cdmaOne

삼성 cdmaOne 휴대 전화 분해 사진

cdmaOne은 가장 흔히 CDMA로 불리며, 2세대 이동 통신 디지털 셀룰러 기술이다. 이 기술은 잠정 표준 95(Interim Standard 95, IS-95)라는 명칭으로 상용화되었으며, 퀄컴이 개발하고 이후 미국 전기통신공업회(TIA)에서 표준으로 채택하였다.

cdmaOne은 휴대 전화와 셀 사이트 간에 음성, 데이터, 신호 데이터(예: 전화를 건 전화번호)를 전송하기 위해 디지털 라디오용 다중접속 방식인 코드분할다중접속(CDMA)을 사용했다. CDMA는 비트 스트림(의사난수 코드)을 전송한다. CDMA는 여러 라디오가 동일한 주파수를 공유할 수 있게 해준다. 2세대 GSM에서 사용하는 경쟁 시스템인 시분할다중접속(TDMA)과 달리, 네트워크 용량이 활성 라디오 수를 직접적으로 제한하지 않기 때문에 모든 라디오가 항상 활성 상태를 유지할 수 있다. 더 많은 수의 휴대 전화를 더 적은 수의 셀 사이트로 수용할 수 있기 때문에, CDMA 기반 표준은 TDMA 기반 표준이나 주파수 분할 다중화를 사용하던 초창기 셀룰러 표준에 비해 상당한 경제적 이점을 갖는다.

북미 지역에서 이 기술은 TDMA 기반 표준인 디지털 AMPS(IS-136, 흔히 "TDMA"라고 불림) 및 TDMA 기반 GSM과 경쟁했다. 이후 더 발전된 CDMA 기반 표준인 IS-2000(CDMA2000)으로 대체되었다.

프로토콜 개정

cdmaOne의 기술적 역사는 퀄컴의 사내 프로젝트로 시작된 태생과 당시 검증되지 않았던 경쟁 디지털 셀룰러 표준들 사이에서 개발되었다는 점을 반영한다. IS-95라는 용어는 일반적으로 P_REV 1부터 5까지의 초기 프로토콜 개정 세트를 의미한다.

P_REV=1은 미국 국가표준 협회(ANSI) 표준 프로세스에 따라 개발되었으며 문서 참조 번호는 J-STD-008이다. 1995년에 발표된 J-STD-008은 당시 신규 기술이었던 북미 PCS 대역(Band Class 1, 1900 MHz)을 위해 정의되었다. IS-95라는 용어는 미국 전기통신공업회(TIA) 표준 프로세스에 따라 북미 셀룰러 대역(Band Class 0, 800 MHz)을 위해 대략 같은 시기에 개발된 P_REV=1을 적절히 지칭한다. IS-95는 아날로그 셀룰러 네트워크와의 상호 운용성(핸드오프 포함)을 제공했다. 디지털 동작 측면에서 IS-95와 J-STD-008은 대부분의 기술적 세부 사항을 공유한다. 두 문서의 미숙한 스타일과 구조는 퀄컴의 내부 프로젝트를 "표준화"하는 과정이었음을 여실히 보여준다.

P_REV=2는 잠정 표준 95A(IS-95A)라고 한다. IS-95A는 TIA 표준 프로세스에서 IS-95의 점진적 개선 사항으로서 Band Class 0 전용으로 개발되었다.

P_REV=3은 기술 서비스 게시판 74(TSB-74)라고 한다. TSB-74는 TIA 표준 프로세스에서 IS-95A의 다음 점진적 개선 버전이었다.

P_REV=4는 잠정 표준 95B(IS-95B) Phase I, P_REV=5는 잠정 표준 95B(IS-95B) Phase II라고 한다. IS-95B 표준 트랙은 TIA와 ANSI 표준 트랙을 TIA 산하로 통합했으며, 양쪽 대역 클래스에서 IS-95 휴대 단말기의 상호 운용성(듀얼 밴드 동작)을 제공한 첫 번째 문서였다. P_REV=4는 IS-95의 변형 중 단연 가장 대중적이었으며, P_REV=5는 대한민국에서만 최소한으로 도입되었다.

P_REV=6 이후는 CDMA2000 범주에 속한다. 기술적 개선 외에도 IS-2000 문서는 레이아웃과 콘텐츠 측면에서 훨씬 성숙해졌으며, IS-95에 대한 하위 호환성도 제공한다.

프로토콜 세부 정보

cdmaOne 네트워크 구조

IS-95 표준은 이동 단말기와 네트워크 간에 사용되는 프로토콜 세트인 무선 인터페이스를 설명한다. IS-95는 일반적으로 3계층 스택으로 설명되는데, L1은 물리(PHY) 계층, L2는 매체 접근 제어(MAC) 및 링크 접근 제어(LAC) 하위 계층, L3는 호 처리 상태 머신을 의미한다.

물리 계층

IS-95는 순방향(네트워크에서 단말기로) 및 역방향(단말기에서 네트워크로) 신호 전송을 정의한다.

