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" 이동통신기초 " <-- 각 파트별 개요


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HP : 011)9491-7906

Tel :   02)908-0540

  담당자 : 강완신

 

 

1. 통신의 기초

인류와 통신의 역사
무선통신의 역사
이동통신의 역사
Digital 신호란 무엇인가?
이동통신 용어
이동통신 주요 용어
전파의 세계
소리의 원리
교환기와 전송장치
도청과 감청
멀티미디어 이동통신
Digital과 Analog
정보와 정보통신
정보통신의 개념
통신의 분류
프로토콜의 개념

인류와 통신의 역사

사람들은 흔히 현대를 지구촌의 시대라고 부른다. 이말은 현대의 교통과 통신이 잘 발달된 덕택으로 지구상의 어느 곳이라도 하루 생활권에 들어오게 되어 서로의 의사소통 뿐만 아니라 정보의 입수와 교환 등을 즉시 할수 있게 되었기 때문이다. 현재와 같은 추세로 통신의 기술이 발전하게 된다면 음성은 물론 문자 및 화상 데이타등을 언제든지 어디서나 누구와도 자유로이 교환할 수 있는 날이 머지 않은 장래에 우리에게 다가와 생활이 대단히 편리하게 될 것이다.
맥루한은 인류의 역사를 문자 이전 시대, 구텐베르크 시대, 전기 시대로 구분하여 설명하고 있으며 또 미래학자 앨빈 토플러는 인류사회의 발전 과정을 토지를 기초로 하는 사회(제1의 물결)에서 생산 수단인 자본과 노동의 소유를 중요시하는 산업사회(제2의 물결)를 거쳐 비물질적인 정보를 기본으로 하는 정보사회(제3의 물결)로 발전한다고 설명했다. 두 사람의 이야기를 종합해 보면 전자는 매체(Media)의 발전을 중심으로 후자는 인간 삶의 기본 조건을 중심으로 인류의 역사 발전 과정을 설명하고 있다. 그러나 모두 현대 사회는 정보와 지식이 그 발전을 위한 기본이 된다는 것을 주장하고 있다.
이러한 정보와 지식은 전기 통신이 등장한 이후부터 그 발전이 가속화 되었고 재래식 방법으로는 도저히 축적할 수 없을 만큼 그 양이 증가되었다. 이글에서 인류의 역사와 함께한 통신의 역사를 간단하게 살펴보고 현재와 미래의 발달된 모습을 보기로 한다.

1. 인류와 통신

수백 만년 전 인류가 지구상에 출현한 이후로 인류는 수많은 방법을 동원하여 서로간의 정보전달을 위한 노력을 하여 왔다. 최초에 그들은 그림과 빛, 소리 등으로 정보전달을 하였는데 점점 말과 문자의 형태로 자리잡게 되었다. 문자보다 먼저 말이 교신 수단으로 사용되었는데 이는 매우 획기적인 사건이었으며 정보 전달에 편리함을 가져다 주었다.
세계에서 가장 오래된 문자는 지금으로부터 약 5천년전(기원전 3100년경)에 메소포타미아(현재의 이라크 근처)에 살고 있던 슈메르인이 재산 상태를 기록하기 위하여 사용한 그림 문자이다. 이것이 발전하게 되어 바빌로니아 문명의 설형 문자가 되었다. 그림 문자가 설형 문자로 발달함에 따라 비로소 문자를 중심으로 하는 문명 사회의 기초가 다져지게 되었다.

아즈텍, 마야, 잉카등의 중남미 문명은 거대하고 찬란한 석조 건축물로 미루어 볼때 당시에 고도의 문명이 존재하였음이 자명하지만 제대로 된 문자를 갖고 있진 않았다. 아즈텍 문명의 우수함은 이를 멸망시킨 스페인의 기록에도 남아있다. 이들 중남미 고대 문명들에 공통된 점은 철기나 차륜도 없이 염세적인 우주관을 갖고 있었으며 타 문명과의 교류를 통한 상호 발전이 없었던 그야말로 혼자만의 폐쇄적인 문명이었다. 오늘날 당시의 찬란한 문명은 극히 그 일부만 알려지고 있는데 이것은 문자가 정보를 전달하는데 얼마나 중요한 수단인가를 알수 있게 해주는 단면이다.

로마는 고대 및 중세 서양 문명의 상징적 존재이다. 로마가 세계 사상 드물게 오랜 역사(왕정, 공화제, 제정을 통하여 약 1200년간)를 가진 대제국이 될수 있었던 이유는 무엇이었을까? 그것은 소위 "모든 길은 로마로 통한다"라고 말해지는 잘 발달된 도로 시설과 120만명(기원전 100년 당시)의 로마 시민이 사용하기에 충분한 상수도 시설 때문일 것이다. 로마 제국의 공공도로(간선도로)는 372개였으며 총 연장거리는 85,000km나 되었다. 로마가 최대의 제국을 건설했을때 지배한 면적은 720만km^2였고 도로는 지선까지 합하면 총 29만km에 이른다. 미국의 국토가 936만km^2이고 세계 제일을 자랑하는 주간 고속도로의 총길이가 88,000km임을 감안해 볼때 얼마나 굉장한 것이었나 상상하고 남음이 있다. 이러한 도로를 이용해서 신속한 정보의 전달과 기동성 있는 군대 파견이 가능했던 점이 광대한 영토를 오랜 세월동안 지배할 수 있었던 원동력이 되었던 것임에 틀림이 없다.

우리나라의 경우에는 조선시대에 국경 지역으로부터 한양에 이르는 봉화체계가 있어 외적의 침입에 빠르게 대처할 수 있도록 하였으며 또한 전국 주요 곳곳에 파발을 두어 신속한 정보의 전달을 꾀하였다.

2. 전기 통신의 발전

매체의 측면에서 볼때 전기 통신은 문자와 인쇄술 다음에 등장했지만 정보의 전달, 저장, 재생의 활용 가능성은 무궁무진하므로 전기 통신이 현대 인류 사회를 지배하고 있다고 해도 과언이 아니다.

전기 통신은 1837년 미국의 모르스(Samuel F. B. Morse, 1791 - 1872)의 전신 기기 발명으로부터 시작된다. 1876년에는 벨(Alexander Graham Bell, 1847 - 1922)이 전화를 발명하고 2년후 에디슨(T. Edison)이 탄소 송화기로 개량함으로써 인류 최초의 전화기가 빛을 보게 되었으며 1888년에는 헤르츠(Heinrich Hertz, 1857 - 1894)가 전자파를 발견하였다. 뒤를 이어서 1901년 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874 - 1937)가 전자파를 이용하여 모르스 부호를 무선으로 전송하는데 성공하였다. 1906년에는 3극 진공관의 발명으로 전자 시대의 문이 열리더니 1920년 미국에서 KDKA 라디오 방송국이 개국됨으로써 종전의 1대 1의 통신(전신, 전화)이 1대 다수의 통신으로 바뀌게 되어 방송(Broadcast)이라는 용어가 탄생하였다. 그리고 영국의 베어드(John Baird)와 미국의 젠킨스(Charles Jenkins, 1867 - 1934)에 의해 TV(Television)가 등장하였으며 1936년 영국의 BBC가 처음으로 TV 정기 방송을 시작하였다. TV는 1950년대 미국에서 대중화된 이래 오늘날 세계 각국에서 정보 전달의 가장 중요한 대중 매체로 활용되고 있다.

우리나라의 경우 1885년 9월 28일 한성 - 제물포간에 최초로 전신이 개통되어 전기 통신의 역사의 장이 열렸으나 일제 시대를 거치며 잠시 정체되었다. 1961년 이후 경제개발 5개년 계획과 함께 전기 통신 분야의 성장을 거쳐 오늘날에 이르는 전기 통신 발전의 시대를 맞이하였다.

이러한 전기 통신을 이용한 매체는 지구상에서 현대인으로 하여금 인간의 오감을 확장시켜 시간과 공간을 초월하여 우주 통신의 시대로 나아가는 계기를 마련해 주었다. 초기에 소련이 쏘아 올린 스푸트닉호(Sputnik) 인공위성은 발사 2개월만에 소멸되었지만 그것은 세계적인 통신혁명에 큰 공헌을 하였다. 실질적인 세계 최초의 통신위성은 1962년에 미국이 발사한 텔스타 1호(Telstar I)로서 이를 통해 유럽과 미국 사이에 TV 생방송이 처음 시작되었다.

그후 전기 통신은 급격한 발전을 거듭하여 새로운 매체들이 대거 출현하였고 지금 이 시간에도 또다른 매체들이 만들어지고 있다. 종전의 전기 통신은 전신, 전화, 데이타 통신이 각기 별개의 통신망을 형성하고 있었으나 오늘날에는 초고주파 및 광통신 기술을 사용하여 여러 형태의 정보를 종합하여 전송하는 종합정보통신망(ISDN:Integrated Service Digital Network)의 구축에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이것이 실용화되면 우리 사회는 또다른 모습으로 새롭게 태어날 것이다.

3. 다양한 통신 방식

통신이란 임의의 정보(예:음성, 영상 신호)를 목적지까지 전달하는 과정이다. 지금까지의 통신 서비스는 전화와 같은 음성 서비스가 주를 이루었지만 앞으로는 음성 서비스 뿐만 아니라 컴퓨터의 데이타나 화상을 전송하는 비음성계 서비스도 급속도로 요구되며 성장할 것이다.

가. 아날로그 통신과 디지탈 통신

아날로그는 고유의 정보 신호에 어떠한 변화를 주지 않고 그대로 전송하는 것으로 기존의 널리 사용되었던 전화가 그 대표적인 예인데 이 아날로그 통신 방식은 외부 잡음에 약하며 송신 전력이 많이 든다는 단점이 있다. 디지탈이라는 것은 원래의 연속적인 아날로그 신호를 일련의 부호로 변형하여 전송하는 방식이다. 디지탈 통신은 아날로그 통신과는 달리 기준 부호만을 판독하면 되므로(예를 들어 "1", "0") 잡음에 강하며 전력이 적게 소모되는 장점이 있다.

나. 유선통신과 무선통신

유선통신은 말그대로 선(기존의 구리선)을 사용하여 통신망을 이루고 정보를 교환하는 것이다. 지금 현재 사용중인 유선통신은 일반 가정집의 전화나 모뎀(MODEM)등을 들수가 있는데 이것은 기존의 구리선을 사용하는 것이기에 사람의 목소리를 전송하는 경우는 별 영향이 없다. 하지만 컴퓨터 통신에서는 전송 정보 속도의 한계가 있으므로 고속의 정보를 전송할 수 있는 광케이블을 이용한 통신 방식이 개발되어 미래의 초고속 정보통신망을 구축할때 큰 기여를 할 것으로 보인다.

무선통신이란 대기 중으로 신호를 전송하므로 저주파의 정보 신호를 주파수 변환없이 직접 전송하기란 매우 힘들다. 반면에 파장이 짧은 고주파는 전파를 전송하기가 경제적이고 용이하다. 따라서 신호의 송수신 단계에서 변조, 복조라는 일련의 변환 작업을 요구한다.
그러면 변조, 복조란 무엇인가? 변조란 저주파의 정보 신호를 송신국에서 고주파의 반송파에 실어 보내는 과정이고 복조란 이와 반대의 과정으로써 수신국에서 고주파의 반송파로부터 최초의 정보 신호를 검출해 내는 과정을 의미한다.

반송파의 주파수를 다양하게 함으로써 여러 신호를 한꺼번에 전송하는 다중 전송이 가능해진다. FM방송의 경우 89.1MHz, 91.9MHz등이 바로 반송파의 주파수인 것이다.

다. 지상망 통신과 위성통신

지상망 통신이란 지상의 송수신국이 대기권 또는 전리층 내에서 유선 또는 무선으로 전파에 정보를 실어 보내고 받는것을 통칭한다. 현재 사용되고 있는 지상망 통신은 기존의 AM, FM방송 그리고 국내전화, CATV, TV등이 있다. 또한 좀더 발전된 모습의 지상망 통신으로는 디지탈 셀룰라 이동통신, 광통신, 초고속 정보통신 등이 있다.

기존의 무선통신이 지상에서 이루어졌다면 대기권 밖의 위성을 이용한 위성통신은 무선통신의 새로운 분야이며 위성을 중계 거점으로 하여 광대한 대륙이나 바다, 사막등의 자연 장애로 인해 지상 회선의 설치가 곤란한 지역이나 선박이나 자동차, 항공기등의 이동체와의 통신에 적합한 통신망 구축이 가능하다.

지상망 통신에서 유선 또는 가시거리의 무선통신의 경우 그 서비스 구역이 매우 좁은 지역으로 한정되므로 많은 중계국을 설치해야 하는 단점을 가지고 있는 반면에 위성통신은 하나의 정지 궤도 위성을 사용하여 전게계의 1/3 지역에 통신 서비스를 제공할 수 있으며 지형(도심 도는 교외)에 따른 수신 신호의 품질 변화가 적고 항상 고품질의 통신 및 방송 서비스를 제공할 수 있다는 강점으로 인하여 현재 여러 방송사에서 위성을 사용하는 방송 서비스를 제공하고 있다.(예:홍콩의 Star TV, 미국의 MTV, 일본의 NHK등)

가까운 미래에는 더욱 많은 통신 및 방송 서비스가 위성을 사용하여 제공될 것이며 미국, 유럽연합(EC), 일본등 세계 여러나라들은 저궤도와 경사 궤도 통신위성을 사용하여 전세계를 단일 통신권으로 하는 여러 프로젝트를 계획하고 있다. 우리나라도 이러한 세계적 프로젝트에 참여하고 있으며 1995년 국내 최초의 방송통신용 위성인 무궁화 위성을 쏘아 올림으로써 위성을 이용한 통신 국가 대열에 들어서게 되었다.

라. 위성통신의 응용

위성통신의 응용 분야는 범세계적 TV 프로그램 및 뉴스의 배포, 지상 곳곳에 산재되어 있는 수천개의 기상 관측소로부터 관측된 각종 기상 자료의 수집 및 분석, 중앙 정보처리 장치로부터의 정보를 신속하고 경제적으로 불특정 다수에게 제공하는 등 다양한 분야로 확산되어 갈 것으로 기대된다.

위성을 이용한 이동체 통신은 서비스의 생명인 광역화, 국제화가 다른 통신 방식보다 쉬우며 선박, 자동차, 항공기등 다양한 이동체간의 통신이 가능하다는 위성통신의 본질적인 장점을 최대한 활용할 수 있다. 따라서 저궤도 위성을 이용한 범세계적인 개인휴대통신망(PCN) 구축에 동참하려는 야심찬 계획들(모토롤라의 이리듐, 퀄컴의 글로발스타, TRW의 오딧세이, 인마세트의 프로젝트21)이 추진중에 있다.

이밖에도 지구 관측을 위하여 위성을 이용하여 가시 관측, 적외선 관측, 전기분광 관측 등의 방법을 통해 암석, 토양, 농작물, 지표 및 대양 구조에 대한 정보를 입수하게 된다. 또한 기상 관측 위성으로부터 기상 자료를 수집할수 있으며 지구 기후 변화 및 공해, 환경오염 측정 등에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이외에도 우주관측, 과학연구, 자원탐사등에 이용할 수 있다.

4. 디지탈 이동통신

디지탈통신의 주요 장점은 주파수 대역을 효율적으로 이용할 수 있으며 정보 신호를 원래 상태대로 손상됨이 없이 주고 받을 수 있다는 것이다. 디지탈 무선통신 서비스는 현대 사회가 다양한 정보를 이동간에서도 신속하게 전달할 것을 요구하는 정보화 사회로 발전함에 따라 이에 대한 수요가 급증하고 있다. 이러한 추세는 선진국은 물론 우리나라에서도 무선전화, 무선호출, 휴대전화에 대한 수요가 급증하고 있는 것을 보면 쉽게 알수 있다.

가. 부호분할 다중접속 방식(CDMA)

통신에서 여러 사용자가 동일한 성질의 신호를 동일한 주파수로 동시에 송출하게 되면 상호 혼신이 발생하여 교신을 할수 없게 된다. 현재보다 훨씬 많은 사용자가 동시에 휴대전화를 사용하면서도 상호 혼신을 주지 않고 깨끗한 통신을 하기 위해서 국내에서는 기존의 아날로그 방식 휴대전화를 CDMA 방식의 디지탈 휴대전화로 전환하였다. CDMA는 각 휴대 전화기마다 고유 번호를 할당 지정해 주고 이에따라 신호를 송수신하게 하는 방식이다. 이것은 마치 많은 외국 사람들이 왁자지껄하게 떠드는 방안에서 한국어를 사용하는 사람의 말을 쉽게 구분할 수 있는 것과 같은 원리이다. 여기서 한국어를 고유 번호라고 할 수 있다. 따라서 이 방식은 간섭에 강한 장점을 가지고 있다.

나. 주파수 공용통신(TRS)

유통, 운수업계, 건설현장, 경찰등에서 널리 사용되고 있는 통신 방법으로 이것은 한 주파수를 여러명이 시간을 나눠 함께 쓰기 때문에 붙여진 이름이다. 시간에 제한이 없이 하고 싶은 만큼 통화할 수 있는 전화와는 달리 통화 시간을 3분으로 제한을 두는 것은 한정된 주파수를 가능하면 여러 명이 같이 쓰기 위함이다. 그래서 하나의 주파수로 수용할 수 있는 가입자수는 휴대전화의 10배까지 된다. TRS의 가장 큰 장점은 특정 집단끼리만 교신한다는 점이다. 무전기는 주파수만 맞추면 누구나 들을 수 있지만 TRS는 교신자외의 다른 사람은 수신하지 못하므로 보안성이 뛰어나다. 또한 가장 빠른 길을 찾아주는 교통 정보 시스템이나 교통 흐름을 제어하는 교통 관리 체계등 여러 분야에 응용이 가능한 잠재력을 지니고 있다.

다. 개인휴대통신(PCS)

이동전화에서 더욱 발전하는 다음 세대 정보통신 수단은 PCS로 겉으로는 이동전화와 큰 차이가 없어 보이지만 가장 큰 차이점은 이동전화는 차량에 알맞고 개인휴대통신은 걸어다니는 사람에게 알맞은 무선통신이다. 그리고 PCS는 이동전화보다 훨씬 높고 넓은 주파수 대역을 사용하기 때문에 이동전화가 음성통신이나 간단한 데이타 통신만이 가능한 데에 반해 PCS는 화상 정보까지 주고 받을 수 있다는 장점이 있다.

우리나라에서는 실제 서비스가 1998년부터 상용화되었으며 멀티미디어 통신 기능을 가진 시스템(IMT-2000)은 2000년경에 완성될 것이다. 현재의 이동통신망은 위성전화와 결합되어 사막이나 높은 산, 바다 한가운데에서는 저궤도 위성을 사용하여 통신하고 나머지 지역은 PCS를 이용하는 차세대 육상이동통신이 등장할 것이며 2005년을 전후해 보편화될 것으로 보인다.

5. 초고속 정보통신망

현대인의 정보화 사회에 대한 욕구와 인류 문명의 발전 추세를 고려해 보면 미래에 가장 두드러지게 발전할 분야는 통신망이 될 것이라는 것은 의심의 여지가 없다. 현재는 유선통신망과 무선통신망이 서로 분리되어 서비스를 제공하고 있으나 2000년경에는 유무선망의 통합이 이루어지기 시작해서 2010년경에는 통합망이 완성될 것으로 보인다.

기존의 방송이나 통신망이 제공하는 서비스는 프로그램 제작자를 중심으로 이미 만들어져 있는 각종 정보를 제공하는 서비스이다. 그러나 향후에는 사용자(시청자)의 기호와 취향에 따라 프로그램을 실시간에서 요구하는 주문형 서비스와 더 나아가서는 창조형 서비스로 진화될 것이다. 즉 지금의 단순 선택 기능을 제공하는 서비스로부터 탈피하여 서비스는 지능화되고 인간화되며 유무선이 통합된 단일망에 의한 멀티미디어 서비스를 제공하게 될 것이다.
초고속 정보통신망이 완성되며 재택근무, 원격교육, 전자화폐, 전자투표, 원격진료등이 보편화될 수 있을 것이다.

6. 미래의 방송

가. 지상망 방송

라디오가 처음 대중에게 선을 보인후 종전의 1대 1통신에서 1대 다수의 통신으로 변화가 일어났다. 현재 우리나라는 AM과 FM의 두 주파수 대역에서 라디오 방송을 하고 있다. 그러나 현재 사용중인 라디오 방송은 원래 고정 수신용으로 개발되었으므로 보행중 또는 차량 운행 중에 수신할 경우에는 음질이 상당히 저하되고 높은 출력과 넓은 주파수 대역을 요구한다.

차세대 방송용으로 개발되고 있는 디지탈 오디오 방속(DAB)은 도심지의 전파환경과 잡음에 강하여 소출력으로 전송하여도 고속으로 주행하는 차량에서 CD 수준의 음질을 수신할 수 있다. 앞으로 DAB를 이용하여 뉴스와 음악 방송 뿐만 아니라 데이타 수신과 영상 라디오, 무선호출, 교통정보 시스템, 팩스, 전자신문 등의 멀티미디어로 다양한 모습의 통신이 예상되며 2000년까지는 휴대용 수신기가 실용화 될 것이다.

TV는 현재 세계에서 가장 사랑받는 대중 매체의 역할을 하고 있으며 그 위력은 매우 크다. TV란 단어의 의미는 먼거리에서 볼수 있다는 뜻이다. 현재 우리나라는 6개 채널을 이용하여 방송을 하고 있고 CATV가 전국적으로 방송되고 있다. 기존의 TV 방송은 공중파 방송으로서 전파를 안테나로 수신을 해야만 시청이 가능하므로 전파가 미약한 지역에서는 수신이 불가능하거나 수신상태가 매우 나쁘다. 그러나 CATV는 시청을 원하는 사용자에게 유선으로 서비스를 제공하므로 그러한 문제가 없다. 또 공중파 방송은 주파수의 제한 때문에 많은 채널을 사용할 수 없으나 CATV는 100 채널 이상의 많은 채널을 제공할 수 있다.

흔히 차세대 TV로 불리는 고선명 TV(HDTV)는 현행 TV 방식의 한계를 극복하여 좀더 선명한 화상을 보다 큰 화면으로 보고자 하는 욕구의 산물이다. 즉 HDTV는 현행 TV보다 2배 이상의 수직, 수평 해상도를 가짐으로써 우수한 화질을 제공하며 현행 TV보다 수평면으로 넓은 9:16의 화면비를 가지며 CD 음질 수준의 오디오 성능을 가지는 새로운 TV 방식이다. 1968년 처음 일본의 NHK에서 개발이 시작되었고 세계 각국의 HDTV 개발을 위한 노력의 결과, 현재 서비스중이다. 국내에서는 2000년쯤 무궁화 위성을 이용한 디지탈 HDTV 방송 서비스를 계획하고 있다. 또한 HDTV보다 2배 정도 더 높은 해상도를 갖는 UDTV의 개발도 진행중에 있다.

