무선 통신의 진화 (2) - 셀룰러와 Wi-Fi의 발전 - soo:bak
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하나의 주파수로 도시 전체에 어떻게 신호를 보내는가
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 담당했습니다.
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 부르기로 했습니다. 셀룰러(Cellular) 네트워크라는 이름이 여기서 나왔습니다.
이 아이디어의 핵심은 주파수 재사용(Frequency Reuse)입니다.
셀이 충분히 떨어져 있으면 간섭이 문제가 되지 않으므로, 같은 주파수를 다시 쓸 수 있습니다.
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╱ f1 ╲
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╲ ╱╱ f1 ╲ ← 같은 f1 재사용
╲───────╱╱ ╲
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╲ ╱
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Part 1에서 본 경로 손실 덕분입니다.
전파 세기는 거리의 제곱에 반비례하여 약해지므로, 멀리 떨어진 셀에서 같은 주파수를 사용해도 간섭 신호는 이미 무시할 수 있을 만큼 약합니다.
그렇다면 얼마나 떨어져야 할까요?
이 거리를 결정하는 것이 주파수 재사용 계수(Frequency Reuse Factor) N입니다.
N개의 서로 다른 주파수 세트를 사용하면, 인접한 셀끼리는 다른 주파수를 쓰고 N번째 떨어진 셀에서 같은 주파수를 재사용합니다.
셀 반경이 R일 때, 같은 주파수를 사용하는 셀 사이의 거리 D는 다음 관계를 따릅니다.
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D/R = √(3N)
N=7이면 D/R = √21 ≈ 4.6이므로, 셀 반경의 약 4.6배 떨어진 곳에서 같은 주파수를 재사용합니다.
셀을 작게 만들면 같은 지역에 더 많은 셀을 배치할 수 있고, 주파수 재사용 횟수가 늘어나 전체 용량이 증가합니다.
도시에 기지국이 빽빽하게 설치되는 것은 이 때문입니다.
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
AMPS가 사용한 FDMA(주파수 분할 다중 접근)는 단순한 방식입니다.
각 통화에 별도의 주파수 채널을 할당합니다. 채널 A는 통화 1, 채널 B는 통화 2, 이런 식입니다.
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주파수
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│ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐ ┌────┐
│ │ 통화 │ │ 통화 │ │ 통화 │ │ 통화 │
│ │ 1 │ │ 2 │ │ 3 │ │ 4 │
│ └────┘ └────┘ └────┘ └────┘
└─────────────────────────────────→ 시간
1G에는 몇 가지 한계가 있었습니다.
아날로그 신호는 암호화가 없어서, 같은 주파수에 맞춘 수신기만 있으면 누구나 통화를 들을 수 있었습니다.
한 통화가 30kHz 채널 전체를 차지해서 스펙트럼 효율이 낮았고, 동시에 통화할 수 있는 사용자 수가 적었습니다.
음성을 그대로 전송하는 방식이라 디지털 데이터 전송은 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
│ └──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
└─────────────────────────────→ 시간
각 타임슬롯: 577μs
200kHz 채널 하나를 8개의 타임슬롯으로 나누고, 각 사용자는 자신에게 할당된 타임슬롯에서만 전송합니다.
이렇게 하면 하나의 주파수 채널로 8명이 동시에 통화할 수 있습니다.
같은 시기 북미에서는 IS-95가 등장합니다. GSM과 다른 방식인 CDMA(Code Division Multiple Access)를 사용했습니다.
CDMA는 각 사용자에게 고유한 코드를 할당합니다. 모든 사용자가 같은 주파수, 같은 시간에 전송하지만, 수신기는 특정 코드와 일치하는 신호만 골라낼 수 있습니다.
CDMA의 원리는 네트워크 통신의 원리 (2)에서 자세히 설명했습니다.
CDMA의 장점:
- 부드러운 핸드오프(soft handoff): 셀 경계에서 여러 기지국에 동시 연결되어 끊김 없이 이동
- 간섭에 강함: 신호가 넓은 대역에 퍼져 있어서 특정 주파수의 간섭이 전체에 영향을 주지 않음
- 더 높은 용량: 사용자 수가 늘어도 품질이 서서히 저하될 뿐 갑자기 차단되지 않음
3G: 모바일 인터넷의 시작
2000년대 초, 휴대폰으로 웹 브라우징과 이메일을 사용하려는 수요가 증가합니다.
