네트워크 통신의 원리 (1) - 전자기파와 신호 전송 - soo:bak
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정보를 멀리 보내려면
1837년, 새뮤얼 모스는 전선을 통해 전기 신호를 보내는 데 성공했습니다.
스위치를 누르면 먼 곳의 전자석이 작동하고, 스위치를 떼면 전자석이 꺼집니다.
이 단순한 on/off 신호의 길이를 조합해 알파벳을 표현한 것이 모스 부호입니다.
그런데 여기서 근본적인 질문이 생깁니다.
전선을 연결하지 않고도 정보를 보낼 수 있을까요?
1864년, 제임스 클러크 맥스웰은 놀라운 예측을 했습니다.
전기장의 변화가 자기장을 만들고, 자기장의 변화가 다시 전기장을 만든다면, 이 연쇄 반응이 공간을 통해 퍼져나갈 수 있다는 것이었습니다.
그는 이 파동의 속도를 계산했고, 그 값이 빛의 속도와 정확히 일치한다는 것을 발견했습니다.
빛이 전자기파의 일종이라는 사실이 수학적으로 드러난 순간이었습니다.
1887년, 하인리히 헤르츠는 실험실에서 이를 증명했습니다.
전기 불꽃을 일으키자 몇 미터 떨어진 곳의 고리 모양 안테나에서도 작은 불꽃이 튀었습니다.
전선 없이 에너지가 전달된 것입니다.
이것이 전자기파(Electromagnetic Wave)의 실험적 발견이었고, 무선 통신의 물리적 기반이 마련된 순간이었습니다.
전자기파의 본질
맥스웰이 발견한 핵심은 이것입니다.
변화하는 전기장은 자기장을 만들고, 변화하는 자기장은 전기장을 만든다.
안테나에 교류 전류를 흘리면 어떤 일이 일어날까요?
전류가 증가하고 감소하면서 안테나 주위의 전기장이 계속 변화합니다.
이 변화하는 전기장이 자기장을 만들어내고, 그 자기장의 변화가 다시 전기장을 만들어냅니다.
이 과정이 연쇄적으로 일어나면서 전기장과 자기장의 진동이 공간을 통해 퍼져나갑니다.
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안테나에서 교류 전류 진동
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전기장 변화 → 자기장 생성
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자기장 변화 → 전기장 생성
↓
이 과정이 연쇄적으로 공간을 통해 전파
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멀리 떨어진 안테나에서 전기장 변화 감지
↓
안테나에 전류 유도
중요한 점은 이 파동이 매질을 필요로 하지 않는다는 것입니다.
소리는 공기 분자의 진동이므로 진공에서 전달되지 않습니다.
하지만 전자기파는 전기장과 자기장 자체의 진동이므로 진공에서도 전파됩니다.
태양빛이 우주 공간을 건너 지구에 도달하는 것도, 화성 탐사선과 지구가 통신할 수 있는 것도 이 때문입니다.
전자기파는 진공에서 초속 약 3억 미터, 즉 빛의 속도(c)로 전파됩니다.
이 속도는 물리 법칙에서 도출되는 상수로, 전자기파의 주파수나 세기와 무관하게 일정합니다.
주파수가 결정하는 것들
전자기파는 주파수(Frequency)에 따라 매우 다른 성질을 보입니다.
주파수란 1초 동안 파동이 진동하는 횟수입니다.
주파수와 파장 사이에는 간단한 관계가 있습니다.
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c = f × λ
c: 빛의 속도 (약 3 × 10⁸ m/s)
f: 주파수 (Hz)
λ: 파장 (m)
빛의 속도가 일정하므로, 주파수가 높으면 파장이 짧고, 주파수가 낮으면 파장이 깁니다.
이 관계가 통신에서 중요한 이유가 있습니다.
전자기파가 장애물을 만났을 때의 행동이 파장에 따라 달라지기 때문입니다.
파장이 장애물보다 크면 파동은 장애물을 돌아서 진행합니다.
이것을 회절(Diffraction)이라고 합니다.
AM 라디오(파장 수백 미터)가 산 뒤에서도 들리는 이유입니다.
반대로 파장이 장애물보다 훨씬 작으면 파동은 거의 직진합니다.
빛(파장 수백 나노미터)이 날카로운 그림자를 만드는 이유입니다.
5GHz Wi-Fi(파장 6cm)가 벽을 잘 통과하지 못하는 것도 같은 원리입니다.
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파장이 긴 전파 (수백 m):
∿∿∿∿∿
/ \
/ 산 \
∿∿∿∿ ∿∿∿∿
회절하여 산 뒤로 도달
파장이 짧은 전파 (수 cm):
→→→→→ │
│ 산
│
그림자 영역 발생
주파수는 또한 대역폭(Bandwidth)과 직결됩니다.