나. 위성방송

위성방송이란 방송국에서 제작된 영상 및 음성 신호등을 송신 지구국을 통하여 발사하고 적도 상공에 떠있는 정지위성인 인공위성을 중계기로 사용하여 먼곳에 있는 수신 지구국으로 신호를 보내는 것으로 하나의 인공위성이 전파할 수 있는 최대 면적은 지구 전체의 1/3이 되는 방송 시스템이다.

직접위성방송(DBS) 시스템의 개발에 따라 수신자는 소형의 접시 안테나를 사용하여 디지탈 TV 방송, 디지탈 오디오 방송 뿐만 아니라 HDTV, PCM 방송, 문자 방송, 팩스 방송등의 품질이 우수하며 새로운 서비스를 제공받을 수 있다. 아시아 지역에서 대표적인 것으로는 홍콩의 Star TV와 일본의 NHK 방송이 있으며 아날로그 TV 방식을 사용하고 있다. 우리나라는 무궁화 위성의 발사로 우수한 영상과 뛰어난 음질의 디지탈 TV 방송 서비스를 제공받게 되었다.

7. 맺음말

지금까지 인류의 역사와 함께 진화된 여러가지 통신의 모습과 앞으로의 발전 등을 살펴 보았다.
좀더 다양한 정보를 빠르게 지구상의 모든 사람들과 통신을 하고 싶은 인간의 욕구가 현재의 정보화 사회에 이르게 하였고 앞으로도 끊임없이 발전할 것이다. 그러나 여기서 우리가 한가지 교훈으로 생각할 것은 당시에 교통과 통신시설이 뛰어났던 로마도 약 1200년 이라는 엄청난 기간을 향유하였지만 결국 몰락하고 말았던 것이다. 이것은 당시의 화려한 문명의 발전 뒷길에는 사치와 향락이 만연하였고 로마의 휴일이 1년중 반이었다는 사실로 문명의 이기가 발전함에 따라 남아도는 시간을 건전하게 사용하지 못한 것에 기인한 것이다.

앞으로 통신의 끊임없는 발전과 무인화, 지능화, 정보화 사회의 초고속화로 인해 점점 사람이 영유할 수 있는 시간이 늘어나게 될것인데 이를 어떻게 잘 활용하는 가에 따라 인류 문명의 미래가 달려 있다고 해도 과언이 아니다.

 

무선통신의 역사

 

가장 원시적 형태의 기기를 병행하면서 조금씩 발전을 더 하였던 무선통신의 역사는 근대에 이르러 전기를 이용한 통신방법의 출현으로 발전 성장은 급속도로 빨라졌다. 서양의 무선통신 발전을 재촉한 각각의 사례들과 우리나라 원시무선통신 이후의 달라진 통신역사의 자취를 살펴보도록 한다.

19세기에 들어와서 전기를 이용한 통신방법이 여러 과학자에 의해 연구되었고, 그 중에 모르스가 발명한 점·선·공간으로 글자·숫자·구두점을 표기하는 2가지 체계 중 하나의 부호(모르스)를 가지고 발명한 전신기는 오늘날의 유선통신을 발달시키는 원인이 되었다. 일반적으로 유선통신에 비해 무선통신은 쉽게 신호(signal)가 소멸된다는 약점을 가지고 있었다. 따라서 무선통신이 성공하느냐 못하느냐의 관건은 공중으로 신호를 소멸시키지 않고 얼마나 멀리 보낼 수 있을 것인가에 달려 있었다.
무선통신에서 모르스와 비슷한 위치에 있는 인물이 바로 마르코니이다. 이 글에서는 통신의 발달에 기여한 여러 기술자와 과학자들의 실험이나 장치들을 살펴본 후, 무선통신의 아버지라 할 수 있는 마르코니의 연구를 그의 실험을 통해 확인하겠다. 이로써 초기 무선통신의 발전을 개략할 수 있을 것이다. 근대이후에 기술의 발달은 서양중심으로 진행되었는데, 문호개방과 더불어 우리 나라에 수입된 무선통신의 역사 또한 간략히 살펴보도록 한다.

1. 통신의 발달과정에서의 실험

통신의 역사적 발달 과정을 보면 빛이나 봉화를 올려서 통신수단으로 이용하던 시대부터 현재와 같이 전기를 통신에 이용하기까지는 여러 가지 변모를 거쳐서 발전하여 왔다. 하지만 현대의 판도와는 달리 초기 통신의 사용은 주로 전쟁의 필요성 때문이었다. 예를 들어, 프랑스의 샤프(Claude Chappe, 1763-1850)에 의해 프랑스 혁명 시대에 발명되어 이용된 것은 광학적(光學的) 통신기였다. 이 통신기는 신호식 표식기(標識機)로 탑 위나 지붕 위에 세워진 일종의 신호 통신기인데, 망원경으로 확인하여 다음 신호기가 설치된 곳으로 중계해 가는 방식이었다. 1794년에는 파리와 라루 사이에 이 통신기가 가설되었는데, 이는 세계 최초의 통신선이라 할 수 있으며, 샤프는 이 통신선을 텔리그래프(Telegraph)라고 이름붙였다. 그러나 이러한 장치에 의한 통신은 기후의 지배를 받거나 전해지는 통신이 중간에 왜곡되는 경우도 있었다.
산업기술의 역사 전체를 두고 본다면, 초기의 산업의 발달은 대체로 기술자 개개인에 의한 실험으로 이루어졌지만, 과학이 산업발달과 밀접한 관련을 맺게 되면서 무선통신 또한 과학자와 과학적 발명에 힘입게 된다. 특히, 무선통신은 19세기 후반의 맥스웰의 전자파의 이론적 발견으로 지금의 모양을 갖추게 되었다고 할 수 있다. 실제로 산업혁명 이후의 통신의 발달은 기계제 대공업의 발전, 자본주의적 생산양식의 확립 때문이었다. 원료물자, 제품 그리고 인간의 대량수송이 중요한 문제였기 때문에 철도나 대형 선박의 급격한 발달을 초래하였고 광범위한 지역에서의 생산이 유기적으로 결합되어 생산의 사회적 결합도가 강하게 됨에 따라 인간의 의지나 정보를 빨리 전달하는 것 또한 중요해졌다. 다시 말해, 정보전달의 필요성이 과학기술과 결합되어 근대적 통신기술의 발전을 가져왔다. 문헌에 의하면 전기통신이 처음으로 성공한 사례는 1774년 스위스의 리사지(G.G.Lesage)가 24본의 전선 끝에 각각 금박 검전기를 접속하여 마찰전기를 보내면서 검전기의 금박을 개폐시켜 통신한 것이 최초의 통신으로 성공한 것이라고 전해진다.

1824년 프랑스의 사바르(Savart)는 전기 실험을 하기 위하여 고안된 전기 저장 기구(Condensor)인 라이덴(Leyden)병에 저장되어 있는 전기를 방전시킬 때 불꽃이 점멸하며 진동한다는 사실을 발견하였으며 1824년 미국의 헨리(Henry) 역시, 라이덴병으로부터 약 30m거리에 있는 쇳조각이 자화된다는 사실을 발견하였다. 1837년 미국의 모르스(S.F.B.Morse)에 의한 전신기의 발명으로 원거리 통신이 이루어졌으며 1875년 미국의 에디슨(T.A.Edison)도 모르스 전신기의 키를 조작할 때 가까이 있는 금속에서 불꽃이 튀기는 현상을 발견하였지만 그것이 전파인 줄은 몰랐다. 1864년의 맥스웰(J.C.Maxwell)이 전자파의 존재를 맥스웰 방정식으로 확립하였으며 1876년 미국의 벨(A.G.Bell)에 의한 전화기 발명은 오늘날에 와서 전세계를 하나의 통신권으로 형성하게 되었다. 1887년 독일의 헤르츠(H.R.Hertz)가 전자파를 실험으로 확인하였으며 1890년대 중반에 이탈리아의 물리학자인 마르코니(G.M.Marconi)에 의하여 2.5km거리 사이에 무선 송수신 실험을 성공하였고 1906년 미국의 파센딘(Pasendin)에 의하여 무선전화를 실현하였다.

근대 무선통신의 역사-마르코니의 실험을 중심으로 마르코니는 1896년, 영국의 소르스페리라는 벌판에서 2.5km 떨어진 두 곳에 무선전신을 보내 자신의 실험을 증명해 보였고 6월 영국정부는 최초의 특허를 내주었을 뿐만 아니라 마르코니의 연구를 적극적으로 후원하였다. 다음 해까지 일련의 성공적인 시범실험을 행했는데 어떤 실험에서는 기구와 연을 이용해서 안테나의 높이를 높게 만들었다. 그는 솔즈베리 평원에서 6.4㎞의 거리까지 브리스톨 해협을 통과해서 거의 14.5㎞까지 신호를 보내는 등, 일련의 실험들로 인해 영국과 해외에서 상당한 대중적 관심을 끌었다. 이런 대중적 관심과 무선전신실험을 등에 엎고, 대서양을 사이에 둔 유럽과 미국의 무선전신실험을 계획하였다. 1900년 10월, 마르코니는 유럽과 미국 간 무선전신실험에 앞서 먼저 영국과 아일랜드 간의 실험을 하였다. 대서양이 바라보이는 영국의 콘월에 60m가 되는 전신주를 30개 세우고, 그 위에 안테나를 가설한 거대한 발신소를 건설하였다. 그러나 폭풍에 의해 애써 설치한 높은 안테나가 쓰러져 버리는 등 많은 어려움은 있었지만 결국 영국과 아일랜드 간의 360km의 통신실험에 성공하였다. 마침내 준비를 끝내고 마르코니는 대서양 저편의 캐나다 뉴펀들랜드라는 큰 섬으로 출발하였다. 그러나 그 섬에는 큰 안테나가 설치되어 있지 않았기 때문에 준비해 간 연과 공기를 넣어 공중에 띄우는 기구에 철사줄을 매어 사용할 수밖에 없었다. 먼저 180m 높이로 철사줄을 맨 연을 띄웠으나 연은 바람에 밀려 바다로 떨어져 버렸고 그 다음날 다시 기구를 120m 높이로 띄워 미리 정했던 신호인 "도도도" 소리를 기다렸다. 연을 띄운 지 30분이 지나서 신호가 들려왔다. 마침내 2800km의 대서양 횡단통신이 성공하는 순간이었다. 신호가 30분이 지나서 들린 이유는 연이 바람에 따라 수시로 위치가 바뀜에 따라 신호가 들렸다 안 들렸다 하였기 때문이었다.

1900년 12월, 마르코니가 무선전신의 역사적인 대서양 횡단에 성공함으로써 전파를 통신에 이용할 수 있는 시대가 열리게 되었다. 그러나 1916년 이전까지는 실제적인 의미의 무선통신이 아니고 모르스 부호를 유선이 아닌 무선을 이용하여 보내는 방식이었다. 1916년에 미국 버지니아 주에 위치한 해군연구소 무선국에서 최초의 실제적인 진폭변조방식(AM:Amplitude-Modulated Signal)의 신호를 보냈으며, 대서양 해안에서 모르스 부호가 아닌 음성을 수신하였다. 마침내 1916년 이후에서야 무선통신을 상업적으로 이용할 수 있는 길을 열게 되었다.

무선통신의 상업적 이용이 이동 통신이라고 볼 수 있는데, 이동 통신의 역사는 1900년 초에 해상선박의 안정운행, 긴급통신용으로 무선전신이 사용되기 시작하여, 제 1차 세계대전 후에는 무선전신에서 무선전화로, 제2차 세계 대전 후에는 해상용에서 육상용으로 발전하여 왔다. 이들 이동 통신 중에서 최근 각광받으며 주목받고 있는 것이 차량 및 휴대용 이동전화이다.
세계 최초의 차량전화시스템은 1921년 미국 디트로이트 경찰국의 순찰차에 설치 사용한 이동라디오 서비스(Mobile Radio Service)로 전화기의 부피가 커서 사용이 불편하고, 자동차 전지를 과다하게 소모시키는 비효율적인 장치였으나 무선이동전화방식의 필요성에 의해 미국의 모든 순찰차와 소방차에 사용하였다. 초기의 서비스는 전화기를 이용했다기보다는 무전기를 이용했다고 보는 편이 어울리며, 직접 다이얼을 돌릴 수 없었고 교환을 통하여 상대방과 통화가 가능했다. 실제 일반 개인이 자동차에서 외부사람들과 통화할 수 있는 최초의 이동전화서비스는 1946년 미국의 세인트루이스에서 시작된 150MHz대의 수동접속식 서비스로 어느 도시에서나 제한된 3개의 채널(회선:2명×3회선=6명만 동시통화 가능)을 사용하였기 때문에 통화시간을 많이 점유할 수 없었고 이 쪽에서 말할 동안에는 상대편이 말을 하더라도 이 쪽에서는 들을 수 없었으며, 상대방 말 중간에 끼어 들어 말할 수도 없어서 통화자가 교대로 대화를 나누어야 하는 단방향 방식(Simplex push-to-talk)의 시스템이었다. 이후의 무선통신의 발달은 전자기술의 발달과 더불어 급속히 발전하게 된다.

2. 우리 나라의 근대 무선통신

우리 나라 최초의 전신선은 1885년 9월 28일 한성과 인천 간에 가설되었으며 최초의 전화는 1895년 6월 대궐 궁내부에 자석식 전화기가 설치되어 개통되었다. 이어서 1902년 3월 20일 한성과 인천간 공중용 시외 전화 업무가 개시되었고, 그해 6월 6일에는 한성 전화소에서 시내 교환 업무를 개시하였으며 1924년 11월 16일에는 한성과 봉천 간에 국제 전화를 개통하였다.
1910년 8월 대한제국 정부에서 인천의 월미도 무선 전신소와 선박(광제호) 사이에 항로표지의 목적으로 사용된 것이 무선통신의 시초이다. 그 후 1958년 서울시내 일원 및 주변을 이동중인 차량과 일반유선전화 가입자 또는 차량 상호간의 무선통신을 위한 시설이 도입되었으나 이는 특수목적으로 사용되었다. 우리 나라의 실질적인 이동전화의 모태는 1960년에 도입된 수동교환방식으로 서울 및 수도권 일부지역에서 정부기관을 대상으로 서비스를 제공하였다.
최초의 일반대중용 이동전화서비스는 1961년 8월에 80여 명의 가입자를 대상으로 제공되었다. 이때까지의 이동전화 이용방법은 일반유선전화로 시외교환을 호출하여 차량전화번호를 알리고 교환원이 선택호출장치 버튼을 누르면 전파신호가 발사되어 차량의 벨이 울리는 방식이었다. 따라서 통화품질도 좋지 않았고, 이동전화 수요에 충분히 대처할 수 없었다. 이 시기에도 이동전화는 여전히 특수 목적으로만 사용되었고 일반인들에게는 보급되지 않았다.
1988년 올림픽을 거치면서 국내의 이동전화 수요는 폭발적으로 늘게되며 초기에 도입된 AMPS로는 용량이 모자라 1996년 CDMA 디지탈 셀룰러를 도입하게 되었다. 그후 1997년 말부터 PCS 서비스를 개시하였고 현재 가입자는 2천만명을 넘어섰으며 여전히 증가 추세를 보이고 있다.

이동통신의 역사

사람은 더불어 살 수 있도록 태어났다.
서로 의사를 전달하고 또 다른 사람이나 집단에게서 소식을 듣고, 그것을 해석하고 이해하며 살아왔다. 이것이 바로 정보생활이고 그 정보의 가치가 더욱 중요해지는 시대로 접어들고 있다는 것은 구태여 토플러 같은 사람의 주장을 인용하지 않더라도 우리의 상식으로도 충분히 알 수 있다. 새 밀레니엄(Millennium)이 몇 달 남지 않은 이때, 어쩔 수 없이 우리는 정보화 시대, 또는 지식산업 시대로 끌려 들어가고 있다.

통신의 혁명은 1960년대 이후, 높은 주파수의 전파를 만들어 내는 발진 기술의 발전과 전파장치의 소형화가 이루어지면서 시작되었다. 다시 말하면 마이크로파와 광파대까지 발진 기술인 MASER와 LASER의 출현, 그리고 Transistor, Integrated Circuit, VLSI 등의 출현이 고주파수화와 초소형화를 이루는데 공헌하게 되어 오늘날의 통신혁명, 특히 무선통신의 혁명적 발전을 이룩하는데 공헌하게 된 것이다. 즉, 정보화 시대를 만들어낸 핵심적인 기술은 반도체 기술, 디지털 신호처리, 주파수의 고주파화와 효율적인 이용기술의 발전이라고 할 수 있다. 사실 주파수는 유한한 공공자원이다. 그래서 주파수를 여러 사람이 같이 쓰고, 또 재사용할 수 있는 기술이 필요하게 된다.
무선통신은 송신자와 수신자가 일대 일인 통신과 불특정 다중을 상대로 하는 통신도 있을 수 있다. 여기서는 주로 최근의 일대 일 무선통신의 발달과정을 살펴보기로 한다.

1960년대 말, Bell연구소에서는 커버리지 영역을 Cell로 잘게 나누고, 주파수를 재사용할 수 있도록 하는 Cellular 이동통신의 개념이 개발되었다. 그러나 1983년에 이르러서야 제 1세대 이동통신 시스템인 아날로그 방식인 US AMPS(Advanced Mobile Photo Services)를 위해 FCC는 666개의 800㎒대의 양방향성 채널을 할당하였다.
1991년도에는 제 2세대 이동통신 시스템인 Digital 방식인 US Digital Cellular(IS-54)가 서비스를 시작했다. FM/FDMA(Frequency Division Multiple Access) 방식인 AMPS의 30㎑ 채널당 세 명의 사용자를 할당할 수 있는 π/4 DQPSK(Differential Quadrature Phase Shift Keying) 디지털 변조 방식을 이용한 시분할 다중접속(TDMA) 방식의 시스템이었다. Digital 신호처리와 병행하여 half rate coding 기술을 적용, 동일한 30㎑ 대역폭에 6명의 사용자를 처리할 수 있게 했다.

FCC는 1995년에 개인의 이동성, 단말기의 이동성, 그리고 서비스의 관리성을 제공할 수 있는 개인통신 서비스인 PCS(Personal Communication Service)의 도입을 위해, 1800/1900㎒ 대역 주파수를 경매했으며 무려 20조 달러의 수입을 올리기도 했다. 개인통신 서비스로 7가지의 표준이 제안되어 있다.

유럽에서는 1981년 스웨덴에서 콤빅(Comvik) 시스템에 의해 최초로 아날로그 셀룰러(Analog Cellular) 서비스가 시작된 이래, 영국의 TACS-900(Total Access Communication System), NMT450(Nordic Mobile Telephone), 독일의 CA59, 프랑스의 RC2000과 NMT-450, 이탈리아의 RTMS, 스웨덴의 NMT-900등 각기 다른 시스템으로 서비스 중에 있다. 국가간의 로밍(Roaming)은 동일한 시스템을 사용하는 시스템간에서만 가능하며 북유럽의 스칸디나비아 4개국(덴마크, 핀란드, 노르웨이, 스웨덴)간은 NMT-450과 NMT-900을 이용하고, 중부 유럽의 3개국(벨기에, 룩셈부르크, 네덜란드)간에는 NMT-450 시스템을 이용하여 동일 시스템이 가능하므로 국가간의 로밍계약이 체결되어 있다.
이러한 불편을 경험한 유럽 국가들은 최근 ETSI(European Telecommunication Standard Institute)를 통하여 디지털 이동통신 시스템은 TDMA 방식인 GSM(Global System of Mobile)을 개발하여 서비스 중에 있다. 마찬가지로 개인통신용 서비스로는 1900㎒ 대역을 할당하고 800㎒ 대역에서 사용하는 GSM을 대역 이동시키고 기능 향상시킨 PCS 1900 시스템을 개발하여 서비스하는 중이다.

일본에서는 1979년 NTT(Nippon Telephone and Telegraph Company)에 의해 세계 최초로 600개의 FM 채널(한 방향으로 채널 25㎑)이 800㎒ 대역에 할당되어 서비스가 시작되었으며, 북미 VCDC와 비슷한 PDC(Pacific Digital Cellular) 방식으로 서비스 중에 있다. 또한 TDMA 방식인 PHS(Public Handyphone System)에 의한 저이동성 개념의 개인통신 서비스가 실현 중에 있다.

우리나라 최초의 일반시민용 이동전화 서비스는 1961년 8월, 80여명의 가입자를 대상으로 제공되었다. 이 때의 이동전화 이용방식은 일반 유선전화로 시외교환을 호출하여 차량전화번호를 알리고 교환원이 선택 호출장치 버튼을 누르면 전파신호가 발사되어 차량 전화의 벨이 울리는 방식이었다. 따라서 통화품질도 나쁘고, 이동전화 수요에도 충분히 대처할 수 없었다. 따라서 특별한 신분의 사용자만이 가입하고 이용, 가능한 상태였다.
1973년 기계식 IMTS(Improved Mobile Telephone Sevice)를 1975년에 NMRS(New Mobile Radio System)을 도입하였고, 1976년에는 반전자식 IMTS를 도입하여 서비스를 실시했다. 1984년 3월, 한국이동통신 서비스 주식회사가 설립되면서 그 해, 5월부터 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 셀룰러 시스템이 도입되면서 주로 차량전화 서비스를 개시하여 실질적인 이동전화의 대중화가 시작되었다. 그후 1988년 7월부터 88올림픽의 영향때문에 이동전화의 보급 및 가입자가 급격히 증가하여 차량전화에서 실질적인 이동전화인 핸디폰(Handy Phone)의 개념으로 바뀌기 시작했고, 1996년에는 300만 가입자를 돌파하는 대규모 통신시스템이 되었다.
무선호출기는 1982년 12월에는 1만 회선으로 최초의 서비스를 개시하였으며, 1989년 4월에는 100만 가입자를 돌파했다.
1996년 1월부터 기본 기술이 미국 퀄컴(Qualcomm)사에서 1993년에 개발된 CDMA 방식을 도입하여 세계 최초로 인천과 부천 지역에서 그리고 그 해 4월에 서울 전지역에 서비스가 개시되었다. 국가정책으로 CDMA를 채택하는 데는 여러 가지 애로가 많았지만 TDMA보다 여러 가지 장점이 많은 CDMA를 채택하면서 세계 최초 상용화라는 난점을 우리 기술진의 노력으로 이루어냈다는 것은 매우 자랑스러운 쾌거이다. 1997년 10월 1일부터 한국통신프리텔, LG Telecom, 한솔 PCS등 3개 사가 동시에 016, 018, 019 등의 번호로 PCS 상용서비스를 실시하였다. PCS는 역시 CDMA 방식으로 1999년 4월 현재로 우리나라 이동통신, 셀룰러, PCS, Pager 등 모든 무선통신 가입자수는 1800만을 훨씬 넘고 있다.