2G의 데이터 속도는 수십 kbps에 불과해서 텍스트 위주의 서비스만 가능했습니다.
3G 표준은 2Mbps 이상의 데이터 속도를 목표로 했습니다.
주요 기술:
- WCDMA(Wideband CDMA): 유럽/아시아
- CDMA2000: 북미
WCDMA는 IS-95의 1.25MHz보다 4배 넓은 5MHz 대역폭을 사용합니다.
대역폭을 넓힌 이유는 섀넌의 채널 용량 공식에 있습니다.
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C = B × log₂(1 + S/N)
대역폭 B가 4배가 되면, 같은 SNR에서 용량도 4배 가까이 증가합니다.
3G는 데이터 전송 방식도 바꿨습니다.
2G의 회선 교환 방식은 데이터를 주고받는 동안 채널 하나를 통째로 점유합니다. 웹페이지를 요청하고 화면에 내용이 표시된 후, 사용자가 글을 읽는 동안에도 채널은 계속 점유됩니다.
3G의 패킷 스위칭은 데이터를 작은 조각(패킷)으로 나누어 필요할 때만 전송합니다. 웹페이지가 로딩된 후 사용자가 글을 읽는 동안에는 채널을 점유하지 않아서, 그 사이에 다른 사용자가 같은 채널을 사용할 수 있습니다.
이 방식이 모바일 인터넷의 기반이 되었습니다.
4G LTE: 전-IP 네트워크
2009년, LTE(Long Term Evolution)가 등장합니다.
전-IP(All-IP) 아키텍처
2G/3G에서는 음성 통화와 데이터가 별도의 시스템으로 처리되었습니다. 음성은 회선 교환, 데이터는 패킷 스위칭으로 나뉘어 있었습니다.
LTE는 음성도 데이터도 모두 IP 패킷으로 통합합니다. 음성 통화는 VoLTE(Voice over LTE)라는 방식으로 데이터처럼 처리됩니다.
네트워크 구조가 단순해지고, 음성과 데이터를 위한 별도 인프라가 필요 없어졌습니다.
OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
LTE는 CDMA 대신 OFDMA를 채택합니다.
OFDM은 네트워크 통신의 원리 (2)에서 설명한 것처럼 넓은 대역을 여러 서브캐리어로 나누어 다중 경로 간섭을 줄이는 방식입니다. OFDMA는 이 서브캐리어들을 여러 사용자가 나눠 쓸 수 있도록 확장한 것입니다.
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주파수
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│ │U1│U2│U1│U3│U2│U1│U3│U2│U1│U3│U2│U3│
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│ ├──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┼──┤
│ │U3│U3│U2│U1│U3│U2│U2│U1│U3│U2│U1│U1│
│ └──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘
└─────────────────────────────────────→ 시간
U1, U2, U3: 서로 다른 사용자
위 그림에서 세로축은 주파수(서브캐리어), 가로축은 시간입니다. 각 칸을 사용자에게 유연하게 배분할 수 있습니다.
동영상을 스트리밍하는 사용자에게는 칸을 많이, 문자만 보내는 사용자에게는 칸을 적게 주는 식입니다.
무선 환경에서는 사용자마다 특정 주파수에서 신호 품질이 좋거나 나쁠 수 있습니다. OFDMA는 각 사용자에게 신호 품질이 좋은 주파수의 칸을 우선 배정할 수 있어서 전체 효율이 높아집니다.
MIMO(Multiple Input Multiple Output)
LTE는 여러 개의 안테나를 동시에 사용하는 MIMO 기술을 본격적으로 도입합니다.
기본 구성은 2×2 MIMO로, 송신 안테나 2개와 수신 안테나 2개를 사용합니다. 여러 안테나로 서로 다른 데이터를 동시에 보내면, 같은 주파수에서 전송량을 늘릴 수 있습니다. 2×2 MIMO는 이론적으로 용량이 2배가 됩니다.
MIMO의 원리는 뒤에서 자세히 설명합니다.
