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학문명백과 : 공학
[ Wireless Communications ]
외국어 표기 | Drahtlose Kommunikationstechnik(독일어), les Communications Sans Fil(프랑스어), 無線通信(한자) |
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무선통신(無線通信, wireless communications)이란 전파를 이용해 선에 의한 연결 없이 원격지에 정보를 전달하는 통신기술을 말한다. 이에 포함되는 기술로는 마이크로웨이브 전송기술, 안테나 설계기술, 레이더 기술, 이동통신기술, 위성통신기술, 근거리 무선통신기술 등을 모두 포함한다. 이동통신(移動通信, mobile telecommunication)과 위성통신(衛星通信, satellite communication)의 고유한 기술내용은 별도의 주제로 다루는 것이 좋고, 근거리 무선통신도 유비쿼터스 컴퓨팅(ubiquitous computing)의 주제 하에 기술할 수 있어서 무선통신의 제하에서는 마이크로웨이브 전송기술, 안테나 설계기술 그리고 레이더 기술 등에 대해서만 다루도록 한다. 또한 무선기술이라는 개념을 확장하여 생각하면 음파나 적외선 등을 이용하는 경우도 무선통신기술의 범주에 들어가게 되나 여기에서의 무선통신은 전파를 이용하는 경우만으로 한정하고자 한다.
전파는 일반적으로 3000GHz 이하의 주파수를 갖는 전자파로 규정한다. 주파수가 3000GHz를 넘어서면 원적외선 영역으로 들어가게 되므로 전파의 범주를 벗어나게 된다. 전파란 본질적으로 교류전원을 두 개의 마주보는 도체에 연결했을 때, 이 도체들 사이를 흐르는 변위전류를 말한다. 이때 이 도체들을 안테나와 같이 배치하면 전파로서 공중을 진행하여 나가게 되는 것이다.
일반적으로 전송하고자 하는 정보는 영상, 음성 및 텍스트 등의 데이터인데, 이들을 신호로 표시하면 상대적으로 매우 낮은 주파수 대역에 한정되어 있는 모습을 보인다. 이렇게 원래의 정보신호가 존재하는 낮은 주파수 대역을 기저대역(baseband)이라고 한다. 기저대역의 정보를 무선을 통해 전송하려고 하면 전파의 형태로 전송이 가능한 높은 주파수의 신호에 정보신호가 운반되도록 해야 한다. 이 과정을 변조(modulation)라 하고 운반에 이용되는 높은 주파수의 전파를 반송파(carrier)라고 한다. 변조를 기술적으로 표현하면 반송파의 진폭(amplitude), 주파수(frequency) 또는 위상(phase)을 보내고자 하는 정보신호에 따라서 변하게 하여 전송하는 것이라고 말할 수 있다.
무선전송 시스템에서의 송신기의 기본 구성요소는 발진기(oscillator), 변조기(modulator), 필터(filter), 전력 증폭기(power amplifier) 그리고 안테나(antenna)이다. 발진기로는 반송파로 사용할 신호를 만들어내고 변조기에서는 정보신호와 발진기의 신호를 입력받아 변조를 한다. 그리고 이를 원격지까지 전송할 충분한 에너지를 공급해 주기 위해 전력증폭을 하여 송출한다. 효과적인 송출을 위해 전파는 안테나를 통해서 공중으로 방출된다.
발진기로는 전압제어 발진기(VCO: Voltage-Controlled Oscillator)가 주로 쓰인다. 전압제어 발진기는 인가되는 전압의 변화에 따라 주파수를 변경하는 발진기를 말한다. 그런데 이 경우 발진 주파수가 전압 외의 환경조건에 의해 불안해질 수 있어서 일반적으로 위상동기 회로(PLL: Phase Locked Loop)라는 회로를 이용해 주파수를 고정시킨다.
변조를 거치게 되면 변조된 정보신호이외의 주파수 성분이 존재할 수 있다. 따라서 이들을 제거하고 전송할 신호만을 분리해 내는 작업이 필요하다. 필터가 그 역할을 담당하게 된다.