위성통신은 1962년 7월에 텔스타(Telstar) 1호를 ATT가 첫 능동 통신위성으로 60회선 용량의 위성통신으로 시작되었다. 그러나 이 위성은 고도가 6,238㎞밖에 되지 않고 주기가 157분이어서 통화시간에 제한을 받는 애로가 있었다. 1960년대에 오면서 각국마다 경쟁적으로 중계용 인공위성을 발사하여 one-way 또는 two-way로 TV중계와 전화에 이용하였다. 1990년대에는 Intelsat-Ⅶ호, Intelsat-K호 및 Inmarsat-Ⅱ호를 포함하여 고궤도 대형 위성과 수십 개의 저궤도 위성들이 새로 발사되어 글로벌 위성통신시대가 확실히 열리게 되었다. 우리나라에서는 1995년 8월과 1996년 1월에 Koreasat인 무궁화 1, 2호가 발사되어 현재 위성통신에 활용되고 있다.
1998년 11월 1일부터 66개 위성망과 지상통신망을 연동하여 이리듐(IRIDIUM) 서비스가 전 세계적으로 개시되었으며 우리나라에서도 1999년 2월 현재, 1200명이 가입하여 서비스를 개시하고 있다.

 

Digital 신호란 무엇인가?

 

오늘날 정보통신 사회를 떠받치고 있는 기본 기술의 하나가 디지털 기술과 컴퓨터에 의한 정보처리기술이다. 현대를 살아가는 우리는 정보통신 시스템하에서 생활하며 업무를 처리하고 있다. 그런 만큼 디지털 기술을 이해하고 있다는 것은 큰 도움이 아닐 수 없다.
사람은 자신의 생각을 남에게 전달할 때 곧잘 몸짓이나 소리를 사용한다. 그러나 서로 마주 보이지 않는 상대나 소리가 들리지 않을 만큼 멀리 떨어져 있는 사람에게는 다른 방법을 쓰게 된다. 이때 이용되는 것이 전기(電氣)이다. 전기를 통해 남에게 보내고자 하는 자신의 생각이 정보이며 이를 전달하는 것을 통신이라고 하며 전기적인 방법을 이용하므로 전기통신이라고 부르고 있다. 전기통신의 가장 쉬운 예가 전화인데 자신의 목소리가 송화기 주변에 미묘한 공기의 진동을 일으키고 이 공기의 진동이 송화기내를 통하고 있는 전기의 흐름(전류)을 변화시키고, 이 변화가 전화선을 타고 멀리 떨어져 있는 장소로 보내져 그곳에서 다시 원래의 목소리로 되돌려진다.
전화 이외에 우리가 늘 생활 속에서 접하는 것이 텔레비젼이다. 텔레비젼의 경우는 물체의 밝기와 색채·정보를 광(光)센서(sensor)에 의해 전류의 변화로 변환되어 보내지는데 전화의 경우와 별로 다르지 않다.

<원래의 현상과 유사한 신호, 아날로그>
방송을 포함한 전기통신 시스템에서는 여러 가지 종류의 정보가 전류의 파도에 실려 전달되는데 정보를 실어나르는 전류의 파도를 신호(signal)라고 한다. 전기통신이란 신호를 보내는 측으로부터 받는 측으로 충실히 보내는 기술이다. 전화나 텔레비젼 신호와 같이 음성의 진동이나 화면의 밝기의 변화를 그대로 표현하는 신호를 원래의 현상(現象)과 유사(analogue)한 신호라는 뜻에서 아날로그 신호라고 부르고 있다.
전화가 발명된 이래, 전기통신 기술자는 이러한 아날로그 신호를 어떻게 하면 대량으로 또 충실하게 보낼 수 있을까에 관해 노력해 왔다. 이러한 노력으로 수많은 기술이 태어났고 이로써 현재의 일렉트로닉스(electronics)의 전성기술을 이루게 된 것이다.
여기에서 아날로그와 디지털(digital)의 차이에 대해서 살펴보기로 하자.
이 둘을 가장 잘 나타내는 것에는 시계를 예로 들 수 있다. 긴 바늘, 짧은 바늘, 초 바늘이 있는 시계에서는 각 바늘의 위치가 시각을 나타내는데 이를 아날로그식이라고 하며 1초 또는 1분 마다 숫자를 달리 나타내는 것이 디지털이다. 디지털이라는 단어는 원래 손가락과 발가락을 뜻하므로 하나, 둘, 셋…하고 손가락을 구부려 숫자를 세듯, 어느 순간의 시각에 숫자가 변해 가는 시계를 디지털 시계라고 부르는 것이다. 바늘이 있는 시계는 바늘이 계속 돌아가고 있기 때문에 시간이 연속하여 변해가므로 이와 같은 시계를 아날로그 시계라고 한다. 아날로그로 된 데이터(data)를 다른 곳으로 보낸다거나 또는 오래 보존할 때에는 주의가 필요하다. 내용이 변하거나 잃어버리게 되면 큰일이기 때문이다. 종이에 기록된 데이터를 전송, 복사하거나 잘 접어 보존하는 과정에서도 아날로그 데이터는 여러가지 외적 영향을 직접 받게 되어 정확한 정보를 잃어버릴 염려가 있다.
이에 반해 디지털화된 데이터의 경우는 종이가 다소 더러워지던가, 숫자가 흐려져 있더라도 숫자를 잘못 읽어버릴 염려가 없다.

1) 데이터를 수치화(2진수) 한 디지털

정보를 전기통신 시스템을 이용하여 전송하던지 녹음 또는 녹화하는 경우, 가장 큰 과제는 어떻게 하면 정보를 틀림없이 정확히 보존할 수 있겠는가이다. 이에 대한 해답은 아날로그 신호를 디지털화하여 전송, 축적했다가 필요에 따라 원래의 아날로그 신호로 되돌리는 기술인데 최근의 컴퓨터 기술의 급격한 진보로 디지털 기술이 우리 주위에서 널리 이용되기에 이르렀다. 아날로그 신호를 디지털화 한다는 것은 데이터를 수치화 한다는 것인데 전기통신에서 이용되는 수치는 우리가 사용하는 10진수가 아니라 2진수이다. 10진수란 0에서 9까지의 10개의 숫자를 조합하여 수치를 표현하는 것이고, 2진수란 0과 1의 두 종류의 숫자를 조합하여 나타내는 것이다. 따라서 10진수에서는 10배가 될 때마다 자리수가 한 자리씩 올라가지만 2진수는 2배가 될 때마다 자리수가 한 자리씩 올라간다. 2진수의 0과 1은 전기회로에서 전류가 안 흐르거나 흐름의 두 가지 상태를 나타내는데 컴퓨터 내에서의 정보의 처리는 모두 이러한 0과 1의 조작에 의해 진행된다. 음성을 전달하는 전기신호는 시시각각으로 움직이고 있는 아날로그 양이므로 이것을 디지털화 하여 보내기 위해서는 연속적으로 변화하는 신호의 어느 한 순간의 진폭치를 2진수로 나타내어 차례차례 전송로로 내보내게 된다. 수신측에서는 보내져 온 데이터에 상당하는 진폭의 펄스 신호를 만들어 내고 이것에 기초하여 연속적인 신호를 재현한다.
여기서 아날로그 신호 파형을 일정한 시간 간격으로 그 순간의 진폭치를 잡아내는 것을 표본화(sampling)라고 한다. 전화신호의 경우, 최고 주파수를 4,000㎐로 본다면 이것의 2배에 해당하는 8,000㎐가 표본화 주파수이다. 따라서 전화의 아날로그 신호를 디지털화하기 위해서는 표본을 취해 그 진폭치를 2진수의 부호로 변화하여 내보내는 과정을 8,000분의 1초마다 반복하게 된다.

2) 비트(bit)로 좌우되는 정보량

정보통신이란 정보를 운반한다던지 처리하는 기술을 말한다. 정보가 무엇인가에 대해 확연히 정의내리기는 어렵지만 알지 못하는 것에 관하여 알려주는 통보(message)라고 생각하면 쉬울 것이다. 신문이나 텔레비젼이 전해주는 뉴스가 바로 정보이듯이. 우리가 보통 빅 뉴스(big news)라고 할때 빅(big)은 뉴스라는 정보의 양이 크다는 것을 나타내는 것으로 신문의 경우에는 대개 큰 활자체로 인쇄된다. 뉴스 혹은 정보의 크기는 그 뉴스의 대상이 되는 사상(event)이 발생하는 빈도 즉 발생할 확률과 관계가 있는데 발생할 확률이 작을수록 정보량은 크게 되는 것이다.
정보량이라는 것은 두 가지 중에서 하나를 택하는 양자 택일을 행할 때마다 1단위씩 늘어난다. 바꿔 말하면 1단위 정보를 얻는데 따라 대상으로 삼는 사상(event)의 범위를 2분의 1씩 좁혀 들어 갈 수 있다는 것을 뜻한다. 이런 2진수의 세계에서는 정보량 1단위=2진수의 한 자리가 되며 2진수(binary digit)를 뜻하는 bit는 정보량 단위의 명칭으로 쓰인다. 따라서 정보량=정보의 크기=2진수의 자리수와 같다. 예를 들어, 2진수의 자리수가 00, 01, 10, 11과 같이 2자리씩인 것의 정보량은 2비트이다.
예, 아니오만으로 무엇인가를 알아 맞추는 게임을 생각해 보기로 한다. 예를 들어, 상자 속의 물건을 알아 맞추는 게임에서 사회자는 무엇이 들어 있는가를 알고 있지만 알아맞힐 사람은 전혀 정보를 가지고 있지 못한 경우이다. 알아맞힐 사람은 사회자에게 질문을 함으로써 물건에 관한 정보를 얻게 되는데 이때 사회자가 알아맞힐 사람에게 줄 수 있는 최소한의 정보란 예 또는 아니오의 두 가지 중의 어느 하나를 올바르게 대답할 수 있을 뿐이다. 여기서 거짓으로 대답하면 안되며 거짓 대답은 마이너스의 정보를 주게 된다. 이렇게 할 때 한번의 예 또는 아니오로서 얻을 수 있는 정보량이 1단위의 정보량인 것이다. 이 게임에서 운좋게 몇 번 안되는 질문으로 상자 속의 물건을 알아맞힐 수도 있을 것이고 어쩌면 많은 질문을 한 후에야, 비로서 알아맞힐 수도 있을 것이다. 이러한 게임을 여러 사람을 상대로 했을 경우, 알아맞히는데 필요한 평균 질문의 수를 평균 정보량이라고 부르며 이것을 달리 엔트로피(entropy)라고도 부른다. 정보량은 정보통신 시스템의 품질 또는 성능을 나타내는데 중요한 역할을 한다. 전기통신의 전송로는 정보를 전기 신호에 실어 운반하는 운반 시스템이므로 그 성능은 1초간에 어느 만큼의 정보량을 운반할 수 있는가로 나타낼 수 있다. 이것을 전송로의 통신로 용량이라고 부른다.
신호를 전송하는 매체에는 유선과 무선이 있는데 전파를 이용하여 전기신호를 통신하려면 우선 일정한 주파수로 발진하는 정현파의 반송파(carrier)를 마련해야 한다. 반송파란 글자 그대로 신호를 실어 나르는 파(wave)인데 신호를 반송파에 싣기 위해서는 반송파의 진폭이나 주파수 혹은 위상을 신호의 파형에 따라서 변화시킬 필요가 있다. 이것이 변조(modulation)로서 변화되는 요소에 따라 진폭변조, 주파수 변조, 위상 변조라고 부른다. AM, FM, PM이라고도 표현하는 3가지 변조방식은 각각 특징이 있고 그에따른 적합한 분야에서 이용되고 있는데 방송을 포함하는 디지털 무선통신에서는 PM 또는 AM을 조합한 변조방식이 널리 이용된다. 디지털 신호에 의한 PM 변조의 기본은 위상이 180° 서로 다른 2종류의 반송파를 각각 신호의 0 또는 1에 대응시키는 2상 PM이다. 실제로는 하나의 반송파의 위상은 0°로부터 180°로 180°로부터 0°로 쉬프트시키는 방법을 이용하므로 2상 PSK(Phase Shift Keying)방식이라고 불린다. 신호를 2비트씩 조합하면 00, 01, 10, 11의 4가지가 있는데 이것을 나타내려면 반송파의 위상이 4가지 필요하며 이것을 벡터로 나타내면 0°, 90°, 180°, 270°로 나타낼 수가 있다. 이것이 4상 PSK 또는 QPSK(Quadrature PSK : 직교 PSK)라고 불리는 4차 변조방식인데 디지털 이동통신이나 위성을 사용하는 디지털 방송 등에서 널리 이용되고 있다. 이러한 변조기술은 전화선으로 컴퓨터간의 데이터 통신을 하는 경우에도 이용된다. 컴퓨터로부터의 신호로 반송파를 변조하여 전화회선으로 내보내고 수신측에서는 복조기(modulator)와 변조기(demodulator)를 조합한 것이 MODEM(모뎀)이다.
무선통신에서 신호가 디지털화된 시스템이 바로 디지털 휴대전화이다.

 

이동통신 용어

 

1.       FDMA

Frequency Division Multiple Access의 약어.
제한된 주파수 대역을 여러 사람이 이용하기 위해 할당된 주파수를 여러 개의 채널로 분할하는 주파수분할 다중접속 방식.
예컨대 열 개의 채널이 할당된 지역에서 이동전화를 이용할 경우, 열 개 이상의 통화가 시도되면 열한번째부터는 통화가 불가능해진다. 최근 등장한 디지털 방식(TDMA, CDMA)의 이동전화는 바로 이 같은 한계를 극복하기 위해 고안된 통신기술이다.

2. TDMA

Time Division Multiple Access의 약어.
이동전화에 할당된 주파수를 여러 개의 채널로 분할해, 이론상 많게는 4∼5명의 동시 통화가 가능한 시간분할 다중접속방식.
그 비결은 하나의 채널(회선)을 시간 단위로 아주 잘게 쪼개는 디지털 기술에 있다. 그것은 일반 통화자들이 전혀 느낄 수 없을 만큼 잘게 쪼갠 시간에 여러 명의 음성신호를 나눠 실어서 동시에 여러 통화가 가능하도록 한 것이다. 유럽과 남미, 동남아, 일본 등이 TDMA 방식을 주로 사용하고 있다.

3. CDMA

Code Division Multiple Access의 약어.
할당된 주파수 대역을 통째로 채널 하나로 활용하는 코드분할 다중접속 방식.
이 기술은 통화자 각각의 음성신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 신호에 통화자의 신분을 알 수 있는 암호(코드)를 부착하여 보내는 방식이다. 같은 주파수를 여러 명이 동시에 사용하느라 혼선이 발생해도 다른 사람의 것은 잡음으로 처리해 통화가 가능하도록 한다. 주파수 기술과 디지털 기술, 암호 기술이 복합된 CDMA 방식을 이용할 경우 이론상으로는 아날로그 방식(FDMA)보다 20배 이상의 통화량을 소화해 낼 수 있다고 한다. 우리나라는 CDMA 방식을 단일 표준으로 정하였으며 미국은 점차 CDMA로 전환 중이다.

4. IMT-2000

International Mobil Telecommunication for the 2000의 약어.
현재 각 국가에서 개별적으로 운영하고 있는 다양한 이동전화 시스템의 규격을 통일해 세계 어느 곳에서나 동일한 단말기로 이용할 수 있게 한 이동통신 서비스.
처음에는 플림스(FPLMTS)라고 불렸다. 새로운 무선접속 기술인 W-CDMA를 이용해서 하나의 단말기를 통해 여러 가지 서비스와 접속할 수 있다. 예컨대 인터넷의 그래픽 접속, 멀티미디어 메일 교환, 대량의 데이터 파일 전송 등을 동시에 하면서 비디오 화상회의도 진행할 수 있다. 범세계적인 로밍 서비스와 무선 비디오 서비스도 가능하다. 이같이 IMT-2000은 다양한 영상, 신호 등을 무선으로 전송할 수 있는 무선 멀티미디어 통신기술로서, 디지털 셀룰러폰에서 PCS를 거쳐 도달하게 될 지상계 이동전화 시스템의 결정판, 이른바 꿈의 통신이다. 국제전기통신연합(ITU)의 주도로 추진되고 있으며, 99년 말까지 표준을 제정하여 2000년대 초 서비스를 개시할 계획이다.

5. 별정통신

기간통신 사업자(전국을 대상으로 서비스를 제공하는 기존 전화업자)에게 회선을 빌려 전화사업을 하는 새로운 통신사업.
한마디로 도매와 소매로 나뉘는 통신시장에서 수익성이 높은 지역에서만 서비스를 제공하는 통신 소매사업이다. 사업자는 적은 자본으로 서비스를 제공하고, 이용자는 절차는 복잡하지만 적은 비용으로 전화를 쓸 수 있다. 올해부터 등장할 별정통신으로는 인터넷폰(세계를 연결하는 인터넷을 통해 음성통화를 하는 전화 서비스), 국제콜백(국가간 국제전화 요금 차이를 이용한 것으로, 요금이 비싼 나라의 이용자가 싼 나라의 국제콜백 사업자에게 전화를 걸고 내려놓으면 사업자쪽에서 다시 전화를 걸어 발신자가 원하는 상대와 통화할 수 있게 하는 서비스), 무선재판매(이동전화 사업자로부터 대량의 통화시간을 싼 값에 구입해 일반 이용자에게 되파는 사업), 구내통신(시내전화 사업자로부터 회선을 싸게 빌려서 업무용 빌딩이나 오피스텔 입주자의 입맛에 맞는 인터넷, 영상회의 등 다양한 서비스를 제공하는 사업) 등이 있다.

6. TRS

현 무전기에 이동전화 기술을 접목한 첨단 무선통신 서비스.
현재 택시에서 이용하는 무전망이나 군·경찰에서 쓰는 자체 통신망을 연상하면 된다. 휴대전화에 비해 이용료가 싸고, 대형 안테나를 통해 여러 개의 전파 채널을 모아 공동으로 사용하기 때문에 통화 단절이 거의 없다. 차량위치 추적 서비스는 TRS의 대표적인 서비스. 차량의 현재 위치와 차량의 상태 등을 관제 PC 모니터의 전자지도에 일괄적으로 표시, 물류와 배차의 효율성을 극대화한다.

7. 무선데이터통신

이동 중인 차 안이나 업무 현장에서 노트북PC 등 휴대용 단말기에 무선 모뎀을 장착해 쌍방향으로 데이터를 주고받을 수 있는 통신 서비스.
전화선에 연결하지 않고도 PC로 정보를 주고받거나 PC통신과 인터넷을 이용할 수 있으므로 원하는 정보를 빠르고 정확하게 전달함으로써 이동 중에도 업무를 해결할 수 있다는 장점이 있다. 이른바 움직이는 사무실(모빌 오피스)의 실현이 가능해져 업무 효율과 기업 경쟁력을 높일 수 있다.

8. GSM

Global System for Mobil Communications의 약어.
유럽의 대표적인 디지털 개인이동통신.
아날로그에서 디지털 방식으로의 기술 혁신을 이루고 부가 서비스가 다양한 데다 유럽뿐 아니라 전세계에서 이용할 수 있어 점점 시장 규모가 커지고 있다.

9. PHS

Personal Handyphone System의 약어.
국내에서 서비스 중인 보행자 전용 휴대전화인 시티폰과 유사한 일본의 개인이동통신.
TDMA 기술을 채택하고 1.9㎓대의 주파수를 사용하고 있다. NTT(일본전신전화)의 종합디지털통신망(ISDN)에 기지국을 접속하는 형태이므로 독자적인 망 없이 공중전화박스 위에 무선 안테나를 세우는 정도로 기지국을 설치할 수 있다. 가장 가까운 기지국의 전파를 한 사람이 사용하는 1인 1전파이므로 음질이 선명하고 디지털 정보 전달속도도 일반 휴대전화의 3배 정도 빠르다.

10. GMPCS

Global Mobil Personal Communication by Satelite의 약어.
개인휴대통신을 세계화하여 지구촌 어디서나 휴대전화로 음성과 자료를 주고받을 수 있게 해주는 범세계 위성이동통신.
지구 상공 700∼1만㎞ 지점에 떠 있는 수십 개의 통신위성을 하나의 무선 통신망으로 연결하여 통신 서비스를 제공한다. 1994년 세계통신기구(ITU)에서 처음 제안되었으며, 1998년 9월 서비스가 개시될 예정이다. 정보통신업체들은 현재 기술표준과 접속 방안 등을 마련한 상태이며, 운용위성·예비위성 등 위성체의 설계와 제작에서 업체간 기술협력이 이루어지고 있다.

11. 초고속정보통신

21세기 고도 정보화 사회의 주축이 되는 통신.
현재 개별적으로 운용되고 있는 CATV, PC통신, 이동통신 등을 하나의 회선으로 통합하여 광케이블을 통해 음성이나 문자, 영상 등 여러 형태의 정보와 서비스를 모든 지역에서 시간의 제약 없이 빠르게 주고받을 수 있게 한 정보통신 시스템.
모든 정보를 지금의 전화망보다 최소한 700배 이상 빠르게 교환할 수 있으며, 아주 많은 양의 정보도 불과 몇 초 만에 전달할 수 있다. 그밖에 원격 교육 서비스, 원격 의료 서비스, 원격 홈쇼핑 서비스도 제공받을 수 있다. 사회 각 부분의 정보화를 촉진하고 고부가가치 시장과 고용을 창출해 근본적인 산업구조 조정과 생산성 향상의 효과가 기대된다.

 

이동통신 주요 용어

 

1.       교환기
가입자(이용자) 회선이나 중계선을 이용하여 가입자 상호간의 정보를 교환하는 통신기기입니다. 교환기는 역할에 따라 다음과 같이 분류되며 환경에 따라 시내교환과 중계교환을 수행하는 교환기도 있습니다.

