해당 글은 건국대학교 김기천 교수님의 컴퓨터네트워크1 수업 내용을 정리한 글입니다.
Design factors determining data rate and distance
데이터 통신 시스템을 설계할 때 가장 중요한 목표 중 하나는 "얼마나 빠르고(data rate)", "얼마나 멀리(distance)" 데이터를 보낼 수 있느냐입니다. 이때 그 성능을 결정하는 핵심 설계 요인은 다음과 같습니다:
1) 대역폭(bandwidth): 대역폭은 매체가 전송할 수 있는 주파수의 범위를 의미합니다. 대역폭이 넓을수록 한 번에 더 많은 정보를 실어 보낼 수 있으므로 데이터 전송률(data rate)이 높아집니다.
2) 전송 손상(transmission impairments): 신호가 매체를 통해 이동하면서 원래의 형태를 잃고 약해지는 현상을 말합니다. 대표적으로 Attenuation이 있습니다.
3) 간섭(interference): 원하지 않는 외부 신호가 원래의 신호에 섞여 들어오는 현상을 말합니다. 특히 주파수 대역이 겹치는 다른 통신 신호는 원래 신호를 왜곡하거나 완전히 지워버릴 수 있습니다.
4) 수신기 수(number of receiver): 하나의 전송 매체에 여러 수신기가 연결되면 신호의 에너지가 각 수신기로 분산됩니다. 이로 인해 각 수신기가 받는 신호의 세기가 약해져 더 많은 attenuation을 유발할 수 있습니다.
위 표는 대표적인 guided media 세 가지의 물리적인 특성을 비교하여 보여줍니다.
1) twisted pair: 주로 전화선이나 저속 데이터 통신에 사용되며 주파수 범위가 0~3.5 kHz로 매우 낮습니다. 감쇠가 상대적으로 크며, 신호 증폭을 위한 repeater의 간격이 2km로 짧습니다.
2) coaxial cable: twisted pair보다 훨씬 넓은 주파수 범위를 갖습니다. 감쇠율을 더 높지만 더 넓은 대역폭을 지원하며 repeater 간격은 1~9km로 더 깁니다.
3) optical fiber: 주파수 범위가 THz단위로 다른 매체와 비교할 수 없을 정도로 넓습니다. 감쇠율이 매우 낮아 repeater 간격이 40km로 매우 길어 장거리 통신에 유리합니다.
Twisted Pair
가장 저렴하고 널리 사용되는 guided media입니다. 두 개의 절연된 구리선이 나선형 패턴으로 꼬여있는 구조로, 이 한 쌍의 선이 하나의 통신 link 역할을 수행합니다. 전화망과 건물 내 통신(예: 이더넷 랜선)에 가장 흔하게 사용됩니다. 선을 꼬는 것이 핵심 기술인데, 두 선에 유입되는 외부 노이즈가 거의 동일하게 유도되지만, 신호는 서로 반대 방향이므로, 수신단에서 노이즈를 쉽게 제거할 수 있습니다.
twisted pair는 외부 간섭을 막기 위한 차폐(shielding) 유뮤에 따라 두 종류로 나뉩니다:
1) UTP(unshielded twisted pair): 이름 그대로 별도의 전자기 차폐막이 없는 케이블입니다. 우리가 흔히 사용하는 랜선이 바로 UTP입니다. 일반 전화선으로도 사용되며, 가격이 가장 저렴합니다. 차폐막이 없어서 외부 전자기 간섭에 취약하며, 이런 단점을 보완하기 위해 선을 더 촘촘하게 꼬아서 높은 전송률을 지원할 수 있으며, 촘촘할수록 가격이 더 비싸집니다.
2) STP(Shielded twisted pair): metal braid나 sheating으로 된 차폐막이 있어 외부 간섭을 효과적으로 줄여줍니다. 덕분에 더 높은 데이터 전송률에서 더 나은 성능을 보입니다. UTP보다 비싸고 설치가 더 까다로워 공장이나 병원처럼 간섭이 심한 환경에서 주로 사용됩니다.
