얕 세상

현재 우리가 무선통신에서 사용되는 주파수 중 송신 혹은 수신장치를 일반 대중이 사용할 수 있도록 경제성 있게 제작할 수 있는 주파수 범위는 대략 수백 KHz에서 수 GHz의 주파수대이다. 이러한 주파수대를 KHz대역을 사용하는 AM 라디오 방송에서부터 100MHz 근방의 FM방송, TV방송, CB(Citizen Band) 무선기 그리고 최근 사용되기 시작한 2GHz대의 PCS까지 다양한 무선통신 시스템들이 나누어서 사용하고 있다.

주파수는 동일한 지역에서 하나 이상의 시스템이 동시에 사용할 수 없기 때문에 어느 나라에서나 아껴야 할 공공의 자원으로 인식되어 있고 이에 따라 우리나라의 전파 관리국이나 미국의 FCC(Federal Communications Commission)등과 같은 국가 기관에 주파수의 할당이나 불법적인 주파수의 사용에 대한 규제 등 한정된 자원의 효율적인 관리를 위한 노력을 하고 있다. 이중에서 특히 개인 이동통신에 사용되는 휴대용 무선기나 이동전화는 하나의 주파수가 할당되어 정보를 송신하고 이를 다수가 수신하는 방송 형태와는 달리 각 개인별로 별도의 주파수를 사용해야 하기 때문에 많은 사람들이 동시에 이용하기 위해서는 일반 방송과는 다른 방법으로의 접근이 필요하다.

실제로 개인 이동통신에서 주파수의 사용 효율을 높이기 위한 방법 중의 하나인 셀룰러 방식은 1960년대에 제안되었으며 1970년에는 FCC에서 셀룰러방식의 개인 이동통신을 위한 주파수가 할당되었다. 이후 AT&T에서 AMPS(Advanced Mobile Phone System)의 개발이 완료되어 1983년 시카고와 볼티모어 지역에서 상용 서비스를 시작한 것이 미국에서의 이동통신의 효시이다. 셀룰러방식의 이동통신에서는 서비스 지역을 수Km 정도의 작은 셀로 나눈 후 전파가 전달되면서 거리에 따라 그 크기가 감소하는 점을 이용하여 인접한 셀에서는 서로 다른 주파수를 할당하고 전파가 감쇄되어 영행을 미치지 않을 정도로 떨어진 셀에서는 같은 주파수를 다시 사용할 수 있도록 셀의 크기와 전파 출력의 강도 등을 조절하여 배열함으로써 한 셀에서 사용된 주파수를 다른 셀에서 재사용이 가능하도록 하여 주파수의 이용 효율을 높이고 있다.

<디지털방식의 이동통신 시스템 등장>

1996년 신규 PCS사업을 위한 1.9GHz대역의 주파수가 할당되어 경매되기 전까지 미국의 이동통신에서는 800MHz대역(정확하게는 기지국 송신 주파수 대역에 869-894MHz 그리고 단말기 송신 주파수 대역에 824-849MHz)에서 아날로그 방식으로 동작하는 AMPS가 주로 사용되었다. AMPS방식에서는 1개의 음성이 FM(Frequency Modulation)방식으로 변조되어 30KHz의 주파수를 점유하는 1개의 Channel을 구성하며 이에 따라 위의 주파수 대역에는 총 832(=894-869/0.03)개의 AMPS Channel을 구성할 수 있다.
이와 같이 주어진 주파수 대역을 여러 개의 Channel로 나누어서 동시에 이용하는 방식을 FDMA(Frequency Division Multiple Access)라고 부른다. 또한 FCC는 통신시장에서 경쟁 유도를 위해 이러한 832개의 Channel을 A와 B Block의 두 그룹으로 나누어 각 지역별로 두 개 회사에 416 Channel씩 할당해 주었다. 이러한 416 Channel 중에서 단말기와 시스템간의 교신을 위한 21개의 Control Channel을 제외한 나머지 395개의 Channel이 음성통신을 위한 Channel로 사용될 수 있다.