대역폭은 사용할 수 있는 주파수 범위의 너비입니다.
1 MHz 주변에서 0.5 MHz 폭을 쓰면 50%의 상대적 대역을 사용하는 것이지만, 1 GHz 주변에서 0.5 MHz 폭을 쓰면 0.05%만 사용하는 것입니다.
높은 주파수 대역일수록 같은 비율의 대역폭이 절대적으로 더 넓습니다.
대역폭이 넓을수록 더 많은 정보를 전송할 수 있으므로, 고속 통신은 높은 주파수 대역을 사용하는 경향이 있습니다.
그래서 통신 시스템을 설계할 때는 트레이드오프가 발생합니다.
낮은 주파수는 회절이 잘 되어 장애물을 피할 수 있지만 대역폭이 좁습니다.
높은 주파수는 대역폭이 넓어 고속 전송이 가능하지만 직진성이 강해 장애물에 취약합니다.
Wi-Fi가 2.4GHz와 5GHz 두 대역을 모두 지원하는 것은 이 트레이드오프를 사용자에게 선택하게 하는 것입니다.
2.4GHz는 벽을 더 잘 통과하지만 속도가 제한되고, 5GHz는 빠르지만 도달 거리가 짧습니다.
유선 전송: 전기 신호와 빛
무선이 아닌 유선으로 신호를 보내는 방법도 물리 법칙에 기반합니다.
구리선에서 일어나는 일
구리선에 전압을 가하면 전자가 이동합니다.
하지만 통신에서 정보를 전달하는 것은 전자의 이동 자체가 아닙니다.
전자의 이동 속도는 매우 느리지만(초당 수 mm), 전기장의 변화는 빛에 가까운 속도로 전파됩니다.
한쪽 끝에서 전압을 변화시키면, 그 변화가 도선을 따라 전파됩니다.
마치 긴 스프링의 한쪽을 흔들면 그 진동이 스프링을 따라 전달되는 것과 유사합니다.
스프링의 각 코일이 크게 이동하지 않아도 진동 자체는 빠르게 전파되는 것처럼, 구리선에서도 전기장의 변화가 빠르게 전파됩니다.
구리선 전송의 한계는 감쇠(Attenuation)와 간섭(Interference)입니다.
전기 신호는 저항으로 인해 열로 손실되며, 거리가 멀어질수록 약해집니다.
또한 외부 전자기장(다른 전선, 모터, 형광등 등)이 도선에 원치 않는 전류를 유도합니다.
트위스티드 페어(Twisted Pair) 케이블이 두 선을 꼬아놓은 이유가 여기에 있습니다.
외부 전자기장은 꼬인 두 선에 거의 같은 영향을 미칩니다.
두 선의 전압 차이로 신호를 읽으면, 외부 간섭은 두 선에 공통으로 더해지므로 상쇄됩니다.
이것을 차동 신호(Differential Signaling) 방식이라고 합니다.
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외부 간섭이 들어올 때:
선 1 전압: 신호 + 간섭
선 2 전압: -신호 + 간섭
차이 = (신호 + 간섭) - (-신호 + 간섭)
= 2 × 신호
간섭이 상쇄됨
광섬유: 빛을 가두는 방법
구리선보다 훨씬 먼 거리를 적은 손실로 전송하려면 광섬유(Fiber Optic)를 사용합니다.
광섬유는 빛을 이용해 정보를 전달합니다.
빛이 유리 속을 진행하다가 공기와의 경계면을 만나면 어떻게 될까요?
빛이 밀도가 높은 매질(유리)에서 낮은 매질(공기)로 나가려 할 때, 입사각이 일정 각도(임계각) 이상이면 빛이 전혀 빠져나가지 못하고 100% 반사됩니다.
이것이 전반사(Total Internal Reflection)입니다.
광섬유는 이 원리를 이용합니다.
굴절률이 높은 유리(코어)를 굴절률이 낮은 유리(클래딩)로 감싸면, 코어 안에서 진행하는 빛은 경계면에서 전반사를 반복하며 섬유를 따라 진행합니다.
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클래딩 (낮은 굴절률)
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↗ ↗ ↗ ↗
빛 → → → → → 빛
↘ ↘ ↘ ↘
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클래딩 (낮은 굴절률)
│←───── 코어 ─────→│
광섬유가 구리선보다 유리한 이유는 물리적으로 명확합니다.
첫째, 빛은 전자기 간섭에 영향받지 않습니다.
둘째, 고순도 유리에서 빛의 손실은 km당 0.2dB 정도로, 구리선(km당 수십 dB)보다 훨씬 적습니다.