자세히 알 필요는 없고, class D인 UTP와 Class F인 STP의 특징들을 비교하면 됩니다. Insertion loss는 신호가 케이블을 통과하면서 약해지는 정도로 낮을수록 좋습니다. NEXT loss는 한 상의 선에서 보낸 신호가 같은 쪽 끝에 있는 다른 쌍의 선에 얼마나 영향을 미치는지 나타내는 값으로, 높을수록(= 다른 쌍에 영향을 주는 신호의 loss가 크다는 것은 그만큼) 누화가 적다는 의미이므로, 좋습니다. ACR(Attenuation-to-crosstalk ratio)는 신호 세기와 누화(노이즈) 세기의 비율로, 높을수록 신호 품질이 좋습니다. 즉, UTP에서 STP로 갈수록 대역폭은 넓어지고, NEXT loss와 ACR 값이 커져 더 우수한 성능을 보임을 알 수 있습니다.
Near-End Crosstalk
이는 twisted pair에서 발생하는 주요 노이즈의 원인입니다. crosstalk란 한 쌍의 전선에 흐르는 신호가 인접한 다른 쌍의 전선에 전자기적으로 유도되어 간섭을 일으키는 현상을 말합니다. Near-end는 송신단에서 발생한다는 의미입니다. 즉, A에서 B로 신호를 보낼 때, A의 송신 회로에서 나온 강력한 신호가 바로 옆에 있는 A의 수신 회로에 간섭을 일으키는 현상을 말합니다.
이때 중요한 점은 NEXT loss 값이 클수록 누화로 인한 노이즈가 적다는 것입니다. '손실(loss)'라는 단어 때문에 오해하기 쉽지만, 여기서는 '누화 신호의 손실'을 의미하므로 클수록 좋은 성능을 나타냅니다.
시스템 A의 송신 선로에서 나온 강력한 신호(Pt)중 일부가 전자기적으로 유도되어, 바로 옆에 있는 시스템 A의 수신 선로로 새어 들어갑니다. 이것이 바로 NEXT noise Pc입니다. 수신단에서는 멀리서 와서 약해진 원래 신호(Pr)와 바로 옆에서 넘어온 강력한 노이즈(Pc)를 구분해야합니다.
ACR
위 그림은 주파수에 따른 Attenuation과 NEXT의 관계를 보여줍니다. Attenuation은 주파수가 높아질수록 심해지기 때문에 유효한 신호의 세기가 점점 약해집니다. 한편, 주파수가 높아질수록 꼬임의 효과가 줄어들어 crosstalk이 더 심해집니다. 즉 NEXT loss의 값은 낮아집니다(노이즈가 강해집니다). ACR은 이 두 곡선 사이의 간격, 즉 신호와 노이즈의 차이를 의미합니다. 통신이 가능하려면 신호(감쇠 곡선 아래)가 노이즈(NEXT 곡선 위)보다 충분히 커야 합니다. 두 곡선이 만나는 지점에서는 신호와 노이즈의 크기가 같아져 더 이상 통신이 불가능해집니다. 따라서 케이블의 유효 대역폭은 ACR이 +값을 갖는 주파수 범위로 제한됩니다.
Coaxial cable
중심의 내부 도체와 그것을 감싸는 원통형 외부 도체로 구성됩니다. 외부 도체가 차폐 역할을 하여 간섭에 강합니다. 따라서 twisted pair보다 더 긴 거리에서 더 많은 장치를 연결할 수 있습니다. 이는 다양한 용도로 널리 사용되는 다목적 매체로서, TV신호 전송, 장거리 전화 전송 등에 사용되었습니다. 주로 attenuation과 noise에 의해 성능이 제한됩니다.
주파수에 대해서는 twisted pair보다 우수하며, 사용 가능한 스펙트럼이 최대 500MHz까지 확장됩니다. 이를 이용해서 아날로그 신호를 보낼때는 신호가 거리에 따라 약해지므로, 수 킬로미터마다 amplifier를 설치해야 합니다. 또한 높은 주파수의 신호를 사용할수록 더 짧은 간격으로 amplifier가 필요합니다. 한편 디지털 신호를 보낼째는 찌그러진 신호를 재생성하는 repeater가 1km마다 필요합니다. 만약 data rate가 높으면 더 짧은 간격으로 repeater가 필요합니다.
Optical fiber
빛을 이용한 가능고 유연한 매체입니다. 다양한 종류의 유리나 플라스틱으로 만들 수 있으며, 1) 코어: 빛이 실제로 지나가는 중심 부분, 2) 클래딩(cladding): 코어를 감싸고 있으며, 코어보다 굴절률이 약간 낮아 전반사를 유도하는 부분, 3) 재킷(jacket): 외부 충격이나 습기로부터 광섬유를 보호하는 피복으로 구성됩니다.
