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무선 스펙트럼

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1. 개요

무선 스펙트럼은 전자기파의 주파수 범위를 의미하며, 물리적 및 기술적 한계에 의해 사용 가능한 주파수가 제한된다. ITU는 무선 스펙트럼을 12개의 대역으로 분류하며, 각 대역은 주파수와 파장의 10배 범위를 포함하며, 다양한 용도로 사용된다. 주요 응용 분야로는 방송, 항공 및 해상 통신, 아마추어 무선, 개인 무선 서비스, 산업, 과학, 의료(ISM), 육상 이동 통신, 무선 조종, 레이더 등이 있다.

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무선 스펙트럼
전파 스펙트럼
정의주파수 1 Hz에서 3000 GHz 사이의 전자기 스펙트럼 부분
주파수 범위별 분류
극저주파 (ELF)3 Hz 이하
초저주파 (SLF)3~30 Hz
가청주파 (AF)30~300 Hz
초장파 (ULF)300 Hz~3 kHz
장파 (VLF)3~30 kHz
중파 (LF)30~300 kHz
단파 (MF)300 kHz~3 MHz
고주파 (HF)3~30 MHz
초고주파 (VHF)30~300 MHz
극초단파 (UHF)300 MHz~3 GHz
초고주파 (SHF)3~30 GHz
초고주파 (EHF)30~300 GHz
관련 대역
관련 대역전파

2. 한계

주파수 경계는 물리학에서 일종의 관례이며 다소 임의적이다. 전파 스펙트럼의 ''실질적인'' 한계는 기본적인 물리적 고려 사항과 무선 통신에 유용한 주파수에 대한 극복할 수 없는 기술적 한계에 의해 결정된다.[6] 전파 스펙트럼은 점점 더 혼잡해지고 있지만, 현재 사용 중인 주파수 대역폭 외부에서 추가적인 주파수를 추가할 방법은 없다.[6]

2. 1. 물리적 한계

전파는 전자기파의 일종으로, 주파수에는 하한이 없다.[4] 국제전기통신연합(ITU)은 3,000GHz 이하의 인공적인 가이드 없이 공간에서 전파되는 전자기파를 전파로 정의한다.[5]

높은 주파수에서는 대기 중 흡수가 커져 전파 사용이 제한된다. 특히 300 GHz 이상의 테라헤르츠 대역에서는 오존, 수증기, 이산화 탄소 등에 의한 흡수가 커진다.[7][8] 이로 인해 전파는 수 미터 이내에서 0으로 감쇠되며, 근적외선 및 광학 창 주파수 범위 근처에서 다시 투명해진다.

2. 2. 기술적 한계

낮은 주파수에서는 효율적인 전파 방사를 위해 안테나 크기가 커져야 한다. 약 10kHz(파장 30km) 미만에서는 지름이 수 킬로미터에 달하는 매우 큰 안테나가 필요하므로, 이보다 낮은 주파수를 사용하는 무선 시스템은 매우 적다.[6] 낮은 주파수에서는 사용 가능한 대역폭이 감소하여 전송할 수 있는 데이터 전송률도 제한된다.[6] 약 30kHz 미만에서는 오디오 변조가 실용적이지 않으며, 느린 보오율 데이터 통신만 사용된다. 무선 통신에 사용된 가장 낮은 주파수는 약 80Hz이며, 이는 여러 국가의 해군에서 수백 미터 수중 잠수함과 통신하기 위해 구축한 ELF 잠수함 통신 시스템에 사용된다. 이 시스템은 20km~60km 길이의 거대한 접지 다이폴 안테나를 사용하며, 분당 약 1 비트(17 밀리비트/초, 즉 문자당 약 5분)의 매우 느린 속도로 데이터를 전송한다.

높은 주파수에서는 대기 중의 마이크로파 에너지 흡수에 의해 통신 거리가 제한된다.[6] 주파수가 30GHz(밀리미터파 대역의 시작) 이상으로 증가함에 따라 대기 가스가 점점 더 많은 전력을 흡수하므로, 전파 빔의 전력은 송신 안테나로부터의 거리에 따라 지수적으로 감소한다. 30GHz에서는 유용한 통신이 약 1km로 제한되지만, 주파수가 증가함에 따라 파를 수신할 수 있는 범위가 감소한다. 300GHz 이상의 테라헤르츠 대역에서는 대기(주로 오존, 수증기이산화 탄소)에 의한 전자기 방사의 흡수로 인해 전파가 수 미터 이내에서 0으로 감쇠된다. 이는 본질적으로 전자기 방출에 불투명해져서 근적외선 및 광학 창 주파수 범위 근처에서 다시 투명해진다.[7][8]