순방향에서 라디오 신호는 기지국(BTS)에 의해 전송된다. 모든 BTS는 GPS 수신기와 동기화되어 시간상으로 정밀하게 제어된다. 모든 순방향 전송은 초당 1,228,800 칩의 칩 속도로 QPSK 변조된다. 각 신호는 길이 64의 월시 코드와 길이 2¹⁵의 의사난수 코드(PN 코드)로 확산되며, 이로써 ${\frac {80}{3}}$ ms의 PN 롤오버 주기가 생성된다.

역방향에서 라디오 신호는 단말기에 의해 전송된다. 역방향 링크 전송은 단말기 전력 증폭기의 최적 범위에서 작동하기 위해 OQPSK 방식을 사용한다. 순방향 링크와 마찬가지로 칩 속도는 초당 1,228,800이며, 신호는 월시 코드와 쇼트 코드라고도 알려진 의사난수 코드로 확산된다.

순방향 방송 채널

모든 BTS는 출력 전력의 상당 부분을 파일럿 채널에 할당하는데, 이는 변조되지 않은 PN 시퀀스(즉, 월시 코드 0으로 확산됨)이다. 네트워크의 각 BTS 섹터에는 64칩 단위의 PN 오프셋이 할당된다. 순방향 파일럿에는 데이터가 실리지 않는다. 강력한 자기상관 기능을 가진 순방향 파일럿을 통해 단말기는 시스템 타이밍을 결정하고 핸드오프를 위해 서로 다른 BTS를 식별할 수 있다.

단말기가 "검색" 중일 때, 특정 라디오 주파수에 튜닝하고 가능한 모든 PN 위상에 걸쳐 상호 상관을 수행하여 네트워크의 파일럿 신호를 찾으려 시도한다. 강한 상관관계 피크 결과는 BTS가 근처에 있음을 나타낸다.

월시 코드로 선택되는 다른 순방향 채널은 네트워크에서 단말기로 데이터를 전송한다. 데이터는 네트워크 신호와 사용자 트래픽으로 구성된다. 일반적으로 전송될 데이터는 비트 프레임으로 나뉜다. 비트 프레임은 컨볼루션 인코더를 통과하여 전방 오류 정정 리던던시를 추가하고 심볼 프레임을 생성한다. 이 심볼들은 월시 및 PN 시퀀스로 확산되어 전송된다.

BTS는 월시 코드 32로 확산된 동기 채널을 전송한다. 동기 채널 프레임의 길이는 ${\frac {80}{3}}$ ms이며, 프레임 경계는 파일럿과 정렬된다. 동기 채널은 P_REV에 따라 길이와 내용이 달라지는 단일 메시지인 동기 채널 메시지를 지속적으로 전송한다. 메시지는 프레임당 32비트씩 전송되어 128심볼로 인코딩되며, 1200 bit/s의 속도를 제공한다. 동기 채널 메시지에는 BTS 섹터가 사용하는 PN 오프셋을 포함하여 네트워크에 대한 정보가 담겨 있다.

단말기가 강력한 파일럿 채널을 찾으면 동기 채널을 수신하고 동기 채널 메시지를 디코딩하여 시스템 시간과 매우 정확하게 동기화한다. 이 시점에서 단말기는 자신이 로밍 중인지 여부와 "서비스 가능" 상태인지 확인한다.

BTS는 월시 코드 1로 시작하는 최소 1개에서 최대 7개의 페이징 채널을 전송한다. 페이징 채널 프레임 시간은 20ms이며 IS-95 시스템(즉, GPS)의 2초 롤오버와 시간 정렬된다. 페이징 채널에는 4800 bit/s 또는 9600 bit/s의 두 가지 속도가 사용된다. 두 속도 모두 초당 19200 심볼로 인코딩된다.

페이징 채널에는 네트워크에서 모든 유휴 단말기로 전송되는 신호 메시지가 포함된다. 일련의 메시지는 단말기에 자세한 네트워크 오버헤드 정보를 전달하며, 페이징 채널이 비어 있을 때 이 정보를 순환시킨다. 페이징 채널은 또한 단말기로의 호출 및 단말기에서의 호출을 설정하는 데 전념하는 고우선순위 메시지를 전송한다.

단말기가 유휴 상태일 때는 대부분 페이징 채널을 수신하고 있다. 단말기가 모든 네트워크 오버헤드 정보를 파싱하면 네트워크에 등록하고, 선택적으로 슬롯 모드에 진입한다. 이 두 프로세스는 아래에서 더 자세히 설명한다.

순방향 트래픽 채널

BTS 섹터에서 방송 채널에 할당되지 않은 월시 공간은 트래픽 채널로 사용 가능하다. 이 채널들은 IS-95가 지원하는 개별 음성 및 데이터 통화를 전달한다. 페이징 채널과 마찬가지로 트래픽 채널의 프레임 시간은 20ms이다.

