[무선통신과 모바일]

01. 무선통신의 개요

1. 주파수의 특성

무선통신에 대해, 전파의 특성을 이해해야 한다. 전파는 고음과 저음으로 나눌 수 있다. 단위 시간당 파형 변화가 많은 주파수를 고음, 적은 주파수를 저음이라고 한다. 고음은 직진하는 성향이 강하고, 물체를 만나면 반사하는 특징이 있다. 반대로 저음은 퍼져 나가는 성질이 강하고 물체를 만나면 같이 진동해 퍼진다. 또 고음은 저음에 비해 정보량이 많다. 박수 소리는 어느 방향에서 나는지 쉽게 찾을 수 있지만 천둥소리의 시작 방향은 찾기 어렵다.

 

스피커에서 고음을 담당하는 부분은 트위터라고 하며, 작은 원을 가진다. 저음을 담당하는 부분은 우퍼라고 한다. 고음은 방향성이 있으며 정보량이 많기 때문에 왼쪽 고음과 오른쪽 고음을 구분할 수 있는 반면 저음은 확산되기 때문에 왼쪽과 오른쪽을 구분하기 어렵다.

무선 시스템을 구성할 때 낮은 주파수를 사용하면 멀리까지 데이터를 전송할 수 있다. 높은 주파수는 장애물에 취약하지만 단위 시간 당 데이터를 많이 전송할 수 있어 정보량이 많다. AM은 낮은 주파수를 사용하므로 정보량이 작아 음질이 떨어지고 스테레오 방송이 안된다. 그러나 FM은 높은 주파수를 사용해 음질이 좋고 스테레오가 가능하다.

 

 

2. 주파수 영역과 무선통신 장비

무선통신 기기에는 라디오, TV, 휴대전화, WiFi, RFID, GPS 등 다양하다. 각 기기는 사용하는 주파수도 다르고 전송 방식도 다르다. 컴퓨터는 WiFi라는 무선 LAN으로 연결되고, 휴대전화는 기지국으로 연결된다. GPS는 인공위성에서 쏘는 무선 데이터를 사용한다.

 

적외선과 같은 빛도 파형을 가지기 때문에 통신에 이용된다. 낮은 주파수 대역에는 소리(sound) 영역이 있고, 그 위로 라디오(radio) 영역, 마이크로웨이브(microwave) 영역, 적외선(infrared) 영역, 빛(light) 영역, 자외선(ultra violet) 영역, X-ray 영역이 있다. 

 

소리영역

소리 영역을 사용하는 무선통신 시스템은 없다.

 

라디오 영역

라디오 영역에는 AM과 FM이 있다. 

 

마이크로웨이브 영역

휴대전화 서비스를 하는 국내 SKT, KT, LG 통신 3사는 국가에서 통신 대역폭(bandwidth)을 경매받아 서비스를 한다. 휴대전화가 사용하는 주파수는 통신사별로 혹은 기종별로 다르다. 

그런데 특정 영역은 자유롭게 통신기기를 제작할 수 있다. 2.4GHz와 5GHz이다. 

위성통신(statelite)은 인공위성으로 전파를 쏘고, 이를 지상에 있는 안테나로 받아 통신하는 장비로, 마이크로영역의 주파수를 사용한다. 과거 '스카이라이프'는 위성통신을 이용해 TV 방송 서비스를 지원한다. 그러나 인터넷의 발달로 위성 TV는 거의 사용하지 않는다.

 

적외선영역

리모컨

 

빛 영역

광케이블(fiber optical cable)

 

자외선 ~ X-ray 영역

인체에 유해하므로 없다.

 

02. 무선통신망

1. 초기 무선통신망

 

유선전화기

 

무선호출기

선을 직접 연결하지 않아도 전화를 설치할 수 있었는데, 처음에는 삐삐가 있었다. 영어로는 페이저(pager)라고 하는 무선호출기는 일정 양의 숫자를 전송할 수 있는 단방향 무선호출 시스템이다. 

 

초기 휴대전화

한국에서 개인 무선 휴대전화 서비스는 1984년부터 시작했다. 카폰(car phone)형태로 차에 달거나 회사에서 업무에 썼다. 

1997년 새로운 통신 서비스를 시작했는데, 바로 발신 전용 무선전화기인 '씨티폰'이다. 실제 사용자는 많지 않았다. 발신 전용 단방향 통신 시스템이기 때문에 전화를 받을 수 없었다. 1997년 PCS 휴대전화 가 보급되었다. 수신, 발신, 문자가 가능해서 널리 보급되었다. 씨티폰은 2년 만에 1000억 원 이상의 적자를 내고 사업을 접었다.