3. 분류

무선 대역은 주파수 대역의 작은 부분으로, 통신 채널이 동일한 목적으로 사용되거나 할당된다. 간섭을 방지하고 무선 스펙트럼을 효율적으로 사용하기 위해 유사한 서비스가 대역에 할당된다. 예를 들어, 방송, 이동 무선 또는 내비게이션 장치는 서로 겹치지 않는 주파수 범위로 할당된다.[24][25][26][27][28]

다음은 주파수 범위, 파장, 전파법 표시에 따른 분류 표이다.

주파수 범위파장전파법 표시ITU 분류미터 표시에 의한 구분관용 명칭특징주요 용도
(일본 국내)
명칭수치기호한국어영어한국어
0.03 - 0.3Hz1 - 10Gmrowspan="5"|rowspan="4"|B.Gmrowspan="5"|ELF
(extremely low frequency)
극초장파rowspan="5"|
0.3 - 3Hz0.1 - 1Gm0B.hMm
3 - 30Hz10Mm - 0.1Gm1B.daMm
30 - 300Hz1 - 10Mm2B.MmSLF
(super low frequency)
300Hz - 3kHz0.1 - 1MmULF3B.hkmULF
(ultra low frequency)
3 - 30kHz10km - 0.1MmVLF4B.Mam미리아미터파VLF
(very low frequency)
초장파
(매우 낮은 주파수)
수중에도 도달한다.
30 - 300kHz1 - 10kmLF5B.km킬로미터파LF
(low frequency)
장파
(낮은 주파수)
지표파에 의한 안정된 통신이 가능하다. 대전력의 송신기 제작이 용이하다.
300kHz - 3MHz0.1 - 1kmMF6B.hm헥토미터파MF
(medium frequency)
중파
(중간 주파수)
주간에는 지표파에 의한 안정적인 통신, 야간에는 전리층에 의한 반사로 장거리 통신이 가능하다.
3 - 30MHz10m - 0.1kmHF7B.dam데카미터파HF
(high frequency)
단파
(높은 주파수)
전리층에 의한 반사로 장거리 통신이 가능하다. 계절과 시간대에 따른 전송 특성의 변화가 크다.
30 - 300MHz1 - 10mVHF8B.m미터파VHF
(very high frequency)
초단파
(매우 높은 주파수)
공간파에 의한 가시 범위 통신이 가능하다. 스포라딕 E층이나 라디오 덕트에 의한 이상 전파가 발생하기도 한다.
300MHz - 3GHz0.1 - 1mUHF9B.dm데시미터파UHF
(ultra high frequency)
마이크로파극초단파
(매우 높은 주파수)
안테나가 작아지므로 이동체 통신에 적합하다. 마이크로파 공학. 마이크로파 가열.
3 - 30GHz10mm - 0.1mSHF10B.cm센티미터파SHF
(super high frequency)
센티미터파
(특히 높은 주파수)
고속데이터 통신용으로 기술 개발이 진행되고 있다.
30 - 300GHz1 - 10mmEHF11B.mm밀리미터파EHF
(extremely high frequency)
밀리파
(극히 높은 주파수)
직진성이 매우 강하다.
300GHz - 3THz0.1 - 1mm|12B.dmm데시밀리미터파THz or THF
(terahertz or tremendously high frequency)
서브밀리파
(테라헤르츠파)
과 전파의 중간 영역. 일본의 전파법에서의 전파의 정의는 3THz 이하의 전자기파로 간주된다.


3. 1. ITU 분류

관례상, ITU는 무선 스펙트럼을 12개의 대역으로 나눈다. 각 대역은 10의 거듭제곱(10''n'') 미터인 파장에서 시작하며, 이에 해당하는 주파수는 3×108−''n'' 헤르츠이다. 각 대역은 주파수 또는 파장의 10배 범위를 포함하며, 전통적인 이름을 가지고 있다.[13][14] 예를 들어, 고주파수(HF)는 100~10 미터의 파장 범위를 나타내며, 이는 3~30 MHz의 주파수 범위에 해당한다.

