무선네트워크 이해 (1) - Chapter1. 무선통신

Chapter1. 무선통신

 

- WI-FI를 이해하기에 앞서 일단 WI-FI에서 사용하는 용어들에 대한 이해가 필요 합니다.

   기존 유선 네트워크 엔지니어들이 경험하지 못한 새로운 단어들이 많이 나오기 때문에 주요 단어들은 미리미리~ 숙지해 두는 것이 좋습니다.

   간혹 WI-FI를 공부하시면서 무선주파수(Radio Frequency) 이론 만 보다가 접으시는 분들도 계신데 WI-FI 엔지니어가 RF 까지 알면 도움이 되긴

  하지만 주파수가 무엇이고 어떤 특성이 있는지 정도 만 이해하시면 되실거 같습니다.

   Maxwell 방정식, 반송파, IF, 공진 이런 것은 궁금 하시면 찾아 보도록 하세요~

 

 

일단 WI-FI  (무선네트워크)에서 주로 사용하는 용어들에 대해 정리해보도록 하겠습니다.

 

 

1. 주파수

  WI-FI 뿐 만 아니라 통신의 기본이 되는 것이 주파수 입니다. 독일의 과학자 헤르쯔(H. R. Hertz)의 이름을 따서 Hz라고 쓰고 있지요.

 내용은 간단합니다. 전파가 공간을 이동할 때 1초 동안에 진동하는 횟수가 바로 주파수(Frequency) 입니다.

 

  1초당 1,000개의 파동이 지나가면 1,000Hz (=1kHz) 가 됩니다. WI-FI 에서 사용하는 2.4GHz는 1초에 2,400,000개의 파동이 지나는 거겠죠? 

 쉽게쉽게 생각 하시면 됩니다. 

 

● 주파수 = 1/주기

 

● 파장(wavelength) :  한 peak에서 다음 peak까지의 거리 , 람다 라고 읽습니다.

                 

● 주파수와 파장의 관계 : 오른쪽 그림을 보면 알 수 있듯이 저주파 일수록 파장이 길고, 고주파 일수록 파장이 짧습니다.

                                                     이건 꼭 외우세요. 파장이 길수록 전파가 멀리 전달 되고 파장이 짧을수록 전파가 멀리 가지 않습니다.

                                                     그렇기 때문에 WI-FI 에서 2.4Ghz 가 5Ghz 보다 커버리지가 넓게 형성 되는 것입니다.

 

  이런 주파수를 기반으로 무선통신는 전압/전류로 표현되는 전기적인 신호를 전기장/자기장으로 표현되는 전자기파로 서로 변환해 주는 안테나를 이용

 하여 자유공간(Free Space)에 신호를 뿌리고 그 뿌려진 신호를 받음으로 통신이 이뤄지게 됩니다. (자유공간을 공기(Air)라고도 표현하기도 합니다.)   

2. 안테나 (Antenna) 

 안테나(Antenna)란 말의 어원은 곤충이의 더듬이에서 유래 되었다고 합니다. 눈으로 보이지 않는 파동을 감지할 수 있는 막대기~ 라고 생각 하시면

이해 하기 편하실 듯 합니다. 

 무선통신에서 신호가 전달되는 경로는 유선에서 처럼 유선케이블이나 선로등이 아닌 자유공간 입니다. 이런 자유공간에서는 전기가 흐를 수 없기

때문에 (도체 부도체... 기억 나시죠?) 무선통신에서는 이런 전지적 신호를 전자기파로 변환해서 자유공간으로 뿌려주게 됩니다. 

 

 안테나는 공진(Resonance) 라는 원리로 동작하게 되고 주파수에서 설명한 파장이란 것과 굉장히 밀접한 연관성을 있습니다. 

 가장 기본적인 안테나인 다이폴 안테나(Dipole Antenna)의 경우 막대기(안테나) 길이의 두배의 파장을 가진 주파수에 공진하게 됩니다. 거꾸로 말하면

원하는 주파수를 송수신 하고 싶으면 해당 주파수 파장의 두배의 길이로 안테나를 제작 하면 된다는 것이지요.