광섬유는 다른 전송 매체에 비해 다음과 같은 장점이 존재합니다:
1) 더 큰 용량(Greater capacity): 매우 넓은 대역폭을 가지므로 엄청난 양의 데이터를 전송할 수 있습니다. 수십 킬로미터에 걸쳐 수백 Gbps의 데이터 전송률이 가능합니다.
2) 더 작은 크기와 가벼운 무게: coaxial or twisted pair cable에 비해 훨씬 가늘어서 설치 및 유지보수가 용이합니다.
3) 더 낮은 감쇠(lower attenuation): 신호 손실이 매우 적어 중계기 없이도 신호를 매우 멀리 보낼 수 있습니다.
4) 전자기적 절연(electromagnetic isolation): 빛을 사용하기 때문에 외부의 전자기 간섭, 충격 잡음, 누화 등에 전혀 영향을 받지 않습니다. 전기 신호를 도청하는 것은 거의 불가능하여 보안성이 매우 높습니다.
5) 더 긴 중계기 간격(greater repeater spacing): 낮은 감쇠 덕분에 중계기 간격이 수십 km로 매우 깁니다.
위 그림은 광통신이 이루어지는 기본 과정을 보여줍니다. 송신단에서는 전기적 디지털 신호가 들어오면 광원(light source)인 LED나 레이저가 이 전기 신호를 광펄스(빛의 반짝임)으로 변환합니다. 생성된 광펄스는 광섬유를 통해 목적지까지 전달되며, 광검출기(detector)가 광섬유를 통해 들어온 빛 신호를 감지합니다.
광섬유는 빛이 코어를 통과하는 방식(모드)에 따라 크게 세 종류로 나뉩니다:
(a) step-index multimode: 코어의 굴절률이 균일하고, 코어와 클래딩의 경계에서 굴절률이 계단처럼 변하는 구조입니다. 여러 개의 빛 경로(mode)가 각기 다른 각도와 길이로 진행하기 때문에, 목적지에 도착하는 시간이 제각각 달라집니다. 이로 인해 원래 네모난 입력 펄스가 도착 후에는 modal dispersion(모드 분산) 현상으로 인해 뭉툭하게 퍼지게 됩니다. 이는 전송 속도(data rate)를 제한하는 요인이 됩니다.
(b) graded-index multimode: 코어의 굴절률이 중심부에서 가장 높고 바깥으로 갈수록 점차 낮아지는 구조입니다. 이 구조 덕분에, 중심부를 직전으로 가는 빛(느린 매질)과 가장자리를 곡선으로 길게 가는 빛(빠른 매질)의 속도가 보정되어 목적지에 거의 동시에 도착합니다.
(c) single mode: 코어의 직경을 빛의 파장 수준으로 매우 가늘게 만들어, 빛이 오직 하나의 경로(직선)로만 진행하도록 설계하는 방식입니다. 모드 분산이 원천적으로 발생하지 않아 펄스 퍼짐이 거의 없습니다. 따라서 가장 빠른 속도와 가장 먼 전송 거리를 지원합니다.
이 표는 광섬유 통신에 사용되는 빛의 파장 및 주파수 대역을 보여줍니다.
위 그림은 각 유선 매체의 주파수에 따른 attenuation 특성을 시각적으로 보여줍니다.
(a) twisted pair: 주파수가 높아질수록 감쇠가 급격히 증가합니다.
(b) coaxial cable: twisted pair와 마찬가지로 주파수가 높아질수록 감쇠가 심해집니다. 하지만 동일 주파수 대역에서는 감쇠가 twisted pair에 비해 훨씬 적습니다.
(c) optical fiber: twisted pair나 coaxial cable과는 완전히 다른 패턴을 보입니다. 특정 파장대에서 감쇠가 현저히 낮아지는 저손실 창(low-loss window)이 존재합니다. 이 특정 파장의 빛을 사용하기 때문에 매우 낮은 감쇠율로 장거리 전송이 가능합니다.
Wireless Transmission
지금까지는 유선 매체를 다뤘고, 여기서부터는 무선 전송에 대해 설명합니다. 무선 통신은 주파수 대역에 따라 그 특성과 용도가 크게 달라집니다:
1) 30MHz ~ 1GHz(라디오 대역): VHF, UHF 대역에 해당하며, 무지향성(omnidirectional), 즉 사방으로 퍼져나가는 특성이 있습니다. FM 라디오, TV 방송, 무전기 등 방송용으로 적합합니다.
