무선 통신의 진화 (2) - 셀룰러와 Wi-Fi의 발전 - soo:bak
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하나의 주파수로 도시 전체를 어떻게 커버하는가
Part 1에서 무선 채널의 물리적 특성을 살펴보았습니다.
주파수 스펙트럼은 유한한 자원입니다.
그런데 어떻게 수백만 명이 동시에 휴대폰을 사용할 수 있을까요?
초기 이동통신 시스템은 하나의 강력한 기지국이 도시 전체를 커버했습니다.
1946년 미국 AT&T의 MTS(Mobile Telephone Service)가 그랬습니다.
세인트루이스 전체를 하나의 기지국이 담당했고, 동시에 통화할 수 있는 회선은 3개뿐이었습니다.
왜 3개뿐이었을까요?
할당된 주파수 대역폭이 제한되어 있었기 때문입니다.
주파수 자원을 더 효율적으로 사용할 방법이 필요했습니다.
셀룰러 개념: 주파수 재사용
1947년, 벨 연구소의 엔지니어들이 새로운 아이디어를 제안합니다.
도시를 작은 영역들로 나누고, 각 영역에 별도의 기지국을 설치하는 것입니다.
이 영역을 셀(Cell)이라고 부릅니다.
핵심 아이디어는 주파수 재사용(Frequency Reuse)입니다.
충분히 떨어진 셀에서는 같은 주파수를 다시 사용할 수 있습니다.
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╱ f1 ╲
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╱ f3 ╲╲ ╱
╱ ╲╲───┬───╱
│ │ ╱ ╲
╲ ╱╱ f1 ╲ ← 같은 f1 재사용
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│ │
╲ ╱
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왜 이것이 가능할까요?
Part 1에서 본 경로 손실 때문입니다.
전파 세기는 거리의 제곱에 반비례하여 약해집니다.
충분히 떨어진 곳에서 같은 주파수를 사용해도, 간섭 신호는 이미 너무 약해져 있습니다.
얼마나 떨어져야 할까요?
이것을 정량화한 것이 주파수 재사용 계수(Frequency Reuse Factor)입니다.
N개의 서로 다른 주파수 세트를 사용한다면, 같은 주파수를 사용하는 셀 사이의 거리 D와 셀 반경 R의 관계는:
1
D/R = √(3N)
예를 들어 N=7이면:
1
D/R = √21 ≈ 4.6
셀 반경의 4.6배 떨어진 곳에서 같은 주파수를 재사용합니다.
셀을 작게 만들수록 같은 지역에 더 많은 셀을 배치할 수 있습니다.
더 많은 주파수 재사용이 가능해지고, 전체 용량이 증가합니다.
이것이 도시에 기지국이 빽빽하게 설치되는 이유입니다.
물리학적으로, 용량을 늘리려면 셀을 작게 만들 수밖에 없습니다.
1G: 아날로그의 시작
1983년, 미국에서 AMPS(Advanced Mobile Phone System)가 상용화됩니다.
세계 최초의 상용 셀룰러 네트워크입니다.
AMPS의 특성:
- 800MHz 대역 사용
- 아날로그 FM 변조
- 주파수 분할 다중 접근(FDMA)
- 30kHz 채널 폭으로 하나의 통화
FDMA는 단순합니다.
각 통화에 별도의 주파수 채널을 할당합니다.
채널 A는 통화 1, 채널 B는 통화 2, …
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주파수
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│ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐
│ │ 통화 │ │ 통화 │ │ 통화 │ │ 통화 │
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└─────────────────────────────────→ 시간
1G의 한계는 명확했습니다.
아날로그이므로 도청이 쉬웠습니다.
스펙트럼 효율이 낮아 수용 가능한 사용자 수가 적었습니다.
음성 전용으로 데이터 전송이 불가능했습니다.
2G: 디지털 전환
1991년, 유럽에서 GSM(Global System for Mobile Communications)이 시작됩니다.
최초의 디지털 셀룰러 시스템입니다.
디지털화의 이점:
- 암호화로 도청 방지
- 오류 정정 코드로 품질 향상
- 음성 압축으로 스펙트럼 효율 증가
- 문자 메시지(SMS) 가능
GSM은 TDMA(Time Division Multiple Access)와 FDMA를 결합했습니다.