따라서 7-Cell 재사용 시스템에서는 각 셀이 대략 58개의 음성채널, 다시 말해서 한 셀당 57명의 동시 통화가 가능해진다. 그러나 이러한 정도의 통화용량은 90년대 들어 이동통신 가입자가 급격히 늘어나면서 인구 밀집 지역에서의 통화 수요를 충족 시키기가 어려워지기 시작했다. 이에 따라 이동통신 사업자들은 셀의 크기를 줄이거나 지향성 안테나를 이용한 주파수 재사용 효율을 높여 주는 등의 노력과 동시에 근본적으로 시스템 용량을 늘려줄 수 있는 다지털방식의 이동통식 시스템에 관심을 갖게 되었다.

<디지털 방식의 장점>

디지털 방식의 이동통신 시스템의 개발에 가장 먼저 관심을 보인 지역은 유럽지역으로 1982년 CEPT(Comference of European Post and Telecommunications)에서 Group Special Mobile(GSM)을 개발하기 위한 연구팀을 구성한 것이 그 시작이었다. 이후 Global System for Mobile Communications으로 그 이름을 바꾼 GSM은 1987년 유럽 내 17개국이 공통규격으로 채택하기로 합의함에 따라 그 표준화와 상용화가 급진전되어 가장 먼저 디지털 이동통신 시장에 선보인 시스템이 되었고 지금도 세계적으로는 가장 많은 국가에서 사용하고 있는 시스템이 되었다.
인접한 국가간에도 서로 방식이 달라 국가간 상호 로밍이 불가능했고 이에 따라 기존의 이동통신 시스템으로는 성장에 한계를 느껴 차세대 디지털이동통신 방식에 일찍 눈을 돌린 유럽과는 달리 미국은 AMPS 방식의 이동통신 시스템의 이용에 별다른 문제가 없는 상황에서 1980년대 후반에 기존의 AMPS시스템과 호환이 될수 있는 D-AMPS(Digital AMPS) 혹은 NATDMA (North American Time Division Mutiple Acess)로 불리는 디지털이동통신 방식의 개발에 착수하였으며 1990년에는 퀄컴의 주도아래 CDMA방식의 이동통신 시스템 개발에 착수하였다.

이동통신에 디지털 방식을 도입함으로써 얻어지는 이점은 여러 가지를 들 수 있다. 먼저 아날로그 방식으로 전송을 할 경우에는 전송중에 들어오는 잡음이 그대로 전달되어 전파 환경이 열악한 자역에서 통화할 경우 통화 품질의 저하가 심각해지게 되나 디지털 방식을 사용할 경우에는 전송중에 잡음이 들어 오더라도 수신측에서 부호를 재생하는 관정에서 제거되기 때문에 전송중 잡음이 사용자에 전달이 되지 않아 어떠한 환경에서도 좋은 음질을 보장한다. 또한 효과적인 음성압축을 통하여 같은 폭의 주파수 대역에 아날로그 방식에 비해 2배에서 6배까지 더 많은 음성 Channel을 수용할 수 있게 된다.

<다중화 방식의 기본개념>

그러면 지금까지 언급된 FDMA 방식의 AMPS와 TDMA 방식의 GSM및 NA-TDMA(Code Division Mnltiple Acess)방식의 특징들을 살펴보기에 앞서 각 방식의 기본적인 개념을 알아보도록 하겠다.

FDMA나 TDMA 그리고 CDMA 모두 기본적으로는 하나의 정보 전달 통로를 통해서 독립적인 여러 개의 정보를 전달하기 위해 고안된 다중화 방식들이다. 이해를 돕기 위해서 정보가 전달되는 주파수 대역을 하나의 파이프로 그리고 각각의 음성을 서로 다른 액체로 비유해 보기로 한다. 우리가 이렇게 서로 다른 액체를 하나의 파이프를 통해서 보낸 수 있는 방법은 기존의 파이프안에 다시 작은 직경의 파이프 를 설치하여 각 액체를 각각의 작은 파이프를 통해서 보내는 방법과(FDMA) 시간차이를 두고 각 액체를 교대로 보내는 방법(TDMA), 그리고 모든 액체를 섞어서 보낸 후 받는 쪽에서 이를 다시 분리하는 방법(CDMA)을 생각할 수 있다.