셋째, 빛의 주파수는 수백 THz에 달하므로 사용 가능한 대역폭이 전파에 비해 압도적으로 넓습니다.
대서양 횡단 해저 케이블이 광섬유인 이유, 데이터센터 간 연결이 광섬유인 이유가 여기에 있습니다.
무선 전송: 안테나의 물리학
무선 통신의 핵심 장치는 안테나(Antenna)입니다.
안테나는 전기 신호를 전자기파로 변환하거나, 전자기파를 전기 신호로 변환합니다.
가장 간단한 안테나는 직선 도체입니다.
이 도체에 교류 전류를 흘리면, 전류의 진동 방향으로 전기장이 형성되고, 이 변화하는 전기장이 자기장을 유도하며, 결국 전자기파가 방사됩니다.
여기서 중요한 점은 안테나의 길이와 파장의 관계입니다.
안테나가 효율적으로 전자기파를 방사하거나 수신하려면, 안테나의 길이가 파장의 일정 비율(보통 1/4 또는 1/2)이어야 합니다.
이것은 공진(Resonance) 현상 때문입니다.
파장의 1/4 길이인 안테나에서는 전류의 정상파가 형성되어 전자기파 방사가 극대화됩니다.
이 관계가 왜 중요할까요?
음성 신호의 주파수는 300Hz ~ 3400Hz 정도입니다.
3000Hz의 파장은 10만 미터입니다.
이 주파수를 직접 전송하려면 안테나 길이가 25km가 되어야 합니다.
현실적으로 불가능합니다.
그래서 변조(Modulation)가 필요합니다.
변조: 정보를 파도에 싣는 방법
변조의 핵심 아이디어는 이것입니다.
낮은 주파수의 정보 신호를, 높은 주파수의 반송파(Carrier Wave)에 실어 보낸다.
FM 라디오를 예로 들어봅시다.
FM 라디오의 반송파 주파수는 약 100MHz입니다.
파장은 3미터이고, 효율적인 안테나 길이는 약 75cm입니다.
자동차 안테나로 충분히 구현 가능한 크기입니다.
그러면 어떻게 정보를 반송파에 “실을” 수 있을까요?
파동에는 세 가지 특성이 있습니다: 진폭, 주파수, 위상.
이 세 가지 중 하나를 정보 신호에 따라 변화시키면 됩니다.
진폭 변조 (AM)
반송파의 진폭을 정보 신호에 따라 변화시킵니다.
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정보 신호 (음성): ∿∿∿∿∿∿∿∿ (느린 변화)
반송파: |||||||||||||||||| (빠른 진동)
AM 변조 결과: ||↕||↕||↕↕||↕↕||↕|| (진폭이 음성에 따라 변함)
작음 큼 작음 큼
수신기는 이 진폭 변화를 추출하여 원래 음성을 복원합니다.
AM의 문제는 잡음에 취약하다는 것입니다.
전자기 간섭은 주로 신호의 진폭에 영향을 미칩니다.
번개가 치면 AM 라디오에서 “탁탁” 소리가 나는 이유입니다.
주파수 변조 (FM)
반송파의 주파수를 정보 신호에 따라 변화시킵니다.
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정보 신호가 클 때: |||| (주파수 높음)
정보 신호가 작을 때: | | | | (주파수 낮음)
FM은 진폭 변화에 영향받지 않으므로 잡음에 강합니다.
수신기에서 진폭을 일정하게 만들어버려도(리미터 회로) 정보가 손실되지 않습니다.
FM 라디오의 음질이 AM보다 좋은 물리적 이유입니다.
대신 FM은 더 넓은 대역폭을 필요로 합니다.
주파수가 변화하는 범위만큼의 대역을 차지하기 때문입니다.
위상 변조 (PM)
반송파의 위상(파동의 시작점)을 변화시킵니다.
이것은 디지털 통신에서 특히 중요해집니다.
디지털 변조: 비트를 파동으로
현대 통신은 대부분 디지털입니다.
0과 1을 전송해야 합니다.
가장 단순한 방법은 0일 때 신호 없음, 1일 때 신호 있음으로 표현하는 것입니다.
이것을 ASK(Amplitude Shift Keying)라고 합니다.
하지만 AM과 마찬가지로 잡음에 취약합니다.
PSK(Phase Shift Keying)는 위상으로 비트를 표현합니다.
가장 간단한 형태인 BPSK(Binary PSK)는 두 가지 위상을 사용합니다.
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비트 0: 위상 0° (기준)
비트 1: 위상 180° (반전)
전송: ∿∿∿ ∾∾∾ ∿∿∿ ∿∿∿ ∾∾∾
0 1 0 0 1
수신기는 이전 신호와 현재 신호의 위상 차이를 감지하여 비트를 복원합니다.