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주파수
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│ │1 │2 │3 │4 │5 │6 │7 │8 │ ← 채널 A
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│ │1 │2 │3 │4 │5 │6 │7 │8 │ ← 채널 B
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└─────────────────────────────→ 시간
각 타임슬롯: 577μs
200kHz 채널 하나를 8개의 타임슬롯으로 나눕니다.
각 사용자는 자신의 타임슬롯에서만 전송합니다.
하나의 주파수 채널로 8명이 동시 통화 가능합니다.
같은 시기 북미에서는 IS-95라는 다른 방식이 등장합니다.
CDMA(Code Division Multiple Access)를 사용했습니다.
CDMA의 원리는 네트워크 통신의 원리 (2)에서 설명했습니다.
각 사용자에게 고유한 코드를 할당하고, 같은 주파수와 같은 시간에 전송합니다.
수신기는 원하는 코드로 곱하여 해당 사용자의 신호만 추출합니다.
CDMA의 장점:
- 부드러운 핸드오프(soft handoff): 여러 기지국에 동시 연결 가능
- 간섭에 강함: 확산 스펙트럼 특성
- 더 높은 용량: 간섭 관리가 용이
3G: 모바일 인터넷의 시작
2000년대 초, 데이터 통신에 대한 수요가 증가합니다.
2G의 데이터 속도(수십 kbps)로는 부족했습니다.
3G 표준은 2Mbps 이상의 데이터 속도를 목표로 했습니다.
주요 기술:
- WCDMA(Wideband CDMA): 유럽/아시아
- CDMA2000: 북미
WCDMA는 5MHz의 넓은 대역폭을 사용합니다.
IS-95의 1.25MHz보다 4배 넓습니다.
왜 대역폭을 넓혔을까요?
섀넌의 채널 용량 공식 때문입니다.
1
C = B × log₂(1 + S/N)
대역폭 B가 4배가 되면, 같은 SNR에서 용량도 4배 가까이 증가합니다.
3G는 또한 패킷 스위칭 데이터 서비스를 도입합니다.
2G의 회선 교환 방식과 달리, 필요할 때만 자원을 사용합니다.
이것이 모바일 인터넷의 기반이 됩니다.
4G LTE: 전-IP 네트워크
2009년, LTE(Long Term Evolution)가 등장합니다.
3G와 근본적으로 다른 점이 있습니다.
전-IP(All-IP) 아키텍처
음성도 데이터도 모두 IP 패킷으로 전송합니다.
2G/3G의 회선 교환 음성 인프라가 사라집니다.
VoLTE(Voice over LTE)로 음성 통화도 데이터처럼 처리합니다.
OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
LTE는 CDMA 대신 OFDMA를 채택합니다.
네트워크 통신의 원리 (2)에서 설명한 OFDM의 다중 접근 버전입니다.
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주파수
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│ ├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│ │U3│U3│U2│U1│U3│U2│U2│U1│U3│U2│U1│U1│
│ └──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
└─────────────────────────────────────→ 시간
U1, U2, U3: 서로 다른 사용자
OFDMA에서는 시간-주파수 격자(resource grid)를 사용자들에게 유연하게 할당합니다.
데이터가 많은 사용자에게 더 많은 리소스를 줄 수 있습니다.
채널 상태가 좋은 주파수 대역을 해당 사용자에게 할당할 수 있습니다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output)
LTE는 다중 안테나 기술을 본격적으로 도입합니다.
2×2 MIMO(송신 2개, 수신 2개 안테나)가 기본입니다.
이론적으로 용량이 2배가 됩니다.
LTE의 최대 데이터 속도:
- 다운링크: 300Mbps (카테고리 6)
- 업링크: 75Mbps
5G: 세 가지 사용 사례
2019년부터 상용화된 5G NR(New Radio)은 세 가지 사용 사례를 목표로 합니다.
eMBB(enhanced Mobile Broadband)
더 빠른 데이터 속도.
목표: 피크 20Gbps, 평균 100Mbps.
URLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communication)
매우 낮은 지연시간과 높은 신뢰성.
목표: 1ms 미만 지연, 99.999% 신뢰성.
자율주행, 원격 수술 등에 필요합니다.
mMTC(massive Machine Type Communication)
대규모 IoT 연결.
목표: 1km² 당 100만 기기 연결.
스마트 시티, 산업 IoT에 사용됩니다.
이 목표들을 달성하기 위한 핵심 기술들:
밀리미터파(mmWave)
24GHz 이상의 고주파 대역 사용.