이중에서 CDMA 방식에서는 각각의 음성을 서로 구별이 가능한 부호열(Code Sequence)에 섞어서 전송함으로써 받는 쪽에서 이러한 부호열에 따라 분리할 수 있도록 하여 준다.
GSM과 NA-TDMA는 모두 TDMA 방식을 채택하고 있으나 GSM의 경우는 새로운 주파수 할당이 가능한 유럽 지역에서 표준안이 제정되어 200KHz 간격으로 주파수 대역을 나눈 반면 NA-TDMA는 기존의 AMPS가 사용하던 대역을 그대로 사용하기 위해서 AMPS와 같은 30KHz 간격으로 주파수 대역을 나누어 사용한다. 또한 앞에서 언급한 주파수 재사용에서도 NA-TDMA는 AMPS의 주파수 재사용 배치와 같은 7-Cell 단위의 주파수 재사용을 하고 있으나 GSM의 경우는 3-Cell 단위의 주파수 재사용을 함으로써 재사용 효율을 높이고 있다.

Vocoding 방식에 있어서는 GSM이 13Kbps의 RPE-LTP(Regular Pulse Excitation with Long-Term Prediction)을 사용하고 NA-TDMA는 7.95kbps의 VSELP(Vector Sum Exited Linear Predictive)를 사용한다. CDMA경우에는 그 특성상 넓은 대역을 필요로 하기 때문에 1250KHz간격으로 대역을 나누어서 사용하며 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 주파수 대역 내에서 Code를 이용하여 각 Channel을 구분하기 때문에 인접한 셀에서도 같은 주파수를 사용할 수가 있어 주파수의 재활용률이 1이다.
CDMA의 경우도 GSM이나 NA-TDMA와 같이 Vocoder를 사용하는데 여기에서는 음성에 따라 1Kbps에서 8Kbps(국내의 경우 800 MHz대 이동전화 및 홍콩에서 채택) 혹은 1Kbps에서 13Kbps까지의 (미국 이동통신 사업자 및 국내 PCS에서 채택) 음성에 따라 가변적인 데이터 속도로 동작하는 QCELP(Qualcomm Code Excited Prediction)가 사용된다. 이와 같이 음성을 효율적으로 압축할 수 있는 Vocoding 기술의 채택과 효율적인 주파수 재사용은 기존의 AMPS방식에 비해 3배(GSM, NA-TDMA)에서 15배(CDMA) 이상의 용량 증가를 가져와 제한된 주파수를 이용해 더욱 더 많은 사람이 이동할 수 있게 된다. 또한 디지털 방식으로의 전환은 CDPD와 같은 데이터 전용망을 필요로 하는 아날로그 방식과는 달리 음성과 데이터의 결합을 가능하게 하여 인터넷 등 이미 우리 생활의 일부가 된 데이터 서비스를 이동 중에도 손쉽게 제공할 수 있게 되었다.





[23]이동통신 안테나



안테나란 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 주거나 그 반대의 기능을 수행하는 장치를 의미합니다. 송신의 경우에는 송신기에서 보내고 싶은 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 멀리까지 보내게 되며, 또한 멀리서 송신된 전파를 수신하면 그 전파를 전기적인 신호로 바꾸어 수신기에 전달하여 주기도 합니다.

<전파의 성질>

전파는 공간을 전해가는 파동입니다. 따라서 파장과 주파수를 갖게 됩니다. 파장을 λ, 주파수를 f , 전파가 공간을 전해가는 속도를 c 라고하면 다음 관계가 성립합니다.

λ (m) = c (m/sec) / f (Hz)

<안테나의 특성>

안테나의 특성은 주로 임피던스, 이득, 지향성의 3요소에 의해 나타냅니다.

