 거리에 따른 지연 등을 수신점에서 다이버시티를 이용하여 수신한 후 합성에 의해 신뢰성 있는 전송을 가능하게 함.
- 편파를 달리하여 송신한 후 수신측에서 편파다이버시티로 수신하여 주파수 효율을 높임.
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 선택합성법
- 어느 주어진 시간에 서로 다른 branch에서 수신된 모든 신호를 비교하여 가장 좋은 신호를 선택하는 방식.
- 등이득합성법
- 각각의 branch 신호를 모두 합하기 위해 위상이 고정된 합성회로를 사용함.
- 최대비합성법
- 여러 개의 branch로부터 입력된 신호를 최적의 성능을 얻기 위해서 중첩하고, 합성 전에 동기를 취하는 방식.
- 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.