- 시내 교환기(Local Exchange) : 동일 가입구역(전화국 영역)내에서 임의의 가입자간에 상호 접속을 해주기 위한 교환기입니다.
- 중계 교환기(Tandem/Toll Exchange) : 여러 시내 교환기에서 시도된 호를 다른 구역의 교환기로 중계하여 주는 교환기로서 시내 중계는 시내 중계 교환기(Tandem Exchange), 시외로 중계하는 경우에는 시외 중계 교환기(Toll Exchange)라 합니다.
- 사설 교환기(Private Branch Exchange) : 회사, 호텔, 공장 등 집단 가입자에게 내선 통화 및 국선 통화를 제공하는 교환기를 말합니다.

2. 전파/전자기파/전자파
전파란 전자기파 혹은 전자파라고도 하며 전자기파 중 3000GHz 보다 낮은 주파수의 전자기파를 말합니다. 전파의 성질은 빛과 같아 직진성, 반사성, 굴절성, 간섭성, 회절성 등의 성질을 가지고 있습니다.

3. 주파수
주파수란 1초 동안에 상하로 진동하는 횟수를 말하며 단위로는 헤르쯔(Hz)를 사용합니다.

4. 주파수 대역/대역폭
주파수 대역이란 차선으로 말할 경우 1차선이냐, 2차선이냐는 것을 의미하고 대역폭이란 차선의 폭(너비)를 의미합니다. 국내의 PCS에서 사용하는 주파수 대역은 1800MHz 대역이며 각 PCS 회사에 할당된 대역폭은 10MHz씩입니다.

5. 셀(Cell)
특정 이동전화 기지국이 가장 양호하게 이동전화의 호(Call)을 처리할 수 있는 구역을 의미합니다. 일본에서는 존(Zone)이라고도 합니다.

6. 무선다중접속
하나의 주파수 대역에 동시에 여러 사람이 통화할 수 있도록 하기 위한 기지국과 단말기간의 무선접속방식을 의미하며 FDMA, TDMA, CDMA 등이 있습니다.

- 주파수 분할 다중접속(FDMA) : 주어진 주파수를 각 사용자가 서로 다른 신호간의 간섭을 방지할 수 있을 정도의 주파수 대역으로 나누어 동일한 주파수 대역의 신호는 통과시키고 그외 주파수 신호는 제거하는 방식입니다.
- 시분할 다중접속(TDMA) : 동일한 주파수 대역을 여러 사용자가 거의 동시에 공동 사용하는 것으로 하나의 주파수 대역을 주기적인 일정한 시간간격(Time Slot)으로 나누어서 각 사용자가 차례차례로 자신에게 할당된 시간 간격에 자신의 신호를 실어 보내면 각 수신측에서는 자기의 시간 간격에 있는 정보만을 골라 수집하는 방식입니다.
- 코드분할 다중접속(CDMA) : 동일한 주파수 대역을 여러 사용자가 동시에 공동 사용하는 것은 TDMA와 같으나 하나의 주파수 대역을 주기적인 일정한 시간간격(Time Slot)으로 나누는 것이 아니라 각각의 데이터에 고유의 코드를 붙여 정보를 전송하고 수신측에서는 자기 코드가 붙은 데이터만을 해독하여 정보를 받는 방식을 말합니다.

 

전파의 세계

 

우리가 일반적으로 이야기하는 전파는 전자기파의 협의적인 의미이며 국제전기통신연합(International Telecommunication Union, ITU)의 정의에 의하면 전파는 3,000㎓ 이하의 전자기파를 의미한다. 전자기파는 전파와 더불어 그 파장에 따라 감마선, Χ선, 자외선, 가시광선, 적외선, 마이크로웨이브 등으로 구성되어 있다.
현재 미래통신으로 부각되고 있는 초고속통신 부문의 무선분야에 중요한 유한자원으로 인식되고 있는 전파는 고부가가치 산업을 위한 중요한 무형자산이다. 이러한 전파는 우리가 익히 알고 있는 바와 같이 이미 PCS, 위성통신을 이용한 국제전화, 위성방송, 무선이동호출기 등 우리 생활에 없어서는 안될 필수적인 문화요소로 자리잡고 있으며 전세계를 하나의 공동생활권으로 묶는 전달 매체이기도 하다.

1. 전파의 역사

영국 스코틀랜드 수학자인 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)은 1864년 하나의 논문을 발표하면서 전기장과 자기장으로 구성된 파동이 공기중에서 하나의 장소로부터 다른 장소로 이동할 수 있다라는 사실을 주장하였다. 그러나 이미 전자기파가 존재한다는 것을 예언한 사람이 있었으며 그 사람은 전자기학 연구에 지대한 공헌을 한 페러데이(Michael Faraday)였다. 그러나 실질적인 맥스웰의 전자기파 복사원리를 1887년 실험적으로 증명한 사람은 독일 과학자 헤르쯔(Heinrich Hertz, 1857-1894)였고, 이러한 전자기파를 이용하여 1895년에 마르코니(Gugliomo Marconi, 1874-1937)가 모르스 부호에 따라 전류가 흘렀다 끊어졌다 하는 현상을 이용하여 기본적인 전파통신을 성공시켰다. 이후 전파를 이용한 통신은 2차 세계대전 및 유명한 타이타닉호의 침몰사건과 같은 해난사고 구조에 지대한 공헌을 했다.
전파가 발견된지 100년이 넘었지만 전파이용의 급격한 발전은 50년이 채 되지 않는다. 진공관 발명에 힘입어 방송의 일대 혁신을 일으킨 1920년대 최초의 라디오 방송과 벨이 발명한 유선전화, 모르스 부호를 이용한 무선전신의 통신은 1957년 소련의 스프트닉(Sputnik) 위성의 발사 이전까지는 그다지 활발한 발전을 전개하지 못했다. 그러나 1960년대 말, 전쟁 중에 개발된 전파 장비의 이용과 아폴로 12호의 달 착륙, 트랜지스터의 개발 등, 본격적인 위성시대를 맞이하면서 전파이용은 급격히 증가하였다. 또한 아날로그 시대에서 디지털 시대로 접어든 1990년대 초부터는 이동무선호출기 및 PCS와 같은 무선이동 통신기기의 개발로 지수적인 증가를 나타내어 전파는 생활 속에 없어서는 안될 중요한 요소가 되었다. 이러한 발전 추세로 볼 때, IMT-2000(International mobile Telecommunication)이라는 미래 이동통신 개발이 상용화되는 21세기부터는 전파 활용이 극대화될 것이다.

2. 전자기파와 전파

전자기파는 전기장이 바뀌면서 퍼져가는 전기력파(E)와 자기장이 바뀌면서 진행하는 자기력파(B)가 서로 직각 방향으로 발생하면서 다시 두 파의 수직인 방향(c)으로 만들어 내는 파이다. 보통 전자기파와 종파 등 편파를 말하지만 위성전파와 같은 전자기파는 원 편파로 구성되어 있으며 원 편파는 오른쪽 원 편파와 왼쪽 원 편파로 구분된다. 전자기파에 대한 초기 이해는 파동으로서의 이해가 강했다. 전자기파가 처음 발견되었을 때, 과학자들은 진공 속에 에테르라는 물질이 가득 차있어 그 물질을 통해 전자기파가 전달된다고 믿었었다. 일반적인 파동의 성질상 임의지점에서 다른 임의의 지점으로 파가 전달될 때는 물분자나 공기분자 등 매질의 진동에 의해 전달된다. 그러나 과학자들은 매질이 없는 진공상태(또는 공기가 희박한 자유공간 상)에서의 전자기파 전달에 대해서 의문점을 갖게 되었고 맥스웰은 수식으로 전자기파의 자유공간 전달을 예언했다.
빛은 일반적으로 이중성을 가지고 있다고 물리학자들은 말한다. 빛도 전자기파의 일부분이므로 전자기파 역시 양자적인 효과와 파동적인 효과를 동시에 가진 이중성을 가진다. 이중성 문제에 대해 맥스웰이 정의한 전자기파 방정식은 파동의 성질을 잘 설명할뿐 아니라 광학적인 양자적 성질도 모두 포함한다. 양자적인 효과의 대표성으로는 직진성이며 파동적인 효과로는 회절성을 가진다. 이러한 이중성은 전파에도 해당되며 직진성과 회절성의 양면적인 성격을 모두 가진다. 회절성을 통해 전파의 파동적 성질을 알아볼 수 있다. 전파가 만약 직진성만 존재한다면 건물이나 어떤 장애물의 뒤에서는 통신이 불가능하게 될 것이다. 그러나 전파의 회절 현상 때문에 마치 앞에 가로막힌 물체가 없는 듯이 통신이 가능하다. 그러나 반대로 직접 파가 들어온다면 회절에 의한 간섭 때문에 혼신이 일어날 수도 있다.
전자기파의 파장은 사실상 상한과 하한이 없다. 왜냐하면 맥스웰의 무지개라고 표현된 눈금의 양 끝단이 열린 채로 있기 때문에 인간이 계산해 낼 수 있는 수식의 한계밖에는 알 수 없는 것이 사실이다. 굳이 상한과 하한을 구분한다면 알려진 주파수로의 전자기파는 1024㎐-1㎐까지를, 전파는 1012㎐-1㎐까지를 말하며 이러한 재원은 한정된 자원이기도 하다. 국제 통신연합의 전파규칙(Radio Regulation) 규약에 있는 전파는 11개 영역의 전파 스펙트럼으로 구분할 수 있다. 이것은 마치 우리가 빛을 스펙트럼을 통해 보았을 때 무지개처럼 7개의 색으로 구분되는 것과 같다.

3. 전파와 통신

일명 초고속 통신망의 대명사인 광통신과 전파통신은 최근 5년 동안 무선호출기나 PCS의 보급에 힘입어 그 수요가 무서운 속도로 증가하고 있다. 전파를 이용한 통신기술의 발달은 아날로그 통신에서 디지털 통신으로 전환되면서 사용기기들의 소형화 및 경제성이 함께 부합되어 발생하는 일련의 문화혁명이기도 하다. 이러한 전파와 통신의 불가분의 관계는 과거에는 필요조건이었지만 미래에는 필요 충분조건이 될 것이다.
전파통신에 있어서 전파는 상호 정보전달 매체이지만 전파를 탐사의 목적으로 활용하거나 관측 또는 직접적인 도구로도 활용할 수 있다. 일례로 레이더의 경우 레이더의 성능 결정은 인간의 시력과 비교되는 것으로 전파를 이용한 검출능력과 측정능력이 있다. 레이더의 탐지능력과 분해능력은 전파의 복사가 어느 정도 진행하고 어느 정도 산란되어 어떤 정보를 가지고 되돌아오느냐 하는 것으로 결정된다. 전파 관측의 경우는 더욱 다르다. 전파를 이용한 천체의 관측은 별의 형성 과정과 진화 과정을 알 수 있는 정보원이기도 하다. 이상과 같이 전파는 전파통신 및 방송으로서의 활용뿐 아니라 다양한 도구로도 활용되고 있다.

4. 전파 응용 기기들

전파를 이용한 다양한 기기는 라디오나 TV 그리고 전화기(무선) 등이며 이것은 이미 문화생활의 기본이 되었다. 라디오나 TV는 1920년 이후부터 꾸준히 발전하여 전파를 이용한 대중화 방송의 도구이기도 하다. 또한 보편적 흐름에 끼어 든 무선호출기나 개인휴대전화기 등도 개인문화주의의 성숙을 부추기고 있다. 위성통신과 위성방송도 항공 우주산업과 밀접한 관계를 가지고 있어 미래 우주통신 산업 및 방송산업에 기본이 될 것이며 이밖에도 생활 속에 사용되는 마이크로 오븐이라 불리는 전자레인지나 위성 자동항법장치인 GPS(Global Positioning System), 속도 무인자동측정 장치, 무선 LAN 등 전파를 이용한 기술과 기기는 다양하다. 이렇게 다양한 전파를 이용한 응용기기는 단순히 전파만을 이용하는 것이 아니라 전파의 성질과 특성에 따라 용도에 맞게 활용되고 있다. 긴급 통신으로 활용되는 HF대 전파 통신은 원거리 통신이 가능하므로 전리층 상태만 양호하다면 재난 발생시, 소형 장비를 이용하여 위급한 정보를 교환할 수 있다. 아직도 군 통신이나 주요 긴급 통신은 HF 통신을 활용하는 실정이나 통신장비의 소형화와 기술개발로 점차 긴급 통신의 하나인 재난통신 및 방제통신은 위성통신으로 전환되고 있다.
우리는 종종 지하철이나 차량을 타고 터널을 지날 때, 방송이 종종 끊어지며, HF대 통신과 다르게 VHF대나 마이크로파대 주파수를 이용하여 원거리 통신을 운용할 때는 직접파의 도달거리 한계로 전파가 도달되지 않아 불편함을 느낀다. 또한 휴대폰을 가지고 있는 사람의 경우, 지하실이나 건물 내부 그리고 도심에서 떨어진 산간 벽지에서는 통화불능 현상을 느낄 것이다. 이러한 전파의 제한적 현상을 효과적으로 제거하기 위해 주파수에 따라 주파수 및 전파의 성질에 따라 V/UHF, 마이크로파 중계기나 PCS 중계기, 중계 안테나, RF 누설케이블 등을 효과적으로 설치함으로써 위의 문제를 효과적으로 보완한다.
전파에너지를 이용한 사례로는 생활가전 제품으로 응용된 전자레인지를 들 수 있다. 2.45㎓의 고주파 전파를 이용한 전자레인지는 마이크로파의 유전 가열이라는 원리를 활용하여 손쉽게 음식을 데우거나 익혀 먹을 수 있다. 이 원리는 마이크로파 기술자들이 발견한 사실로 레이더 전파에 손을 쬐면 손이 더워진다는 아이디어로부터 개발되었다. 전자레인지는 물체 내부에 몇 분 동안 전파를 쏘이면 전파는 물체에 포함된 수분을 진동시키고 그 결과, 물분자의 진동에 의해 물체는 높은 온도로 가열되는 것이다. 군사적인 측면의 전파의 활용으로 현대의 전쟁은 전자전(전자기술 전쟁) 또는 전파전이라 불린다. 이러한 용어를 사용하게 된 배경은 역시, 전파를 이용한 기기들의 발달로부터 시작된다. 안테나를 이용한 레이더 시스템은 군 장비의 첨단화를 주도한 장비이며, 최근에는 자동항법장치를 이용한 관성유도 기술로 원거리의 목표물에 수 미터 이내의 정밀도를 자랑한다. 이런 레이더 기술은 전파의 도플러효과를 이용한 장비로 실생활에선 자동차 속도 위반 단속에 쓰이는 스피드건(Speed gun)으로도 활용되고 있다.
해상이동 업무와 항공이동 업무에는 전파통신이 없다면 눈뜬 장님이나 마찬가지일 것이다. 우리는 가끔 배가 충돌한다는 소식을 접할 수 있다. 이미 오래 전부터 하늘과 바다에는 보이지 않는 도로를 만들어 전파를 이용, 효율적인 운용이 가능하게 하였다. 그러나 정확도에 문제가 되어 앞서 말한 GPS를 이용한 자동항법장치가 개발되면서 보다 원활한 항공 및 해상 이동이 이루어졌고 이런 문제를 미연에 방지할 수 있게 되었다. 연구적인 목적으로 전파를 사용한다면 지구 내부의 물질구조와 땅 속 바로 밑의 지표면 상태를 파악하는데 큰 도움을 줄 수 있다. 위성에서의 전파를 이용한 원격탐사는 해면의 온도, 염분의 농도 등과 같은 바다의 생태와 지표의 온도, 토양의 함수율, 적설 지표 정보까지도 쉽게 알아볼 수 있다. 기상연구의 경우는 전파로 구름의 강수량 분포 측정과 대기의 온도 측정도 하고 있으며 최근에는 기상레이더를 이용한 집중호우 예측도 가능하게 되었다.
이밖에 전파는 우주개발에도 많은 공헌을 하였으며 주요 통신수단으로도 이용되었다. 즉, 태양계 탐사를 위해 제작된 모든 행성 탐사위성들은 수년 동안 비행하여 목성과 토성과 같은 행성을 탐사하고 그 정보는 전파를 이용하여 지구로 송신하고 있다. 뿐만 아니라 지상과 위성, 지구 근접 우주환경에 많은 영향을 미치는 태양의 활동과 자기폭풍, 전리층 폭풍도 전파를 이용하여 미리 관측 또는 예측할 수 있다. 전파천문학 분야로는 수 백 ㎓ 대역의 전파를 이용, 우주의 기원도 탐사한다. 이와 같이 전파활용 범위는 실생활과 연구에 깊이 뿌리내리고 있으며 전파를 이용한 기기 또한 헤아릴 수 없이 많다.

5. 미래의 전파세계

전파통신 발달의 특징은 유선통신의 발달에 비해 보다 개인화를 가속시켰고 개인화 속에서도 세계화가 가능하게 하였다. 이동통신의 실현은 언제, 어디서나, 누구에게라는 구호가 말해주듯 세계 어느 곳에서도 자기 고유의 정보매체를 통해 원하는 사람에게, 원하는 사람으로부터 언제, 어느 때이건 정보 교환이 가능하게 한 것이다. 시대의 변천과 함께 증가하는 통신욕구도 다양해졌고, 그에 상응하는 기술도 함께 발달했다. 그러나 전파자원은 무한하지만은 않다. 따라서 보다 질 높은 통신을 위해서는 주파수 자원의 한계성을 극복해야 하며 전파 환경의 기초연구를 통해 그 피해를 최소화하고 고품질화 고용량화에 주력해야 할 것이다.
21세기 미래에는 우주시대로 도약하는 시대이므로 고부가가치 통신이 이루어져 보다 질 좋은 전파통신의 세계를 접하게 될 것으로 믿어진다. 향후 IMT-2000이나 다중매체(멀티미디어) 통신이 가능할 경우, 우리가 가지고 있던 통신의 개념은 보다 확대되어 손안에 세계의 모든 정보가 보여질 것으로 보인다.

 

소리의 원리

 

우리가 보통 듣게 되는 소리는 평형상태에서 역학적 요동이 탄성매질을 통해 전달된다고 한다. 발성, 발화로 사람들의 감각을 자극, 상대방까지 전해지는 소리의 경로를 통해 인체 과학적 커뮤니케이션의 세계는 어떻게 전개되며 통신기기와 소리 이동간의 유사성에 대해서도 살펴보도록 한다

우리는 질량의 전달 없이 에너지를 전달하는 현상을 파동이라고 부른다.
예를 들어, 볼링공을 굴려서 핀을 쓰러뜨리는 경우는 볼링공을 통해 에너지와 질량이 한꺼번에 전달되기 때문에 파동 현상이 아니지만 엄청나게 큰 소리를 질러 핀이 넘어갔다면 질량 전달 없이 공기 분자들의 충돌을 통해 에너지가 전달된 것이므로 파동 현상이라고 볼 수 있다. 폭탄이 폭발할 때 충격으로 파편이 튀지 않았는데도 유리창이 부서진다든지, 무협지에서 고수가 음공(音功)을 이용해 적에게 일격을 가하는 것 등이 파동 현상에 해당한다. 다시 이야기하자면 공기와 같은 매질 입자들의 배열을 어떤 에너지원이 변형시키고 이 변형이 매질 입자들의 상호 작용을 통해 한 입자에서 다른 입자로 전파되는 현상이 파동 현상이다.

파동에는 두 종류가 있다. 입자의 진동 방향과 파동의 진행 방향 사이의 관계에 따라 구분되는데 하나는 입자의 진동 방향이 파동이 전파되는 방향과 수직을 이루는 가로 파동이고 다른 하나는 입자의 진동 방향과 파동의 진행 방향이 같은 세로 파동이다. 기타 줄을 튕길 때 생기는 파동은 가로 파동, 용수철을 가볍게 길이 방향으로 눌렀을 때 생기는 파동이 세로 파동이다.
우리가 귀를 통해서 듣는 소리는 공기를 통해 전달되는 세로 파동이다. 물론 우리는 물 속에서도 소리를 들을 수 있고 인디언들이 땅에 귀를 대고 적의 말발굽 소리를 듣는 것으로 보아 액체나 고체에서도 소리가 전달된다는 것을 알고 있다. 소리는 보통 온도에서 공기 속을 1초에 345m가량의 속도로 달리는데 빛의 속력에 비하면 형편없는 굼벵이인 셈이지만 소리의 원천이 가까이 있으면 보는 즉시, 들을 수 있을 만큼은 된다.

사람들은 소리를 묘사할 때 흔히 세 가지 요소를 고려한다.
첫번째는 소리의 높낮이, 즉 고음과 저음의 구분이다. 소리의 높낮이는 1초 동안 몇 번의 진동을 하는가에 의해 결정되는데 진동수가 많으면 고음, 적으면 저음이다. 사람이 들을 수 있는 진동수의 범위는 1초에 20번에서 15,000번 진동하는 파동들이다.
두번째는 소리의 세기인데 소리의 크기는 단위면적 당, 공간을 지나가는 에너지의 크기와 관련해 비례한다.
마지막으로 고려할 것은 소리의 질, 즉 음색인데 진동수가 다른 소리들이 섞여 있을 때 진동수가 정수 배의 관계인 소리들의 결합은 음악소리처럼 편안히 들을 수 있지만 그렇지 않은 경우 듣기에 불편한 소음이 발생한다.

소리를 내는 원천은 우리 주변에 널려 있다. 천둥소리, 바람소리, 물소리, 새소리, 음악소리, 그리고 공사장의 기계들이 만들어내는 굉음에 이르기까지 다양하다. 이 중에서 우리의 관심을 끄는 것은 단연 사람의 목소리. 목젖의 떨림에서 시작하는 사람의 목소리는 사람과 사람 사이의 생각과 감정을 전달하는 수단으로 아주 중요한 역할을 한다. 목소리의 진동수는 목젖의 떨리는 정도에 의해 정해지고 입의 모양과 입안의 기체의 종류에 따라 목소리의 음색이 달라진다. 예를 들어, TV 오락프로에서 연예인들이 헬륨 가스를 들이마시고 이야기를 하면 우스꽝스러운 소리가 나는 경우를 종종 볼 수 있는데 이것은 입안에 찬 헬륨 가스에서 소리의 속력이 공기 중에서 보다 빨라 목젖의 떨림 진동수 중에서 높은 진동수가 강화되어 생기는 현상이다.