◎ 임피던스 : 임피던스는 전류가 흐르기 어려움을 나타내는 양입니다. RIG와 동축 케이블, 그리고 안테나 모두 각각의 임피던스 값을 가지고 있습니다. 이 세 임피던스 값이 일치할 때에 가장 효과적으로 전파가 전해지게 됩니다. 보통 RIG와 동축 케이블의 임피던스는 50Ω으로 고정되어서 생산됩니다. 그러나 안테나의 임피던스는 50Ω이 아닌 경우가 많습니다. 그러므로 안테나의 임피던스가 50Ω에 가깝도록 조정을 해주어야 하며 이러한 조정을 MATCHING이라고 합니다.
SWR은 바로 이 임피던스가 일치한 정도를 나타내는 값입니다. SWR은 1 이상의 값을 가지며 SWR이 1에 가까우면 더욱 효과적으로 전파를 보낼 수 있고 RIG의 손상이 적어집니다.

◎ 이득 : 이득은 안테나의 성능을 의미하는 것입니다. 안테나에 일정한 출력이 보내져도 안테나의 성능에 따라 더 높은 출력의 전파를 보낸 것과 같은 효과가 발생하게 됩니다. 이러한 효과를 나타내는 것을 이득이라고 합니다. 단위는 dB입니다. 이득이 높은 안테나를 사용하면 작은 출력으로도 멀리 있는 무선국과 효과적인 교신을 할 수 있습니다.

◎ 지향성 : 안테나가 특정한 방향으로 전파를 더 많이 보내는 성질을 지향성이라고 합니다. 지향성이 있는 안테나를 지향성 안테나라고 하며, 지향성이 없이 모든 방향으로 동일하게 전파를 보내는 안테나를 무지향성 안테나라고 합니다. 안테나는 전파를 입체적으로 보내지만 입체적인 지향성은 생각하기 어려우므로 우리는 편의상 수평면에서의 지향성과 수직면에서의 지향성을 생각합니다.
안테나의 용도에 따라 지향성이 있는 안테나를 사용하거나 지향성이 없는 안테나를 사용합니다. 지향성 안테나를 사용하는 가장 대표적인 예는 전파의 발신지를 탐지하는 일입니다. 목적하는 방향으로 전파를 더 많이 보내도록 하기 위해 지향성 안테나는 방향을 바꾸어줄 필요가 있습니다. 수평 방향을 바꾸어주는 장치를 로테이터 (ROTATOR), 수직 방향을 바꾸어주는 장치를 엘리베이터 (ELEVATOR)라고 합니다.

<안테나 엘리먼트>

안테나의 여러 부분 중에서 실제로 전파를 송신하거나 수신하는 부분을 엘리먼트 라고 합니다. 안테나의 실질적인 부분이며 전기가 잘 통하는 도체로 이루어져 있습니다.

<공 진>

공진이란 안테나가 어떤 특정한 파장의 전파를 가장 효과적으로 보내고 받는 현상을 의미합니다. 안테나의 길이가 파장의 1/2의 정수배일 때 안테나는 공진하게 됩니다. 이때 이 전파의 주파수 중에서 가장 낮은 주파수를 안테나의 공진 주파수라고 합니다.

<로딩 코일(연장 코일)>

안테나에 코일을 삽입하면 안테나의 공진 주파수가 높아지게 됩니다. 즉 안테나의 길이가 파장의 1/2보다 짧아도 동일한 주파수의 전파에 공진할 수 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 길이를 단축시켜 주는 코일을 로딩 코일이라고 합니다. 이와는 반대로 안테나에 콘덴서를 삽입하면 안테나의 공진 주파수가 낮아지게 됩니다. 즉 안테나의 길이가 파장의 1/2보다 길어도 동일한 주파수의 전파에 공진할 수 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 길이를 연장시켜 주는 콘덴서를 단축 콘덴서라고 합니다.
로딩 코일은 설치 장소보다 안테나의 길이가 너무 길때에 이용됩니다. 그러나 안테나를 단축하면 이득이 감소합니다.

<트랩>

한 안테나로 여러 주파수의 전파를 이용하려고 할 때에 사용되는 코일을 트랩이라고 합니다. 코일도 안테나처럼 공진 주파수를 가지고 있으므로, 코일이 삽입될 경우 그 주파수에 해당하는 전파에도 공진하게 됩니다. 그러므로 한 안테나를 여러 주파수에 공진시켜 사용할 수 있습니다.