일반적으로는 전압제어 발진기에서 최종 전송 주파수에 해당하는 신호를 생성해 내지 않는다. 그보다 낮은 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency)를 생성하여 변조를 하고 이를 필터링한 후 주파수 상향변환기(upconverter)를 이용해 전송 주파수를 갖는 신호로 만드는 방법을 사용한다. 이를 슈퍼헤테로다인(superheterodyne)방식이라고 부른다. 이 방식은 필터설계가 용이하고 선택도(selectivity)와 안정도(stability) 등이 향상되는 장점이 있다.
수신기의 동작은 기본적으로 안테나가 전송된 반송파 신호를 수신함으로 시작된다. 수퍼헤테로다인 방식을 사용했다고 가정하면 수신된 반송파 신호는 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)를 통해 증폭이 되고 주파수하향 변환기(down converter)를 이용해 중간 주파수 신호로 변환된다. 이 신호는 필터링되어 중간주파수 증폭기를 통해 증폭된 후 복조(demodulation)되어 기저대역 신호가 얻어진다.
1865년에 제임스 클러크 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831~1879)은 유명한 맥스웰방정식을 발표하였다. 이 방정식을 풀면 결국 전자기는 파동의 형태를 갖는 수식으로 얻어지게 되어 전파의 존재에 대해 이론적으로 증명한 것이 되었다. 또한 그는 전자기파가 빛과 같은 속도로 진행한다고 하였다.
1887년에는 하인리히 루돌프 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857~1894)가 실험을 통해서 전파의 존재를 입증했다. 그는 방전 전자파 발생장치로부터 10m 떨어진 곳에서 전자파를 검출하는데 성공했다. 또한 전파의 속도가 빛의 속도와 같다는 것을 실험적으로 밝혔다. 현재 주파수의 단위로 헤르츠(Hz)를 사용하고 있는 것은 전파에 대한 그의 연구업적을 기리기 위한 것이다.
굴리엘모 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874~1937)는 헤르츠의 실험에 주목하여 연구한 결과 1895년에 2마일 가량 떨어진 지점 간의 무선신호 전달에 성공했다. 이후 무선장치의 성능개선에 연구를 거듭한 그는 1901년이 되자 최초로 대서양을 횡단하는 무선전송에 성공하였다. 이후 무선통신은 실용화가 되어 1907년에는 유럽과 미국 간의 통신사업이 시작되었다.
1907년의 삼극 진공관 발명과 두 번의 세계대전으로 인해 무선통신은 급격한 발전을 하게 된다. 제2차 세계대전 때에는 레이더가 개발되어 사용되기도 했다. 1959년에는 위성을 통한 대륙 간 통신이 실험이 성공되어 위성통신 시대가 개막되었다. 1980년대 이후에는 이동통신이 상용화되어 이제는 개인 휴대전화가 보편적인 통신수단이 되었다. 또한 1960년대에 미국이 개발하여 군사적인 용도로 사용해오던 GPS(Global Positioning System)가 1980년대에 민간에게 개방되어 이를 기반으로 한 차량 항법 시스템 등 수많은 응용기기 및 소프트웨어가 등장하였다.
전파의 전송은 위성통신, 이동통신, 방송 및 지상 무선링크 등 여러 분야에서 사용하고 있는 기술이다. 여기에서는 무선전송을 전파 중 주파수가 수 GHz에서 30GHz의 범위에 들어가는 마이크로파를 이용하여 단순하게 점대점의 링크에서 정보를 전송하는 기술에 한정하여 다루도록 한다.
신호의 무선전송에서 마이크로파를 반송파로 사용할 때 이점은 주파수가 높아 비교적 작은 크기의 안테나로 통신이 가능하다는 점과 정보를 담을 수 있는 대역폭이 넓어 광대역 신호의 전송에 적합하다는 것이다. 또한 마이크로파는 직진성이 강해서 서로 마주볼 수 있는 상태에서만 송수신이 가능하다는 것이 특징이다. 곧 송신자와 수신자가 시선(LOS, Line Of Sight)상에 있을 때만 통신이 되기 때문에 이는 곧 중간에 산 등의 방해물이 있을 경우에는 직접 통신할 수 없다는 단점이 된다. 하지만 퍼지지 않고 직진하는 성질을 갖기 때문에 다른 방향으로 송출하는 경우라면 같은 주파수의 전파를 반송파로 이용해도 서로 혼선 없이 동시에 사용할 수 있다는 것은 장점이 된다. 마이크로파보다 더 주파수가 높은 전파는 대기 중 감쇄가 심한데 특히 비오는 날에는 더욱 심해 장거리 전송에 이용되기 어려운 점이 있다.