300 GHz 이상에서는 지구 대기에 의한 전자기파 흡수가 매우 커서, 근적외선 및 광학 창 주파수 범위에서 다시 투명해지기 전까지 대기가 효과적으로 불투명해진다.

3. 2. IEEE 레이더 대역

마이크로파 대역의 주파수는 문자로 지정되는데, 이 관례는 제2차 세계 대전 당시 레이더에 사용되는 주파수에 대한 군사적 지정에서 시작되었다. 마이크로파 대역에는 여러 명명 시스템이 존재하며, 그중 널리 사용되는 표준 중 하나는 미국 전기 전자 기술자 협회(IEEE)에서 제정한 ''IEEE 레이더 대역''이다.[24][25][26][27][28]

IEEE 표준에 따른 레이더 주파수 대역
대역
지정
주파수 범위문자의 의미에 대한 설명
HF0.003~0.03 GHz고주파
VHF0.03~0.3 GHz초고주파
UHF0.3~1 GHz극초단파
L1~2 GHz장파
S2~4 GHz단파
C4~8 GHzS와 X의 타협점
X8~12 GHz제2차 세계 대전에서 사격 통제 시스템에 사용되었으며, X는 십자선과 같이 교차를 의미.
Ku12~18 GHzKurz|쿠르츠de - 아래
K18~27 GHzKurz|쿠르츠de (짧음)
Ka27~40 GHzKurz|쿠르츠de - 위
V40~75 GHz
W75~110 GHzW는 알파벳에서 V 다음에 옴
mm 또는 G110~300 GHz밀리미터


3. 3. EU, NATO, US ECM 주파수 지정

NATO에서는 군사적 목적으로 사용되는 주파수 대역을 분류하는 체계를 사용한다. 이 체계는 A 밴드부터 M 밴드까지 문자를 사용하여 각 대역을 나타낸다.[20][18][21]

밴드주파수 (MHz)구 명칭 밴드구 명칭 주파수 (MHz)
A0 – 250I100 – 150
G150 – 225
B250 – 500P225 – 390
C500 – 1 000L390 – 1 550
D1 000 – 2 000S1 550 – 3 900
E2 000 – 3 000
F3 000 – 4 000
G4 000 – 6 000C3 900 – 6 200
H6 000 – 8 000X6 200 – 10 900
I8 000 – 10 000
J10 000 – 20 000Ku10 900 – 20 000
K20 000 – 40 000Ka20 000 – 36 000
L40 000 – 60 000Q36 000 – 46 000
V46 000 – 56 000
M60 000 – 100 000W56 000 – 100 000



미국 군대와 SACLANT는 NATO와는 별도로 N 밴드와 O 밴드를 100,000 – 200,000 MHz 대역에 지정하여 사용하기도 한다.

주파수 대역 지정 비교

4. 응용 분야

전파는 다양한 분야에서 활용되며, 각 분야에 맞게 특정 주파수 대역이 할당되어 사용된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.


  • '''방송:''' 라디오 방송은 장파, 중파, 단파 주파수를 사용하며, 텔레비전 및 FM 라디오 방송 주파수는 국가마다 다르다. 자세한 내용은 텔레비전 채널 주파수 및 FM 방송 대역 문서를 참조하면 된다.
  • '''항공 및 해상 통신:''' 항공기는 항법 및 음성 통신에 VHF 주파수를 사용하며, 장거리 통신을 위해 단파 무전기와 위성 송수신기를 사용한다. 선박은 장거리 통신에 장파 및 중파를 사용하고, 연안 해역에서는 해상 VHF 무전기를 사용한다.
  • '''아마추어 무선:''' 아마추어 무선 주파수 할당은 전 세계적으로 다르며, 일부 대역은 공통적으로 사용되지만, 다른 대역들은 국가 또는 지역별로 할당된다.
  • '''개인 무선 서비스:''' 시민 밴드 무선 통신은 여러 국가에서 상위 HF 대역(약 27MHz)에서 채널화된 무선 장비를 사용하여 할당된다.
  • '''산업, 과학, 의료(ISM):''' ISM 대역은 원래 통신 외 RF 에너지 사용을 위해 지정되었으나, 최근에는 무선 전화, 무선 컴퓨터 네트워크, 블루투스 장치 등에 사용된다.
  • '''육상 이동 통신:''' 업무용 무선, 경찰 무선 통신, 소방서, 구급차 등 공공 안전 서비스는 VHF 및 UHF 부분에서 통신한다.
  • '''무선 조종:''' 무선 조종 장난감은 27MHz 또는 49MHz 대역을 사용하며, 더 고가의 모델은 전용 무선 조종 주파수를 사용한다.
  • '''레이더:''' 레이더마이크로파 스펙트럼 부분에서 작동하며, 높은 전력의 펄스 송신기와 민감한 수신기를 사용한다.