엄청난 대역폭 확보 가능 (수백 MHz ~ 수 GHz).
하지만 Part 1에서 본 것처럼 경로 손실이 큼.
빔포밍으로 보상해야 합니다.
Massive MIMO
64개, 128개, 또는 그 이상의 안테나 사용.
빔을 정밀하게 제어하여 사용자를 추적합니다.
같은 시간, 같은 주파수에서 여러 사용자에게 서로 다른 빔 전송.
유연한 뉴머롤로지(Flexible Numerology)
OFDM의 서브캐리어 간격을 가변적으로 설정.
넓은 간격: 짧은 심볼, 낮은 지연시간 (URLLC)
좁은 간격: 긴 심볼, 높은 스펙트럼 효율 (eMBB)
MIMO의 물리적 원리
MIMO는 어떻게 용량을 늘릴까요?
단일 안테나 시스템에서 채널 용량은:
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C = B × log₂(1 + SNR)
SNR을 10배 높여도 용량은 log₂(11) ≈ 3.46배만 증가합니다.
SNR을 높이는 것은 수확 체감의 법칙을 따릅니다.
MIMO는 다른 접근을 합니다.
공간 다중화(Spatial Multiplexing)를 통해 같은 주파수, 같은 시간에 여러 데이터 스트림을 전송합니다.
송신 안테나가 Nt개, 수신 안테나가 Nr개일 때:
1
C = B × min(Nt, Nr) × log₂(1 + SNR)
안테나 수를 늘리면 용량이 선형적으로 증가합니다.
2×2 MIMO는 이론적으로 2배, 4×4 MIMO는 4배.
이것이 가능한 물리적 이유는 다중 경로 때문입니다.
Part 1에서 다중 경로는 문제라고 했습니다.
하지만 MIMO는 이것을 오히려 활용합니다.
각 송신 안테나에서 각 수신 안테나로 가는 경로는 서로 다릅니다.
이 경로들이 충분히 독립적이면(비상관), 각 경로를 별도의 통신 채널로 사용할 수 있습니다.
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송신 안테나 수신 안테나
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각 경로의 채널 특성이 다르므로, 수학적으로 분리 가능합니다.
이것이 공간 다중화의 원리입니다.
단, 시선(Line of Sight) 환경에서는 경로가 거의 같습니다.
MIMO의 이점이 줄어듭니다.
도시 환경처럼 반사가 많은 곳에서 MIMO가 더 효과적입니다.
빔포밍: 에너지를 집중하다
빔포밍(Beamforming)은 안테나 배열을 사용하여 특정 방향으로 전파를 집중시키는 기술입니다.
단일 안테나는 모든 방향으로 에너지를 방출합니다.
대부분의 에너지가 낭비됩니다.
여러 안테나를 배열하고, 각 안테나의 신호 위상을 조절하면:
특정 방향에서는 신호가 보강 간섭으로 강해지고,
다른 방향에서는 상쇄 간섭으로 약해집니다.
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단일 안테나 빔포밍 안테나 배열
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모든 방향 특정 방향에 집중
위상 조절의 원리:
안테나 간격이 d이고, 빔을 θ 방향으로 향하려면:
인접 안테나 간 위상 차이 = 2π × (d/λ) × sin(θ)
이 위상 차이를 주면, θ 방향에서 모든 안테나의 신호가 동위상으로 도착하여 보강 간섭을 일으킵니다.
빔포밍의 이점:
- 전송 거리 증가: 에너지가 집중되어 더 멀리 도달
- 간섭 감소: 다른 방향으로의 방사가 줄어 이웃 셀 간섭 감소
- 다중 사용자 지원: 서로 다른 방향의 사용자에게 동시에 다른 빔 전송
5G의 Massive MIMO는 이것을 극단으로 가져갑니다.
수십~수백 개의 안테나로 매우 좁은 빔을 형성합니다.
밀리미터파의 높은 경로 손실을 빔포밍 이득으로 보상합니다.
Wi-Fi의 진화: 802.11 표준
Wi-Fi는 IEEE 802.11 표준을 기반으로 합니다.
1997년 첫 표준 이후 지속적으로 발전해왔습니다.
