무선 통신

3. 원리 및 특징

무선 통신은 전자기파를 이용하여 정보를 주고받는 기술이다. 사람의 목소리와 같은 일반 신호는 초음파 영역을 이용하여 고주파와 합성된 후 전파를 통해 전송된다. 수신 측에서는 이렇게 받은 고주파 신호를 처리하여 다시 원래의 신호로 복원한다.

넓은 의미에서 무선 통신은 적외선을 사용하는 텔레비전 리모컨과 같이 가까운 거리에서 작동하는 것부터, 위성 통신과 같이 아주 먼 거리에서 이루어지는 것까지 다양하다. 일반적으로는 전파(공간파)를 이용하는 "Radio Communication"을 무선 통신이라고 부르지만, 그 외에 적외선, 가시광선(레이저, LED 등)을 이용한 광무선통신, 음파 또는 초음파를 이용한 음향 통신도 넓은 의미의 무선 통신에 속한다.^[1]

무선 통신은 다음과 같은 특징을 가진다.

• 전송로로서 선로를 설치할 필요가 없다.
• 사용하는 주파수나 송신 출력 등에 따라 다르지만, 매우 넓은 범위에 서비스를 제공할 수 있으며, 다수의 노드와 통신이 가능하다. 또한, 방송용으로도 적합하다.
• 전송로의 상황 변화(날씨 변화 등)의 영향을 받을 수 있다.
• 태양을 비롯한 지구 이외의 천체, 전자기기나 원동기 등 전파를 발생시키는 다른 것들('''방해원'''이라고 한다)의 영향을 받을 수 있다.
• 전송되는 정보는 비교적 쉽게 제3자가 도청할 수 있다. 이를 방지하기 위해 제3자에 의한 정보 복원이 어려운 변조 방식을 사용하거나, 내용을 암호화하는 등의 수단을 사용한다.

3. 1. 주파수

3. 2. 대역폭

3. 3. 주파수 대역 특성

통신에 사용할 수 있는 무선 주파수 스펙트럼의 주파수는 공공 자원으로 간주되며, 여러 국가의 기관에서 규제한다. 예를 들어 미국 연방통신위원회(Federal Communications Commission), 영국의 Ofcom, 국제 ITU-R, 유럽 ETSI와 같은 기관이 있다. 이러한 규정은 어떤 주파수 대역을 어떤 목적으로 누가 사용할 수 있는지 결정한다. 무선 통신은 9kHz에서 300GHz까지의 스펙트럼에 걸쳐 있다.

3. 4. 전파 통신

일반적인 무선 통신은 전파를 이용하는 무선 통신을 말한다. 흔히 RF('''R'''adio '''F'''requency) 통신이라 불리기도 한다. 전파를 이용한 무선 통신의 기본적인 원리는 라디오와 같다. 즉, 보내고자 하는 정보를 전파로 변조하여 전력증폭기(PA, '''P'''ower '''A'''mplifier)를 통해 전파를 송출하고 수신하는 측에서는 수신된 전파를 복조하여 정보를 수신하게 된다. 쌍방향 무선 통신은 송신 주파수(Tx, Transmit Frequency)와 수신 주파수(Rx, Receive Frequency)를 별도로 두어 동시에 송수신이 가능하도록 고안된 무선 통신이다.

1894년, 굴리엘모 마르코니는 전파를 이용한 무선전신 시스템 개발을 시작했다. 전파의 존재는 1888년 하인리히 헤르츠에 의해 증명되었지만, 당시에는 단거리 현상으로 여겨져 통신 형식으로는 무시되었다.^[7] 마르코니는 곧 그 당시 알려지지 않았던 전리층에 의해 신호가 반사되는 부분적인 요인으로 인해 누구도 예측할 수 없었던 거리까지 신호를 전송하는 시스템을 개발했다. 마르코니와 카를 페르디난트 브라운은 이러한 무선전신에 대한 공헌으로 1909년 노벨 물리학상을 수상했다.

밀리미터파 통신은 1894년에서 1896년 사이에 자갓디시 찬드라 보스에 의해 처음으로 연구되었는데, 그는 실험에서 최대 60GHz에 이르는 초고주파에 도달했다.^[8] 그는 또한 1901년 무선 결정 검파기를 특허로 등록하면서 전파를 검출하기 위해 반도체 접합을 사용했다.^{[9] [10][11]}

라디오와 마이크로파 통신은 공간을 통해 전파되는 전자기파의 특성을 변조하여 정보를 전달한다. 구체적으로 송신기는 시간에 따라 변하는 전류를 안테나에 인가하여 인공적인 전자기파를 생성한다. 이 파는 안테나에서부터 멀리 이동하여 수신기의 안테나에 도달하고, 수신 안테나에 전류를 유도한다. 이 전류는 검출되어 복조되어 송신기가 보낸 정보를 재현할 수 있다.

