대역확산 통신의 원리와 DSSS·FHSS 활용

신호를 넓게 퍼뜨려 간섭을 견디는 방식

대역확산(Spread Spectrum)은 좁은 대역폭의 정보 신호를 의도적으로 넓은 주파수 대역에 분산해 보내는 무선통신 변조 기술이다. 전파 잡음이나 외부 간섭이 있는 환경에서 통신 신뢰성을 높이고, 신호 해석을 어렵게 만들어 보안성도 확보한다.

이 방식은 여러 사용자가 같은 주파수 대역을 공유하는 상황에 적합하며, 의도적인 전파 방해(Jamming)와 다중 경로 페이딩(Multipath Fading)에도 대응할 수 있다. 전력이 넓은 대역에 분산되므로 다른 시스템에 주는 간섭을 낮추는 효과도 있다.

대역확산의 특성은 다음과 같이 정리할 수 있다.

특정 주파수에 집중된 간섭이 전체 신호에 미치는 영향을 줄인다.
확산 코드를 모르면 수신 신호를 해석하기 어렵다.
같은 주파수 대역에서 다수 사용자의 접속을 지원한다.
낮은 전력 밀도로 다른 무선 시스템과의 간섭을 줄인다.
다중경로 환경의 페이딩에 강하다.

PN 코드로 신호를 확산하는 DSSS

DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)는 데이터 신호에 고속 의사 랜덤 코드(PN 코드)를 곱해 전송 대역을 넓히는 방식이다. 데이터 비트는 여러 개의 칩(chip)으로 변환되고, 그 결과 신호 대역폭이 크게 증가한다.

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수신 측은 송신 측과 같은 PN 코드를 이용해 확산 신호를 원래 데이터로 되돌린다. 수신 신호와 PN 코드를 다시 곱하는 과정에서 원하는 신호는 복원되고, 간섭 신호는 확산되어 전력 밀도가 낮아진다.

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DSSS는 IEEE 802.11b 무선 LAN(Wi-Fi), GPS(Global Positioning System), CDMA 이동통신 시스템에 적용된다.

주파수를 바꾸며 전송하는 FHSS

FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)는 사전에 정한 패턴에 따라 송신 주파수를 빠르게 변경하면서 데이터를 보내는 방식이다. 전체 대역을 여러 채널로 나누고, 송수신기가 같은 호핑 코드를 공유해 시간 슬롯(time slot)마다 주파수를 맞춘다.

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호핑 속도는 데이터 비트와 주파수 전환의 관계로 구분한다. Slow FHSS에서는 하나 이상의 데이터 비트가 하나의 주파수에서 전송된다. Fast FHSS에서는 하나의 데이터 비트가 여러 주파수에 걸쳐 전송된다.

FHSS는 블루투스(Bluetooth), 군사용 통신 시스템, 초기 IEEE 802.11 무선 LAN 규격에서 활용된다.

같은 확산 목적, 다른 전송 방식

특성	DSSS	FHSS
확산 방식	PN 코드를 이용한 신호 확산	주파수 도약을 통한 확산
대역폭 활용	전체 대역폭을 동시에 사용	주파수 도약으로 일부만 순차적 사용
간섭 저항성	광대역 간섭에 취약할 수 있음	협대역 간섭에 강함
구현 복잡성	상대적으로 복잡	비교적 간단
전송 속도	일반적으로 더 높음	상대적으로 낮음
대표적 응용	Wi-Fi(802.11b), GPS, CDMA	블루투스, 일부 군사 통신

무선 환경에서의 활용

802.11b 표준은 DSSS를 활용해 2.4GHz 대역에서 11Mbps 속도를 제공한다. 다중 접속 환경에서 간섭을 줄이고 안정적인 연결을 제공하는 데 쓰인다.

CDMA(Code Division Multiple Access)는 DSSS를 응용한 형태다. 사용자별로 고유 코드를 할당해 같은 주파수에서 다중 접속을 지원하며, IS-95, cdma2000, WCDMA 등의 이동통신 표준에 적용됐다.

개인 영역 네트워크(PAN)에서는 블루투스가 FHSS를 사용한다. 블루투스는 2.4GHz 대역에서 1600번/초 주파수를 도약하며, 비면허 ISM 대역에서 다른 기기와의 간섭을 최소화한다.

GPS는 DSSS를 사용해 지구 궤도에서 위치 신호를 전송한다. 낮은 전력 밀도로 지상까지 신호를 보내면서 전파 방해에 강한 특성을 활용한다. 군사 통신에서도 보안과 방해 방지를 목적으로 개발된 DSSS와 FHSS가 계속 활용된다.

확산 코드가 좌우하는 성능

대역확산 시스템에서 PN 코드나 호핑 코드는 신호 확산 자체뿐 아니라 시스템 성능을 결정한다. 좋은 확산 코드는 코드 자신과의 자기상관(Auto-correlation) 특성이 이상적이어야 하며, 다른 코드와의 상호상관(Cross-correlation)은 최소화해야 한다. 랜덤 노이즈와 유사한 통계적 특성을 가지면서도 예측하기 어려운 패턴이어야 보안성도 높일 수 있다.

대표적인 확산 코드는 다음과 같다.

m-시퀀스(Maximum Length Sequence): 선형 피드백 시프트 레지스터로 생성한다.
골드 코드(Gold Code): 두 개의 m-시퀀스를 조합해 생성하며 GPS에서 활용한다.
카사미 코드(Kasami Code): 우수한 상호상관 특성을 가지며 무선 통신에서 활용한다.
월시 코드(Walsh Code): 직교성이 뛰어나며 CDMA 시스템에서 사용한다.

5G·6G와 IoT 환경으로 이어지는 확산 기술

대역확산은 5G, 6G 통신과 사물인터넷(IoT) 환경에서도 중요성이 커지고 있다. 인지 무선(Cognitive Radio)의 스펙트럼 감지 및 동적 활용, 매우 넓은 대역폭에서 저전력 통신을 수행하는 초광대역(UWB), 공간 차원에서 확산 개념을 넓힌 대규모 MIMO 시스템과 결합할 수 있다.

양자 암호화와 대역확산을 결합하는 보안 연구, 채널 상태에 따라 최적화된 코드를 생성하는 기계학습 기반 적응형 확산 코드도 발전 방향으로 다뤄진다.