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표준 연도 주파수 최대속도 핵심 기술
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802.11 1997 2.4GHz 2Mbps DSSS
802.11b 1999 2.4GHz 11Mbps CCK
802.11a 1999 5GHz 54Mbps OFDM
802.11g 2003 2.4GHz 54Mbps OFDM
802.11n 2009 2.4/5GHz 600Mbps MIMO, 40MHz
802.11ac 2013 5GHz 6.9Gbps MU-MIMO, 160MHz
802.11ax 2019 2.4/5/6GHz 9.6Gbps OFDMA, MU-MIMO
각 세대가 어떤 물리적 한계를 극복했는지 살펴봅시다.
802.11a/g: OFDM 도입
802.11a(5GHz)와 802.11g(2.4GHz)는 OFDM을 도입합니다.
Part 1에서 본 다중 경로 페이딩 문제를 해결합니다.
OFDM은 넓은 대역을 많은 좁은 서브캐리어로 나눕니다.
각 서브캐리어의 심볼 주기가 길어져 지연 확산의 영향이 줄어듭니다.
802.11n: MIMO와 채널 결합
802.11n은 두 가지 혁신을 도입합니다.
첫째, MIMO.
최대 4×4 MIMO로 공간 다중화.
같은 주파수에서 4개의 데이터 스트림 동시 전송.
둘째, 채널 결합(Channel Bonding).
인접한 20MHz 채널 두 개를 결합하여 40MHz로 사용.
대역폭이 2배가 되어 속도도 2배.
802.11ac: 더 넓은 대역폭, MU-MIMO
802.11ac는 5GHz 전용으로, 80MHz와 160MHz 채널을 지원합니다.
또한 MU-MIMO(Multi-User MIMO)를 도입합니다.
기존 MIMO(SU-MIMO)는 한 번에 하나의 기기에만 전송했습니다.
MU-MIMO는 빔포밍을 사용하여 여러 기기에 동시 전송합니다.
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SU-MIMO MU-MIMO
AP AP
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기기1 ▼ ▼ ▼
기기1 기기2 기기3
(순차적) (동시)
802.11ax (Wi-Fi 6): OFDMA
Wi-Fi 6의 가장 큰 변화는 OFDMA입니다.
LTE에서 사용하던 기술을 Wi-Fi에 도입했습니다.
기존 Wi-Fi는 한 번에 하나의 기기가 전체 채널을 사용했습니다.
OFDMA는 채널을 작은 단위(Resource Unit)로 나누어 여러 기기에 동시 할당합니다.
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기존 OFDM (Wi-Fi 5)
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(순차적 전송)
OFDMA (Wi-Fi 6)
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│ │ 기기1 │ 기기2 │ 기기3 │
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(동시 전송)
OFDMA의 이점:
- 지연시간 감소: 작은 패킷도 즉시 전송 가능
- 효율성 향상: 채널 전체를 한 기기가 독점하지 않음
- 밀집 환경 성능: 많은 기기가 있을 때 유리
Wi-Fi 6는 또한 1024-QAM을 도입합니다.
Wi-Fi 5의 256-QAM(8비트/심볼)에서 1024-QAM(10비트/심볼)으로.
25% 더 많은 데이터를 같은 심볼에 담을 수 있습니다.
단, 높은 차수의 QAM은 높은 SNR이 필요합니다.
신호가 깨끗해야만 1024개의 점을 구분할 수 있기 때문입니다.
가까운 거리, 좋은 채널 환경에서만 사용됩니다.
물리학이 결정하는 진화의 방향
셀룰러와 Wi-Fi의 진화를 돌아보면, 몇 가지 패턴이 보입니다.
1. 대역폭 확장
섀넌 공식에서 대역폭 B는 용량에 직접 비례합니다.
더 높은 주파수로 이동하여 더 넓은 대역폭을 확보합니다.
2.4GHz → 5GHz → 6GHz → 밀리미터파
2. 스펙트럼 효율 향상
같은 대역폭에서 더 많은 비트를 전송합니다.
BPSK → QPSK → 16-QAM → 64-QAM → 256-QAM → 1024-QAM
3. 공간 차원 활용
SISO(단일 안테나) → MIMO → Massive MIMO
공간 다중화와 빔포밍으로 용량 증가.
4. 간섭 관리
FDMA → TDMA → CDMA → OFDMA
더 유연하고 효율적인 다중 접근 방식으로 진화.
이 모든 것은 물리학의 법칙 안에서 이루어집니다.
섀넌 한계, 경로 손실, 다중 경로 페이딩, 도플러 효과.
무선 통신의 진화는 이 물리적 제약을 극복하기 위한 공학적 노력의 역사입니다.
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