무선 페이딩을 줄이는 다이버시티 기술과 신호 결합 방식

페이딩이 한 경로를 망가뜨릴 때 다른 경로를 남기는 방법

무선 채널에서는 수신 전계가 불규칙하게 변하고, 그 결과 페이딩이 신호 품질을 떨어뜨린다. 다이버시티(Diversity)는 이 영향을 줄이기 위해 같은 정보를 서로 다른 조건의 복제본으로 확보한 뒤, 페이딩 영향을 덜 받은 신호를 수신에 활용하는 기술이다.

동작은 크게 두 과정으로 볼 수 있다. 시간·주파수·공간 영역에서 신호 복제본을 만들고, 수신 측에서 이 복제본을 적절히 합성한다. 목적은 전송률 자체를 직접 높이는 데 있기보다 페이딩을 완화해 전송 신뢰성을 확보하는 데 있다.

전파 환경에 따라 달라지는 다이버시티 방식

공간적으로 떨어진 수신 지점을 이용하는 방식

공간 다이버시티(Space Diversity)는 서로 다른 위치에서 신호를 받아 페이딩의 공간적 불균일성을 이용한다. 안테나, 각도, 경로, 사이트 다이버시티가 여기에 속한다.

안테나 다이버시티에서는 공간적으로 분리된 2개 이상의 안테나를 사용한다. 안테나를 페이딩 상관성이 낮은 거리만큼 이격하고, 가장 양호한 신호를 선택해 페이딩 영향을 줄인다. 일반적으로 안테나 간 거리는 파장의 10배 이상이 권장된다.

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주파수 차이로 페이딩을 분산하는 방식

주파수 다이버시티(Frequency Diversity)는 동일 정보를 서로 다른 주파수로 전송한다. 주파수별 페이딩 특성이 다르다는 점을 이용하는 방식이다.

2개 이상의 주파수로 같은 정보를 보내며, 주파수 간격이 클수록 페이딩 상관도는 낮아진다. 일반적으로 채널 대역폭의 2~3배 이상 간격을 둔다. 대신 추가 주파수 자원이 필요하므로 스펙트럼 효율은 감소할 수 있다.

시간축에 신호를 분산하는 방식

시간 다이버시티(Time Diversity)는 같은 정보를 시간 간격을 두고 전송해 페이딩의 시간 변화를 활용한다. 반복 전송이나 인터리빙(Interleaving)을 사용하며, 채널 코딩과 함께 적용해 오류 정정 능력을 높인다.

인터리빙은 연속된 오류가 한 구간에 몰리는 버스트 에러(Burst Error)를 분산시키는 데 쓰인다.

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편파 특성을 분리해 쓰는 방식

편파 다이버시티(Polarization Diversity)는 전파 편파별 페이딩 차이를 이용한다. 수직편파와 수평편파를 분리해 송수신하며, 같은 주파수에서 서로 다른 편파를 쓸 수 있어 주파수 효율 측면의 장점이 있다.

편파 분리를 위한 특수 안테나가 필요하고, 장거리 중계 시스템에서 자주 활용된다.

복수의 수신 신호를 결합하는 기준

여러 경로에서 얻은 신호는 어떤 기준으로 합성하느냐에 따라 수신 성능과 구현 복잡도가 달라진다.

가장 좋은 신호만 고르는 선택형 다이버시티

선택형 다이버시티(Selection Diversity)는 여러 안테나의 수신 신호 중 품질이 가장 좋은 신호, 일반적으로 신호 강도가 가장 큰 신호만 고른다. 구현이 단순하고 비용 효율적이지만 최적 성능을 제공하는 방식은 아니다.

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위상을 맞춰 같은 비중으로 더하는 EGC

동등 이득 결합(Equal Gain Combining, EGC)은 각 수신 경로의 신호 위상을 보정한 뒤 같은 가중치로 합성한다. 선택형 다이버시티보다 성능이 우수하면서도 구현 복잡도는 적절한 방식이다.

수신 상태에 따라 가중치를 주는 MRC

최대비 결합(Maximal Ratio Combining, MRC)은 각 신호 경로의 SNR(신호 대 잡음비)에 비례하는 가중치를 적용해 합성한다. 이론적으로 최적 성능을 제공하지만 구현 복잡도는 높다. MRRC(Maximal Ratio Receive Combining), Ratio Combining으로도 불리며 Optimum Linear Receive Combining 기술의 일종이다.

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통신 조건별 선택 기준

가시거리(LOS) 통신 환경에서는 공간 다이버시티가 주로 쓰이며, 안테나 다이버시티가 가장 일반적이다. 장거리 중계 시스템은 편파 다이버시티를 활용해 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.

비가시거리(NLOS) 환경에서는 공간·주파수·각도·편파 다이버시티를 단독으로 적용하거나 조합한다. 다중경로 통신 환경에서는 시간과 주파수 다이버시티를 함께 고려하는 레이크(RAKE) 수신기를 사용하며, 이는 CDMA 시스템에서 널리 쓰인다.

다이버시티를 적용하면 깊은 페이딩(Deep Fading) 상태의 오류 확률을 낮추고, BER(Bit Error Rate) 성능과 수신 감도를 개선할 수 있다. 같은 BER 성능에 필요한 SNR도 줄어들며, 간섭 감소를 통해 전체 시스템 용량 향상에도 기여한다. 5G 같은 최신 무선통신 시스템에서는 Massive MIMO와 결합해 공간 다이버시티와 다중화 이득을 함께 추구한다.