여기서 흥미로운 질문이 생깁니다.
위상을 더 많이 쓰면 어떨까요?
QPSK(Quadrature PSK)는 4가지 위상(0°, 90°, 180°, 270°)을 사용합니다.
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위상 45°: 비트 00
위상 135°: 비트 01
위상 225°: 비트 11
위상 315°: 비트 10
한 번의 신호 변화(심볼)로 2비트를 전송할 수 있습니다.
같은 대역폭에서 전송 속도가 2배가 됩니다.
QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 진폭과 위상을 모두 사용합니다.
16-QAM은 16가지 조합(4가지 진폭 × 4가지 위상)을 사용하여 심볼당 4비트를 전송합니다.
256-QAM은 256가지 조합으로 심볼당 8비트를 전송합니다.
Wi-Fi 6는 1024-QAM까지 지원하여 심볼당 10비트를 전송합니다.
이 조합들을 복소 평면에 점으로 표시한 것이 성상도(Constellation Diagram)입니다.
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QPSK: 16-QAM:
Q Q
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│ ·
그런데 왜 무한정 많은 점을 쓰지 않을까요?
잡음 때문입니다.
수신된 신호는 원래 신호에 잡음이 더해진 것입니다.
성상도에서 점들 사이의 거리가 잡음의 크기보다 커야 어떤 점이 전송되었는지 구분할 수 있습니다.
점이 많아지면(고차 변조) 점 사이 거리가 좁아지고, 작은 잡음에도 오류가 발생합니다.
그래서 통신 시스템은 채널 상태에 따라 변조 방식을 바꿉니다.
신호가 강하면(가까운 거리, 좋은 환경) 256-QAM으로 고속 전송합니다.
신호가 약하면(먼 거리, 간섭 환경) QPSK로 안정적 전송을 선택합니다.
스마트폰이 기지국에서 멀어지면 속도가 느려지는 이유입니다.
대역폭과 전송 속도의 관계
여기서 핵심적인 질문이 생깁니다.
주어진 대역폭에서 얼마나 빠르게 데이터를 전송할 수 있을까?
1948년, 클로드 섀넌은 이 질문에 대한 답을 찾았습니다.
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C = B × log₂(1 + S/N)
C: 채널 용량 (초당 전송 가능한 최대 비트 수)
B: 대역폭 (Hz)
S: 신호 전력
N: 잡음 전력
이것이 섀넌-하틀리 정리(Shannon-Hartley Theorem)입니다.
이 공식이 말하는 바는 심오합니다.
주어진 대역폭과 신호 대 잡음비에서 절대로 넘을 수 없는 최대 전송 속도가 존재한다는 것입니다.
어떤 기발한 변조 방식을 사용해도, 어떤 똑똑한 인코딩을 적용해도, 이 한계를 넘을 수 없습니다.
예를 들어 봅시다.
대역폭 20 MHz, S/N = 100 (20 dB)인 채널이 있습니다.
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C = 20 × 10⁶ × log₂(101)
≈ 20 × 10⁶ × 6.66
≈ 133 Mbps
이 채널에서는 어떤 방법을 써도 133 Mbps 이상 전송할 수 없습니다.
현대 통신 기술(LDPC 코딩, Turbo 코드 등)은 이 한계에 매우 가깝게 접근합니다.
이론적 한계의 90% 이상을 달성하는 것이 일반적입니다.
더 빠른 전송을 원한다면, 대역폭을 늘리거나 신호 대 잡음비를 높이는 수밖에 없습니다.
5G가 고주파 대역(밀리미터파)을 사용하는 이유가 바로 더 넓은 대역폭을 확보하기 위해서입니다.
마무리: 물리 법칙이 통신을 결정한다
네트워크 통신의 물리적 기반을 살펴보았습니다.
맥스웰이 발견한 전자기파는 정보를 공간을 통해 전달할 수 있게 했습니다.
주파수에 따라 전파 특성이 달라지고, 이는 통신 시스템 설계의 근본적 제약이 됩니다.
유선 전송은 전기 신호나 빛의 물리적 특성을 활용하며, 각각의 한계가 있습니다.
변조는 낮은 주파수의 정보를 높은 주파수의 반송파에 실어, 실용적인 안테나와 대역폭을 사용할 수 있게 합니다.
섀넌의 정리는 주어진 물리적 조건에서 전송 속도의 절대적 한계를 알려줍니다.
이 물리적 한계와 특성들은 변하지 않습니다.
그 위에서 어떻게 정보를 효율적으로 인코딩하고, 오류를 검출하고 정정하는지가 Part 2의 주제입니다.
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