2) 1GHz ~ 40GHz(마이크로파 대역): 매우 지향성(directional)이 강한 빔을 만들 수 있습니다. 따라서 점대점(point-to-point) 통신이나 위성 통신에 적합합니다.
3) 3x10^11 ~ 2x10^14Hz(적외선 대역): 전자기 스펙트럼의 적외선 부분을 사용합니다 TV 리모컨처럼 제한된 공간 내에서 단거리 점대점 또는 다중점 통신에 유용합니다.
Antennas
안테나는 무선 통신의 핵심 요소로, 전기 신호와 전자기파를 서로 변환해주는 장치입니다.
1) 송신 과정: 송신기로부터 받은 고주파의 전기 에너지를 안테나가 전자기 에너지(잔파)로 변환하여 주변 공간으로 방사(radiate) 합니다.
2) 수신 과정: 공간에 퍼져있는 전자기파가 안테나와 만나면, 안테나는 그 에너지를 다시 전기 에너지로 변환하여 수신기로 전달합니다.
3) 양방향 통신: 송신과 수신을 모두 해야 하는 양방향 통신에서는 보통 하나의 안테나가 송신과 수신 역할을 모두 수행합니다.
안테나는 모든 방향으로 동일한 세기의 전파를 방사하지 않습니다. 안테나가 특정 방향으로 전파를 방사하는 특성을 그림으로 나타낸 것을 방사 패턴(radiation pattern)이라고 합니다.
1) 등방성 안테나(Isotropic Atennas): 이론적으로만 존재하는 이상적인 안테나로, 한 점에서 모든 방향으로 완벽하게 동일한 세기의 전력을 방사한다고 가정합니다. 실제 방사 패턴은 안테나를 중심으로 하는 완벽한 구의 형태입니다. 모든 실제 안테나의 성능을 비교하는 기준점으로 사용됩니다.
2) 포물선 반사 안테나(Parabolic Reflective Antennas):
포물선은 초점(focus)과 준선(directrix)이라는 기준선으로부터 거리가 같은 점들의 집합입니다. 중요한 특성은 초점에서 나온 모든 선이 포물선에 반사된 후 축에 평행하게 나간다는 것입니다. 송신 시에는 안테나의 초점 위치에 전자기파 발생 장치를 놓으면, 사방으로 퍼져나간 전파가 포물선 접시에 반사된 후 모두 평행한 방향으로 집중되어 강력한 빔의 형태로 멀리까지 전달됩니다. 수신 시에는 멀리서 온 평행한 전파가 포물선 접시에 반사된 후 모두 초점 한 곳으로 모이게 됩니다. 이 초점에 수신기를 두면 미약한 신호를 효과적으로 모을 수 있습니다.
Antenna Gain
안테나 이득은 안테나의 지향성(directionality)을 나타내는 척도입니다. 기준이 되는 등방성 안테나가 방사하는 전력 대비, 특정 방향으로 얼마나 더 강한 전력을 집중하여 방사하는지를 나타냅니다. 모든 방향으로 에너지를 골고루 보내는 대신, 특정 방향으로 에너지를 집중시키면 다른 방향으로는 에너지가 약해지는 대신 해당 방향의 신호 세기가 강해집니다. 이는 보통 데시벨(dB)로 측정되며, 이득이 높을수록 더 좁은 빔으로 더 멀리 신호를 보낼 수 있습니다. 안테나 이득은 안테나의 물리적 크기와 모양과 관련됩니다. 일반적으로 안테나가 클수록 이득이 높아집니다.
Terrestiral microwave
지상 마이크로파 통신은 지구 상의 두 지점 간에 마이크로파를 이용해 통신하는 방식입니다. 일반적으로 접시 모양의 포물선 안테나를 사용하며, 직격은 보통 3m 정도입니다. 장거리 통신을 위해 일련의 마이크로파 중계탑을 세워 신호를 이어주는 방식을 사용합니다. 안테나는 지상 높은 곳에 설치되며, 수신 한테나를 향해 정확하게 고정되어 좁은 빔을 집중해서 쏩니다. 전파가 직선으로 나아가기 때문에, 송신 안테나와 수신 안테나 사이에 장애물이 없는 가시선(line-of-sight) 확보가 필수적입니다.