4. 1. 방송

라디오 방송은 다음과 같은 주파수를 사용한다.[1]

텔레비전 및 FM 라디오 방송 주파수는 국가마다 다르다. 자세한 내용은 텔레비전 채널 주파수 및 FM 방송 대역 문서를 참조하면 된다. VHF 및 UHF 주파수는 도시 지역에서 여러 용도로 사용하기 적합하다. 북미에서는 이전 텔레비전 방송 대역의 일부가 휴대 전화 및 다양한 육상 이동 통신 시스템으로 재할당되었다. 텔레비전에 할당된 영역 내에서도 TV 대역 장치는 지역 방송사가 없는 채널을 사용한다.[1]

미국의 Apex 대역은 제2차 세계 대전 이전 VHF 오디오 방송을 위해 할당되었으나, FM 방송 도입 이후 사용되지 않게 되었다.[1]

4. 2. 항공 및 해상 통신

항공기는 항법 및 음성 통신에 VHF 주파수(108~137MHz)를 사용한다.[1] 대양 횡단 항공기는 단파 무전기와 위성 송수신기도 탑재한다.[1]

선박은 장거리 통신을 위해 장파 및 중파 송신기를 사용하며, 연안 해역에서는 해상 VHF 무전기를 사용하여 선박 간 또는 선박과 육상 기지 간의 비교적 단거리 통신을 한다.[2] 해상 VHF 무전기는 채널화되어 있으며, 목적에 따라 다른 채널이 사용된다.[3] 호출 및 비상 상황에는 해상 채널 16이 사용된다.[3] 2182 kHz는 해상 비상 통신에 여전히 사용되는 중파 주파수이다.[2]

4. 3. 아마추어 무선

아마추어 무선 주파수 할당은 전 세계적으로 다르다. 몇몇 대역은 전 세계 아마추어 무선가들이 공통적으로 사용하며, 일반적으로 스펙트럼의 HF 부분에 위치한다. 다른 대역들은 다른 서비스, 특히 VHF 및 UHF 무선 스펙트럼 부분에 대한 할당이 다르기 때문에 국가 또는 지역 할당으로만 존재한다.

4. 4. 개인 무선 서비스

시민 밴드 무선 통신은 여러 국가에서 스펙트럼의 상위 HF 대역(약 27MHz)에서 채널화된 무선 장비를 사용하여 할당된다.[1] 개인, 소규모 사업 및 취미 활동에 사용되며, 다른 관할 구역에서는 다른 주파수가 할당되어 유사한 서비스에 사용된다.[1] 예를 들어, 호주에서는 UHF CB가 할당된다.[1] 전 세계적으로 광범위한 개인 무선 서비스가 존재하며, 일반적으로 개인 또는 소규모 사업 간의 단거리 통신, 간소화된 라이선스 요구 사항, 또는 일부 국가에서는 포괄 면허로 취급되며, 보통 1와트 이하의 FM 송수신기를 사용한다.[1]

4. 5. 산업, 과학, 의료 (ISM)

ISM 대역은 원래 전자 레인지, 고주파 가열 등 통신 외의 RF 에너지 사용을 위해 지정되었다. 그러나 최근에는 사용자가 무선 통신사 면허를 소지할 필요가 없기 때문에, 이 대역은 무선 전화, 무선 컴퓨터 네트워크, 블루투스 장치 및 차고 문 원격 제어 장치와 같은 단거리 저전력 통신 시스템에 가장 많이 사용되고 있다. ISM 장치는 해당 대역의 다른 사용자의 간섭에 대한 규제 보호를 받지 않는다.

4. 6. 육상 이동 통신

업무용 무선, 경찰 무선 통신, 소방서 및 구급차와 같은 기타 공공 안전 서비스는 일반적으로 스펙트럼의 VHF 및 UHF 부분에서 통신한다. 제한된 수의 사용 가능한 주파수를 최대한 효율적으로 사용하기 위해 트렁킹 시스템이 자주 사용된다.[1]

4. 7. 무선 조종

안정적인 무선 조종은 해당 목적을 위해 할당된 대역을 사용한다. 무선 조종 장난감은 비면허 대역의 27MHz 또는 49MHz 대역의 일부를 사용할 수 있지만, 더 고가의 항공기, 보트 또는 육상 차량 모델은 비면허 사용으로 인한 간섭을 피하기 위해 72MHz 근처의 전용 무선 조종 주파수를 사용한다. 21세기에 들어 2.4GHz 주파수 도약 스펙트럼 RC 제어 시스템으로의 전환이 이루어졌다.