이와 같은 방식으로 발생한 목소리를 감지하는 기관이 머리 양 옆에 달린 귀이다. 목젖에서 발생한 진동이 공기를 타고 외이(外耳)에 도달하면 외이는 소리를 모으고 이 소리가 외청도(外廳道)를 통해서 고막을 진동시킨다. 이 막의 진동은 진폭을 늘리는 3개의 이소골(耳小骨)을 지나 중이(中耳)를 통과한다. 이소골 중 가장 안에 있는 등골의 진동은 난원창(卵圓窓)에 있는 막을 통해 달팽이관에 전달된다. 달팽이관에 가득 차 있는 림프액은 난원창의 진동을 전달받고 림프의 흔들림이 달팽이관 내부에 있는 감각모세포를 자극해 전기 충격을 만들어 대뇌로 신경전달이 이루어지는 것이다. 사람의 의사소통의 매개체가 모두 그렇듯 목소리도 사물이나 생각을 지시하는, 약속에 의한 기호의 일종이다. 한 사람이 만들어 낸 기호를 다른 사람이 감지하고 해석하면서 상호 의사소통이 이루어진다. 언어와 같은 복잡한 약속 체계가 발생하기 전부터 간단한 소리를 통한 의사소통이 널리 쓰였다는 증거가 여럿 있다. 확실히 소리는 효율적인 의사소통의 매개체 역할을 해 왔다. 물론, 문제는 있는데 소리는 쉽게 사라질 뿐만 아니라 전달되는 거리도 그리 길지 않다는 것이다. 그런데 이러한 제약들도 눈부신 기술의 발달에 힘입어 점차 사라지고 있다.

연기처럼 사라지는 소리를 기록하는 기술은 1877년 샤를 크로(Charles Cros)와 토마스 에디슨에 의해 경쟁적으로 개발되었다. 녹음 기술의 개발로 가장 큰 덕을 본 분야는 음악인데 녹음을 통해 가수나 연주자들이 자신들의 노래나 연주를 나중에 다시 들을 수 있게 되었고 자신들의 스타일이 달라지는 것을 자각하게 해 주었다. 무엇보다 큰 변화는 음악을 집에서 즐길 수 있게 되었다는 것과 즉흥적인 연주를 강조하는 재즈같은 장르의 형성이 가능해졌다는 것이다. 소리가 시간의 제약에서 벗어난 것이다.

소리를 거리의 굴레에서 풀어준 기초적인 기술은 증폭이다. 집에서도 손쉽게 소리의 증폭을 구현해 볼 수 있다. 진동하는 소리굽쇠의 소리는 그리 크지 않지만 두꺼운 종이에 구멍을 내고 구멍 가까이 소리굽쇠를 가져가면 소리가 아주 커진다. 이 경우, 두꺼운 종이가 공기의 흐름을 차단해서 에너지의 손실을 막아 큰 소리를 내도록 도와준다. 에너지 손실을 막는 소극적인 방법을 넘어 소리의 특성을 잡아내 전기적인 증폭과정을 통해 강하게 만들어 주는 기술이 1920년대에 개발되었다. 소리를 크게 만드는 것이 어느 정도 거리의 제약을 완화시키지만 그 거리는 기껏해야 수 Km를 넘지 못한다.

거리로부터 궁극적인 해방은 운반파동에 소리파동을 싣는 방식이 개발되고서야 이루어졌다. 예를 들어, 라디오 통신을 통해 소리가 넓은 공간을 가로지르도록 만드는 것은 소리파동을 운반파동에 싣는 변조라는 방법을 이용한다. 운반파동은 AM의 경우 진동수가 100,000∼1,000,000정도, FM은 100,000,000정도로 아주 크다. 여기에 소리파동을 실어 방송하면 라디오의 수신안테나는 이 파동을 감지하여 전류파동을 만들고 이 파동에서 운반파동을 제거하여 스피커로 신호를 보내 소리를 재생한다. 원리적으로는 소리를 멀리 실어 나르는 대부분의 기술은 위의 기본 원리에서 크게 벗어나지 않는다.

이제 시·공간을 뛰어 넘을 수 있는 소리는 사람의 목소리를, 그리고 다양한 음악을 싣고 머리 위를 넘나들게 되었다. 그런데 소리를 통한 의사소통이 많은 제약에서 벗어났지만 소리가 과연 정확한 의미를 전달하는 매체인가는 다른 문제이다. 현대의 사상가들이 지적하듯이 소리를 통해 생각이 돌아다니는 과정에서 그것이 지닌 의미는 미끄러지기 십상이다. 같은 소리라도 사람에 따라 귀를 통해 받아들여 전기적인 신호로 바꾸는 과정에서, 그리고 신경전달을 통해 대뇌에서 해석되는 과정에서 변형이 생긴다. 차라리 정확함만을 따진다면 신경전달에 관여하는 화학물질을 통해 직접적인 의사소통을 꾀하는 몇몇 곤충들이 훨씬 큰 이점을 취하고 있다.
하지만 소리를 통한 의사소통은 정확성을 희생한 대신, 창조의 공간을 열어두고 있다는 장점을 가지고 있다. 반쯤은 이해하고 반쯤은 상상으로 채우는 과정에서 새로운 변형이 나타난다.

인간이 짧은 역사에도 불구하고 생태계의 정상에 오를 수 있었던 이유의 많은 부분은 언어의 의미가 미끌어지면서 생겨난 틈새에서 피어나지 않았던가? 바야흐로 멀티미디어의 시대이고 이제는 먼 거리 사이의 의사소통에 소리뿐만 아니라 문자와 그림, 그리고 심지어는 가상현실을 구현할 수 있는 후각과 촉각까지 자극할 수 있는 정보들을 실어 나르는 기술들이 속속 등장하고 있지만 소리를 통한 소통이 가지고 있는 넉넉한 빈 공간을 염두에 둔다면 앞으로도 오랜 시간 동안 소리를 통한 의사소통이 널리 쓰이리라는 예상은 쉽게 할 수 있다.

교환기와 전송장치

전화통화는 어떻게 이루어질까?

전화망은 단말기(원래의 의미는 정보가 통신망에서 입출력되는 장치로 대표적인 것이 전화기와 교환기, 전송시스템이라는 3대 구성요소로 이루어진다.
우리가 일상 생활 속에서 전화를 이용하고자 할 때, 먼저 전화를 걸고 받을 수 있는 전화기가 있어야 한다. 그리고 전화국에 신청을 해서 전화선을 집안으로 끌어들이고 전화번호를 배정받아야 한다. 이런 과정을 거치면 전화가 곧 개통되어 전화통화를 할 수 있다. 여기까지가 우리가 알고 있는 전화 개통 방법이다.

그러면 전화국에서는 전화개설 신청을 받아 어떻게 해서 전화를 개통시킬까?
전화국에서는 어떤 마법을 부려 우리가 전국 각지로 전화통화를 할 수 있게 만드는 것일까? 그 마법의 비밀은 전송로와 전화국 설비에 있다. 우리들의 집이나 사무실에서 전화국까지는 전화선이 연결되어 있다. 또 전화국은 다른 전화국과 통신케이블(또는 무선)로 연결되어있다. 이러한 전송로를 따라 각지의 전화국들이 서로 연결되어 전화기를 통해 주고받는 음성을 전달해주고 있다(이처럼 집, 사무실과 전화국, 전화국과 전화국을 연결시켜 음성을 전달해주는 통신케이블과 무선을 전송로라 한다).

전송로가 음성이 전달되는 길이라면 전화국 설비는 어떤 일을 하는 것일까?
전화국의 핵심적인 설비는 교환기와 전송장치다. 누군가가 전화를 걸 때, 상대방 전화번호를 누르면 전화국에 설치된 시내교환기가 그 신호를 받아 전화받는 상대방의 전화회선으로 벨을 울리는 신호를 보낸다. 만약 다른 전화국일 경우 상대방 전화국 교환기로 연결해 시켜주고 시외전화인 경우 시외교환기로, 국제전화일 경우 국제 교환기로 보낸다. 교환기는 호출한 상대방의 전화번호에 따라 차례차례로 통화경로를 선택하여 상대방 전화로 접속시켜 주는장비다. 장거리 통화의 경우 여러 대의 교환기를 차례로 거친 후 상대방 전화로 연결된다.

전화국에 설치된 교환기를 사설 교환기(기업, 학교, 병원, 호텔 등에 설치해 개인 또는 법인전용으로 사용하는 구내 교환기)와 구별하여 국설 교환기라 부르며 국설 교환기로는 시내교환기, 중계교환기, 시외교환기, 국제교환기가 있으며 중계교환기는 대도시 지역에서 효율적인 통신망 구성을 위해 시내교환기와 시내 교환기를 연결시켜 주는 것으로 한국통신과 데이콤, 한국통신과 SK텔레콤 등과 같이 서로 다른 통신업체의 통신망을 연결시켜 주는 관문교환기도 중계교환기의 일종이다.

그러면 교환기와 함께 전화국의 핵심 설비가 되는 전송장치는 어떤 일을 하는 것일까?

전화를 거는 사람의 음성이 전화를 받는 상대방에게 전달되기 위해서는 건 사람의 전화와 받는 사람의 전화가 교환기에서의 회로연결을 거쳐 서로 연결되어 있어야 한다. 그런데 여기서 전화를 건 사람과 그 전화가 가입되어 있는 전화국의 시내교환기, 전화를 받는 사람과 그 전화가 가입된 전화국의 시내교환기 그리고 연결된 교환기와 교환기 사이에서 음성신호를 전달시켜 주는 장치가 있어야 하며 이 역할을 하는 장치가 바로 전송장치인 것이다.

전송장치는 전송방식에 따라 유선 전송장치와 무선 전송장치가 있으며 유선 전송장치는 아날로그 전송장치에서 디지털 전송장치로 디지털화되어 지금은 전화사용자에서 시내교환기 사이의 구간에서만 아날로그 방식이 디지털 방식과 공존하고 있다. 유선전송장치는 또한 적용되는 기술에 따라 다중화 장치, 비동기식 광전송 장치, 동기식 광전송 장치, 파장분할 다중 장치 등이 있다. 한편 무선 전송장치는 전송방식에 따라 고정통신 장치,이동통신 장치, 위성통신 장치로 구분된다.

이처럼 우리가 전화통화를 하기 위해서는 전화, 전화선뿐만 아니라 전국 각지에 설치된 전화국과 전화국내 교환기, 전송설비 등의 설비, 전화국간 전송로 등과 같은 거대한 통신인프라가 필요한 것이다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

 

도청과 감청

 

국회 국정감사 과정에서 휴대폰 도청/감청 문제가 제기된 이후 이것이 기술적으로 가능한 지를 놓고 논란이 뜨겁다. 정보통신부는 첨단기술을 이용한 부호분할 다중접속(CDMA)방식의 디지털 휴대폰을 엿듣는 것은 기술적으로 불가능하다는 점을 분명히 하고 있다. 다만 오래된 통신 방식을 사용하는 아날로그 휴대폰은 부분적으로 감청이 가능하다고 설명한다.

휴대폰을 감청할 수 있는 방법으로는 세가지 정도가 제시되고 있다.

첫째는 휴대폰을 복제하는 것이다.
휴대폰은 저마다 고유코드를 갖고 있어 이를 복제해 다른 휴대폰에 심어놓으면 똑같은 휴대폰이 두개 생겨 마음대로 감청할 수 있다는 논리다. 일반 유선전화기에 전화기를 한대 더 달아 사용하는 것과 같은 방식이다. 그러나 이 방식으로는 감청이 되지 않는 것으로 밝혀졌다.
최근 국감에서 직접 고유코드와 전화번호까지 똑같이 복제한 휴대폰으로 도청 및 감청시험을 해본 결과 감청이 불가능했다. 걸려온 전화를 한 휴대폰으로 받으면 다른 쪽 휴대폰은 "먹통"이 돼버려 통화 자체가 이뤄지지 않은 것.

둘째는 휴대폰에서 나오는 전파를 추적하는 방식이다.
이 방식을 이용하면 아날로그 휴대폰의 경우 감청이 가능하다. 아날로그는 음성신호를 그대로 주고 받기 때문에 전파수신기와 감청장치만 있으면 일정 반경안에서는 주파수를 맞춰 가는 방법으로 휴대폰 통화내용을 엿들을 수 있다. 그러나 해당 음성신호가 어느 전화로 통화하고 있는 것인가를 알기는 쉽지 않다. 전화기 1대에 전화회선 한대가 연결되는 유선전화와는 달리 휴대폰은 수십명에서 수백명이 하나의 주파수를 함께 사용하기 때문이다. 그래서 특정 통화권에서 무차별적으로 감청을 실시한 뒤 원하는 통화내용만 발췌해 감청하는 형태로 이뤄지는 것으로 알려져 있다. 최근 경마정보를 빼내기 위해 아날로그 휴대폰을 감청하다 구속된 사람이 이같은 방식을 이용했다.
특히 CDMA방식의 디지털 휴대폰은 전파추적이 기술적으로 불가능에 가까워 도청이 더욱 힘들다는게 정통부의 설명이다. 디지털 휴대폰은 음성신호대신 암호화된 코드를 주고 받는다. 암호가 2의 42제곱비트, 즉 4조개나 되는 비트(정보단위)로 구성돼 있어 암호를 푼다는 것은 "모래사장에서 바늘찾기"처럼 불가능에 가깝다는 것이다. 또 암호를 풀어도 같은 기지국내에서조차 64개의 전송채널 중에서 하나를 찾아내야 한다. 따라서 디지털 휴대폰 전파를 추적하는 것은 산술적으로만 봐도 2백56조분의 1의 확률이라는 설명이다. CDMA는 이처럼 통신탐지가 어렵고 전파방해도 받지 않는 특성 때문에 2차대전 당시 군용통신 수단으로 개발됐었다. 이것이 나중에 민간 휴대폰용으로 상용화된 것이다.

마지막 방식은 유선전화나 아날로그 휴대폰을 감청해 디지털 휴대폰과의 통화내용을 엿듣는 것이다. 디지털 휴대폰간 통화는 원천적으로 감청이 불가능하지만 디지털-아날로그, 디지털-유선전화간 통화는 아날로그 휴대폰과 유선전화쪽에 감청장치를 달면 통화내용을 엿들을 수 있게 된다. 그러나 이 방식은 디지털 휴대폰을 직접 감청하는 것은 아니어서 휴대폰 감청으로 볼수 없다는 주장이다.
아날로그 휴대폰 감청 문제도 앞으로는 우려하지 않아도 된다. 오는 2000년 1월1일부터 서비스가 아예 폐지되기 때문이다. 아날로그 이동전화 서비스를 하고 있는 SK텔레콤이 현재 6만1천명인 아날로그 가입자들에게 연말까지 휴대폰을 디지털 방식으로 바꿔주기로 했다.

[한국경제] 1999.10.26

 

멀티미디어 이동통신

 

1.       서론

이동통신은 새로운 주요통신 미디어로서 세계적으로 수요가 급속히 신장 하고 있다. 이동통신의 발전은 확실히 "통신의 개인화"를 가속시키고 모든 사용자에게 서비스 휴대성을 제공할 수 있는 개인 이동 통신사회의 실현을 현실화한다.
더욱이 통신의 개인화는 음성통신의 영역에 머무르지 않고 데이터, 화상 정보도 통합적으로 취급하는 멀티미디어 무선액세스 휴대 단말의 수요를 가속시키고 이동통신은 "서비스의 멀티미디어화"로 발전할 것으로 기대된다.

멀티미디어 이동체 통신시스템은 정보통신에 관한 모든 기술의 집대성이라 말할 수 있다. 멀티미디어 이동체 통신기술은 무선기술, 네트워크 구성 기술, 음성/화상 부호화 기술, 하드웨어 기술, 소프트웨어/OS 기술로 크게 나눌 수 있다.
이것들을 각각 세분화하여 보면 무선 기술은 액세스 기술, 변복조 기술, 회선제어 기술, 셀 구성기술, 안테나 기술, 오류정정 기술로 나눌 수 있고 네트워크 구성 기술은 번호방식, 과금 방식, 인텔리전트 네트워크, 로밍 기술, 프로토콜 변환 및 미디어 변환, 오브젝트 통신 기술, ATM 기술, 클라이 언트 서버, 보호기술이 고려되며 음성/화상 부호화 기술은 음성 부호화, 화상 부호화, 멀티미디어/하이퍼미디어 기술들이 고려된다.
그리고 하드웨어 기술은 소경량화, 저소비 전력화, 전지, 다기능화 기술 들이 고려되며 소프트웨어/OS 기술은 사용자 접속, 네트워크 프로토콜이 고려된다.

본고에서는 멀티미디어 이동체의 네트워크 구성 기술 중의 인텔리전트 네트워크 관련 기술과 이동체 통신의 음성.화상부호화 관련 기술 그리고 무선액세스 기술을 중심으로 기술하고자 한다.

2. 무선액세스 기술

1) TDMA 방식의 특징

TDMA 방식은 프레임이라고 하는 주기로 구분하고 다시 프레임을 몇 개의 슬롯으로 분할하고 이를 호마다 할당하여 채널을 구성한다. 음성, 데이터 신호에 상당하는 비트열은 프레임 동기마다 압축시켜 할당된 슬롯내에서 버스트라고 하는 간헐적인 반송파에 실려서 송신된다.
하나의 반송파로 복수채널을 다중화하기 위해서 채널마다 주파수를 할당하는 FDMA 방식보다도 기지국의 전송기기 대수가 적어서 좋고 경제적이다. 또한 복수의 파를 함께 증폭할 때 상호 변조에 의해 발생하는 Spunious가 작다는 이점이 있다. 그러나 다중화 수의 증가에 따라 전송 속도가 높아지면 수신신호는 다중 경로 페이딩의 영향을 받아 일그러지기 쉬워진다.
이러한 이유로 이미 실용화된 디지털 자동차 전화시스템(PDC), PHS(per- sonal handy-phone system)에서는 복수의 반송파를 이용하고 각각의 반송파에 대하여 비교적 다중화의 수가 적은 TDMA를 채택하여 1셀당의 채널수를 확보하고 있다.

2) CDMA 방식의 특징

CDMA 방식은 스펙트럼확산 기술을 이용하고 정보신호가 필요로 하는 대역폭보다도 충분히 넓은 대역폭을 사용하여 전송하는 방식이다. 직접 확산 CDMA 방식은 대표적인 CDMA 방식이고, 정보신호보다 높은 주파수로 교번하는 확산신호를 정보신호에 누적하여 확산을 실행한다.
각 사용자는 동일한 주파수, 시간을 공용하고 각 채널에는 서로 직교하는 확산신호를 할당하며 이 부호에 따라서 송신측에서 확산하고 수신측에서 역확산하여 채널을 분리시킨다. CDMA를 위한 주요 기술로서는 송신전력제어 및 확산부호기술이 있다.

* 원근문제와 송신전력제어
기지국과 각 이동체간의 거리, 전파전송경로는 각각 다르다. 그러므로 기지국측에서는 원격지 이동체로부터의 신호는 전계가 약하고 전계가 강한 근거리의 이동체로부터의 신호에 의해서 큰 간섭을 받는다. 이것을 원근 문제(Near/Far Problem)라고 한다.
이것을 피하기 위해서 기지국측에 있어서 각 이동체로부터의 수신전계를 동일한 레벨로 하면 되고 실제로 이때가 최대 채널용량이 된다. 최대 채널 용량을 얻기 위해서는 이동체가 이동하는데에 수반하여 송신전력을 변화시킬 필요가 있는데 이것을 송신 전력제어라하고 개루프 제어 폐루프 제어로 분류된다.

* 확산부호
CDMA 방식에서 채널분리는 확산부호의 직교성으로 이루어진다. 확산 부호의 성질은 동상시 이외의 자기상관치 및 상호 상관치가 모두 작고 부호의 종류를 많게 하는 것이 바람직하다. Gold 부호는 이러한 특성을 비교적 잘 만족하는 부호로서 널리 이용되고 있다.
그러나 확산부호에 정보 변조를 하였을 때 정보심볼의 변화점에서 상관치가 열화하는 기상관등의 문제도 있고 이상적인 직교성을 확산부호만으로 확보하는 것은 곤란하다. 북미 CDMA 셀룰러에 이용되고 있는 확산부호와 같이 확산부호의 주기를 1 정보심볼과 같게 하지 않고 그보다도 충분히 긴 주기의 하나의 랜덤 부호계열을 사용하여 그 계열의 서로 다른 위상을 각 이동기기에 부여하는 방법도 있다. 이경우 일반적으로는 부분 상관에 의해 역확산 처리 된다.

3) 다원접속방식의 비교

* 동일채널 간섭
* 채널용량
* 다중경로 페이딩 대책
* 핸드오프

3. 이동체 통신의 음성/화상 부호화 기술

1) 음성/음향 부호화 기술

* 주파수대를 효율적으로 이용하기 위한 고능률, 저속 방식
* 잡음환경에서도 양호한 음질의 전송
* 페이징에 의한 전송에러에 대한 강인성을 확보
* 소규모 하드웨어로 실현 가능을 들 수 있다.

2) 정지화상 처리 기술

미디어의 하나인 정지화상의 주요한 처리기술은 부호화와 표시기술이다. 전자는 통신의 효율화, 축적매체를 포함하는 기기의 소형화를 도모하는 기술이고 후자는 정지화상을 특정 표시 소자상에 가시화하는 기술이다.
정지화상의 응용은 FAX 통신 서비스로서 이용된다. 개인이동통신에의 응용은 이와 같은 기존 서비스의 적용을 우선 들 수 있다. 여기서의 부호화 방식은 2진 화상을 대상으로 한 런길이 부호(MH, MR 및 MMR)가 이용되고 있다. 이 방식은 현재의 범용 프로세서로 충분히 처리할 수 있고 텍스트, 선 도형을 중심으로 한 문서 화상의 전송에 효과적이다.

3) 동화상 부호화 기술

동화상의 데이터량은 다른 미디어와 비교하여 대단히 많고 예를 들면 비디오 신호는 100Mbps 이상이라고 한다. 동화상의 압축 즉 부호화는 intero- perability를 위하여 표준화가 활발히 추진되고 있고 예를 들면 ITU-T나 ISO/IEC의 활동이 유명하다.
TV 전화/회의용으로서 ITU-T에서 표준화된 H.261은 64K에서 2Mbps의 비트 레이트를 대상으로 하고 있고 실시간 통신이 기본이다. 이에 반하여 ISO/IEC JTC1/SC29/WG11에서 표준화된 MPEG1은 CD나 DAT 등의 축적 미디어에의 응용을 주로 고려하고 있고 1.5Mbps 정도를 상정하고 있다.
MPEG2(ISO/IEC와 ITU-T 합동)은 축적, 방송, 통신 등의 대부분의 영역을 수용하는 범용 부호화 방식이다. 비트 레이트는 압축기법과 해상도로 규정되어 있지만 예를 들면 대표적인 main profile에서는 4M로부터 HDTV 대응 80Mbps로 되어 있다.

4) 멀티미디어 부호화 기술

각종 미디어의 부호화 방식의 표준화로 단일미디어 간의 정보 교환이 가능해 졌다. 그러나 여러 가지 미디어를 통합적으로 취급하려고 할 때 예를 들면 음성과 화상을 통합적으로 사용할 때 음성과 화상의 동기를 시킬 필요가 있다. 그리고 개인이동통신에 있어서 멀티미디어의 이용은 회화형 조작성의 향상, 새로운 서비스의 창출을 기대하게 한다.
여기서 새로운 멀티미디어 응용을 위한 데이터 교환의 규격으로서 설정된 MHEG(Multimedia and Hypermedia Information Coding Experts Group)에 대하여 언급한다. MHEG의 표준화는 ISO/IEC JTC1/SC29/WG12에서 추진하고 있다. 응용측의 요구로서,

* 휴대형 단말에도 표시제어가 가능하도록 간단한 처리 시스템을 가질 것
* 데이터간의 동기 관계, 표시 공간의 위치 관계를 기술할 수 있을 것
* 하이퍼 미디어적 정보 검색이 가능할 것
* 각각의 미디어에 대하여 데이터 포맷을 취급할 수 있을 것을 고려하면서 사양의 개발이 추진되고 있다.

4. 이동체 통신의 인텔리전트 네트워크

1) 통신의 개인화

* 서비스 휴대성과 Universal Mobility
* 이동성 관리
* 액세스 영역의 확대

2) 서비스의 멀티미디어화

* 이동 멀티미디어 통신
* 이동 패킷 통신
* 이동 ATM 방식

3) 네트워크의 인텔리전트화

* 인텔리전트 이동 통신 네트워크
* 신호방식

5. 결론

본 고에서는 개인이동통신의 무선액세스 방식으로서 TDMA 방식과 CDMA에 대하여 논하고 각 미디어의 정보압축기술 및 표준화에 대한 기술과 앞으로의 이동통신 네트워크 구성상 기술적 과제를 개관하였다.
제 3세대 이동체 통신으로서 사용자의 급속한 증가와 더불어 음성, 화상, 고속 데이터 통신 등의 전송 속도에 대응한 통신방식의 개발, 전송품질 및 서비스 품질의 향상과 단말가격 및 회선 사용료가 점점 싸질 것이다.
이러한 요구에 대응하여 어떠한 액세스 방식이 적합할 것인가를 생각해 볼 필요가 있다. TDMA 방식은 주파수 이용 효율 관점에서 다이나믹 채널할당 방식이나 캐리어 스위칭 TDMA 방식, 전송/서비스 품질 향상의 관점에서 무순간 단절 hand-off 기술, 분산제어에 의한 기지국간 프레임 동기기술, 전송 속도의 고속화에 대응한 페이딩에 대응한 기술 등이 검토되고 있다.
CDMA 방식은 높은 주파수 효율을 어떻게 실현시킬 것인가가 핵심이고 송신 전력제어기술을 비롯한 다양한 기술 개발을 하여야 할 것이다. 그리고 현재의 이동 통신에서는 음성, 정지 화상을 전송할 수 있는 정도이지만 화상 정보의 전송을 위하여 좋은 방식의 개발이 진행되고 있으며 개인이동통신에 멀티미디어가 곧 적용될 것으로 기대된다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

디지털과 아날로그

<아날로그와 디지털은 어떻게 다른가?>

목욕탕에 가면 몸무게를 재는 커다란 눈금저울이 있습니다. 몸무게를 재기 위해 올라서면

예) 66Kg ~ 67Kg사이

에 바늘이 있게 됩니다. 이때 66과 67사이에는 수많은 수가 들어 있음을 우리는 알고 있습니다.

66, 66.1, 66.01, ............. 67

이렇게 연속적으로 틈이 없는 값으로 표현되는 것을 아날로그 값이라 합니다. 즉, 자연에 존재하는 그대로의 상태를 말하는 것입니다. 여기서 만일 상수값만 취한다면 66, 67 두개밖에 없으며, 소수점 이하 첫째자리까지 취한다면, 66.1, 66.2, ...........66.9까지 9가지 밖에 없습니다. 이렇게 연속적인 양 중에서 대표값을 취하는 것이 디지털 값입니다.

휴대폰 통화시 인간이 말하는 음성은 연속적인 싸인 곡선을 그립니다. 그러나 디지털을 쓰는 이유는 음성을 아날로그 상태로 먼거리에 전송하면 감쇄되어 찌그러져서 수신자가 무슨 내용인지 알아듣지 못하므로, 연속적인 곡선의 대표값을 추출(디지털화)해 보내고 수신측에서 복원해 통화를 하게 되는 것입니다. 그래서 원래의 음성데이터를 모두 보내지 않고 표본값을 추출해 보내는 디지털 전화는 약간의 기계음이 나기도 하는 것입니다.

▶아날로그: 어떤 양을 표시할 때 연속적인 값으로 나타냅니다.
▶아날로그 통신: 사람의 음성⇒마이크⇒전기적 신호⇒상대방
▶디지털: 어떤 양을 표시할 때 비연속적인 값으로 나타냅니다.
▶디지털 통신: 아날로그 신호⇒ 2진 부호 "0"과 "1"로 변환 ⇒ 상대방

<왜 디지털로 가는 것일까?>

주파수 대역폭이 많이 필요하다는 것은 경제적이지 못하다는 말과 같습니다. 달리 말하면, 아날로그는 자동차 1대가 고속도로 1 , 2차선 두개의 차선을 점유하는 것과 같다고 할 수 있습니다.

<디지털 신호의 복원: 중계기(Repeater)>

길을 걷다 흔히 볼 수 있는 둥그렇고, 네모지게 철판으로 만들어진 통신 맨홀(약 1.5Km마다 1개씩)안에는 중계기(Repeter)가 들어 있습니다. 중계기의 역할은 찌그러진 신호를 원래의 깨끗한 신호로 복원해서 다음 구간으로 계속 보내주는 것입니다. 우리가 서울에서 부산으로 장거리 전화를 해도 바로 옆에서 통화를 하듯 깨끗한 음성을 들을 수 있게 되는 것도 이 중계기의 덕분입니다.



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정보와 정보통신

 

1. 정보와 데이타

정보란 무엇인가?
사전적 정의에 의하면 "데이타가 현실 세계로부터 단순한 관찰이나 측정을 통해서 수집한 사실이나 값을 의미하는 반면, 정보란 어떤 상황에 관한 의사결정을 할 수 있게 하는 지식으로서 데이타의 유효한 해석이나 데이타 상호간의 관계를 말한다. 따라서 정보는 데이타를 처리 가공한 결과라 할 수 있다. "

2. 정보통신의 형태

정보란 임의 수요자에게 전달되기 위해 생산된 자원으로서 유무형의 다양한 형태를 취하고 있으나, 정보화 사회에 있어 특히 유용한 정보 형태로는 크게 음성, 데이타, 그림이나 그래픽과 같은 이미지, 그리고 TV 화면과 같은 영상등 4가지를 들 수 있다. 통신이란 이들 정보를 임의 지점에서 다른 지점으로 이동하는 행위를 말하며 정보는 바로 "통신"이라는 개념을 수반할 때만이 살아있는 자원으로서 역할한다. 결국 정보와 통신은 정보통신이라는 복합어로서 설명될 수 있을 것이다.
따라서 정보통신이라 함은 4가지 형태의 정보통신, 음성통신, 데이타통신, 이미지통신, 영상통신을 총칭한다. 음성통신은 일반적으로 전화망을 이용한 통신을 지칭하는 것으로, 다른 형태의 정보이용이 급증하고 있는 현재까지도 가장 널리 그리고 가장 많이 사용되고 있는 정보통신의 한 형태이다.

음성통신을 이용한 서비스로는 음성우편(voice mail)과 고기능 교환기를 이용한 3자 통화 등의 서비스 등을 들 수 있다. 이중 음성우편은 일명 오디오텍스라 하는 것으로 국내에서도 이미 실시되고 있는 서비스로서 음성 메시지의 전달 및 보관, 응답기능을 제공한다. 최근 서비스되고 있는 각종 합격자 자동안내 서비스도 음성을 이용한 정보통신이다.

데이타통신이라 함은 흔히 음성을 제외한 다른 모든 형태의 정보전송을 가르키는 것으로 이미지통신이나 영상통신을 여기에 포함시키기도 한다. 좁은 의미의 데이타라 함은 텍스트나 숫자를 나열하고 있는 서류 등을 디지탈 신호로서 나타낸 것이라 할 수 있다. 우리가 PC통신을 통해 파일을 주고 받거나 필요한 데이타를 액세스하거나 또 전자우편 서비스를 이용하는 것도 데이타통신의 한 형태이다. 이미지통신은 그림이나 도표, 챠트, 그래픽 등의 정보전송을 의미한다. 비록 그림이나 도표가 전혀없는 서류라 할지라도 서류의 전체 도면을 이미지로서 다루게 되면 이미지통신, 그 서류내에 들어있는 문자나 숫자를 디지탈 형태로 다루게 되면 데이타통신이 된다. 이미지는 다른 형태의 정보보다도 인간의 이해를 더욱 쉽게 접근시키는 이점을 갖고 있어, 최근 여러 분야에서 이미지통신의 이용이 급증하고 있는 추세이다. 이미지통신의 대표선수는 역시 팩시밀리로서, 최근 디지탈 팩시밀리의 등장과 함께 고기능 고속화되고 있다. CAD/CAM과 같은 컴퓨터 그래픽의 상호전송도 이미지통신의 한 형태이다.

3. 데이타통신과 시스템 구성

데이타통신의 정의는 그 보는 관점에 따라 다르겠지만 주로 디지탈 형태, 즉 2진법의 세계인 0과 1의 2진부호로 표시된 정보를 목적물로 하는 통신이다.
데이타통신은 다음과 같이 정의될 수 있다.
"전기통신회선에 전자계산기의 본체와 그에 부수되는 입출력장치 및 기타의 기기를 접속하고 이에 의하여 정보를 송신, 수신, 또는 처리하는 통신이다." 여기서 전기통신회선이란 전기적 신호에 의해 임의 한 지점에서 다른 지점으로 정보를 나르는 통로를 말하는 것으로 음성신호를 전송하는 전화회선이나 데이타만을 취급하는 데이타 전용선이 여기에 해당한다.
한편 데이타통신 시스템이란 데이타의 전송과 처리를 어떤 목적을 위해서 유기적으로 결합하여 새로운 시스템으로 구성한 것을 의미한다.

4. 네트워크와 통신소프트웨어

지사가 한군데 밖에 없던 어떤 기업이 처음에는 본사에서 지사로 단일 회선을 통해 통신하였으나 회사의 확장에 따라 지방의 여러 곳에 지사를 설치하게 되자 자연히 각 지사와 본사, 그리고 지사와 지사간에 서로 데이타를 주고 받기 위해 이들을 상호 연결하게 되었다. 바로 이렇게 어떤 공동의 목적을 위해 다수 지점간에 상호 연결된 통신형태를 망 또는 네트워크(NETWORK)라 한다. 일례로 여러 가입자간의 전화 이용을 위해 형성된 망은 전화망이라 하며, 기업이나 학교와 같이 한정된 지역내에서 각 구성원간의 상호연결을 위해서 형성된 망을 근거리 통신망(LAN:Local Area Network)이라 한다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

 

정보통신의 개념

 

1. 정보의 전송

'정보'는 인간의 오감을 통해서 느낄 수 있는 정보의 형태는 물론 귀로 들을 수 있는 소리라든가 눈으로 볼 수 있는 영상, 문자 등의 여러 모습을 하고 있다. 그러나 먼거리의 상대에게 정보를 전달하고자 할 때, 정보를 정보통신 장비가 다룰 수 있는 전자적(electromagnetic)인 신호형태로 바꾸어 전달하게 된다.

2. 아날로그 데이타, 디지탈 데이타

음성, 영상, 데이타, 이미지와 같은 정보는 어떠한 전자적 신호로 표현되는가?
먼저 음성정보를 생각해 보자. 사람의 목소리와 같은 음향정보는 소리의 고저와 음폭에 의해 서로 다른 소리를 구별하게 된다. 이 경우 소리의 고저가 음향정보의 진폭에 해당하며 음폭은 주파수에 해당한다. 이러한 음향정보는 다시 소리의 고저는 동일한 스펙트럼을 갖는 전자적 주파수로, 진폭은 전압으로 표현됨으로써 연속적인 진폭값을 갖는 아날로그 신호로서 전송매체를 통해 상대방에게 전달된다. 따라서 음성정보는 아날로그 신호로 표현된다.

음성정보의 한 예인 사람의 목소리는 전화기의 송화기를 통해 아날로그 신호로 표현되어 전화선을 타고 다른 곳으로 전송된다. 일반적으로 가청 주파수는 20헤르쯔에서 20킬로헤르쯔의 주파수를 포함하지만 전화통신에서 사용되는 음성대역은 이보다 더 좁은 300헤르쯔에서 3400헤르쯔까지이다. 그러나 흔히 음성신호의 대역폭은 3400헤르쯔가 아닌, 4킬로헤르쯔를 취하고 있는데, 이는 전송채널상에서 대역을 나눌 때 인접 대역과의 간섭을 방지하기 위한 가드밴드(guardband)를 포함하기 때문이다.

아날로그 신호로 표현되는 또다른 정보가 TV 화면과 같은 영상정보이다. 예로서 TV 화면상의 영상표현은 주사선을 따라 돌아온 빔이 수평 및 수직으로 재투사되어 각 점마다 빔의 세기에 따른 명암이 정해짐으로써 가능해진다. 이 때 빔의 세기는 시간에 따라 변하는 값을 갖는 아날로그 신호이다. 따라서 영상 정보는 시간에 따라 그 값이 변하는 아날로그 신호로서 표현된다. 아날로그 영상정보를 전송하기 위해서 필요한 대역폭은 4메가헤르쯔(MHz)이지만, 음성정보와 마찬가지로 인접 대역간의 상호간섭을 배제하기 위한 가드밴드 때문에 음성신호를 포함하는 컬러 영상정보의 전송인 경우 약 6메가헤르쯔가 소요된다. 한편 데이타정보와 이미지정보는 일반적으로 0과 1로서 구성된 디지탈 신호로서 표현된다.

우리가 전달하고자 하는 각 문자나 숫자와 같은 데이타정보는 단말에 의해 2진 정보로서 생성된 다음, 컴퓨터나 데이타관련 장비에 의해 두가지 레벨의 전압중 하나에 각각 0이나 1이 할당되어, 일정 시간동안 그 레벨의 전압을 내보냄으로써 2진 정보를 전송로를 통해 전달하게 된다. 여기서 2진 정보라 함은 0이나 1만으로 모든 정보를 표현하는 것으로, 우리가 초등학교 때 배우는 2진수의 세계를 말한다. 즉 2진수의 세계에서 숫자 2를 표현하기 위해서는 최하위 자리만으로 이를 표현할 수 없기 때문에 자리올림을 해서 2자리의 2진수인 '10'로서 숫자 2를 표현하여야 한다. 이는 우리가 통상 사용하는 10진수의 세계에서 최하위 자리의 수가 10이상이 되면 자리올림을 하는 것과 같은 이치이다. 2진수의 표현에 있어서 각 자리를 '비트'라 하며, 2진 표현인 '101'은 3자리의 2진수, 즉 3비트로 구성된 정보이다.

3. 부호와 부호체계

컴퓨터를 통해 우리가 나타내야 될 데이타 정보는 숫자뿐만이 아니라 문자, 기호 등 매우 다양하다. 그러면 이렇게 다양한 각 데이타정보, 즉 'A', 'B', '...', '?', 'Z'...등은 어떠한 2진 정보로서 표현해야 될것인가?

이는 각 국가나 단체의 표준기관에서 정해놓은 부호체계에 따라 조금씩 다르게 되어 있다. 여기서 '부호(code)'라는 것은 각 데이타정보 하나하나에 할당되는 2진 표현을 가리키며, '부호체계'란 모든 문자집합에 대한 부호집합을 의미한다.
현재 세계적으로 가장 널리 쓰이고 있는 부호체계는 ITU-T(CCITT)와 ISO에서 표준안으로서 권고하고 있는 International Alphabet No.5이며, 이는 각 문자들을 7비트 부호, 즉 7자리의 2진수로서 데이타를 표현하는 부호체계이나, 이것을 약간 변형한 부호체계가 우리도 많이 사용하고 있는 ASCII(American Standard Code for Information Interchange)부호이다.

4. 정보의 전송과 속도

디지탈이나 아날로그 신호로 표현된 각 정보는 실제 전송매체를 통해 전달될 때, 그 신호 그대로의 상태로 전송로로 실리게 되는가? 물론 반드시 그렇지만은 않다. 사용되는 전송매체의 특성에 따라 디지탈 신호로 표현된 정보는 아날로그 신호로 다시 변환되기도 하고 아날로그 신호로 표현된 정보는 디지탈로 변환되어 전송하기도 한다.

예를 들면 공중전화망을 이용하는 컴퓨터통신의 경우에는 사용되는 전송매체가 주로 음성신호를 취급하는 전화망이기 때문에, 컴퓨터로 표현된 디지탈 데이타로 그대로 전화선로에 실으면 전송도중 삽입되는 잡음이나 감쇠 때문에 제대로 정보를 전달할 수 없게 된다. 따라서 디지탈 데이타를 전화망에 알맞는 아날로그 신호로 변환한 다음 전화망을 통해 전달해야만 한다. 바로 이렇게 디지탈 정보를 아날로그 신호로 변환하는 기기를 모뎀이라 한다.

또 , 이와는 반대로 음성인식과 같은 분야에서는 음성이라는 아날로그 정보를 디지탈 신호로 변환하여 컴퓨터 등에 의해 처리하도록 하고 있다. 이러한 기능을 담당하는 기기를 코덱(codec:coder/decoder) 이라 한다.
즉, 디지탈이나 아날로그로 표현된 각 정보는 전송효율이나 신뢰성을 보다 높이기 위해 사용하는 특성에 알맞는 전송신호로 다시 변환한 다음 전달되는 것이다.

5. 전송에러, 전송장애

전송매체의 설명에 앞서, 데이타가 전송될 때 발생하는 전송장애와 채널이 수용할 수 있는 정보전송 능력인 채널용량에 대해 알아보자.
실제 전송매체를 통해 데이타가 전달될 때 '갑'이라는 송신자가 보낸 원래의 데이타와 '을'이란 수신자가 받은 데이타는 약간 다른 신호형태를 취하게 된다. 이것은 전송로 상에서 받게되는 여러 요인에 의한 장애 때문으로, 아날로그 정보인 경우에는 신호의 질이 저하되기도 하며, 디지탈의 경우에는 0의 신호가 1로, 혹은 반대의 비트에러가 발생하기도 한다. 이러한 전송장애의 주요 형태로는 감쇠(attenuation)와 왜곡(distortion), 그리고 잡음(noise)을 들 수 있다.

감쇠란 데이타를 전송매체를 따라서 먼거리로 보내고자 할 때, 전자적 신호의 세기가 거리가 더 멀어질수록 점차적으로 약해지는 현상을 말한다. 신호의 세기가 약해지면 원래의 신호를 제대로 재생하기가 상당히 힘들게 된다. 따라서 장거리 전송의 경우에는 일정거리마다 약해진 신호를 다시 강화시키기 위해 재생기나 중계기를 설치해야만 한다.

왜곡이란 감쇠와는 달리 원래의 신호가 다른 형태로 일그러지는 현상을 일컫는 것으로, 감쇠왜나 지연왜가 여기에 속한다. 감쇠왜의 경우는 등화기 등에 의해 원래의 신호를 보상할 수 있으며, 지연왜의 경우는 동기맞춤 등에 의해 보상된다.

한편, 잡음이란 전송로상에서 전송신호에 유입되는 불필요한 신호로서, 이에는 전송매체의 저항에 의한 열의 영향 때문에 발생하는 열잡음, 인접 선로의 상호간섭에 의한 누화, 선로의 파괴나 손상에 의한 충격성 잡음 등이 있다.

바로 이와 같은 다양한 전송장애에 의한 전송로를 통해 보내지는 데이타는 다소의 에러를 포함하게 된다.

6. 채널용량의 단위

채널 용량이란 정보가 에러없이 그 채널을 통해 보내어질 수 있는 최대속도를 나타내며, 일반적으로 bps로 표현된다. 여기서 주의해야할 점은 같은 bps라는 속도 단위를 사용한다고 해서 앞에서 언급한 정보의 전송속도와 여기서 설명하는 채널용량이 같다고 생각해서는 안된다는 것이다. 앞에서 설명한 정보의 전송속도는 전송매체로 정보를 실어보내기 위해 컴퓨터 관련기기에 의해 만들어지는 정보의 생산 속도를 말하며, 채널용량은 사용되는 전송매체가 수용할 수 있는 정보전송 능력을 가리킨다.

채널을 통해 보내지는 데이터량은 그 채널의 대역폭에 비례하게 된다.
즉, 전송로상에서의 에러 가능성이 전혀 없다고 가정할 때 주어진 양만큼의 정보를 전달하기 위해서는 (대역폭 * 시간)이 필요하게 된다. 즉 대역폭이 크면 시간이 그만큼 적게 걸리고 대역폭이 작으면 시간이 더 많이 걸리게 된다. 그러나 실제 전송매체에 있어서 에러율이 0인 통로는 없기 때문에 채널용량은 이들 에러율을 반영하여야 할 것이다.

7. 전송 매체

전송 매체란 통신상대방 사이에서 실제적인 정보를 전송하는 물리적인 통로를 의미한다. 전송매체는 크게 동축 케이블이나 광섬유와 같이 유선에 의한 것과, 물이나 공기 등 무선에 의한 것으로 분류될 수 있다. 또, 유선에 의한 전송매체는 그 물리적인 특성에 따라, 그리고 무선에 의한 전송매체는 서로 다른 주파수 범위에 따라 다시 세가지로 분류된다.

유선 전송매체의 경우는 두개의 절연된 도선이 서로 꼬여진 상태로 이루어진 와이어쌍과 두개의 도선 가운데에 절연물질이 채워진 형태를 이루는 동축케이블, 그리고 전기적 신호를 광원에 의해 광신호로 변화시킨 다음 이를 유리 도체내로 반사시키는 광섬유로 구분된다. 이들 각 전송매체에 대한 일반적인 전송특성은 아래와 같으나 구체적인 매체의 규격이나 기술 발전에 따라 그 성능이 계속적으로 향상되고 있다.

(전송매체/총데이타속도/대역폭/중계기 없이 전송가능한 거리)
- 와이어쌍 4Mbps 250KHz 2-10Km
- 동축케이블 500Mbps 350MHz 1-10Km
- 광섬유 2Gbps 2GHz 10-100Km

와이어쌍은 전화국에서 가입자까지의 전화선로나 건물내의 통신선로로서 가장 많이 사용되고 있으며, 다른 전송매체에 비해 값이 저렴하므로 단거리용으로서 적합하다.

동축케이블은 컴퓨터통신 시스템간의 연결이나 근거리통신망, 장거리 전화망 또는 CATV용으로 많이 쓰이는 전송매체로서 대역폭이 넓어 고속 데이타전송이 가능하다. 또, 광섬유는 전달되는 신호가 빛이기 때문에 단연 속도가 뛰어나 전송매체로서, 다른 매체에 비해 잡음에 강한 특성을 갖고 있으며, 장거리 전송을 위한 트렁크나 근거리 통신망용 등 다양한 분야에 사용되고 있다.

한편 후자의 무선에 의한 전송매체에는 지상 마이크로파, 위성 마이크로파 및 방송무선 등을 들 수 있으며, 또 이와는 달리 주파수의 범위에 따라 분류할 수도 있다. 우리가 방송에서 흔히 사용하는 VHF니 UHF니 하는 것도 주파수의 범위에 따라 분류된 무선통신대역을 의미하는 것으로, VHF는 30부터 300메가헤르쯔까지의 주파수 대역을 갖는다.

우리가 데이타를 전송하고자 할 때, 만일 일반 사용자의 입장이라면 어떤 전송매체를 사용할 것인가를 전혀 고려하지 않고 우리가 이용하고자 하는 서비스에 따라 이미 구성된 전송매체를 사용하면 되겠지만, 통신망을 새로이 구축하고자 할 때나 새로운 서비스를 실시하려는 정보통신 제공자 입장에서는 전송매체의 선정시 주로 사용되는 데이타의 형태나 특성 또는 경제성 등을 고려하여 잘 선택하여야 할 것이다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

통신의 분류

 

1. 통신의 분류

통신(Telecommunication)은 원거리에서 음성 또는 데이터 형태의 정보를 주고받는 것을 말한다.
우리가 일상에서 사용하는 전화는 오늘날의 대표적인 통신 수단으로 볼 수 있으며 옛날에는 봉수대, 봉화등이 통신수단으로 이용되기도 했다. 이같은 통신은 정보를 주고받는 신호의 종류나 전송방식, 교환방식등 여러 가지 요인에 의해 다양하게 분류된다.

통신을 분류하는 가장 보편적인 방식은 정보를 전달하는 전송로가 유선이냐, 무선이냐에 따라 구분하는 방식이다. 유선전송로, 즉 케이블을 이용하여 정보를 전달하는 것을 유선 통신이라하고 무선전송로, 즉 대기중의 전자파 등을 이용하여 신호를 전송하는 경우를 무선통신이라 한다. 케이블에 의해 통신을 하는 시내전화, 시외전화, 국제전화등이 유선통신이고 일정대역의 주파수를 이용하여 통신을 하는 휴대전화, 무선호출 등이 현재 국내에서 서비스되고 있는 대표적인 무선통신이다.

또 통신은 유선이든 무선이든 교환기 전송장치 기지국등 필요한 장비를 이용한 하나의 망(네트웍)을 형성해야 정보를 주고받을 수 있는데 통신망은 이용 대상에 따라 공중통신망과 전용통신망으로 구분된다.
공중통신망(Public Telecommunication Network)은 불특정 가입자 상호간에 통신수단을 제공하는 통신망으로 일반인들이 사용하는 전화망이나 디지털 데이터교환망 등이 여기에 해당한다. 대표적인 공중통신망이 공중교환전화망(PSTN, Public Switched Telephone Network), 공중패킷 교환망(PSDN, Public Packet Switched Data Network)등이다 여기서 PSTN(공중전화망)은 통신사업자가 제공하는 통상적인 음성용 가입전화 서비스망이고 PSDN은 천리안, 하이텔, 인터넷등과 같이 데이터 전송을 목적으로 구축된 통신망이다.
전용통신망(Private Telecommunication Network)은 특정의 단체 또는 이용자가 자신만의 통신에 이용할 수 있는 독자적인 통신망을 구성할 수 있도록 통신사업자가 공중통신망의 일부를 제공하는 것이다. 전용선 서비스(PSN)가 여기에 해당되며 한국통신등이 PSN서비스를 제공하고 있다.
최근에 설립된 지앤지텔레콤, 두루넷, 제일고속통신 등은 회선임대 전업회사로서 이들은 유/무선 통신사업자는 물론 별도의 통신회선을 필요로하는 기업들에게 통신망을 임대할 수 있다. 그밖에도 통신은 전송매체를 무엇으로 하느냐에 따라 광통신, 위성통신 등으로 구분하기도 한다.

2. 통신사업자의 분류

통신사업자의 분류는 국가마다 다소 차이가 있는데 우리나라의 경우는 우선 통신설비를 자체적으로 확보하고 있는지 여부에 따라 크게 기간통신사업자와 부가통신사업자로 구분한다.

기간통신사업자는 유선 또는 무선의 통신설비를 갖추고 통신업을 하는 사업자로서 정부의 허가를 받아야하고 부가통신사업자는 기간통신사업자로부터 통신망을 빌려서 통신서비스를 제공하는 사업자로서 등록만으로 사업을 할 수 있다. 일본에서는 이를 1종사업자, 2종사업자로 구분하고 있다.
그동안 통신사업자의 분류방식은 통신사업의 환경변화에 따라 조금씩 변천돼 왔는데 최근에는 인터넷폰, 콜백서비스, 음성재판매서비스, 구내통신서비스 등 새로운 서비스가 등장하면서 별정통신 사업자라고 하는 또 하나의 사업자 군이 출현하게 되었고 정부도 이같은 현실을 반영하여 전기통신 사업법을 개정, 기존의 기간통신사업, 부가통신사업외에 별도로 별정통신사업을 법적으로 혀용키로 했다. 별정통신사업은 허가 절차없이 등록만으로 가능한데 재정 및 기술능력, 이용자보호 등 일정 등록요건을 갖추어야 한다.

기간통신사업자로는 한국통신을 비롯 데이콤 온세통신등 유선사업자와 SK텔레콤 신세기통신 등의 셀룰러 이동통신사업자, 한국통신프리텔, 한국통신엠닷컴, LG텔레콤등의 PCS사업자가 있다. 또 서울이동통신, 나래이동통신, 해피텔레콤, 강원이동통신, 광주이동통신, 부일이동통신, 새한이동통신, 세림이동통신, 전북이동통신, 제주이동통신, 신원텔레콤 등과 같은 무선호출 사업자도 기간통신사업자이다. 그밖에 아남텔레콤, 서울TRS, 세방텔레콤, 에어미디어, 인텍크텔레콤등 무선데이터사업자, 지앤지텔레콤, 두루넷등 회선임대사업자등도 자체 통신설비를 갖추고 있는 기간통신사업자이다. 부가통신사업은 정부 허가가 불필요할 뿐 아니라 외국인에게도 100% 시장이 개방돼 있으며 현재 5백여개가 넘는 사업자들이 통신사업을 하고 있다.
대표적인 것이 700번 음성서비스사업자들이며 시장개방에도 불구하고 외국인 사업자들의 활동은 그리 활발하지 못한 상황이다. 별정통신사업자는 전기통신사업법 시행령 등이 마련되면 내년부터 본격적으로 시장에 진입할 것으로 예상되며 특히 인터넷폰 음성재판매사업 등에 기업들의 관심이 고조되고 있어 귀추가 주목된다.

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프로토콜의 개념

 

1. 프로토콜의 개념

한때 대중들이 정보통신에 대해 전혀 관심이 없었을 때에도 프로토콜이란 단어가 가끔 신문기사에 등장한적이 있었다. 대체로 외국의 국빈이 우리나라를 방문하였을 때 그 방문기사에 등장하던 프로토콜이란 단어는 국빈을 대접하는 의전 절차라는 의미로 쓰인다.
예를들어 외국 원수의 공식 방문시 우리나라에서는 국무총리나 외무부 장관이 기내에 들어가서 영접을 하고 난 후 의장대를 사열하고, 이어서 환영연설을 하고, 저녁에는 대통령과의 만찬이 있고 등등 방문객의 지위나 방문 형태에 따라서 그 프로토콜도 달라지게 된다.
프로토콜이란 단어를 사전에서 찾으면 위에 얘기한 외교상의 의례란 의미 외에도 의정서, 조약(안)으로 설명이 되어있다. 아무튼 프로토콜이란 단어속에는 어떤 경우이든지 간에 두 상대방이 있어 그 두 상대방간 합의된 약속이란 의미를 내포하고 있다. 국빈의 의전절차에도 피방문자가 지켜야 할 도리뿐만 아니라 방문객이 이에 따라 취해야 하는 행동 절차도 같이 포함되어 있으므로, 프로토콜이란 방문자와 피방문자 두 상대방의 행동양식에 대한 미리 정해진 약속으로 볼 수 있다. 방문객이 이렇게 하면 피방문객은 저렇게 하고, 피방문객이 또 이렇게 하면 방문객이 거기에 대응하여 행동하는 등등 프로토콜은 외교관이 배우고 갖추어야 할 중요한 내용이 틀림없다.

그러면 통신에 등장하는 프로토콜은 어떤 의미를 지니고 있으며 왜 필요한가?
사실 통신에서 말하는 프로토콜은 엄밀히 말하면 통신 프로토콜이라고 앞에 통신을 반드시 붙여 말해야 한다. 그런데 어떤 사실을 얘기할 때 대주제가 통신인 경우 우리는 통신을 생략하고 보통 프로토콜이라고만 말하게 되고, 이 경우 듣는 사람이나 말하는 사람 모두 프로토콜은 통신 프로토콜을 의미하게 되는 셈이다. 이제 프로토콜이 통신 프로토콜의 생략형이라는 것은 분명해졌다.

통신 프로토콜의 정의에는 앞에서 말한 프로토콜의 일반적인 개념이 그대로 들어있다. 통신이란 말에 이미 두 상대방이라는 개념이 배경에 놓여 있다. 상대방이 없는 통신이란 있을 수 없으므로, 통신 프로토콜 또한 당연히 정보를 송신하고 수신하는 두 상대방 사이의 약속이다. 약속은 약속인데 그럼 무슨 약속인가. 앞에서 말한 외교적인 프로토콜에서처럼 상대방을 예우하기 위한 약속이 아님은 분명하다. 통신은 공학이다. 따라서 필요한 것은 예의가 아니고 통신의 목적을 경제적으로 달성하기 위한 약속이다.

2. 효율적인 관리

공학적인 의미의 통신의 목적은 한마디로 정확한 정보의 전송이다. 공학에서는 정확성만 의미를 갖는 것이 아니라 경제성 또한 중요한 의미를 갖는다. 따라서 통신 프로토콜은 두 통신하는 상대방 사이에 정확하고 효율적인 정보의 전송을 위한 여러 가지 약속의 집합이다.
다시 말하면 통신 프로토콜은 송신자가 이렇게 하면 수신자가 저렇게 하고, 수신자가 어떻게 하면 송신자가 거기에 따라 어떤 행동을 취해야 하는지 등을 사전에 약속해 둔 것이다. 이러한 사전 약속이 없다면 어떤 상황에서든지 정확한 정보를 효율적으로 전송해야 한다는 통신의 기본목적을 달성할 수 없기 때문이다.
통신하는 상대방은 일반적으로 서로 원격지에 위치한다. 따라서 정보를 전송하기 위해서는 정보를 전기적인 혹은 광학적인 형태로 변환하고 그 변환된 신호가 통신채널을 통해 흐르게 될 때 정상적인 신호의 흐름을 훼방놓는 여러가지 현상이 존재하게 된다. 이러한 훼방 행위는 통칭하여 잡음이라는 형태로 나타나게 되고 이는 신호의 변형을 가져오고 신호변형은 결국 정확한 정보의 전송을 방해한다. 즉, 신호의 전송 중에 에러가 발생하게 되고, 따라서 통신 프로토콜에서는 이러한 에러가 발생하였을때 어떻게 에러의 발생사실을 알아내고 손실된 정보를 회복할 것인가에 대한 엄밀한 절차가 사전에 약속되어 있어야 한다.

그러한 약속이 프로토콜의 일부가 된다. 프로토콜이라는 약속의 집합속에 이렇게 에러에 대응하기 위한 약속이 중요하기는 하나 그것이 프로토콜의 전부는 아니다. 정보를 정확히 그리고 효율적으로 전송하기 위해서는 동기(sychronization)라고 부르는 개념도 중요하다.
예를 들어 정보를 송수신하는 상대방이 서로 한 비트의 시간 길이를 서로 다르게 사용한다든지, 한 메시지의 시작 지점을 서로 다르게 인식하게 되면 순식간에 대량의 에러가 발생하기 때문에 이들에 대해서도 사전 약속이 필요하다.
이 뿐만 아니라 정보흐름의 양을 조절하는 흐름제어(flow control) 방법도 역시 사전에 약속되어 프로토콜 속에 포함되어 있어야 한다. 흐름제어란 정보의 송신측에서 너무 빠르게 정보를 보내는 바람에 수신측에서 이를 미처 소화하지 못함으로써 결과적으로 정보의 손실을 가져오는 사태를 막기 위한 방법을 말한다.

에러제어, 동기, 흐름제어 등에 관한 약속 이외에도 통신하는 상대방의 상호위치가 어디냐에 따라 여러가지 약속이 추가로 필요하다. 그리고 효율적인 전송을 위해서도 여러가지 기법이 있으므로 어떤 경우에 어떤 방법을 사용해야 할지에 대해서도 사전에 약속하여 프로토콜에 포함시켜야 하며 최근에 관심이 높아지고 있는 정보의 안전성(security)을 위한 약속도 역시 여러가지 방법이 있을 수 있으므로 사전에 프로토콜에 포함되어야 한다.

3. 원리

지금까지 우리는 통신하는 두 상대방이란 표현을 사용하였는데 OSI 규약에서는 이를 실체(entity)라는 용어로 사용하고 있다. OSI에서는 통신하는 두 상대방이 컴퓨터 내부에서 돌아가는 프로그램인 경우가 대부분이다. 하지만 위에서 설명한 통신 프로토콜은 통신하는 두 상대방 즉 실체가 사람인 경우, 우리가 전화를 이용하여 음성 통신을 하는 것과 마찬가지로 그대로 적용되는 이야기이다. 이는 사람들이 전화를 통해 음성 정보를 주고 받을 때에도 프로토콜이 필요하다는 뜻이다. 사람이 다른 사람과 전화 할 때에도 전화선이라는 전송채널에서 에러가 발생하며, 사람에 따라서는 너무 빨리 말하는 사람이 있어 듣는 사람이 미처 이해하지 못하고 지나가는 경우가 있는데 사람들은 이 경우 그러한 상황에 자연스럽게 대처할 수 있는 능력을 태어났을 때부터 갖고 있다.

즉, 잡음 때문에 상대방의 단어를 놓쳤을 때에는 "잠깐 잘못들었는데 다시 한번 말해 줄래" 라든지 상대방 말이 너무 빨라 의미를 소화하기 어려우면 "잠깐 좀 천천히 말해줄래"라고 하는데 이는 프로토콜 용어로는 각각 에러제어와 흐름제어에 해당된다.
위에서 말한대로 사람들은 누구든지 프로토콜을 학습하지 않고도 잘 알 수 있으므로 굳이 사전에 프로토콜이라는 약속을 할 필요가 없을 뿐이다. 따라서 지금은 사람간의 통신에는 정보를 정확히 효율적으로 전송하기 위한 약속은 필요치 않고, 그 대신 예의바른 통신을 하기 위한 프로토콜은 많을수록 좋은 것이다.
반대로 지능이 전혀 없는 정보기기들은 돌발적인 상황에 대처할 능력이 전혀 없으므로 통신할 때 발생할 수 있는 모든 상황에 일일이 꼬치꼬치 이럴 때는 이렇게, 저럴 때는 저렇게 등등의 지시를 해 놓아 마치 지능을 갖는 것처럼 만들어 주어야 한다. 이렇게 통신하는 두 상대방은 정보의 정확하고 효율적인 전송을 위한 많은 약속들이 필요하나, 상대방끼리 예의를 차리기 위한 프로토콜은 전혀 필요치 않다.

통신하는 두 상대방은 틀림없이 모든 프로토콜이 요구되기는 하나 사람인 경우에는 그 프로토콜이 명문화되어 있지 않고 예의범절이 포함되어야 하며, 정보기기인 경우에는 그 프로토콜은 엄밀히 명문화되어야 하고 그대신 예의범절에 관한 부분을 포함시킬 필요도 없고 포함되어서도 안된다. 정보통신이 사람 사이의 통신과 다른점은 지능이 없는 정보기기 사이의 통신이라는 점 이외에도 사람과 사람간의 통신이 1대 1인것과는 달리 1대 다수, 혹은 다수대 다수의 경우가 많으므로 프로토콜 또한 이러한 경우까지 대비해서 만들어져야 하므로 종류가 많고 복잡해질 수 밖에 없다.

여기서 말하는 정보통신이라는 용어는 정보처리 및 모든 통신을 통칭하는 넓은 의미의 정보통신이 아니라 정보기기 사이의 통신을 의미한다. 정보기기는 물론 정보를 송신하고 수신할 수 있는 기기를 통칭하는 용어로서, 컴퓨터만을 의미하지 않는다. 예를 들어 팩시밀리도 정보기기이며, 공해를 측정하여 그 결과를 공해 감시 센터로 전송하는 공해 측정기나, 장마철에 한강의 수위나 유속을 홍수 통제 본부로 송신하는 수위유속 측정기도 정보기기다.
따라서 이들 사이에도 모두 통신의 프로토콜이 필요하다. 더 나아가 현존하는 모든 통신 관련 정보기기는 어떠한 형태든 모두 프로토콜을 갖고 있다.

4. 구성

여기서 중요한 의미를 갖는 프로토콜은 사용하는 범위가 넓고 표준화 되어 있어 전세계 어디에 설치되어 있는 정보기기 간에도 정보의 상호교환을 가능하게 하는 그런 종류의 프로토콜로, 흔히 말하는 컴퓨터의 네트웍에서 사용되는 프로토콜이다.
실제로 말하면 ISO, TCP/IP 등의 프로토콜이며, 그밖에도 SNA(Simple Network Architecture), ONA(Open Network Architecture)등 특정 컴퓨터 회사에서 만들어진 프로토콜 등도 있다. 좀 더 구체적으로 말하면 X.25나 HDLC(High level Data link control)등의 예를 들수 있다.

프로토콜을 폭 넓게 이해하기 위해서는 계층화의 사고방식을 이해하지 않으면 안된다. 컴퓨터 네트웍은 제작회사가 서로 다른 컴퓨터끼리 통신할 수 있도록 다양한 응용 프로그램과 터미널, 그리고 데이터 전송을 돕는 갖가지 통신장비 및 전송장비와 전송매체 등으로 구성되게 되었고, 이러한 환경에서 정확하고 효과적인 정보전송을 수행하기 위해서는 프로토콜 역시 복잡하고 다기능화 할 수밖에 없다.
따라서 이러한 프로토콜들의 효과적인 정리를 위해서 프로토콜 계층화의 사고 방식이 도입되었다.

계층화의 개념은 구조화 프로그래밍(Structured Programming)의 경우와 흡사하다. 프로토콜의 각 계층은 구조화 프로그래밍의 모듈(Moudule)과 같으며, 각 계층이 수직적으로 상하 관계를 갖는 것은 모듈들을 수직적으로 배치하여 모듈 사이의 접촉(interface)이 최소화 되도록 하는 개념과 흡사하다. 즉, 네트웍 프로토콜이 계층화되어 상위계층이 인접한 바로 아래 계층의 서비스를 받는 것은 마치 구조화 프로그래밍에서 메인 프로그램이 부프로그램을 호출하여 서비스를 받는 것과 같으며, 이때 호출한 프로그램과 호출 당한 프로그램이 파라메터를 이용하여 필요한 정보를 주고 받는 것과 같이 역시 상위 계층이 인접한 하위 계층의 서비스를 받을 때 필요한 정보를 파라메터의 형태로 주고 받게 된다. 또한 구조화 프로그램에서 모듈 내부의 변경이 외부의 다른 모듈에게는 영향을 미치지 않는 것과 마찬가지로, 어떤 계층의 내부적인 변화는 다른 계층의 내부적인 변화에 전혀 영향을 받지 않으므로 계층화 되지 않았던 종래의 통신 프로토콜에서 기능의 일부 변경으로 프로토콜 전체를 다시 작성해야 하는 어려움을 극복할 수 있게 되었다.
계층화된 네트웍 프로토콜들을 총칭하여 네트웍 구조(Network Architecture)라고 부른다. 앞에서 말한 OSI나 SNA, TCP/IP등의 프로토콜들은 상위 계층에서부터 하위계층까지 논리정연한 구조를 갖는 프로토콜의 집합으로, 이들은 각각 현재 사용중인 가장 대표적인 네트웍 구조인 셈이다.
가장 나중에 만들어진 네트웍 구조인 OSI는 국제표준기구인 ISO에서 만들어진 7계층을 갖는 네트웍 구조로서 가장 넓은 지지층을 확보하고 있으며, 모든 네트웍 교과서의 모델로 소개되고 있다. 가장 많은 프로토콜을 거느리고 있고 가장 다양한 기능을 갖고 있으며, 언젠가는 지구상의 모든 정보기기들이 이에 따르려는 계획을 갖고 있는 세계적인 표준이다.
물론 철저하게 계층화된 구조를 갖고 있고, 많은 프로토콜이 개발되어 있으며 지금도 끊임없이 개발이 이루어지고 있어 앞으로도 계속 개발이 이루어 질 것이다. 그러나 모든 정보기기들이 이들을 채택할 때까지는 상당한 시간이 걸릴 것이다.