마이크로파를 이용한 무선전송에서 하나의 링크는 최대 거리는 50㎞에서 60㎞ 정도가 된다. 따라서 장거리 전송을 위해서는 여러 개의 무선 링크를 연결하는 마이크로파 중계(relay) 시스템을 구축해야 한다. 이때 중계 무선국은 수신된 신호를 증폭하여 다음 무선국으로 전송한다. 또 다른 형태의 중계 무선국은 수동 중계 무선국이다. 이것은 무선신호가 도달하기에 거리는 충분하지만 산으로 인해 시선이 막혔을 경우, 산 정상에 설치하여 단순히 수신한 신호를 증폭 없이 반사경으로 재전송해 주는 중계국이다. 한편 2GHz 정도의 주파수를 갖는 마이크로파는 대류권 산란(tropospheric scatter)을 이용하면 링크의 길이를 수백 ㎞까지 확장할 수 있다.
마이크로파를 이용한 전송의 장점은 유선선로에 비해 자연재해에 강하다는 것이다. 때문에 무선전송망은 비상시에 백업망으로 중요한 역할을 담당할 수 있다. 또한 험한 지형에 통신망을 개설하는 경우 유선망보다 설치 및 운용 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 설치에 소요되는 기간이 상대적으로 짧다는 것도 장점이다.
이 분야의 연구자들은 마이크로파 전송시스템의 설계방법, 여러 환경에서의 전파전파(radio wave propagation) 특성 등과 송신기, 수신기, 안테나 등 하드웨어의 성능 개선에 대해 연구하고 있다.
무선전송에서 전송에 사용되는 매체인 공간은 다수의 사용자가 공유할 수밖에 없다. 만약 하나의 사용자가 무선전송을 위해 공간을 사용하고 있을 때 다른 사용자는 사용을 위해 대기해야만 한다면 무선전송의 효율은 매우 낮아 실용성이 없을 것이다. 하나의 매체를 동시에 여러 사용자가 사용할 수 있도록 하는 기술을 다중접속(multiple access)이라 한다.
다중접속 기술에는 주파수분할 다중접속(FDMA: Frequency Division Multiple Access), 시간분할 다중접속(TDMA: Time Division Multiple Access) 그리고 코드분할 다중접속(CDMA: Code Division Multiple Access)이 있다.
주파수분할 다중접속은 주파수 대역을 서로 충분히 분리된 여러 개의 채널로 나누고 각 사용자의 하나의 채널만을 사용하도록 하여 여러 명이 하나의 매체를 동시에 사용할 수 있도록 하는 방식이다. 이는 사용자마다 주파수가 충분히 분리된 서로 다른 반송파를 사용하여 주파수 영역에서 사용자간 신호의 겹침이 없이 전송할 수 있도록 하는 것이다.
시간분할 다중화는 표본화 정리(sampling theorem)에 근거한 것이다. 표본화 정리란 해리 나이퀴스트(Harry Nyquist, 1889~1976)와 클로드 엘우드 섀넌(Claude Elwood Shannon, 1916~2001)에 의한 것으로 신호를 전송할 때 파형의 전체를 보낼 필요가 없고 그 신호에 존재하는 최대 주파수의 2배 이상의 주기로 취한 표본값만을 전송해도 원래 신호를 복구할 수 있다는 것이다. 하나의 사용자는 연속적으로 매체를 점유할 필요가 없으며, 자신의 표본값을 전송할 시간만 점유하면 된다. 따라서 각 주파수대역에 대해 매체를 사용하는 시간을 작은 채널로 구분하고 사용자들에게 채널을 분배하여 사용하게 함으로 매체의 사용효율을 높이게 된다.