지상 마이크로파는 여러 분야에서 중요한 역할을 합니다:
1) 장거리 통신 서비스: coaxial cable이나 optical fiber의 대안으로 사용됩니다.
2) 음성 및 TV 전송
광섬유보다 중계기(repeater or amplifier)는 덜 필요하지만, 반드시 가시선(los)가 확보되어야 하는 제약이 있습니다. 1~40GHz 대역의 주파수를 사용하며, 주파수가 높을수록 더 높은 데이터 전송률을 가집니다. 주된 신호 솔실 원인으로 거리로 인한 attenuation, rainfall로 인한 감쇠, 그리고 다른 신호와의 간섭입니다. 특히 높은 주파수 대역은 비나 눈에 의해 신호가 흡수되거나 산란되어 약해지는 강우 감쇠 현상이 심하게 나타납니다.
위 표는 지상 마이크로파 통신에서 사용되는 주파수 대역별 대역폭과 일반적인 데이터 전송률을 보여줍니다. 사용하는 주파수 대역이 높아질수록 할당된 대역폭이 넓어지고 그에 따라 달성 가능한 데이터 전송률이 크게 증가합니다.
satellite microwave
위성 마이크로파 통신은 우주에 떠 있는 통신 위성을 거대한 마이크로파 중계소로 사용하는 방식입니다. 이는 지상의 두 개 이상의 기지국(ground station)을 연결하는 데 사용됩니다. 1) 지상 기지국이 특정 주파수 대역(업링크)으로 위성에 신호를 쏴 올립니다. 2) 위성은 이 신호를 수신하여 증폭하거나 처리한 후, 다른 주파수 대역(다운링크)으로 지상으로 다시 송신합니다. 이렇게 위성에서 신호를 중계하는 데 사용되는 특정 주파수 대역을 transponder channels이라고 합니다. 위성 하나에는 여러 개의 트랜스폰더가 탑재되어 다양한 통신 서비스를 동시에 제공할 수 있습니다.
위 그림은 위성 통신의 두 가지 기본 구성 방식을 보여줍니다:
(a) 점대점 링크: 하나의 지상 기지국에서 위성으로 uplink 신호를 보내면, 위성이 이를 수신하여 다른특정 지상 기지국으로 downlink 신호를 보내는 방식입니다. 주로 국제 전화나 기업의 전용 회선처럼 두 지점 간의 통신에 사용됩니다.
(b) 방송 링크: 하나의 송신 기지국에서 보낸 uplink 신호를 위성이 수신한 후, 매우 넓은 지역에 있는 다수의 수신 기지국으로 동시에 downlink 신호를 뿌려주는 방식입니다. TV 방송이나 GPS 신호 전송처럼 일대다 통신에 이상적입니다.
위성 통신은 넓은 커버리지와 방송 능력 덕분에 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 합니다:
1) 장거리 전화 전송: 특히 사용량이 많은 국제 전화 산선망에 최적의 매체입니다.
2) 사설 기업 네트워크: 위성 통신 사업자는 위성의 용량을 여러 채널로 나누어 개별 기업 사용자에게 임대할 수 있습니다. 이를 통해 전 세계에 지사를 둔 다국적 기업이 자체적인 통신망을 구축할 수 있습니다(예: VSAT).
3) TV 배포: 방송국에서 제작한 프로그램을 위성으로 쏘아 올리면, 이를 수신한 각 지역 방송국들이 개별 시청자에게 프로그램을 재송출하는 방식으로 널리 사용됩니다. 또한 DBS(Direct Broadcast Satellite) 기술을 통해 각 가정이 직접 위성 신호를 수신하는 위성 TV 서비스도 가능합니다.
4) 위성 위치 확인 시스템(GPS): GPs 위성들이 발신하는 신호를 수신하여 사용자의 정확한 위치를 파악하는 시스템입니다.
위 그림은 위성 통신의 대표적인 응용 사례인 VSAT(Very Small Aperture Terminal) 시스템의 일반적인 구성을 보여줍니다. VSAT는 기업이나 기관이 자체적인 위성 통신 네트워크를 구축하는 데 사용되는 소형 지상국 시스템입니다.
1) Hub: 중앙 데이터 센터나 본사에 위치한 대형 지상국입니다. 서버와 같은 핵심 자원을 관리하며, 모든 원격 지점과의 통신을 중계합니다.