5G: 세 가지 사용 사례
2019년부터 상용화된 5G NR(New Radio)은 서로 다른 세 가지 사용 사례를 목표로 설계되었습니다.
eMBB(enhanced Mobile Broadband): 더 빠른 데이터 속도
4K/8K 영상 스트리밍, VR 같은 대용량 콘텐츠를 위한 것입니다.
목표는 피크 20Gbps, 평균 100Mbps입니다.
URLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communication): 낮은 지연시간과 높은 신뢰성
자율주행차가 장애물을 감지하고 반응하거나, 원격 수술에서 의사의 손동작이 즉시 전달되어야 하는 경우에 필요합니다.
목표는 1ms 미만 지연, 99.999% 신뢰성입니다.
mMTC(massive Machine Type Communication): 대규모 IoT 연결
스마트 시티의 수많은 센서, 공장의 산업용 기기들이 동시에 연결되어야 합니다.
목표는 1km² 당 100만 기기 연결입니다.
이 목표들을 달성하기 위한 핵심 기술들이 있습니다.
밀리미터파(mmWave)
24GHz 이상의 고주파 대역을 사용합니다. 기존에 사용하던 주파수보다 훨씬 높아서 수백 MHz에서 수 GHz에 달하는 넓은 대역폭을 확보할 수 있습니다.
하지만 Part 1에서 본 것처럼 주파수가 높을수록 경로 손실이 커집니다. 이 손실을 보상하기 위해 빔포밍을 사용합니다.
일반 안테나는 모든 방향으로 신호를 보내서 에너지가 분산됩니다. 빔포밍은 여러 안테나의 신호를 조합해서 특정 방향으로만 에너지를 집중시킵니다. 손전등처럼 빛을 한 방향으로 모으면 더 멀리 비출 수 있는 것과 같은 원리입니다. 빔포밍의 자세한 원리는 뒤에서 설명합니다.
Massive MIMO
64개, 128개, 또는 그 이상의 안테나를 사용합니다.
안테나가 많으면 빔을 더 정밀하게 제어할 수 있어서, 움직이는 사용자를 추적하면서 신호를 보낼 수 있습니다. 또한 같은 시간, 같은 주파수에서 서로 다른 방향의 사용자에게 각각 다른 빔을 보낼 수 있습니다.
유연한 뉴머롤로지(Flexible Numerology)
LTE에서는 OFDM의 서브캐리어 간격이 15kHz로 고정되어 있었습니다. 5G는 이 간격을 15, 30, 60, 120kHz 등으로 선택할 수 있습니다.
서브캐리어 간격이 넓으면 심볼 길이가 짧아져서 지연시간이 줄어듭니다(URLLC에 유리). 간격이 좁으면 심볼 길이가 길어져서 스펙트럼 효율이 높아집니다(eMBB에 유리).
MIMO의 물리적 원리
용량을 늘리는 방법을 생각해봅시다.
단일 안테나 시스템에서 채널 용량은 섀넌 공식을 따릅니다.
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C = B × log₂(1 + SNR)
SNR(신호 대 잡음비)을 높이면 용량이 늘어나지만, 로그 함수이기 때문에 효율이 점점 떨어집니다. SNR을 10배 높여도 용량은 약 3.46배만 증가합니다.
MIMO는 다른 접근을 합니다. 신호 세기를 높이는 대신, 여러 안테나로 서로 다른 데이터를 동시에 보냅니다.
이것을 공간 다중화(Spatial Multiplexing)라고 합니다.
송신 안테나가 Nt개, 수신 안테나가 Nr개일 때 용량은:
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C = B × min(Nt, Nr) × log₂(1 + SNR)
안테나 수에 비례해서 용량이 늘어납니다. 2×2 MIMO는 이론적으로 2배, 4×4 MIMO는 4배입니다.
그런데 같은 주파수로 여러 데이터를 동시에 보내면 섞이지 않을까요?
여기서 다중 경로가 오히려 도움이 됩니다. Part 1에서 다중 경로는 문제라고 했는데, MIMO는 이것을 활용합니다.
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송신 안테나 수신 안테나
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╲ ╱
╲─────────────╱
╲ ╱
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╳
╱ ╲
╱ ╲
각 송신 안테나에서 각 수신 안테나로 가는 경로는 서로 다릅니다. 반사되는 물체, 거리, 각도가 다르기 때문에 각 경로의 특성(감쇠, 위상 변화)이 다릅니다.
수신기는 이 차이를 이용해서 섞인 신호를 수학적으로 분리할 수 있습니다. 마치 여러 사람이 동시에 말해도 목소리 특성이 다르면 구분할 수 있는 것과 비슷합니다.
단, 송신기와 수신기 사이에 장애물 없이 직선으로 보이는 환경에서는 모든 경로가 비슷해집니다. 이 경우 신호를 분리하기 어려워서 MIMO의 이점이 줄어듭니다.
도시처럼 건물에 반사가 많이 일어나는 환경에서 MIMO가 더 효과적입니다.
빔포밍: 에너지를 집중하다
단일 안테나는 모든 방향으로 에너지를 방출합니다. 사용자가 한 방향에 있다면, 나머지 방향으로 보낸 에너지는 낭비됩니다.
빔포밍(Beamforming)은 여러 안테나를 배열하고 신호의 타이밍을 조절해서, 특정 방향으로만 에너지를 집중시키는 기술입니다.
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단일 안테나 빔포밍 안테나 배열
↑ ↑
↖ │ ↗ │
←───●───→ ●●●●●━━━━━→ 사용자
↙ │ ↘ (집중된 빔)
↓
(모든 방향으로 퍼짐) (특정 방향으로 집중)
원리는 Part 1에서 설명한 간섭 현상을 이용합니다.
여러 안테나가 같은 신호를 보내되, 각 안테나에서 신호를 보내는 타이밍(위상)을 조금씩 다르게 합니다.
원하는 방향에서는 모든 안테나의 신호가 같은 위상으로 도착하도록 타이밍을 맞춥니다. 그러면 그 방향에서는 신호들이 보강 간섭을 일으켜 강해집니다.
다른 방향에서는 신호들의 위상이 어긋나서 상쇄 간섭이 일어나고 신호가 약해집니다.
안테나 간격이 d이고, 빔을 θ 방향으로 향하려면 인접 안테나 간 위상 차이를 다음과 같이 설정합니다.
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위상 차이 = 2π × (d/λ) × sin(θ)
빔포밍의 이점:
- 전송 거리 증가: 에너지가 집중되어 같은 전력으로 더 멀리 도달
- 간섭 감소: 다른 방향으로의 방사가 줄어서 이웃 셀과의 간섭이 줄어듦
- 다중 사용자 지원: 서로 다른 방향에 있는 사용자에게 동시에 다른 빔을 보낼 수 있음
5G의 Massive MIMO는 빔포밍을 대규모로 적용합니다.
수십에서 수백 개의 안테나를 사용하면 빔을 매우 좁게 만들 수 있습니다. 빔이 좁을수록 에너지가 더 집중되어, 밀리미터파의 높은 경로 손실을 보상할 수 있습니다.
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 기술로 속도를 높였는지 살펴봅니다.
802.11a/g: OFDM 도입
802.11a(5GHz)와 802.11g(2.4GHz)는 OFDM을 도입했습니다.
Part 1에서 설명한 것처럼, 실내 환경에서는 벽과 가구에 반사된 신호가 시간차를 두고 도착합니다. 이 지연 확산이 심볼 간 간섭을 일으킵니다.
OFDM은 넓은 대역을 많은 좁은 서브캐리어로 나눕니다. 각 서브캐리어에서 심볼 주기가 길어지면 지연 확산의 영향을 줄일 수 있습니다.
802.11n: MIMO와 채널 결합
802.11n은 두 가지 방법으로 속도를 높였습니다.
첫째, MIMO입니다. 최대 4×4 MIMO를 지원해서, 같은 주파수에서 4개의 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있습니다.
둘째, 채널 결합(Channel Bonding)입니다. 인접한 20MHz 채널 두 개를 묶어서 40MHz로 사용합니다. 대역폭이 2배가 되면 속도도 2배가 됩니다.
802.11ac: 더 넓은 대역폭, MU-MIMO
802.11ac는 5GHz 전용으로, 채널 결합을 더 확장해서 80MHz와 160MHz 채널을 지원합니다.
또한 MU-MIMO(Multi-User MIMO)를 도입합니다. 기존 MIMO는 한 번에 하나의 기기에만 전송했습니다. MU-MIMO는 빔포밍을 사용해서 서로 다른 방향에 있는 여러 기기에 동시에 전송합니다.
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SU-MIMO (Single-User) MU-MIMO (Multi-User)
시간1: AP → 기기1 AP ─┬→ 기기1
시간2: AP → 기기2 ├→ 기기2 (동시에)
시간3: AP → 기기3 └→ 기기3
(한 번에 하나씩) (한 번에 여러 기기)
802.11ax (Wi-Fi 6): OFDMA
Wi-Fi 6는 LTE에서 사용하던 OFDMA를 Wi-Fi에 도입했습니다.
기존 Wi-Fi에서는 한 번에 하나의 기기가 전체 채널을 사용했습니다. 작은 데이터를 보내는 기기도 채널 전체를 잠시 독점해야 했습니다.
OFDMA는 채널을 작은 단위(Resource Unit)로 나누어 여러 기기에 동시에 할당합니다.
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기존 OFDM (Wi-Fi 5)
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└─────────────────────────────────────────────→ 시간
(한 번에 하나의 기기가 전체 채널 사용)
OFDMA (Wi-Fi 6)
주파수│ ┌────────┬────────┬────────────┐
│ │ 기기1 │ 기기2 │ 기기3 │
│ ├────────┼────────┼────────────┤
│ │ 기기1 │ 기기4 │ 기기2 │
│ └────────┴────────┴────────────┘
└─────────────────────────────────→ 시간
(같은 시간에 여러 기기가 채널을 나눠 사용)
OFDMA의 이점:
- 지연시간 감소: 작은 패킷을 보내려고 전체 채널이 빌 때까지 기다릴 필요가 없음
- 효율성 향상: 여러 기기가 채널을 나눠 쓰므로 낭비되는 자원이 줄어듦
- 밀집 환경에 유리: 카페나 공항처럼 많은 기기가 연결된 환경에서 효과적
Wi-Fi 6는 1024-QAM도 도입합니다. Wi-Fi 5의 256-QAM은 심볼 하나에 8비트를 담았는데, 1024-QAM은 10비트를 담습니다. 같은 심볼 수로 25% 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다.
단, 1024개의 점을 구분하려면 신호가 매우 깨끗해야 합니다. 공유기와 가깝고 간섭이 적은 환경에서만 사용됩니다.
물리학이 결정하는 진화의 방향
셀룰러와 Wi-Fi의 진화를 돌아보면 공통된 패턴이 있습니다.
1. 대역폭 확장
섀넌 공식 C = B × log₂(1 + SNR)에서 대역폭 B는 용량에 직접 비례합니다.
더 넓은 대역폭을 확보하기 위해 점점 높은 주파수로 이동해왔습니다. 2.4GHz에서 5GHz, 6GHz, 그리고 밀리미터파까지.
2. 스펙트럼 효율 향상
같은 대역폭에서 더 많은 비트를 전송하기 위해 변조 방식이 발전했습니다.
BPSK(1비트/심볼)에서 시작해서 QPSK(2비트), 16-QAM(4비트), 64-QAM(6비트), 256-QAM(8비트), 1024-QAM(10비트)까지 왔습니다.
3. 공간 차원 활용
단일 안테나(SISO)에서 MIMO, 그리고 Massive MIMO로 발전했습니다.
공간 다중화로 같은 주파수에서 여러 데이터 스트림을 전송하고, 빔포밍으로 에너지를 집중시킵니다.
4. 다중 접근 방식 개선
여러 사용자가 자원을 나눠 쓰는 방식도 발전했습니다.
FDMA(주파수 분할)에서 TDMA(시간 분할), CDMA(코드 분할), OFDMA(직교 주파수 분할)로 진화하면서 더 유연하고 효율적으로 자원을 배분할 수 있게 되었습니다.
이 모든 기술은 물리학의 법칙이라는 제약 안에서 발전해왔습니다.
섀넌 한계가 전송 용량의 상한을 정하고, 경로 손실이 도달 거리를 제한하며, 다중 경로 페이딩과 도플러 효과가 채널을 복잡하게 만듭니다.
무선 통신의 진화는 이 제약들을 피하는 것이 아니라, 그 안에서 최대한의 성능을 끌어내는 방법을 찾아온 과정입니다.
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