 모든 안테나의 크기, 길이, 면적등은 주파수 파장과 연관성을 갖습니다. 그래서 주파수 파장이 짧은 고주파를 사용할 수록 안테나의 크기가 작아지게

되는 것입니다.

 

● 이것만 기억 하시면 됩니다.  " 안테나의 크기는 주파수에 의해 결정 된다, 파장이 짧을 수록 안테나의 크기는 작아진다 "

 

3. 무선통신의 원리

 - 신호란?

  신호는 주기적인 신호에 정보가 실려 있다는 것입니다. 정보가 실려 있지 않은 주기적인 신호는 깨끗한 Sine파신호로 표현이 되고 아무런 정보가 없는

 백지라고 생각 하시면 됩니다. 즉, 우리가 "정보를 담아서 보낸다" 라고 하는 것은 깨끗한 Sine파신호를 변형을 시켜서 보낸다는 의미 입니다. 

  정상적인 Sine파형을 일정한 약속대로 변형을 시켜 정보를 담는 것을 우리는 "변조"라고 부르고, 이런 신호를 약속대로 복구해서 어떤 정보인지

 알아내는 것을 "복조" 라고 합니다.

 

 - 안테나 빔 (Antenna Beam)

  안테나에서 방사되는 전자기파는 온사방으로 흩뿌려지는 것이 아니고 특정 방향으로 빔(Beam)을 형성 하게 됩니다. 쉽게 말해 안테나의 빔이라는 것은

 안테나가 전자기파를 복사 또는 감지할 수 있는 유효영역 입니다. 

 

 - 무선통신의 원리

  원거리에 있는 기지국 끼리 안테나를 이용해서 통신을 하기 위해 같은 주파수 대역으로 전자기파를 방출 하고 있다고 가정하고 보시기 바랍니다.

  무선통신은 주파수 대역이 다르면 서로 통신을 하지 못한다는건 반드시 기억 하시기 바랍니다.

  기지국 A는 송신을 하고 기지국 B는 수신을 한다고 가정하겠습니다.

 

  처음 그림은 아무런 정보가 담겨져서 나기지 않을 때를 나타내는 그림입니다. 이때 기지국 A 에서 "하루살이~" 라는 의미를 담고 변조된 파형의 신호를 생성하여 

 데이터를 송신하면 기지국A 는 자신의 전자기파를 변조된 파형대로 왜곡시키게 됩니다. 그리고 안테나의 빔패턴이 중복되는 영역에서 기지국 B의 순수한 Sine파형

 도 함께 왜곡시켜지게 됩니다. 결국 기지국 B는 자신의 안테나 빔 영역에서 변화가 발생했다는 것을 감지하게 되고 이 신호를 복조하여 어떤 정보가 전달 되었는지

 알게 됩니다.

 

 아주 간단하게 간략화 시키긴 하였지만 이것이 안테나를 이용한 무선통신의 가장 기본적인 원리 입니다.

 

 - 안테나 이득 (Antenna Gain)

  WIFI를 하다보면 가끔씩 안테나 이득에 대해 들으셨을 때가 있었을 겁니다. 이득이라는 것은 입력된 신호가 출력에서 더 커지는 경우를 이야기 하는데 

 안테나는 수동소자이기 때문에 능동소자에서의 이득과는 좀 다른 의미 입니다. 에너지를 공급받아서 신호를 더 크게하는 것이 아니기 때문입니다. 

 안테나에서의 이득은 신호가 커진다는 의미가 아니고 바로 방향성(Directivity)로 인해 파생되는 상대적인 이득을 의미하는 것입니다.

  안테나로 인해 신호를 키우는게 아니라, 사방으로 퍼져나가야 할 에너지를 일정방향으로 쏴준다는 의미이며 단위는 dB를 사용하게 되며 일반적으로

 dBi라고 표현 하고 있습니다.  

  위 그림과 같이 사방으로 신호가 방사될 때를 가정한 Isotropic 패턴에 비해 실제 에너지가 일정방향으로 쏠리는 비율을 의미하는 것이 안테나의

 이득(dBi)입니다. 

 

 

4. 마치며

 그림 그리느냐 시간이 다 가는군요. 쿨럭..