2) remote site: 각 지사, 공장, 상점 등에 설치된 소형 접시 안테나(VSAT)를 의미합니다.
3) 통신 방식: 원격 지점의 단말기(PC, POS 등) 데이터는 해당 지점의 VSAT을 통해 Ku-band 위성으로 전송됩니다. 위성은 이 신호를 중앙 허브로 보내고, 허브는 데이터를 처리한 후, 다시 위성을 통해 필요한 다른 원격 지점으로 정보를 전달합니다.
이러한 star형 구조는 신용카드 조회, 재고 고나리, 원격 교육 등 전국 또는 전 세계 흩어져 있는 지점들을 효율적으로 연결하는 데 매우 유용합니다.
위성 통신은 특정 주파수 대역에서 가장 효율적으로 동작합니다. 가장 적합한 주파수 범위는 1~10GHz로, 1GHz 미만이면 태양, 우주 등 자연적인 전파원에서 발생하는 잡음이 매우 심각하며, 10GHz 이상이라면 대기 중의 수증기나 산호, 그리고 비나 눈(강수)에 의해 신호가 심하게 흡수되고 감쇠됩니다.
전통적으로 4/6 GHz 대역이 많이 사용되었습니다. 이는 uplink에 5.925~6.425 GHz를, downlink에 3.7~4.2 GHz를 사용하는 것을 의미합니다. 이 대역이 포화 사태에 이르자, 더 높은 주파수 대역인 12/14 GHz 대역(Ku-band)이 개발되어 널리 사용되고 있습니다.
Broadcast band
방송 라디오는 마이크로파와는 다른 특성을 갖습다. 우선 마이크로파는 지향성인 반면, 방송 라디오는 무지향성(omnidirectional), 즉 사방으로 퍼져나가는 특성이 있습니다. 또한 주파수 범위가 다릅니다. 넓은 의미의 '라디오'는 3kHz에서 300GHz까지의 주파수를 포함하지만, 일반적으로 방송 라디오는 30MHz~1GHz 대역을 지칭합니다. 이 대역에서는 FM 라디오와 VHF/UHF TV 방송이 포함됩니다.
기본적으로 가시선(line-of-sight) 통신으로 제한되며, 다중경로 간섭(multipath interference)에 취약합니다. 이는 전파가 땅, 물, 건물 등 여러 물체에 반사되어 시간 차를 두고 수신기에 도달하면서 신호가 왜곡되는 현상입니다.
Infrared
적외선 통신은 빛의 스펙트럼 중 적외선 영역을 이용하는 무선 통신 방식입니다. 비간섭성(noncoherent) 적외선을 변조(modualation)하는 송수신기(transceiver)를 사용하여 통신합니다. 송수신기는 직접적으로 또는 벽이나 천장에 반사시켜 가시선(Los)를 확보해야 합니다.
적외선은 벽을 통과하지 못합니다. 이는 단점이 될 수도 있지만, 옆방에 간섭을 주지 않고 보안을 유지하는 장점이 되기도 합니다. 또한 별도의 사용 허가가 필요 없으며, 주파수 할당 문제에서도 자유롭습니다.
위 표는 전자기 스펙트럼의 각 주파수 대역에 대한 이름, 주파수 및 파장 범위, 전파 특성, 그리고 대표적인 용도를 총정리한 것입니다.
Ground-wave propagation
위 그림은 지표파(ground wave) 전파 방식을 보여줍니다. 지표파는 지구 표면의 윤곽을 따라 휘어지며 전파되는 특성이 있어, 가시적인 수평선 너머까지 신호를 전달할수 있습니다. 이 현상은 주로 2MHz 이하의 낮은 주파수에서 나타납니다. 주파수가 높을수록 지표면의 손실이 커져 멀리 가지 못합니다. 가장 잘 알려진 예는 AM 라디오 방송입니다. AM 라디오가 산이나 언덕 너머에서도 수신될 수 있는 이유입니다.
Sky-wave propagation
위 그림은 하늘파(sky wave) 전파 방식을 보여줍니다. 지상의 안테나에서 송신된 전파가 상층 대기권의 전리층(Ionosphere)에서 반사되어 지상으로 되돌아오는 현상을 이용한 통신 방식입니다. 이는 주로 2~30MHz에서 발생합니다. 전리층과 지표면 사이를 여러 번 튕기면서(hop) 매우 먼 거리까지 신호를 전달할 수 있습니다. 이 원리를 이용하여 아마추어 무선(HAM)이나 BBC, VOA와 같은 국제 단파 방송이 대륙 간 통신을 합니다. 전리층의 상태는 낮과 밤, 계절, 태양 활동에 따라 변하기 때문에 하늘파 통신의 품질은 가변적입니다.