 

2. 세대별 무선통신

처음 서비스된 휴대전화는 음성을 아날로그 신호로 전달했다. 그래서 이 시기의 휴대전화 서비스를 1세대 무선통신망이라 하며 1G 휴대전화 서비스라 한다. 2세대(2G)가 되면서 아날로그는 디지털로 바뀐다. 아날로그 무선통신망과 디지털 무선통신망의 차이는 대역폭에 얼마나 많은 사용자를 수용할 수 있느냐 이다. 디지털이 아날로그보다는 더 많은 사용자를 수용할 수 있는 기술이다.

 

2세대 휴대전화 서비스가 보금된 후 전 세계적으로 인터넷 열풍이 불었다. 이에 따라 휴대전화에서 인터넷을 사용할 수 있게 지원하는 무선통신망을 개발했다. 기존 전화 기능(음성망)에 데이터 통신(데이터망) 기능을 추가한 것인데, 이를 3세대 무선통신망이라고 한다. 전세계에서 처음으로 한국이 CDMA 통신 기술을 사용화했다. 따라서 한국은 기술을 해외로 수출할 수 있었다.

 

이후 데이터 전송 속도를 높인 4세대 무선 통신망이 개발됐다. 스마트폰이 보급되면서 사용자의 데이터 사용량은 급격하게 증가하고 음성 통화는 줄어들었다. 기술 이름은 LTE(long term evolution)다. 

 

3. 휴대전화 통신망의 특성

휴대전화 시스템에서 하나의 기지국이 담당하는 영역을 셀(cell)이라고 한다. 씨티폰은 기지국 옆에서만 통신이 가능하지만, 휴대전화는 차를 타고 이동해도 전화가 끊기지 않는다. 사용자가 이동하여 하나의 셀에서 다음 셀로 넘어가는 것을 핸드오버 혹은 핸드오프라고 한다. 휴대전화는 전파 세기를 파악하여 사용자 이동을 감지하고 핸드오버가 일어나면 데이터를 빠른 속도로 다음 셀로 넘겨준다.

이러한 특징으로 휴대전화와 기지국은 수시로 통신해야 한다. 그래야 사용자의 현재 위치를 파악할 수 있다. 사용자가 전화기를 켜면 휴대전화가 웨이크업 신호를 기지국으로 보내 위치정보를 등록한다. 이 신호를 받은 기지국은 현재 시간과 몇 가지 정보를 휴대전화에 보내 준다. 가지고 있는 휴대전화 시계는 자체적으로 돌아가는 것이 아니라 기지국에서 받은 시간이다. 그래서 로밍 서비스를 신청하면 시간을 맞출 필요가 없다.

 

4. 개인통신망: 블루투스

개인통신망(Personal Area Network, PAN)은 개인의 작업 공간 장치들을 연결하는 컴퓨터 네트워크다. 대표적으로 블루투스가 있다. 

 

5. 초근거리 무선 통신 : RFID

초근거리 무선통신(Near Field Communication, NFC)가 있다. 교통카드, 신용카드에서 사용한다. 이러한 무선통신이 가능하게 하는 기술이 RFID(Radio Frequency IDentification)이다. RFID가 생기기 전에는 바코드를 사용했다. 바코드에는 자체적으로 데이터가 없기 때문에 서버가 연결돼 있을 때만 사용 가능하다.

바코드를 대신해 정보를 담을 수 있는 QR코드가 있다. 바코드와 QR코드의 큰 문제는 보안성이다. 

RFID는 자체적으로 배터리나 전기를 가지지 않으므로 배터리가 필요없고 라디오 주파수를 사용한다. RFID는 태그와 리더기로 구성된다. 태그 내 작은 칩에 암호화된 정보가 담겨 있다. 리더기가 전파를 쏘면 태그가 받은 전파를 이용해 전기로 만들어 이것으로 데이터를 전송한다.

전파를 수신하면 전파가 전기로 변환되야 하는데, 전파를 전기로 바꾸는 것을 자기 유도 방식이라고 한다. 휴대전화의 무선 충전 시스템도 자기 유도 방식을 사용하여 전파를 전송하여 충전하는 것이다. 

 

03. 다중 접속 기술

특정 주파수 대역에서 여러 사람이 동시에 데이터를 주고받을 수 있는 기술을 개발했는데, 이를 다중 접속(multi access)기술이라고 한다.

 

1. 주파수 분할 다중 접속(Frequency Division Multiple Access, FDMA)

사용자에게 전체 대역폭을 잘게 쪼개어 사용자에게 나눠 준다. 잘게 자른 영역은 채널이라고 한다.

 

2. 시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA)

한 채널을 여러 사람이 번갈아 가면서 나누어 쓴다. 유럽이 이걸 쓴다.

 

3. 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA)