[U+Tech Story] 주파수란 무엇일까? 무선통신에서의 그 역할과 중요성
주파수는 우리가 매일 사용하는 모든 무선통신 기기에서 중요한 역할을 해요. 우리가 듣는 음악, 라디오 방송, 스마트폰 통화, 인터넷 사용 등 다양한 곳에서 주파수가 사용되고 있다는 사실!
우리가 매일 사용하는 휴대전화, Wi-Fi, 블루투스 등은 모두 주파수를 이용해 데이터를 주고받고 있어요. 주파수가 없다면 무선으로 데이터를 전송하는 것은 불가능하답니다. 주파수는 무선통신 분야에서 없어서는 안 될 핵심 요소인 셈이죠. 하지만 그 원리에 대해 자세히 알고 계신 분들은 많지 않을 거예요.
이전에 무선통신 서비스를 자동차 운전에 빗대어 설명하면서 주파수가 도로의 역할을 한다고 말씀드렸었는데요. 데이터의 통로 역할을 하는 주파수! 이번 테크스토리에서는 주파수의 기본 개념부터 무선통신에서의 역할까지 쉽게 이해할 수 있도록 설명해 드릴게요.
[U+Tech Story] 무선통신의 필수! 통신사에게 주파수란?
우리는 매일 휴대폰 메신저로 대화를 나누고, 영상을 보는 등 언제 어디서든 무선통신의 혜택을 누리며 살아가고 있습니다. 그렇다면 혹시 통신사에게 주파수가 어떤 의미를 가지는지 생각해
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주파수란 무엇일까요?
먼저 주파수가 무엇인지부터 말씀드릴게요. 주파수는 물리학에서 단위 시간당 반복되는 현상의 횟수를 의미해요. 쉽게 말해, 어떤 파동이나 진동이 1초 동안 몇 번이나 반복되는지를 나타내는 거예요. 단위는 헤르츠(Hz)를 사용하며, 1Hz는 1초에 한 번 진동한다는 뜻이에요.
예를 들어, 우리가 듣는 소리는 공기의 진동으로 이루어져 있는데, 이 진동의 빈도가 주파수예요. 사람의 귀는 약 20Hz부터 20,000Hz까지의 주파수를 들을 수 있어요. 이처럼 주파수는 소리뿐만 아니라 빛, 전자기파 등 다양한 파동에서 중요한 역할을 합니다.
무선통신에서 주파수는 특별한 역할을 합니다. 데이터를 무선으로 그대로 전송하면 신호가 약해서 멀리까지 전달되지 않거나, 주변의 다른 신호와 간섭을 일으킬 수 있어요. 이를 해결하기 위해 사용하는 것이 바로 주파수이며, 이를 반송파(Carrier wave)라고 합니다.
반송파는 데이터를 실어 나르는 운반체 역할을 해요. 주파수가 높은 전자기파를 사용하여 데이터를 실어서 보내면 더 먼 거리까지 전송할 수 있고, 다른 주파수의 반송파를 쓰는 데이터와의 간섭 없이 전송할 수 있게 돼요. 이는 각 주파수 성분을 더하거나 뺄 수 있는 특징을 가지기 때문에 가능해요. 어떻게 이런 특징을 가지는 지는 수식을 통해 증명해 내는데, 이번 테크스토리에서는 생략하도록 할게요.
반송파에 데이터를 더하는 방식을 변조라고 하고, 여러 가지 방식이 있어요. 반송파의 신호 세기를 조절하는 방식인 ASK (Amplitude Shift Keying), 위상을 조절하는 방식인 PSK (Phase Shift Keying), 반송파 2개의 신호 세기와 위상을 같이 조절하는 방식인 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 등이 있어요. 예를 들어 ASK에서는 신호 세기가 클 때는 1, 작을 때는 0의 데이터값을 가지는 것이죠.
무선통신에서 데이터를 송수신하는 전체적인 과정은 다음과 같아요.
1. 송신기에서의 데이터 준비: 먼저 전송하고자 하는 데이터를 준비해요.
2. 신호 변조(상향 변환; Up conversion): 준비된 데이터의 주파수에 반송파의 주파수를 더해 신호를 변조해요. 이렇게 하면 높은 주파수를 가지는 신호로 변환되어, 전파를 통해 멀리 데이터를 보낼 수 있어요.
3. 수신기의 데이터 포착: 수신기에서는 특정 주파수를 모니터링해요. 송신기에서 보낸 반송파를 찾아내어 그 안에 담긴 데이터를 포착합니다.
4. 신호 복조(하향 변환; Down conversion): 수신된 신호에서 반송파의 주파수를 빼서 원래의 데이터로 복조해요.
같은 주파수를 여럿이 쓰고 싶을 때는 어떻게 할까요?
데이터를 실어 나르는 반송파를 이용해서 무선 통신을 할 수 있다고 말씀드렸는데요. 다른 주파수와 반송파와는 간섭이 없다고 하지만 이동통신이나 Wi-Fi 등 같은 주파수를 여럿이 쓰는 경우에는 어떻게 사용할 수 있을까요? 이렇게 여러 명이 동시에 통신을 하는 방식을 다중 접속(Multiple Access)라고 하며, 이동통신 각 세대별로 사용했던 다중 접속 방식을 하나씩 소개해 드릴게요.
1. FDMA(Frequency Division Multiple Access)
FDMA는 주파수 대역을 여러 개로 나눠서 각 사용자에게 할당하는 방식이며, 1G에 쓰였어요. 이 때 각 주파수 간 간섭을 줄이기 위해 주파수 사이에 보호 대역(guard band)을 필요로 했으며, 주파수 효율이 낮다는 단점이 있었습니다.
2. TDMA(Time Division Multiple Access)
TDMA는 시간을 나눠서 각 시간을 사용자에게 할당하는 방식이며, 2G에 쓰였어요. 보호 대역 없이 전체 주파수 대역을 활용하였으므로, 주파수 효율이 FDMA보다 좋았습니다.
3. CDMA(Code Division Multiple Access)
CDMA는 각 사용자가 고유의 부호를 할당받아 통신하는 방식이며, 3G에 쓰였어요. 각 사용자가 시간에 구애를 받지 않고, 주파수에서 통신이 가능해져 주파수 효율이 더욱 좋아졌지만 코드의 복잡성으로 인해 고속 통신에는 한계가 있었어요.
4. OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)
OFDMA는 주파수의 직교성을 이용하여 FDMA보다 더 촘촘하게 주파수를 배치하여 통신하는 방식이며, 4G에 쓰였어요. 각 주파수가 서로 겹쳐 있어서 주파수 효율을 FDMA 대비 50% 정도 더 높이면서도 고속 통신에 적합하여 4G뿐만 아니라 5G에서도 계속 사용되고 있어요.
송신과 수신 주파수는 어떻게 다를까요?
보통 통신은 두 개 단말 간 이루어지죠. 이동통신으로 치자면 기지국과 단말이 될 텐데요. 기지국에서 단말로의 통신 방향은 하향 링크(Downlink), 단말에서 기지국으로의 통신 방향은 상향 링크(Uplink)로 부릅니다. 그러면 하향 링크와 상향 링크는 어떻게 주파수를 사용할까요?
이렇게 두 링크 간 주파수를 사용하는 방식을 이중통신(Duplex)이라고 부르며, 대표적으로 FDD (Frequency Division Duplex)와 TDD(Time Division Duplex)로 나뉩니다. FDD는 하향 링크와 상향 링크가 서로 다른 주파수를 사용하는 방식이며, 주파수가 구분되어 있으니 두 링크를 각각 언제든 전송할 수 있는 장점이 있습니다. TDD는 동일한 주파수를 하향 링크과 상향 링크가 시간에 따라 나눠서 사용하는 방식이며, 두 링크를 동시에 전송하지는 못하지만 데이터가 더 많은 링크에 시간을 더 할애할 수 있어서 주파수 효율을 높일 수 있는 장점이 있습니다.
이동통신 초기에는 FDD를 주로 사용했다가, 시간에 따라 두 링크를 전환하는 기술이 발달하면서 5G부터는 주파수 효율이 좋은 TDD를 주로 채택하고 있어요. 그리고 6G에서는 이보다 더 발전해서 같은 주파수에서 동시에 두 링크를 동시에 전송하는 방식인 전이중통신(Full duplex)이 쓰일 수 있을 것으로 기대합니다. 전이중통신은 FDD와 TDD의 각 장점을 모두 가지는 기술이며, 그동안 복잡도로 인해 상용화되지 못했으나 기술의 발달로 표준화도 조금씩 이루어지고 있습니다.
낮은 주파수 vs 높은 주파수. 어떤 것이 더 좋을까요?
저주파와 고주파는 각각의 특성을 지니고 있어요. 먼저 저주파, 즉 낮은 주파수의 경우를 살펴볼게요. 저주파는 전파가 멀리까지 도달할 수 있어서 넓은 지역을 커버할 수 있다는 장점이 있어요. 이는 넓은 지역에 걸쳐 통신 서비스를 제공해야 하는 경우에 매우 유용하죠. 하지만 단점도 있는데요. 사용할 수 있는 대역폭이 좁기 때문에 한꺼번에 전송할 수 있는 데이터의 양이 제한적이에요. 그래서 전송 속도가 상대적으로 느릴 수밖에 없어요.
반면에 고주파, 즉 높은 주파수는 상황이 조금 달라요. 고주파는 넓은 대역폭을 활용할 수 있어서 전송 속도를 높일 수 있는 장점이 있어요. 이를 통해 대용량의 데이터를 빠르게 전송할 수 있죠. 그러나 단점으로는 전파의 도달 거리가 짧고 장애물에 취약해서 커버리지가 좁다는 문제가 있어요. 그래서 넓은 지역을 커버하기 위해서는 더 많은 기지국이나 중계기가 필요하게 돼요.
이처럼 저주파와 고주파는 각각의 장단점이 있기 때문에, 어느 한쪽이 더 좋다고 말하기는 어려워요. 따라서 필요한 용도와 상황에 따라 적절한 주파수를 선택하는 것이 중요해요. 예를 들어, 유플러스는 850MHz의 저주파와 2~3GHz의 상대적으로 고주파를 동시에 사용하고 있어요. 이를 통해 넓은 커버리지와 높은 전송 속도를 모두 제공하고 있답니다.
기술의 발전과 함께 고주파를 더욱 효과적으로 활용하는 방법도 계속해서 개발되고 있어요. 5G 시대에는 처음으로 24~70GHz에 해당하는 밀리미터파(mmWave) 대역을 사용하기 시작했어요. 이로 인해 이전보다 훨씬 빠른 초고속 데이터 전송이 가능해졌죠. 그리고 약 2030년경에 상용화될 것으로 예상되는 6G에서는 100GHz 대역의 서브 테라헤르츠(sub-THz)와 1,000GHz 대역의 테라헤르츠(THz)까지 사용할 것으로 기대되고 있어요. 이러한 고주파 대역의 활용을 통해 더욱 빠른 속도와 혁신적인 서비스가 가능해질 거예요.
주파수를 효율적으로 쓰게 해주는 기술들
서로 다른 주파수의 반송파들은 간섭하지 않기 때문에, 각기 다른 용도로 활용할 수 있어요. 그래서 라디오 방송, 텔레비전 방송, 이동통신, 위성통신 등 다양한 분야에서 주파수를 활용하고 있죠. 우리나라의 주파수 분배 도표를 보면 주파수가 얼마나 다양한 용도로 빼곡하게 사용되고 있는지 알 수 있어요.
이렇듯 주파수는 한정된 자원이기 때문에 같은 대역폭을 사용하더라도 더 많은 데이터를 전송할 수 있도록 주파수 효율(Spectral Efficiency)을 높이는 것이 중요해요. 이를 위해 여러 가지 기술들이 등장했는데, 그중 대표적인 것이 MIMO(Multiple Input Multiple Output), 변조 방식, CA(Carrier Aggregation), NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access)가 있고, 하나씩 소개해 드릴게요.