<동축 케이블>

안테나에 전기 에너지를 공급해 주는 전선을 급전선이라고 합니다. 이 급전선 중에서 외부 도체와 내부도체로 이루어져 있는 전선이 동축케이블입니다. 외부 도체와 내부 도체의 축이 일치하기 때문에 동축 케이블이라는 명칭을 사용하게 되었습니다. 동축 케이블은 고유한 임피던스와 크기, 재료, 성능에 따라 여러가지 규격을 갖고 있습니다. 보통 RG 8이라는 굵은 동축케이블 과, RG 58이라는 가는 동축케이블을 사용합니다. 이 두 동축케이블은 모두 임피던스가 50Ω입니다.

▣ 안테나의 종류

<반파장 다이폴(DIPOLE) 안테나>

모든 안테나의 기본이 되는 안테나입니다. 파장의 1/2의 길이를 가진 도선의 가운데에 동축 케이블을 연결한 형태입니다. 안테나의 엘리먼트와 평행한 면에서의 지향성은 8자 모양이며 수직한 면에서는 무지향성입니다. 안테나의 임피던스는 75Ω입니다. 이 안테나는 단독으로도 사용되며 다른 안테나의 구성 요소가 되기도 합니다.

◎ 수평 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 지면과 평행한 안테나입니다. 보통 HF에서의 교신과 VHF, UHF의 TV 방송에 많이 사용합니다.
◎ 수직 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 지면과 수직한 안테나입니다. 보통 VHF, UHF에서의 교신에 많이 사용 합니다. 수평면에서 무지향성인 점이 특징입니다.
◎ V형 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 V형을 이루고 있는 안테나입니다. 임피던스가 50Ω이어서 특별한 용도에 많이 이용되고 있습니다.

<수직 접지 안테나 (모노폴 안테나)>

안테나의 엘리먼트 중 하나를 접지한 형태의 안테나입니다. 접지라는 것은 전기적인 위치 에너지가 0 이 되도록 만드는 것을 의미합니다. 지표면의 전기에너지는 0 이므로 보통 지표면에 연결하여 접지합니다. 이렇게 접지를 하게되면 그 엘리먼트가 존재하지 않아도 존재하는 것과 같은 효과가 발생합니다. 그러므로 안테나는 파장의 1/4의 길이에 해당하는 엘리먼트 하나로 감소합니다. 그러나 기본적으로는 수직 반파장 다이폴 안테나와 동일합니다. 안테나의 엘리먼트와 평행한 면에서의 지향성은 반원 모양이며 수직한 면에서는 무지향성 모양입니다. 안테나의 임피던스는 36Ω입니다. 이 안테나는 매우 많은 무선기기에서 사용되고 있습니다.

◎ 로드 안테나 : 엘리먼트를 지표면에 접지한 안테나로서 휴대형 무선기기에 많이 이용됩니다. 사용자가 무선기기를 손에 잡게 되면 인체를 매개로 무선기기와 지표면이 연결됩니다.
◎ GP (Ground Plane) 안테나 : 안테나를 높은 곳에 올릴 경우 지표면에는 접지할 수 없게 됩니다. 이 때에 전기적인 위치 에너지가 0인 금속판에 엘리먼트를 연결하면, 지표면에 접지한 것과 동일한 효과가 발생합니다. 이러한 안테나를 GP 안테나라고 합니다. 보통 금속판 대신에 방사상으로 전개된 여러개의 도체를 이용합니다. 이러한 도체를 레디알(RADIAL) 이라고 하며 길이는 파장의 1/4입니다.
◎ 다단 GP 안테나 : GP 안테나를 수직으로 여러 개 쌓아올리게 되면 안테나의 이득이 증가합니다. 이러한 안테나를 다단 GP 안테나라고 하며, 쌓아올린 엘리먼트의 개수가 단의 수를 결정합니다. 예를 들어 5개의 엘리먼트를 쌓아올린 GP 안테나는 5단 GP 안테나입니다.