면허를 소지한 아마추어 무선 통신사는 북미 지역에서 6미터 밴드의 일부를 사용한다. 크레인 또는 철도 기관차의 산업용 원격 제어는 지역별로 다른 할당된 주파수를 사용한다.

4. 8. 레이더

레이더는 마이크로파 스펙트럼 부분에서 작동하며, 비교적 높은 전력의 펄스 송신기와 민감한 수신기를 사용한다. 따라서 다른 목적으로 사용되지 않는 대역에서 작동한다. 기상학의 특정 분야에서는 UHF 대역의 강력한 송신기를 사용하기도 한다.[1]

참조

[1] 간행물 ITU Radio Regulations – Article 1, Definitions of Radio Services, Article 1.2 Administration: Any governmental department or service responsible for discharging the obligations undertaken in the Constitution of the International Telecommunication Union, in the Convention of the International Telecommunication Union and in the Administrative Regulations (CS 1002)
[2] 간행물 International Telecommunication Union's Radio Regulations, Edition of 2020.
[3] 서적 Competition and regulation in utility markets https://books.google[...] Edward Elgar Publishing 2020-11-02
[4] 서적 Radio Regulations, 2020 Edition https://www.itu.int/[...] International Telecommunication Union 2022-02-18
[5] 서적 Radio Regulations, 2020 Edition https://www.itu.int/[...] International Telecommunication Union 2022-02-18
[6] 서적 Radio Spectrum Conservation: Radio Engineering Fundamentals https://books.google[...] Newnes 2000
[7] 서적 Principles of Terahertz Time-Domain Spectroscopy: An Introductory Textbook https://books.google[...] CRC Press 2018
[8] 웹사이트 Studying the Energy of the Universe https://www.nasa.gov[...] NASA website 2002
[9] 웹사이트 See detail of bands http://www.ntia.doc.[...] 2014-07-03
[10] 웹사이트 Frequency Plans https://www.itu.int/[...]
[11] 웹사이트 Authorized frequency bands https://www.ecfr.gov[...]
[12] 웹사이트 Graphical Frequency Allocations http://www.arrl.org/[...]
[13] 웹사이트 Article 2.1: Frequency and wavelength bands https://www.itu.int/[...] International Telecommunication Union 2017-01-01
[14] 논문 Nomenclature of Frequencies
[15] 서적 Advances in Computer Vision and Computational Biology Springer International Publishing 2021
[16] 웹사이트 Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications https://www.itu.int/[...] 2015
[17] 문서 IEEE Std 521-2002 Standard Letter Designations for Radar-Frequency Bands
[18] 서적 The Naval Institute Guide to World Naval Weapon Systems https://books.google[...] Naval Institute Press 2016-10-13
[19] 논문 Effect of atmospheric absorption on millimetre wave frequencies for 5G cellular networks https://onlinelibrar[...] 2019-02
[20] 서적 Handbook of RF, Microwave, and Millimeter-Wave Components https://books.google[...] Artech House
[21] 간행물 NATO Allied Radio Frequency Agency (ARFA) HANDBOOK – VOLUME I; PART IV – APPENDICES, ... G-2, ... NOMENCLATURE OF THE FREQUENCY AND WAVELENGTH BANDS USED IN RADIOCOMMUNCATION.
[22] 웹사이트 www.microwaves101.com "Waveguide frequency bands and interior dimensions" http://www.microwave[...] 2009-11-16
[23] 웹사이트 Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications https://www.itu.int/[...] 2015
[24] 웹사이트 我が国の電波の使用状況 https://www.tele.sou[...] 総務省 2013-10
[25] 웹사이트 周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴 https://www.tele.sou[...] 総務省
[26] 웹사이트 電波法施行規則(昭和二十五年電波監理委員会規則第十四号)第四条の三 https://laws.e-gov.g[...] 総務省行政管理局
[27] 웹사이트 Nomenclature of the frequency and wavelengh bands used in telecommunications https://www.itu.int/[...] 2015-08
[28] 문서 ELF部分は国際電波科学連合との対応による拡張区分
[29] 서적 Naval Radar Naval Institute Press
[30] 웹사이트 eEngineer - Radio Frequency Band Designations http://www.radioing.[...] 2014-07-30



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