글: Jeremy Cook
무선 주파수(RF) 스펙트럼은 우리 주변 곳곳에 보이지 않게 존재하면서 자연의 신호와 인공적인 신호를 상상할 수 없을 정도의…빈도로 전송하고 있습니다. 이 기사에서는 “RF란 무엇인가?”라는 질문에 답하고, 이 한정된 자원을 올바로 사용하기 위해 규제 당국은 어떤 노력을 하고 있는지 살펴봅니다. 그리고 오늘날 5G가 얼마나 적합한지에 대해서도 다루도록 하겠습니다.
무선 주파수 물리학
가장 기본적으로, 안테나의 여러 가지 전기 신호는 전자기 진동(즉, RF 전파)을 만들 수 있습니다. 이것은 다른 안테나들이 수신할 수 있고 사용 가능한 정보로 해석될 수 있는 의도적 또는 비의도적으로(다른 기기와의 간섭을 일으킬 수 있음) 정교하게 변조된 신호가 될 수 있습니다. 예를 들어, AM(진폭 변조)은 소위 반송파라고 하는 고정 주파수 전파를 사용하면서 이 전파들의 진폭을 연속으로 변조된 신호로 변화시킵니다.
RF 스펙트럼이란 3Hz와 3,000GHz 사이를 순환함으로써 다양한 특성과 사용 사례를 가능하게 해주는 전자기파로 정의할 수 있습니다. 3Hz 반송파 하나는 초당 3개의 전자기파를 만들어내고 이 반송파를 "타고 가는" 변조된 신호는 일반적으로 더 느린 주파수를 갖는다는 것을 생각해 보십시오.
몇 가지 요소가 작용을 하지만, 3Hz 반송파를 사용하는 변조 신호의 데이터 전송률은 너무 느려서 비트/초 범위나 그보다 훨씬 더 느리게 표현할 수 있을 것입니다. 이 스펙트럼의 반대쪽 끝에서는 3,000GHz 반송파가 신호를 훨씬 더 빨리 변조시키므로 그 사이에 광범위한 (더 실용적인) 값들이 존재합니다. 이러한 범위는 우리가 오늘날 AM/FM 라디오는 물론 WiFi와 무선 통신에서 당연하게 생각하는 고속 데이터 전송을 가능하게 해줍니다.
무선 주파수는 광속에 비례하고 파장에 반비례하므로 다음과 같은 방정식으로 표현됩니다.
광속 = 파장 x 주파수
광속(약 3 x 10^8 m/s)은 절대 바뀌지 않으므로 RF 신호의 파장이 늘어나면 주파수가 그에 비례하여 감소하고, 그 반대도 마찬가지입니다. 상대적으로 높은 주파수의 RF 신호는 파장이 짧고, 저주파 RF 신호는 파장이 깁니다.
고주파 신호 및 데이터 전송률의 단점은 짧은 거리에 걸쳐서 많은 정보를 전송할 수 있지만 신호가 공기와 주변의 물체에 빠르게 흡수된다는 것입니다. 일상 생활 속에서 볼 수 있는 예로, 2.4GHz WiFi는 데이터 전송률이 5GHz에 비해 다소 느리지만 더 멀리서 수신이 가능하다는 점을 들 수 있습니다.
저속 장거리 데이터 전송의 극단적인 예로, 잠수함들끼리 통신을 할 때는 바다의 수심을 뚫는 100Hz 미만의 범위에 있는 신호가 사용됩니다. 이 신호의 주된 단점은 데이터 전송 속도가 매우 느리다는 것입니다. 또 하나 생각해야 할 점은 더 긴 RF 파장을 이용하려면 안테나가 그 만큼 길어야 한다는 것입니다.
RF 신호, 그리고 간섭을 방지하기 위한 규정
RF 통신이 원활하게 이루어질 수 있는 고정 주파수 범위가 존재하기 때문에 전 세계의 주파수는 그 정의상 한정된 자원입니다. 20세기가 되면서 유한 광역폭은 RF 선구자들에게 비실용적인 것처럼 보였을 테지만(생각을 해봤다면), 오늘날 RF는 셀 수 없을 정도로 많은 기술에 사용되고 있으므로 주의해서 할당해야 합니다. 신호들이 불가피하게 중첩될 경우(예: 뉴욕시의 라디오 채널 97.1MHz 대 오스틴의 동일 주파수, 또는 전 세계에 있는 수십억 개 블루투스 기기), 간섭을 최소화하기 위해 전원 제한이 실행됩니다.