먼저 MIMO(Multiple Input Multiple Output)는 여러 개의 안테나를 사용해 데이터를 동시에 송수신하는 기술이에요. 예를 들어 2x2 MIMO는 두 개의 안테나로 두 개의 데이터를 동시에 송수신하고, 4x4 MIMO는 네 개의 안테나로 네 개의 데이터를 동시에 송수신해요. 현재 스마트폰에서는 4x4 MIMO를 많이 사용하고 있으며, 6G 시대에는 6x6 MIMO 이상을 사용할 것으로 예상돼요. 이렇게 안테나의 수를 늘리면 동일한 주파수 대역에서 더 많은 데이터를 전송할 수 있어 주파수 효율이 향상돼요.
다음으로 변조 방식은 앞서 살펴본 반송파의 신호 세기나 위상 등을 변화하여 데이터를 담는 과정이고, 변조 방식을 개선하면 한 번에 전송할 수 있는 데이터의 양을 늘릴 수 있어요. 예를 들어 64QAM은 한 심볼(symbol)에 6비트의 데이터를 담을 수 있고, 256QAM은 한 심볼에 8비트의 데이터를 담을 수 있어요. 현재 스마트폰에서는 무선 채널의 상태에 따라 최대 256QAM까지 사용하고 있어요. 이를 통해 주파수 효율을 높여 동일한 대역폭에서 더 많은 데이터를 전송할 수 있게 되었죠.
CA는 여러 개의 주파수 대역을 묶어 전송 속도를 높이는 기술이에요. CA는 단독으로 사용하기 애매한 주파수 대역도 효율적으로 활용할 수 있다는 점에서 주파수 효율을 높일 수 있어요. LTE 시대에 처음 도입되어 현재까지도 중요한 기술로 사용되고 있으며, 6G에서도 더 많은 주파수 대역을 묶어 사용할 것으로 예상돼요. CA를 사용하면 사용할 수 있는 대역폭이 늘어나 전체적인 전송 속도가 향상돼요. 이는 주파수 자원의 효율적인 활용에 큰 도움이 돼요.
또 다른 주파수 효율 향상 기술로 NOMA가 있어요. 앞서 서로 다른 주파수의 반송파들은 간섭이 없다고 말씀드렸죠. 그런데 NOMA는 간섭이 있는 상황을 오히려 활용하여 주파수 효율을 높이는 기술이에요. NOMA에서는 동일한 주파수 대역을 여러 사용자에게 동시에 할당하여 데이터를 전송해요. 여기서 각 사용자는 서로 다른 전력 수준이나 부호화 방식을 통해 신호를 구분하게 돼요. 이렇게 하면 동일한 주파수에서도 여러 사용자가 동시에 통신할 수 있어서 주파수 자원을 더욱 효율적으로 활용할 수 있죠. NOMA는 복잡도로 인해 아직까지 상용화되지 않았지만 6G에서 쓰일 것으로 기대돼요.
주파수는 우리 삶의 일부에요
지금까지 주파수의 기본 개념부터 무선통신에서의 역할, 그리고 주파수 효율을 높이기 위한 다양한 노력들에 대해 살펴보았어요. 주파수는 우리 눈에 보이지 않지만, 현대 사회에서 없어서는 안 될 중요한 자원이에요. 하지만 주파수 자원은 무한하지 않기 때문에, 이를 효율적으로 사용하고 관리하는 것이 매우 중요해요. 6G 시대에는 자율주행 자동차, 사물인터넷(IoT), 스마트 시티, 원격 의료 등 다양한 분야에서 더욱 많은 기기들이 네트워크에 연결되고, 데이터의 양도 기하급수적으로 늘어날 것으로 예상돼요. 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 주파수 자원의 효율적인 활용이 필수적이에요.
이 글이 주파수에 대한 이해를 높이는 데 도움이 되었기를 바랍니다. 주파수의 세계는 복잡하고 전문적인 분야일 수 있지만, 그만큼 흥미롭고 중요한 영역이에요. 여러분의 일상 속에서 주파수가 어떤 역할을 하는지 한 번쯤 생각해 보는 계기가 되었으면 좋겠어요. 긴 글 읽어주셔서 진심으로 감사합니다!
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