전파법 시행규칙에서 무선 통신은 "전파를 사용하여 행하는 모든 종류의 기호, 신호, 문언, 영상, 음향 또는 정보의 송신, 발사 또는 수신을 말한다"라고 규정되어 있다(전파법 시행규칙 제2조 제1항 제15호). 전파의 전달 방식에 대해서는 전파 전파를 참조한다.

무선 통신에는 다음과 같은 특징이 있다.

• 전송로로서 선로를 설치할 필요가 없다.
• 사용하는 주파수나 송신 출력 등에 따라 다르지만, 매우 넓은 범위에 서비스를 제공할 수 있으며, 다수의 노드와 통신이 가능하다. 또한, 방송용으로도 적합하다.
• 전송로의 상황 변화(날씨 변화 등)의 영향을 받을 수 있다.
• 전파 등을 발생시키는 다른 것들('''방해원'''이라고 한다. 태양을 비롯한 지구 이외의 천체, 전자기기나 원동기 등)의 영향을 받을 수 있다.
• 전송되는 정보는 비교적 쉽게 제삼자가 도청할 수 있다. 이를 방지하기 위해 제삼자에 의한 정보 복원이 어려운 변조 방식을 사용하거나, 내용을 암호화하는 등의 수단이 사용된다.

3. 5. 광무선 통신

넓은 의미의 무선 통신에는 전파(공간파)를 이용하는 "Radio Communication" 외에 적외선, 가시광선(레이저, LED 등)을 이용한 광무선통신, 음파 또는 초음파를 이용한 음향통신도 포함된다. 역사적으로 봉화대가 이에 해당하며, 적외선을 이용하는 근거리 리모컨, 레이저를 이용하는 광무선통신 등이 있다. 인공위성-인공위성, 인공위성-지상 간 통신을 위해서 사용되기도 한다. 레이저의 경우 RF에 비해 광대역이며 방사각이 매우 작아 외부 간섭에 강하며 전자기적 잡음에도 장점이 있다. 대신 송수신간 정밀한 정렬을 필요로 한다.^[6]

최초의 무선 전화 통화는 1880년 알렉산더 그레이엄 벨과 찰스 서머 테인터가 빛의 빔을 통해 오디오를 전송하는 전화인 포토폰을 발명하면서 이루어졌다. 포토폰은 작동하는 데 햇빛이 필요했고, 송신기와 수신기 사이에 시야가 확보되어야 했기 때문에 실용적인 용도로는 활용도가 매우 낮았다. 포토폰의 원리가 군사 통신에서 처음으로 실용적인 응용 분야를 찾게 된 것은 수십 년 후였고, 그 후 광섬유 통신으로 이어졌다.

자유공간 광통신(FSO, Free-space optical communication)은 자유 공간을 통해 전파되는 빛을 사용하여 원거리 통신이나 컴퓨터 네트워크를 위한 무선 데이터를 전송하는 광통신 기술이다. "자유 공간"은 광선이 공기 중이나 우주 공간을 통과한다는 것을 의미한다. 이는 광섬유나 유전체 "광 파이프"와 같은 송전선을 통해 이동하는 광선을 사용하는 다른 통신 기술과 대조된다.

이 기술은 높은 비용이나 기타 고려 사항으로 인해 물리적 연결이 비실용적인 경우에 유용하다. 예를 들어, 자유 공간 광 링크는 네트워킹을 위해 배선되지 않은 도시의 사무실 건물 사이에서 사용된다. 건물과 도로 아래로 케이블을 설치하는 비용이 과도하게 높을 수 있기 때문이다. 또 다른 널리 사용되는 예는 리모컨과 IrDA(적외선 데이터 협회) 네트워킹과 같은 소비자 적외선 장치이다. 이는 노트북, PDA, 프린터 및 디지털 카메라가 데이터를 교환하기 위한 Wi-Fi 네트워킹의 대안으로 사용된다.

3. 6. 음파 통신

전파(공간파)를 이용하는 "Radio Communication"은 보통 "무선통신"이라고 부르지만, 그 밖에도 적외선, 가시광선(레이저, LED 등)을 이용한 광무선통신, 음파 또는 초음파를 이용한 음향통신도 넓은 의미의 무선통신(와이어리스)에 속한다. 넓은 의미의 무선 통신에는 적외선을 이용하는 텔레비전 리모콘처럼 가까운 거리에서 작동하는 것부터, 위성 통신처럼 아주 먼 거리에서 이루어지는 것까지 다양하다. 초음파, 특히 초음파 단거리 통신은 소리의 송수신을 포함한다.^[1]

3. 7. 전자기 유도

전자기 유도는 단거리 통신 및 전력 전송만 허용한다. 이는 심박 조율기와 같은 생체의학적 상황과 단거리 무선 주파수 식별 태그에도 사용되어 왔다.