여러분 주변에 얼마나 많은 기기들이 의도적으로 RF 신호를 전송하고 수신하는지 생각해 보십시오. 일반적으로 스마트폰에는 최소 네 가지 RF 모드가 있습니다(WiFi, 블루투스, 셀룰러, GPS). 게다가, 전구에서부터 전기 모터나 전선 등 다양한 비의도성 RF 전송기가 있습니다.
다행히도 전 세계의 RF 신호들은 국제전기통신연합(ITU), 미국연방통신위원회(FCC), 전기통신정보청(NTIA) 같은 단체들의 지침 덕분에 일반적으로 적절히 조화를 이루고 있습니다. 이들 기구는 이 스펙트럼을 여러 개의 가용 덩어리로 구분하고 있습니다. 우리가 이 자원을 대량으로 사용하기 때문에 스펙트럼이 한정되어 있기는 하지만 이 범위는 3Hz에서 3,000GHz(풀어 쓰면 3,000,000,000,000Hz)까지 확대된다는 것을 기억하십시오. 그래서 공식 FCC 온라인 주파수 할당표는 장장 181페이지에 달합니다.
5G는 여러 주파수 대역에서 어떻게 작동하나요?
사람들은 콘센트에 플러그를 꽂으면 전기를 사용할 수 있는 것처럼 복잡한 것은 거의 생각하지 않고 RF 기기가 그냥 작동할 것이라고 생각합니다. 하지만 5G에 대한 과대 광고 때문인지 RF, 특히 5G는 우리의 집단의식의 일부입니다. 5G는 셀룰러 데이터 전송에 더 나은 데이터 전송률과 더 적은 대기 시간을 약속하지만, 비행기에 사용되는 레이더 고도계와 간섭을 일으킬 수 있다는 두려움을 비롯하여 논란의 대상이 되기도 했습니다.
걱정은 뒤로 하고, 5G는 현재 미국의 많은 지역에서 문제 없이 구현되고 있습니다. 5G는 하나의 주파수 대역을 사용하는 것이 아니라 여기서 언급했듯이 세 가지 주파수 범위에서 작동합니다. 고주파수는 송신기에서 가까운 거리에서 높은 데이터 전송률을 필요로 하는 데 사용되고, 저주파수는 더 먼 거리를 더 낮은 데이터 전송률로 전송됩니다.
그리고 5G는 RF 기술과 크게 관련이 없지만 이름만 비슷한 5GHz WiFi와 동의어가 아닙니다. 더 혼란스러운 점은 WiFi 5는 전송을 위해 5GHz를 사용하지만 여기서 5는 5세대 무선 통신을 의미한다는 것입니다. 그리고 새로운 WiFi 표준들이 계속해서 등장하고 있습니다. WiFi 6E는 새롭게 등장하는 6GHz 범위로 신호를 확대해주고, WiFi 7은 6E와 동일한 대역을 사용하지만 멀티 링크 운영을 가능하게 해주고 속도를 최대 46Gbps까지 높여줍니다. 5G와 5GHz 기술의 차이점에 대해 더 자세히 알아보십시오.
RF 범위: 주의해서 할당해야 하는 한정된 자원
RF 주파수가 결코 석유나 희토류 금속처럼 "고갈"되지는 않겠지만 3Hz~3,000GHz 대역은 우리가 연구해야 할 영역입니다. 1800년대 후반에 라디오 통신이 등장했을 때 이 범위는 똑같았으며 우리가 물리학을 이해하는 방식에 극적인 변화가 생기지 않는 한, 앞으로도 똑같을 것입니다.
이 자원을 적절히 활용하기 위해서는 더 많은 주파수 공간을 차지하지 않고 더 많은 데이터를 전송할 수 있게 해주는 기술 혁신(예: QPSK 신호 전송)과 적절한 전력 제한과 함께 신중한 주파수 할당이 필요합니다.
Arrow는 여러분의 다음 번 프로젝트를 위해 업계 유수의 제조사들이 생산한 다양한 무선 주파수 제품과 기기들을 보유하고 있습니다. 예를 들어, DFR0868 ESP32-C3 개발 보드를 사용하면 동일한 모듈에서 WiFi와 블루투스 모두를 가지고 시작할 수 있습니다.
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