Line-of-Sight propagation
위 그림은 가시선(LOS) 전파 방식을 보여줍니다. 송신 안테나와 수신 안테나가 서로를 직접 볼 수 있는, 즉 두 안테나 사이에 장애물이 없는 직선 경로를 통해 통신하는 방식입니다. 지표파나 하늘파가 작동하지 않는 30MHz 이상의 매우 높은 주파수에서는 통신이 반드시 이 LOS 전파에 의존해야합니다. FM 라디오, TV 방송, 휴대폰, 마이크로파 통신, 위성 통신 등 오늘날 대부분의 무선 통신이 이 방식에 해당합니다.
Refraction
굴절은 전파가 휘는 현상으로, 무선 통신, 특히 가시선 통신에 중요한 영향을 미칩니다. 전자기파의 속도는 통과하는 매질의 밀도에 따라 달리지기 때문에 발생하는 것으로, 대기는 높이 올라갈수록 밀도가 낮아지기 때문에, 지상에서 쏜 전파는 위로 올라가면서 점차 속도가 빨라지고, 결국 지구 쪽으로 다시 휘어지게 됩니다.
이러한 대기 중 굴절 현상은 LOS 통신 거리에 영향을 미칩니다. 광학적 수평선(optical horizon)은 우리 눈으로 볼 수 있는 직선거리의 한계입니다. 지구의 곡률 때문에 제한되는 반면, 전파 수평선(radio horizon)은 전파가 대기 굴절에 의해 휘어지기 때문에, 실제로는 광학적 수평선보다 조금 더 먼 거리까지 도달할 수 있습니다. 이를 "유효 지구 반경" 개념을 사용하여 계산하기도 합니다. 결론적으로, 전파의 굴절 덕분에 실제 통신 가능 거리는 눈으로 보이는 거리보다 더 길어집니다.
LOS transmission
LOS 통신에는 신호가 약해지는 여러 요인이 있습니다:
1) 자유 공간 손실(free space loss): 전파가 안테나에서 멀어지면서 에너지가 넓은 공간으로 퍼져나가기 때문에 발생하는 자연스러운 신호 세기 감소입니다. 거리가 멀어질수록 손실은 커집니다.
2) 대기 흡수(atmospheric absorption): 대시 중의 수증기나 산소 분자가 특정 주파수의 전파 에너지를 흡수하여 신호가 약해지는 현상입니다. 특히 수십 GHz 이상의 고주파 대역에서 심하게 나타납니다.
3) 다중 경로(multipath): 송신된 신호가 여러 물체(건물, 지면 등)에 반사되어 여러 경로를 통해 수신기에 도달하는 현상입니다. 각 경로의 길이가 다르므로 신호들이 시간 차를 두고 도착하여 서로 간섭을 일으키고 신호 품질을 저하시킵니다.
4) 굴절(refraction): 대기 조건에 따라 전파가 비정상적으로 굴절하여 수신기로부터 벗어나게 만들 수도 있습니다.
위 그림은 자유 공간 솔실이 거리와 주파수에 따라 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 거리가 멀어질수록 손실(loss, dB)은 꾸준히 증가합니다. 동일한 거리에서는 주파수가 높을 수록 손실이 더 콥니다. 이는 고주파 신호일수록 더 많은 에너지를 잃기 때문에 장거리 통신을 위해서는 더 높은 송신 전력이나 더 높은 이득을 가진 안테나가 필요함을 의미합니다.
위 그림은 multipath 현상이 발생하는 두 가지 상황을 보여줍니다:
(a) 마이크로파 LOS 통신: 송신 안테나에서 보낸 신호가 수신 안테나로 직접 가는 경로 외에도, 지면에 한 번 반사되어 가는 경로가 존재할 수 있습니다. 두 신호가 시간 차를 두고 합쳐지면서 간섭이 발생합니다.
(b) 이동 무선 통신: 도시 환경에서는 상황이 훨씬 더 복잡합니다. 기지국에서 보낸 신호가 자동차(수신기)에 도달하기까지 직접파 외에도 수많은 건물에 반사된 반사파들이 여러 경로를 통해 도달합니다.
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