<야기 안테나>

야기 안테나는 야기, 우노다 두 사람이 개발해낸 안테나입니다. 이 안테나는 복사기, 반사기, 도파기로 구성되어 있습니다. 지향성은 도파기 방향으로 입체적인 지향성을 갖고 있습니다. 이 안테나는 TV 방송 수신용으로 매우 많이 사용되고 있어서 주변에서 쉽게 접할 수 있습니다. 임피던스는 25Ω입니다.

◎ 복사기 : 일반적인 반파장 다이폴 안테나입니다. 전파는 이 복사기에서 송신되거나 수신됩니다.
◎ 반사기 : 파장의 1/2의 길이보다 긴 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 반사합니다. 그러므로 반사기의 뒤로는 전파가 발사되지 않습니다. 보통 1개의 반사기를 사용합니다.
◎ 도파기 : 파장의 1/2의 길이보다 짧은 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 강화시켜 줍니다. 그러므로 도파기 방향으로 전파가 진행하게 되며 지향성도 이 방향으로 생성됩니다. 도파기의 개수가 증가할수록 지향성이 더욱 날카로와지고 이득이 증가합니다.
◎ HB9CV 안테나 : 일반적인 2 엘리먼트 야기 안테나와 유사한 형태의 안테나입니다. 그러나 야기 안테나와는 달리, 복사기 뿐만 아니라 반사기에도 전기 에너지가 공급되는 일종의 위상 배열 (PHASED ARRAY) 안테나입니다. 2 엘리먼트 야기 안테나의 크기로서 3 엘리먼트 야기 안테나의 성능을 가지고 있으므로, 안테나를 설치할 공간이 협소한 무선국에서 많이 이용하고 있습니다.

<루프 안테나>

엘리먼트가 끝이 없이 루프 모양을 이루는 안테나입니다. 엘리먼트가 이루는 루프의 길이는 1파장의 길이입니다. 루프의 형태는 원형, 사각형, 삼각형 등의 여러 형태이며 필요에 따라 선택합니다. 지향성은 8자 모양을 입체적으로 전개한 형태입니다. 임피던스는 60Ω입니다. 이 안테나는 여러 공진 주파수의 엘리먼트를 한 안테나에 설치할 수 있으므로 많이 이용되고 있습니다.

◎ 쿼드 안테나 : 이 안테나는 복사기, 반사기, 도파기로 구성되어 있습니다. 지향성은 도파기 방향으로 입체적인 지향성을 갖고 있습니다.
◎ 복사기 : 일반적인 루프 안테나입니다. 전파는 이 복사기에서 송신되거나 수신됩니다.
◎ 반사기 : 1파장의 길이보다 긴 루프 모양의 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 반사합니다. 그러므로 반사기의 뒤로는 전파가 발사되지 않습니다. 보통 1개의 반사기를 사용합니다.
◎ 도파기 : 1파장의 길이보다 짧은 루프 모양의 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 강화시켜 줍니다. 그러므로 도파기 방향으로 전파가 진행하게 되며 지향성도 이 방향으로 생성됩니다. 도파기의 개수가 증가할수록 지향성이 날카로와지고 이득이 증가합니다.

<기타 안테나>

◎ 헬리칼 (HELICAL) 안테나 : 로딩 코일만으로 이루어진 안테나입니다. 길이가 작아 휴대용 무선기기에 많이 사용됩니다. 그러나 이득은 매우 낮습니다.
◎ 로그 페리오딕 (LOG PERIODIC) 안테나 : 도파기 숫자가 매우 많은 야기 안테나의 형태와 비슷한 안테나입니다. 넓은 범위의 주파수에 공진하므로 군사용, 외교 업무용으로 사용되고 있습니다.
◎ 코너 리플렉터 (CORNER REFLECTER) 안테나 : 일반적인 반파장 다이폴 안테나에 반사판을 설치한 안테나입니다. 전체적인 크기가 작아도 날카로운 지향성을 얻을 수 있으므로 군사용으로 이용되고 있습니다.
◎ 파라볼라 (PARABOLA) 안테나 : 일반적인 다이폴 안테나에 포물면 형태의 반사판을 설치한 안테나입니다. 지향성이 극히 우수하며 마이크로파 대역의 주파수에서 사용되고 있습니다.