4. 종류 및 응용 분야

무선 통신은 무전기, 이동통신, 주파수공용무선통신시스템, 위성전화와 같이 음성 정보를 주로 전달하는 통신과 무선 인터넷, 와이브로, HSDPA와 같이 데이터 정보를 주로 전달하는 통신으로 나눌 수 있다.

전파법 시행규칙에서는 무선 통신을 "전파를 사용하여 행하는 모든 종류의 기호, 신호, 문언, 영상, 음향 또는 정보의 송신, 발사 또는 수신"으로 규정한다.^[17]

무선 통신은 다음과 같은 용도로 사용된다.

• 라디오 방송, 텔레비전 방송
• 휴대전화(스마트폰), PHS
• 무선 네트워크, 무선랜, 와이파이, 블루투스
• 선박 무선 통신, 항공 무선 통신, 경찰 무선 통신, 소방 무선 통신, 재난 방송 등 각종 업무용 무선 통신
• 아마추어 무선

4. 1. 종류

4. 2. 응용 분야

• 적외선 및 초음파 원격 제어 장치
• 전문적인 지상 이동 무선(LMR, Land Mobile Radio) 및 특수 이동 무선(SMR, Specialized Mobile Radio)
• 가정용 무전기(Two-way radio)에는 FRS(가족 무선 서비스, Family Radio Service), GMRS(일반 이동 무선 서비스, General Mobile Radio Service) 및 시민 무선("CB" 무선)이 포함
• 아마추어 무선(Amateur Radio) 서비스 (햄 무선)
• 가정용 및 전문용 해상 VHF 무선기(Marine VHF radios)
• 항공 무선 주파수(Airband) 및 항법 무선(radio navigation) 장비
• 휴대 전화(Cellular telephone) 및 호출기
• 위성항법시스템(GPS, Global Positioning System)^[18]
• 무선 USB(Wireless USB) 또는 블루투스(Bluetooth)를 이용한 무선 컴퓨터 주변기기
• 무선 전화기(Cordless telephone)
• 정지궤도(geostationary orbit)의 위성에서 방송되는 직접 방송 위성(direct broadcast satellite)을 이용한 위성 텔레비전

• '''Wi-Fi'''는 휴대용 컴퓨팅 기기를 다른 기기, 주변 장치 및 인터넷에 쉽게 연결할 수 있게 하는 무선 근거리 통신망이다. IEEE 802.11 a, b, g, n, ac, ax로 표준화되어 있다.
• '''셀룰러 데이터 서비스'''는 가장 가까운 기지국으로부터 10~15마일 범위 내에서 적용된다. GSM, CDMA, GPRS와 같은 초기 기술에서부터 3G, W-CDMA, EDGE 또는 CDMA2000과 같은 4G 네트워크를 거치면서 기술이 발전함에 따라 속도가 향상되었다. 2018년 현재 차세대 기술로 5G가 제안되었다.
• '''저전력 광역 네트워크'''(LPWAN)는 저속률 사물 인터넷(IoT) 응용 프로그램을 위해 Wi-Fi와 셀룰러 간의 간극을 메운다.
• '''이동 위성 통신'''은 위성 통신을 이용하여 시골 지역이나 외딴 지역과 같이 다른 무선 연결이 불가능한 곳에서 사용될 수 있다. 특히 운송, 항공, 해상 및 군사 용도에 중요하다.
• '''무선 센서 네트워크'''는 데이터 수집 네트워크에서 잡음, 간섭 및 활동을 감지하는 역할을 한다.

• 라디오 방송, 텔레비전 방송
• 휴대전화(스마트폰), PHS
• 무선 네트워크, 무선랜, 와이파이, 블루투스
• 각종 업무용 무선 통신(선박 무선 통신, 항공 무선 통신, 경찰 무선 통신, 소방 무선 통신, 재난 방송 등)
• 아마추어 무선

5. 한국 통신사별 주파수 특징 (1G ~ 3G)

1세대와 2세대의 경우, SK텔레콤은 800MHz 대역을, KT와 LG U+는 1.8GHz 대역을 사용했다. SK텔레콤이 선점한 800MHz는 '황금 주파수'로 불리며 통화 품질이 우수했지만, KT와 LG U+가 사용한 1.8GHz 대역은 직진성이 강해 통화 불통 지역이 발생했다. 3세대의 경우, SK텔레콤과 KT는 WCDMA망을, LG U+는 CDMA Rev.A 기술을 도입했다. SK텔레콤과 KT는 2.1GHz 대역을 사용하면서 2세대에서 SK텔레콤이 가졌던 통화 품질 우위는 사라졌다. LG U+는 1.7GHz 대역의 CDMA Rev.A를 통해 '풀 브라우징 인터넷'을 제공하며 성과를 올렸다.^[1]

