CDMA의 코드 분할 원리와 무선통신에서의 역할

하나의 주파수 대역을 코드로 나누는 방식

CDMA(Code Division Multiple Access)는 이동국과 기지국 사이의 무선망 접속 방식 가운데 하나다. 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 동시에 사용하되, 사용자마다 부여된 고유 코드로 각 신호를 구별한다.

신호를 분리하는 핵심은 코드의 직교성이다. 서로 다른 사용자의 코드가 직교하도록 구성하면 다른 사용자의 신호가 만드는 간섭을 줄이고, 수신단은 필요한 신호를 추출할 수 있다.

주파수와 시간을 나누던 다중접속 방식의 변화

초기의 다중접속은 FDMA(Frequency Division Multiple Access)처럼 주파수를 여러 채널로 나누어 사용자에게 배정하는 형태였다. 이 방식은 주파수 사용 효율이 낮아 현재는 거의 사용되지 않는다.

TDMA(Time Division Multiple Access)는 시간을 분할해 사용자별 시간 슬롯을 할당한다. 유럽 GSM(Global System for Mobile Communications)의 기반 기술이며 FDMA보다 효율적이지만, CDMA와 비교하면 용량 제한이 있다.

CDMA는 주파수나 시간을 배타적으로 나누는 대신 코드로 사용자를 구분한다. 같은 주파수를 동시에 이용할 수 있어 주파수 효율성과 용량 측면의 장점을 갖는다.

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Walsh 코드가 신호를 구별하는 방법

CDMA에서는 Walsh 코드 또는 Walsh-Hadamard 코드를 사용해 사용자 신호를 구분한다. Walsh-Hadamard Matrix에서 파생된 이 코드 집합은 서로 직교한다. 서로 다른 Walsh 코드를 곱해 적분했을 때 결과가 0이 되는 성질이 신호 분리의 근거다.

Walsh-Hadamard Matrix의 생성 예시는 다음과 같다.

H(1) = [1]
H(2) = [1  1]
       [1 -1]
H(4) = [1  1  1  1]
       [1 -1  1 -1]
       [1  1 -1 -1]
       [1 -1 -1  1]

확산과 역확산으로 이어지는 통신 과정

CDMA는 확산 스펙트럼 기술을 기반으로 한다. 데이터 신호를 원래보다 훨씬 넓은 대역폭으로 확산한 뒤 전송하고, 수신 측에서는 같은 Walsh 코드로 역확산해 원래 데이터를 복원한다.

이 방식은 신호 대 잡음비(SNR)가 낮은 환경에서도 통신할 수 있게 하며, 군사적 목적으로 개발된 배경처럼 도청과 재밍(jamming)에 강한 특성을 갖는다.

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운용상 얻는 이점과 제약

CDMA는 동일 주파수에서 다수의 사용자를 수용할 수 있고, 주파수 자원을 효율적으로 활용한다. 다른 신호와 잡음에 대한 저항성이 있으며, 고유 코드를 사용하므로 도청도 어렵다. 셀 사이를 이동할 때 통화가 끊기지 않는 소프트 핸드오프도 지원한다.

근거리-원거리 문제는 전력 제어로 다룬다. 수신 측에서 각 신호가 동일한 세기로 들어오도록 제어하는 방식이다.

반면 시스템 구현이 복잡하고 비용이 높을 수 있다. 니어-파 문제(Near-Far Problem)를 해결하려면 정밀한 전력 제어가 필요하며, 송수신 과정의 정확한 타이밍 동기화도 요구된다.

이동통신 표준으로 이어진 CDMA

퀄컴(Qualcomm)은 1990년대 초 상용 CDMA 기술을 개발했다. IS-95(cdmaOne)은 2G 이동통신의 CDMA 표준이 되었고, CDMA2000은 3G 이동통신의 CDMA 기반 표준으로 발전했다. WCDMA(Wideband CDMA)는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 핵심 기술로 자리 잡았다.

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한국은 1996년 세계 최초로 CDMA 상용 서비스를 시작했다. 미국의 주요 통신사인 Verizon과 Sprint도 CDMA 기술을 채택했으며, 3G WCDMA는 전 세계적으로 가장 널리 사용된 3G 표준이었다.

GPS(Global Positioning System)도 CDMA 원리를 사용한다. 여러 위성이 동일 주파수 대역에서 서로 다른 코드로 신호를 전송한다. 이 밖에 무선 LAN 기술, 블루투스, 군사 통신 시스템에도 관련 원리가 적용된다.

LTE와 5G 이후에도 남은 기술적 유산

4G LTE는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)를 주로 사용하지만 CDMA의 원리를 일부 활용한다. 5G NR(New Radio)은 여러 다중접속 기술을 혼합해 사용한다.

CDMA는 단순한 무선 접속 방식을 넘어 이동통신 발전의 기반이 됐다. 주파수 활용, 간섭 저항성, 보안성이라는 특성은 이후 통신 시스템 설계에도 영향을 주고 있으며, 6G 연구에서도 그 기본 원리가 중요하게 고려될 전망이다.