주파수분할 다중접속과 시간분할 다중접속이 오래전부터 사용해온 방식이지만 코드분할 다중접속은 비교적 최근에 실용화가 된 방식이다. 코드분할 다중접속 방식은 확산 스펙트럼(spread spectrum)이라 불리는 통신 방식 중의 하나이다. 일반적으로 전송하고자 하는 신호는 주파수 영역에서 일정한 크기의 대역을 차지하게 된다. 확산 스펙트럼 방식에서는 신호를 변환하여 넓은 대역에 퍼져서 존재하도록 만든 후 전송한다. 여러 사용자의 신호가 동일한 넓은 대역에 함께 확산된 상태로 전송되지만 수신자가 확산에 사용된 정보만 알고 있으면 해당 신호는 다시 복구가 가능하게 된다. 이 정보를 모르는 수신자에게는 확산된 신호는 모든 주파수 성분이 고르게 분포된 백색소음(white noise)에 지나지 않는다. 현재 이동통신 시스템에서 사용하는 코드분할 다중접속은 특별한 코드를 이용해서 신호를 확산하여 전송하는 방법이다. 수신자는 동일한 코드를 알고 있어야 확산된 신호로부터 원래 신호를 복원할 수 있다.
안테나는 무선전송 시스템에서 전파를 송출하고 수신하는데 매우 필수적인 요소이다. 안테나는 그 모양과 구조에 따라 매우 다른 특성을 보인다. 안테나의 특성을 잘 이해하고 운용하고자 하는 전송시스템에 적합한 안테나를 설계하는 것은 무선 전송시스템에서 매우 중요한 요소이다. 안테나에 있어서 성능의 개선도 중요한 연구주제이지만 성능을 유지하면서 크기를 줄이는 것도 매우 중요한 부분이라고 하겠다.
안테나의 특성을 나타내는 요소들은 임피던스(impedance), 반사계수(reflection coefficient), 대역폭(bandwidth), 전력방사 형태(beam pattern), 반값전력 빔폭(HPBW: Half Power Beam Width), 이득(gain) 등을 들 수 있다.
안테나의 임피던스는 안테나의 입력전압과 입력전류의 비이다. 신호가 전달되는 전송로에 연결된 부하가 있을 때 전송로와 부하의 임피던스 차이에 의해 접점에서 반사되는 신호성분이 생기게 된다. 이때 반사신호의 크기와 부하로의 입력신호의 크기의 비를 반사계수라고 한다. 전송로와 부하의 임피던스가 같으면 반사계수는 0이 되어 반사신호로 인한 손실이 생기지 않는다.
대역폭은 해당 안테나가 원하는 만큼의 성능을 보여주는 주파수 영역을 의미한다. 이것은 그 안테나의 사용하는 특정한 기준과 관련이 되어 있으므로 대역폭에 대한 절대적인 기준은 정해져 있지 않다. 일반적으로는 반사계수의 절대값이 1/3 이하인 범위의 주파수 영역을 대역폭으로 정의한다.
안테나의 전력방사 형태는 흔히 영문용어 그대로 빔 패턴이라고 부른다. 빔 패턴은 측정하고자 하는 안테나로부터 일정한 거리를 두고 360도의 공간에 대해 표준 안테나를 사용해 수신전력을 측정하여 그래프로 그린 것이다. 이때 가장 강한 전력의 크기를 보이는 부분을 주 로브(main lobe)라고 부르는데 주 로브에서 전력값이 최대의 1/2이 되는 지점을 잡았을 때 그 곳의 로브폭을 반값전력 빔폭이라고 부른다.
안테나의 이득이란 특정방향에 대해 해당 안테나가 전기신호를 전파로 잘 변환시켜 주는가를 나타내는 척도이다. 이 이득은 고정된 지점에서 해당 안테나를 사용할 때 얻는 전파의 전력과 그 안테나 대신 등방성 안테나(isotropic antenna)를 사용했을 경우의 전파의 전력의 비로 주어진다. 등방성 안테나란 360도의 모든 방향에 대해 균등한 전력의 전파를 송출하는 안테나를 말한다. 등방성 안테나 대신에 무지향성 안테나(non-directional antenna)를 이용해 이득을 측정할 수도 있다. 무지향성 안테나란 등방향성 안테나라 부르기도 하는데 수평면의 모든 방향으로 균일한 전력의 전파를 송출하는 안테나를 의미한다. 등방성 안테나를 기준으로 했을 때 이득의 단위는 dBi이고 무지향성 안테나를 기준으로 하면 dBd가 된다.
안테나는 모노폴(monopole), 다이폴(dipole), 패치(patch or microstrip), 혼(horn), 파라볼릭(parabolic), 카세그레인(cassegrain), 나선형(helical), 야기(yagi), 슬롯(slot), 어레이(array) 안테나 등 수많은 종류가 있으며 연구개발자들은 현재도 끊임없이 성능 좋은 소형 안테나의 개발을 위해 노력하고 있다.