5. 1. 1, 2세대 (1G, 2G)

5. 2. 3세대 (3G)

• SK텔레콤과 KT의 WCDMA: 3G WCDMA로 공격적인 마케팅을 시작한 곳은 KT였다. KT는 2007년 WCDMA망을 서울과 수도권에 먼저 설치하고 SHOW라는 슬로건과 함께 영상통화가 가능하다는 점을 부각시켜 광고를 시작하였다. SKT 역시 KTF에 이어 T 라는 슬로건으로 3G 광고를 시작하였으며, 영상통화를 중심으로 광고를 하였으나, 초기 너무 적은 기지국 숫자로 인한 통화 불통 지역으로 인하여 사용자의 불만사항이 많았다. 3G의 경우 SKT와 KT 모두 2.1GHz대의 주파수를 사용하고 있어, 기지국 증설이 필요했다. 기지국 증설로 어느 정도 안정화가 되었으며, SKT와 KT가 같은 주파수 대의 전파를 사용하므로 2G에서 갖고있었던 SKT의 통화품질의 우위는 3G에서는 사라졌다고 할 수 있다.^[1]

• LG U플러스의 CDMA Rev.A: SKT와 KT가 영상통화 마케팅을 하고 있을 때 LGT에서는 OZ라는 슬로건을 걸고 마케팅을 시작했다. LGT는 WCDMA가 아닌 3G CDMA Rev.A라는 기술을 적용하였으며(1.7GHz) 기존 통신사에서 제공하던 텍스트형 인터넷이 아닌 실제 인터넷 페이지 접속이 가능한 ‘풀 브라우징 인터넷’을 주력으로 홍보하기 시작하였다. 파격적인 가격과 인터넷 서비스를 통해 독자적인 영역을 구축하여 기대 이상의 성과를 올렸다.^[1]

6. 유선 통신과의 비교

이동 통신을 하려면 '''무선 통신'''에 의존할 수밖에 없지만, 고정된 지점 간의 통신을 하려는 경우에는 유선 통신과 무선 통신 모두 선택할 수 있다.

유선 통신은 회선 교환을 위한 교환기를 사용하여 (동일 통신망 내에서) 여러 통신을 확립하는 경우가 많은 반면, 무선 통신은 개별 송신기 및 수신기에서 주파수와 변조에 의해 구별하여 여러 통신을 확립하는 방법을 취하며, 그 수는 유선 통신의 교환기 수를 웃돈다.

그러나 1990년대부터 주파수가 부족해지고, 광섬유를 이용한 대용량 통신이 매우 저렴해짐에 따라 전화의 장거리 통신은 무선 통신에서 광섬유를 이용한 유선 통신으로 대체되었다. 전전공사(현재 NTT)의 많은 지점에 있는 철탑에서 파라볼라 안테나가 사라지고 이동 통신용 다른 안테나가 설치되고 있는 것도 이 때문이다.^[1]

6. 1. 장점

6. 2. 단점

• 전송로 상황 변화(날씨 변화 등)에 영향을 받을 수 있다.^[1]
• 태양을 비롯한 지구 이외의 천체, 전자기기나 원동기 등 전파를 발생시키는 다른 것들(방해원)의 영향을 받을 수 있다.^[1]
• 전송되는 정보는 비교적 쉽게 제삼자가 도청할 수 있다. 이를 방지하기 위해 제삼자에 의한 정보 복원이 어려운 변조 방식을 사용하거나, 내용을 암호화하는 등의 수단을 사용한다.^[1]

7. 군사적 활용

군사 세계에서는 전장에 유선을 설치하는 것을 기다릴 수 없으므로 무선 통신이 중요시된다. 적에게 도청당할 위험과 통신 방해(재밍)에 대한 강도 때문에 유선 통신도 남아 있지만 제한적이다.^[1] 유선 통신이 프랑스-프로이센 전쟁의 승패에 기여한 것은 잘 알려져 있다.^[1] 제1차 세계 대전 무렵에는 통신으로 포병에게 사격 목표를 지시하는 것이 가능해지면서 실용적인 장거리 사격이 가능해졌다.^[1] 제2차 세계 대전 무렵에는 무선 통신이 보급되어 부대와 차량이 이동하면서 유기적으로 결합하는 것이 가능해졌다.^[1] 현대에도 통신 기술 발달이 군사에 미치는 영향은 계속 증대하고 있으며, RMA라고 불리는 혁신의 핵심적인 요소가 되고 있다.^[1]

참조

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