음성과 사용자 데이터는 간헐적이므로 트래픽 채널은 가변 속도 동작을 지원한다. 모든 20ms 프레임은 사용 중인 서비스(음성 또는 데이터)에 따라 결정된 서로 다른 속도로 전송될 수 있다. P_REV=1과 P_REV=2는 속도 세트 1을 지원하여 1200, 2400, 4800, 9600 bit/s의 속도를 제공했다. P_REV=3 이상에서는 속도 세트 2도 제공되어 1800, 3600, 7200, 14400 bit/s의 속도를 구현했다.

음성 통화의 경우 트래픽 채널은 보코더 데이터 프레임을 전달한다. IS-95에는 여러 가지 보코더가 정의되어 있는데, 초기의 보코더는 속도 세트 1로 제한되어 있었으며 일부 사용자들로부터 음성 품질이 낮다는 불만을 사기도 했다. 현대적인 DSP와 속도 세트 2를 활용한 더 정교한 보코더들이 음성 품질 문제를 해결했으며, 2005년까지도 널리 사용되었다.

가변 속도 트래픽 프레임을 수신하는 단말기는 프레임이 어떤 속도로 전송되었는지 알지 못한다. 일반적으로 각 가능한 속도에서 프레임을 디코딩하고, 비터비 알고리즘의 품질 지표를 사용하여 올바른 결과를 선택한다.

트래픽 채널은 IS-95에서 회선 교환 데이터 통화를 전달할 수도 있다. 가변 속도 트래픽 프레임은 IS-95 무선 링크 프로토콜(RLP)을 사용하여 생성된다. RLP는 데이터에 대한 무선 링크 성능을 향상시키는 메커니즘을 제공한다. 음성 통화는 간헐적인 20ms 프레임 손실을 견딜 수 있지만, 데이터 통화는 RLP 없이는 허용할 수 없는 성능을 보인다.

IS-95B P_REV=5에서는 데이터 통화의 처리량을 높이기 위해 사용자가 최대 7개의 보조 "코드"(트래픽) 채널을 동시에 사용할 수 있었다. 이 기능을 제공하는 단말기나 네트워크는 매우 드물었으며, 이론적으로 사용자에게 115200 bit/s를 제공할 수 있었다.

블록 인터리버

컨볼루션 코딩과 반복 후, 심볼들은 24 곱하기 16 배열인 20ms 블록 인터리버로 보내진다.

용량

IS-95와 CDMA 기술의 활용은 다른 통신 시스템과 마찬가지로 섀넌의 정리에 따라 처리량이 제한된다. 따라서 용량은 SNR 및 대역폭에 따라 향상된다. IS-95는 고정 대역폭을 가지지만, SNR을 개선하기 위한 능동적인 조치를 취하기 때문에 디지털 세상에서 좋은 성과를 거둔다.

CDMA에서 관심 있는 채널과 상관관계가 없는 신호(예: 인접 셀룰러 기지국의 다른 PN 오프셋)는 노이즈로 나타나며, 다른 월시 코드에 실린 신호(적절히 시간 정렬된 경우)는 역확산 과정에서 본질적으로 제거된다. 트래픽 채널의 가변 속도 특성은 낮은 전력으로 전송되는 저속 프레임을 제공하여 다른 신호들이 올바르게 수신될 수 있도록 노이즈를 줄여준다. 이러한 요소들은 다른 셀룰러 기술보다 본질적으로 낮은 노이즈 레벨을 제공하여 IS-95 네트워크가 동일한 라디오 스펙트럼 내에 더 많은 사용자를 수용할 수 있게 한다.

활성(느린) 전력 제어는 순방향 트래픽 채널에서도 사용되는데, 통화 중에 단말기는 신호 품질을 나타내는 신호 메시지를 네트워크로 보낸다. 네트워크는 트래픽 채널의 전송 전력을 제어하여 신호 품질을 딱 적절한 수준으로 유지함으로써 다른 모든 사용자가 보는 노이즈 수준을 최소화한다.

수신기는 레이크 수신기 기술을 사용하여 SNR을 개선하고 소프트 핸드오프를 수행한다.

2계층

통화가 설정되면 단말기는 트래픽 채널을 사용하는 것으로 제한된다. MAC에서 트래픽 채널에 대해 일반 음성(보코더) 또는 데이터(RLP) 비트를 신호 메시지 조각과 다중화할 수 있는 프레임 형식이 정의된다. 신호 메시지 조각은 LAC에서 합쳐지며, 여기서 완성된 신호 메시지가 3계층으로 전달된다.

배포

cdmaOne은 다음 지역에서 사용되었다:

• 북아메리카
• 일본 및 대한민국(두 나라 모두 2세대 GSM은 사용할 수 없음)
• 홍콩(허치슨 텔레콤에 의해 제공, 다른 사업자 및 허치슨 텔레콤 자체적으로 GSM도 제공)

같이 보기

• 시분할다중접속

외부 링크

• TR-45 Engineering Committee CDMA Standards Developing Group