[본 게시글은 개인적인 학습 용도로 정리한 내용이니 참고만 부탁드리며, 잘못된 내용이 있을 경우 피드백 부탁드립니다.]
[무선통신과 주파수의 관계]
무선 통신은 기본적으로 파동의 전파를 통해 이루어지는 통신 방법이다. 따라서, 파동을 전파하기 위한 '주파수' 개념은 매우 중요하다. 주파수는 '파장이 1초 동안 진동하는 수'를 의미한다.
주파수는 고유한 특성이기 때문에 각 장비가 간섭없이 통신을 하기 위해서는 서로 다른 주파수를 사용하여야 한다.
(물론 동일한 주파수를 사용하더라도 시간이나 파워를 새로운 자원으로 할당해 사용할 수 있다.)
실제로, 아래의 예시 처럼 각 장비들은 서로 다른 주파수 대역을 사용하고 있다.
하지만, 주파수 자원은 제한적이기 때문에 무선 통신을 기반으로 하는 통신 장비들이 늘어날수록 서로에게 할당될 수 있는 자원은 제한될 수 밖에 없다.이러한 제약을 해결할 수 있는 가장 원초적인 방법은 바로 사용할 전체 주파수 대역폭을 늘리는 것이다.
[주파수 대역폭과 5G]
4차 산업혁명이 진행되면서 수많은 스마트 장비들이 쏟아져 나오고 있고, 이동통신에서도 주파수 자원 제약을 해결하기 위해 전체 대역폭을 계속해서 늘리고 있다.
실제로, 4G에서 5G로 넘어오면서 가장 크게 바뀐 점은 '주파수 대역폭'이다. (이전 세대에서도 마찬가지이다.)
5G에서 지향하는 목표는 'mMTC', 'eMBB', 'uRLLC' 3가지이다.
· mMTC (massive Machine Type Communications) : 많은 수의 단말과 동시에 통신하는 초연결 서비스 제공
· eMBB (enhanced Mobile Broadband) : 사용자 중심으로 4G 대비 향상된 전송 속도 제공
· URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) : 높은 신뢰성 및 저지연 통신 제공
기본적으로 5G에서 지향하는 3가지 목표 모두 주파수 대역폭 확장이 기본 베이스가 된다.
대역폭을 확장함으로써 많은 수의 단말에게 주파수 할당이 가능해지며(mMTC), 데이터 전송 폭을 늘려 전체 데이터 전송 시간을 단축(eMBB)시킬 수 있다. 또한, 넓어진 대역폭 중 고주파 신호를 사용해 상대적으로 신호의 지연 시간(Delay)를 줄일 수 있어 저지연(URLLC) 서비스를 제공할 수 있다.
'대역폭'과 '데이터 전송 속도'는 같은 의미는 아니지만 밀접한 관계가 있다.
(해당 내용은 보다 자세히 다룬 분들이 많아 따로 정리하진 않는다.)
결과적으로, 세대가 높아질 수록 넓은 대역폭을 사용하고 있으며, 이로 인해 보다 빠른 통신 서비스를 제공받을 수 있다.
[주파수와 파장]
5세대 통신(5G)의 가장 큰 특징은 상대적으로 높은 주파수 대역을 사용하는 것이다.
주파수와 관련해 중고등학교 시절부터 지겹도록 봤었던 공식 하나가 있다.
'c = f × λ'
해당 공식에서, 빛의 속도(c)는 일정하기 때문에 주파수와 파장은 반비례함을 알 수 있다.
파동의 기본적인 특징 중 하나는 바로 회절이다. 회절의 정도는 파장이 길수록 커진다.(어릴적 과학쌤이 구렁이가 담 넘어가는 예시를 들었던 것 같은데...?? 무튼...)
따라서, 신호의 주파수가 낮을수록 파장의 길이가 길어지기 때문에 장애물에 대한 내성이 강해진다(신호가 멀~리간다).
[대기 감쇠]
주파수에 관련된 또 다른 특징으로, 대기 감쇠가 있다.
무선 통신에서 감쇠는 가장 큰 주 적이다!!
간단히 요약하자면, 신호의 주파수가 높을수록 전파될 때 대기 중의 산소나 물방울에 많이 흡수된다.
따라서, 고주파 신호일수록 대기 감쇠가 커져 신호가 멀리가지 못한다.
'정보통신기술용어해설'에서는 대기 감쇠를 다음과 같이 설명하고 있다.
「
1. 대기 감쇠에 의한 전파 손실 (Atmosphere Attenuation)
ㅇ 무선통신 이용에 최대 장애가 됨
ㅇ 대기에서, 전파 손실의 원인
- 대기 중 산소나 분자의 공명 등에 의한 주파수 선택성인 것도 발생하지만,
- 주로, 대기 중 물방울 등의 흡수,산란에 의한 것이 큼
ㅇ 대기에서, 주파수대에 따른 영향
- 1 GHz 대역 이하 : 맑은 공기(clear air)에서 아주 적은 감쇠 만 있게 됨
. 지상파 방송 및 통신 등에서 이미 대부분 사용중
- 1 GHz 이상에서 감쇠가 일정하게 증가하다가,
. L 대역(1~2 GHz),S 대역(2~4 GHz)은, 감쇠가 적은 대역으로써,
. 상업적 이용이 많이 이루어지는 편임
- 10 GHz 이상부터는 강우 감쇠에 따른 전파 손실이 급격히 증가 함
. 밀리파(30~300 GHz), 준 밀리파 대에 감쇠 심함 (위성 통신,고정 M/W 통신 등)
. 22 GHz 대 : 수증기 흡수
. 60 GHz 대 : 산소 흡수
」
[Summary]
정리하자면,
① 5G는 상대적으로 넓고 높은 주파수 대역폭을 사용.
② 주파수가 높을수록 회절 정도가 낮아져 장애물에 취약.
③ 주파수가 높을수록 대기 감쇠 정도가 커져 신호가 멀리가지 못함.
이러한 주파수 특징을 고려했을 때, 높은 주파수 대역을 사용하는 5G는 장애물과 거리에 대해 많은 제약을 가진다.
개인적인 생각으로, 통신에서 장애물과 거리에 대한 제약은 물리적인 요소이기 때문에 5G 기술 개발이 더뎌지고 있는 가장 큰 이유이지 않을까 싶다(물리 법칙을 거스를 순 없잖아...? 6G는 되긴할까...?).
현재 이러한 5G의 물리적 제약을 극복하기 위해 다양한 연구 및 기술 개발들이 진행되고 있다.
앞으로는 다양한 5G 기술 중, Open RAN(Open Radio Access Network)에 대해 본격적으로 정리해보고자 한다.