레이더(RADAR: RAdio Detection And Ranging)는 전자파를 송출한 후 목표물에서 반사되는 신호를 측정해 목표물의 위치, 방향, 속도, 모양 등을 알아내는 장치이다. 일반적으로 레이더는 송신기, 송신 안테나, 수신기 그리고 수신 안테나로 구성된다. 그러나 하나의 안테나로 송신과 수신의 겸용으로 사용하는 것이 보통이다. 이 경우 안테나를 송신기와 수신기에 번갈아 접속시켜 주기 위해 듀플렉서(duplexer)가 사용된다. 목표물의 위치는 전자파를 송출한 후 반사파가 수신된 때까지의 시간을 이용해 계산한다. 그러나 방향 등을 측정하기 위해서는 반사파의 도착각(AOA: Angle Of Arrival)을 알아야 하고 이를 위해서는 지향성 안테나가 필요하게 된다. 때문에 파라볼라 안테나를 사용하는 레이더가 많다. 레이더의 원리는 단순하지만 실제 고성능의 레이더를 만드는 것은 고도의 기술이 요구되는 매우 어려운 일이다.
최근에는 안테나 소자를 배열의 형태로 배치하고 각 송출되는 전자파의 위상을 조정하여 빔의 모양과 방향을 최적으로 만드는 위상배열 레이더(phased array radar) 기술을 사용하고 있다. 이 레이더는 전자파를 목표하는 지점을 향해 보다 정확히 송출할 수 있을 뿐 아니라, 신호 손실 및 잡음이 작고 방해물을 배제하는 효과가 있고 상대적인 저전압으로 구동이 가능하다는 장점도 있다. 레이더는 군사적 필요성뿐만 아니라 기상이나 항공, 어업 등에도 필수적인 장비로서 국가적 차원에서의 연구개발이 이루어지고 있다.
• 전파: 3000GHz이하의 주파수를 갖는 전자파를 말한다.
• 기저대역(baseband): 원래의 정보신호가 존재하는 낮은 주파수 대역이다.
• 반송파(carrier): 변조를 통해 정보신호를 운반하는 높은 주파수의 신호이다.
• 변조(modulation): 반송파의 진폭(amplitude), 주파수(frequency) 또는 위상(phase)을 보내고자 하는 정보신호에 따라서 변하게 하여 전송하는 기술을 말한다.
• 발진기(oscillator): 일정한 주파수의 신호를 만들어 내는 회로이다.
• 전압제어 발진기(VCO: Voltage-Controlled Oscillator): 인가되는 전압의 변화에 따라 주파수를 변경하는 발진기를 말한다.
• 위상동기 회로(PLL: Phase Locked Loop): 입력신호와 출력신호의 위상차로 발진을 제어하여 정확한 주파수의 출력신호를 만들어 내는 회로를 가리킨다.
• 필터(filter): 입력신호 중 원하는 주파수 성분만을 출력하는 회로이다.
• 복조(demodulation): 변조된 신호에서 원래의 정보신호를 분리해 내는 기술을 말한다.
• 선택도(selectivity): 수신된 신호 중 원하는 성분만을 분리해 취할 수 있는 능력이다.
• 안정도(stability): 회로가 발진하지 않고 안정적으로 동작할 수 있는 능력이다.
• 표본화 정리(sampling theorem): 신호를 전송할 때 최대 주파수의 2배 이상의 주기로 취한 표본값만을 전송하면 원래 신호를 복구할 수 있다는 정리를 말한다.
• 임피던스(impedance): 전기회로에서 전압과 전류의 비이다.
• 무선통신공학자(정보통신공학과, 전파통신공학과, 전자공학과 등의 대학교수)
• 무선통신공학연구원(한국전자통신연구소, 기업연구소 등)
• 통신회사의 엔지니어(이동통신사업자, 통신망사업자 등 통신회사의 개발자 및 기술직원)
• 무선통신 장비제조 회사의 연구개발원 및 엔지니어
• 공무원(정보통신관련 중앙직 또는 지방직 공무원)
[네이버 지식백과] 무선통신 [Wireless Communications] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)
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