5. 종류

컴퓨터 언어에서도 이론적으로 가장 좋은 언어가 반드시 가장 많은 사용자를 확보하지 못하는 것과 마찬가지로, 네트워크 프로토콜에서도 가장 이상적이고 논리적이며 다양한 기능까지 갖춘 OSI가 현재 시점에서는 가장 많은 사용자를 확보하지 못하고 있는 실정이다. 이는 OSI가 만들어진 것이 SNA(Systems Network Architecture)나 TCP/IP보다 늦고, 실제 상품화가 늦어지고 이용자들이 비교 평가하여 값싸고 좋은 물건을 살 수 있을 만큼 OSI에 근거한 다양한 프로토콜 제품들이 시장에 풍부하지 못하기 때문이다. 이에 비해 TCP/IP 프로토콜 제품들은 매우 다양한 제조회사들이 관련 제품을 선보이고 있고 때문에 가장 널리 보급되어 있기 때문에 현재 시점에서 가장 큰 지지세력을 확보하고 있는 셈이다. 이러한 경향은 최소한 5년에서 10년 이상 지속될 가능성이 있다. 특히 국내의 경우에는 웍스테이션과 유닉스, 그리고 인터넷의 보급과 함께 시작된 TCP/IP 프로토콜 제품들이 한 동안 큰 세력을 형성하며 상당기간 동안 그자리를 지켜나갈 것으로 보인다. SNA는 그 동안 아이비엠 컴퓨터의 막강한 시장 점유율에 의해 널리 보급되었고, 아직도 아이비엠의 후광을 입고 있어 쉽게 사라지지 않을 것으로 보인다.
어떻게 보면 현재 네트웍 기술의 중심사상이 된 계층화의 개념을 비롯하여, 중요기술과 개념들이 상당 부분 아이비엠의 SNA로부터 출발했다고 봐도 무리는 아닐듯 싶다. 최근 아이비엠 자체의 시장점유율 하락에 따라 SNA에 근거한 프로토콜의 사용도 줄어들 것으로 생각할 수 있으나, 아직은 프로토콜을 공부할 때 SNA를 빼놓을 수 없다.

우리가 프로토콜을 분류할 때 상위계층 프로토콜과 하위계층 프로토콜로 구분하는데 여기서 상위계층 프로토콜은 통신의 이용자가 손쉽게 통신을 이용할 수 있도록 해 주는 역할을 수행하는데 반하여, 하위계층은 실제 통신이 어떻게 효과적으로 정확하게 정보를 전송할 수 있게 하느냐에 관심이 있다. 어떻게 보면 통신의 최종 이용자에게 보이는 것은 상위계층 중에서도 가장 상위계층인 응용계층 (OSI인 경우 제7계층)뿐이고, 나머지 계층들은 응용계층이 운용되는데 필요한 각종 서비스를 제공하는데 불과하다.
전자우편, EDI, 메시지 핸들링 시스템, FTAM(File Transfer Access and Management)등은 모두 응용계층 프로토콜에 속한다. 따라서 네트웍의 단순한 이용자는 이러한 응용계층의 프로토콜 이용법만 공부하면 네트웍을 이용하여 원하는 정보전송을 행할 수 있으나, 네트웍의 설계 운용자들은 그 이하 계층의 프로토콜을 공부해야 한다.
한국적인 통신 프로토콜의 개발은 국제 표준과의 문제 때문에 의미없는 일이지만 모든 프로토콜 제품을 돈을 주고 사와야 하는 현실을 생각할 때, 통신 소프트웨어에 많은 관심을 기울여야 함은 당연한 일이다. 다른 일반 응용 소프트웨어에 비해 통신 프로토콜 제품의 가격이 상대적으로 높고 따라서 국내 개발 자체가 더 높은 부가가치의 창출을 의미하기 때문이다.

6. PDU(Protocol Data Unit)

프로토콜 이용자 정보를 실어나르기 위해서는 프로토콜 데이타 유니트(PDU: Protocol Data Unit)를 사용한다. 즉 PDU는 물건을 운반할때 상자 단위로 포장하여 운반하는 것과 같이 프로토콜이 정보의 운반을 위해서는 PDU라는 상자를 이용한다. 우리가 상자 단위로 물건을 포장하여 운반할때 그 상자마다 물품의 내용이나 발송처 수신처 등을 표기하는 것과 마찬가지로 PDU에도 이용자 정보뿐만 아니라 정보의 발신처, 수신처등의 주소와 전송등에 에러의 발생이 있었는지를 점검하기 위한 정보 그밖에 흐름제어 등을 위한 정보등이 같이 들어가게 된다.

계층화된 프로토콜에서는 계층마다 PDU이름을 독특하게 붙여 사용하는 경우가 있다.
계층2 PDU는 프레임(Frame), 계층3 PDU는 패킷(Packet), 계층4 PDU는 세그먼트(Segment)등으로 부르는 것이 일반적이다. 이러한 특별한 이름이 없는 경우에는 그냥 몇 계층의 PDU라고 부르게 된다. 그리고 세그먼트라는 PDU이름은 TCP에서 사용하는 경우가 많다.

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2. 전파와 이동통신

 

Digital Cellular System
Cellular System의 기본 개념
Cellular Communications 개요
Cellular 이동통신의 종류
다양한 무선통신 방식
Cellular란?
셀확장
주파수 재사용 계수
FDMA의 기본개념
이동전화망과 무선기지국
이동통신 기술현황
이동통신 안테나
이동통신의 발전
전파란 무엇인가?
주파수란 무엇인가?
주파수는 보이지 않는 통신로
전파의 발생
전파와 주파수(1)
전파와 주파수(2)
전파의 성질(1)
전파의 성질(2)
주파수의 성질
휴대폰 이야기
이동전화 서비스별 기술비교
Radio Site Design Considerations
Smart Antenna 개요

 

Digital Cellular System

기존 아날로그 시스템의 제한된 용량 및 낮은 서비스 품질과 성능등으로 인하여 새로운 시스템의 출현이 필요하게 되었다. 아날로그 시스템으로는 AMPS, TACS, NMT등이 있고 디지탈 시스템으로는 GSM, CDMA, TDMA, PDC, DAMPS등이 있다.
디지탈 시스템은 음성이 모두 코드화 되므로 보안성이 높고 에러 정정이 용이 하며(음성 품질이 높음) 간섭에 강하고 아날로그에 비해 용량이 크다는 장점이 있다. 디지탈 방식에서 사용되는 다중 접속 방법으로는 CDMA와 TDMA가 있으며 각 채널의 용량은 주파수 대역폭과 할당된 시간에 의해 제한된다.
디지탈 방식의 셀룰라 이동 통신에도 Multipath와 Fading, 주파수 재사용에 의한 문제가 발생할 수 있다. CDMA는 주파수 재사용의 제약을 받지 않지만 TDMA의 경우 주파수를 재사용하기 위해서는 동일한 주파수를 사용하는 셀간의 거리가 간섭의 영향을 받지 않을 만큼 충분히 멀어야 한다.

1. GSM

GSM은 1928년부터 개발되기 시작했으며 최초의 GSM(Group Special Mobile)은 CEPT(Conference of European Posts and Telegraph)가 구성한 개발 그룹의 명칭이었다. GSM은 범유럽에서 사용 가능한 900MHz 대역에서 운용되는 셀룰라 시스템으로 특징은 아래와 같다.

- 높은 음성 품질
- 저렴한 서비스 비용
- International Roaming 지원
- 주파수 대역 사용 효율 향상
- ISDN 호환

GSM은 ETSI(European Telecommunication Standards Institute)가 1989년에 승인하여 이후 크게 상용화 되었다. GSM은 MS(Mobile Station), BSS(Base Station Subsystem), NSS(Network & Switching Subsystem), OSS(Operation Subsystem)으로 구성된다.

1) MS는 단말기와 SIM(Subscriber Identity Module)로 구성되며 SIM에는 가입자 정보가 저장되어 있다. SIM을 이용하면 자신의 단말기가 아니더라도 통화가 가능하게 된다.
2) BSS는 BSC(Base Station Controller)와 BTS(Base Transceiver System)으로 구성되며 NSS에 연결된다.
3) NSS는 MSC(Mobile Switching Center)와 HLR(Home Location Register), VLR(Visitor Location Register)로 구성되며 가입자의 통화를 위한 대부분의 기능을 수행한다. HLR과 VLR은 모두 데이타 베이스이지만 HLR은 홈교환국의 가입자용이고 VLR은 타교환국의 임시 방문 가입자용이라는 점에서 다르다.
4) OSS의 기능은 Network Operation and Maintenance, Subscription Management, Charging and Billing Management로 요약된다.

GSM은 TDMA 방식을 사용하며 통화를 Time Slot 단위로 분리한다. GSM 한 채널은 200KHz의 대역폭을 가지며 8개의 Time Slot으로 분할된다. GSM을 Upbanded시킨 PCN은 DCS1800으로 불리기도 하며 1800MHz 대역에서 운용된다. 기본적으로는 GSM방식에 기초하고 있으며 DCS1800과 프로토콜은 같지만 운용 주파수 대역만 다른 DCS1900도 있다. DCS1800도 SIM을 사용하므로 이론적으로는 GSM과 로밍이 가능하다.
PCN과 GSM 모두 단문 수신 기능(SMS)과 SMS를 응용한 OTA, CBC(Cell Broadcasting), 데이타 전송과 인터넷 접속을 위한 데이타 서비스 기능등을 지원한다.
GSM에서는 Frequency Hopping 방식이 사용되므로 도청이 매우 어렵고 사업자는 각 가입자별로 보안 등급을 설정할 수 있다. GSM의 음성 압축 기술 특성상 Round Trip Delay가 존재하는데 약 100ms정도의 지연 현상이 발생한다. 이러한 지연 현상은 사용자가 인지할 만큼 심각하지는 않지만 크게 말할수록 지연이 많이 생길 가능성이 있다.(약 200ms) 또한 TDMA의 특성상 Multipath에 의한 Phase Cancellation은 Fading을 발생시키고 Signal Power를 낮춤으로 해서 신호 품질의 저하를 가져올 수 있다.

2. CDMA

CDMA는 간섭에 강하고 도청이 불가능하다는 특성으로 인하여 원래 군용 통신에서 사용되었다. CDMA에서 각 가입자는 주파수나 시간에 의해 구분되지 않고 고유한 Code에 의해 구분이 되며 모든 가입자는 동일한 주파수 대역을 공유한다. CDMA에서 코드는 단말기와 기지국이 서로 알고 있는 것이며 Pseudo Random Code Sequence라 한다.
1993년 TIA에 의해 승인된 CDMA는 IS-95 규격을 따르며 각 반송파는 1.25MHz의 대역을 가진다. CDMA는 대역 확산 방식을 사용하는데 원래의 신호보다 훨씬 넓은 대역으로 정보를 확산시켜 전송한다. 즉 9600bps의 신호가 1.25Mbps로 확산되는 것이며 이때 확산이란 원신호에 또 다른 디지탈 코드를 적용하는 것을 의미한다. 수신단에서는 1.25Mbps로 확산된 신호에 다시 송신단에서 적용하였던 똑같은 디지탈 코드를 적용하여 9600bps의 원신호로 복구하게 되는 것이다. 신호를 넓은 대역으로 확산하므로 확산된 이후에는 단지 Noise Floor 처럼 보일 뿐이며 확산시에 적용한 디지탈 코드를 모르면 복조가 불가능 하므로 도청이 어렵다.
한 네트웍내의 기지국들은 서로를 구분하기 위해 주어진 시간에 서로 다른 코드의 일부분을 전송한다. 다시 말하면 기지국은 PN Code의 Time Offset Version을 전송하며 이 Time Offset이 상호 독립적이기 위해서 기지국은 모두 동기화된다. 동기화에는 GPS(Grobal Positioning System)가 사용되며 위성에서 기준 시간, 위도, 경도등의 정보를 받는다. CDMA의 장점은 아래와 같다.

- AMPS에 비해 8~10배, GSM에 비해 4~5배의 용량을 가진다.
- 음성 품질이 높다.
- 모든 셀이 동일한 주파수를 사용하므로 주파수 계획이 용이하다.
- 보안성이 높다.
- 주파수 대역 이용 효율이 높다.

3. 기타 디지탈 이동 통신 방식

1) CT2 : CT2는 Codless Telephone 2nd Generation의 약자이며 가정용 무선 전화용으로 개발되었다. 기지국에서 반경 300m 정도까지 통화가 가능하며 핸드오프 기능은 지원하지 않는다. 즉 셀룰라 이동 통신과는 달리 기지국 가까이에 있어야만 통화가 되며 최초에 통화를 설정한 기지국의 반경을 벗어나면 통화는 절단되는 것이다. CT2는 옥외형 이동 통신용이라기 보다는 빌딩내 사무실용으로 적합하다. CT2는 1GHz 대역의 주파수를 사용하며 디지탈 음성 코딩을 사용하므로 보안성이 높고 음성 품질이 매우 우수하다.

2) DECT : DECT는 Digital European Cordless Telecommunications의 약자이고 CT2보다 서비스에 유연성이 많다. CT2가 40개의 반송파에 반송파당 1개의 음성 채널로 총 40개의 음성 채널을 갖는데 비해 DECT는 10개의 반송파에 반송파당 12개의 채널을 가지므로 총 120개의 음성 채널을 가진다.

3) PHS : PHS는 Personal Handyphone System의 약자로 일본에서 개발되어 동남아 지역으로 보급된 시스템이다.

Cellular System의 기본 개념

 

1.       How Wireless Works?

당신이 이동 단말기로 통화를 시도하게 되면 저출력의 무선 신호가 가장 가까운 곳에 위치한 기지국으로 전송되고 기지국은 교환기로 신호를 전송한다. 무선 통신에서는 각 가입자를 무선 주파수로 구분(FDMA 방식)하게 되며 서비스 지역은 작은 셀로 구분되어 있다.
셀은 반경이 아주 작은 것부터(빌딩) 수십 마일에 이르는 큰 셀이 있으며 각 셀에는 무선 송수신기와 안테나 장비를 갖춘 기지국이 있다. 주파수는 인접 셀에 간섭을 주지 않는 범위내에서 재사용 될 수 있는데 이는 출력을 최소로 유지함으로써 가능한 것이다.
채널이 100개라는 것은 100 가입자의 통화를 동시에 지원하는 것을 의미하며 주파수 재사용으로 인하여 수용 가능한 가입자 수는 채널수에 비해 훨씬 많게 된다. 가입자가 셀의 가장 자리 지역으로 가면 기지국은 신호가 약해짐을 인식하여 자동으로 다른 셀로 호를 전환시켜 준다.(Handoff) 또한 가입자가 홈교환국의 범위를 넘어 다른 교환국으로 이동하게 되면 로밍 서비스가 제공된다.
최근에는 위성을 이용한 이동 통신 방식이 시도되고 있으며 위성을 이용하게 되면 전세계 어디에서도 서비스를 받을 수 있게 된다.

2. Cell의 개념과 셀룰라 시스템의 기본 구조

Citizen Radio의 경우 고출력의 기지국이 넓은 지역을 커버하며 한개의 안테나로 서비스를 하므로 안테나는 도시의 가장 높은 지역에 설치되어야 한다.(Broadcasting 방식) 이와 달리 셀룰라 이동 통신에서는 서비스 지역을 작은 지역적 단위인 "셀"로 나누게 되는데 셀은 한 기지국이 커버하는 영역을 의미한다. 셀의 크기는 가입자의 밀도에 따라 변화될 수 있으며 통상 가입자의 밀도가 높아질수록 셀의 크기는 작아진다. 하지만 가입자 수용 용량을 늘리기 위해 셀의 크기를 무한정 줄이는 것은 인접 셀간의 간섭으로 인하여 불가능하다.
셀의 용량을 증가시키기 위해서 셀을 쪼개는 Cell Splitting 방법도 있다. 셀의 모양을 육각형으로 나타내는 이유는 평면에 겹치는 공간이 없이 도식화 하기 위한 것이며 실제로는 육각형 형태를 띄지는 않고 주위의 환경 조건에 따라 계속 변한다. 이상적으로 셀의 모양은 원형이며 육각형은 원형에 가깝게 도식화 하는데 편리하다.
가입자는 기지국의 신호를 수신하는 지역에서만 통화가 가능하고 이때 기지국의 신호는 일정 품질의 통화가 가능할 만큼의 세기를 가져야 한다. 가입자가 셀간을 이동하더라도 호는 핸드오프 되므로 통화는 끊기지 않는다. 통화가 이루어지는 동안 기지국은 단말기로부터의 신호 레벨을 계속 감시하는데 가입자가 셀의 경계 지역으로 이동하여 신호 레벨이 임계치에 도달하면 기지국은 이 사실을 MSC로 알린다.
MSC는 주위의 기지국에 단말기의 신호 레벨을 측정하도록 지시하고 가장 신호가 강한 기지국이 이를 제어하도록 한다. 핸드오프 과정이 완료되면 가입자의 새로운 위치 정보가 MSC로 보내어져 HLR에 저장된다. 핸드오프는 보통 0.4초내에 이루어지므로 가입자는 통화의 단절을 느끼지 못한다.
통화를 위한 모든 신호의 전송과 연결을 담당하는 것은 MSC(Mobile Switching Center)이다. 이 MSC는 PSTN과 연결되며 통화의 연결 뿐 아니라 통화의 제어 기능도 한다. 즉 MSC의 주요 기능은 Call Processing, Traffic Management, Call Transferring이다. MSC에는 HLR(Home Location Register)이 연결되어 가입자가 현재 어디에 위치하고 있는지 파악할 수 있으며 각 기지국은 교환기에 연결이 되어 MSC의 제어를 받는다. 기지국의 무선 신호는 안테나를 통해 전송되고 기지국은 단말기와의 Interface를 담당한다. 단말기는 송수신기와 제어부로 구성되고 송수신기는 전기적 임펄스 신호를 무선 신호로 상호 변환하는 역할을 한다.

3. Call Flow

이동 통신에서 호발신 과정은 다음과 같다.

- 이동 단말기가 통화를 원하는 번호로 다이얼링을 한다.
- 기지국은 단말기의 무선 신호를 받는다.
- 교환기는 기지국으로 부터 신호를 받아 다른 셀이나 PSTN으로 Call을 Switching한다.

위 과정에 대해 좀더 자세히 알아 보도록 한다.

1) Scan Control Channel : 단말기는 인접 기지국에서 발송되는 가장 강한 신호를 찾는다.
2) Choose Strongest Signal : 가장 강한 신호를 찾아 접속을 결정한다.
3) Send Origination Message : 가입자는 번호를 다이얼링 하는데 이때 MIN(Mobile Identification Number)와 ESN(Electronic Serial Number)이 함께 전송된다.
4) Get Channel Assignment : 교환기가 가입자의 인증 과정을 거친 후 기지국은 단말기로 채널 할당 메세지를 전송한다.
5) Begin Conversation : 단말기는 할당된 채널을 사용하여 통화를 시작한다.

호의 수신 과정은 아래와 같다.

1) 이동 통신 가입자나 PSTN 가입자가 이동 가입자에게 전화를 하면 MSC는 그 번호가 어느 가입자의 번호인지를 판단한다.
2) MSC는 가입자의 위치를 파악하기 위해 기지국으로 하여금 Paging 신호를 발신하게 한다.
3) 단말기는 계속 기지국의 호출을 Scanning하고 있으므로 자신의 번호가 호출되면 가장 가까운 기지국으로 ESN과 MIN을 보낸다.
4) 기지국은 이 ESN과 MIN을 MSC로 보내어 인증 과정을 거치고 MSC는 기지국으로 하여금 채널을 할당하도록 지시한다.
5) 채널이 할당되었음을 통보받은 단말기는 Ring Signal을 발생시킨다.
6) 통화가 개시된다.

4. Frequency Reuse

D >= (3M) ^ (1/2)
M = i^2 + ij +j^2

R : 셀의 반경
D : 간섭 거리
M : Cluster Size
i, j : Shift Parameters

간섭을 피하기 위해서는 주파수를 재사용하는 셀과 충분한 거리로 띄워져야 하고 동일한 클러스터 내에서 주파수는 재사용될 수 없다. 즉 셀간 거리가 D 이상이면 주파수 재사용이 가능하다. Cluster는 통상 7개 또는 12개의 셀로 구성된다.

5. Eavesdropping

셀룰라 이동 통신은 무선을 이용하므로 유선을 이용하는 일반 전화기에 비해 도청될 가능성이 높다. 이를 방지하기 위해 사업자는 각 가입자에게 MIN을 할당하며 단말기 제조 업체는 각 단말기에 ESN을 부여한다.

1) MIN(Mobile Identification Number) : MIN은 보통 10 digit의 숫자를 가지며 유선 가입자의 전화번호 체계와 동일하다. 사업자는 MIN을 바꿀수도 있다.
2) ESN(Electronic Serial Number) : ESN은 32 bit binary number이며 한번 할당되면 변경이 불가능하다.
서비스에 가입을 하게 되면 가입자의 MIN이 할당되고 단말기의 ESN과 함께 데이타 베이스에 저장된다. 이로써 가입자가 통화를 시도할 때마다 인증이 가능하게 된다.

Cellular Communications 개요

Cellular 이동통신은 저출력의 송신기로 "Cell"(가장 기본적인 서비스 지역)을 커버하는 시스템으로 가입자 밀도에 의해 출력 레벨이 조절될 수 있다.
가입자가 셀간을 이동할때 Call은 "Handoff"되므로 끊김없이 서비스를 받게 되며 Channel 주파수는 일정 거리를 띄우면 재사용할 수 있다. Cell은 가입자 증가에 따라 용량을 늘일수 있으며 겹치는 형태로 구성이 가능하다.

1. 이동통신의 원리

각 가입자는 통화를 위해 분리된 임시 할당 채널을 사용하며 한대의 기지국은 다수의 가입자를 지원한다. 보통 채널은 송신과 수신을 위한 두개의 채널로 구성되는데 기지국에서 단말기로의 송신 채널을 Forward Link라고 하고 단말기로부터의 수신 채널을 Reverse Link라고 한다.
초기의 이동통신 서비스는 TV 방송처럼 한개의 고출력 송신기를 높은 지역에 위치시켜 두고 넓은 지역을 커버하는 형태였지만 Cellular의 개념이 도입되기 시작하면서 부터 여러개의 저출력 송신기가 서비스 지역 전역에 걸쳐 분포하게 되었다. 즉, 한개의 고출력 송신기 대신 여러개의 송신기를 사용함으로써 용량의 증가를 가져오게 되었고 주파수를 재사용함으로써 주파수 이용 효율을 높이게 된 것이다.

2. Cellular 개념

모든 셀에서 주파수는 재사용되며 인접 셀간의 같은 주파수는 서로 간섭을 일으킬수 있으므로 간섭을 일으키지 않을 만큼 이격거리를 둬야한다. 그러나 간섭은 셀간의 거리에 따라 발생한다기 보다는 송신기의 출력에 의해 좌우된다.
송신기의 출력은 서비스 커버리지를 결정하는 중요한 요인이며(출력과 커버리지는 비례) 서비스 커버리지를 줄이면 셀내의 가입자는 증가된다. (커버리지와 가입자수는 반비례) 셀룰라 이동통신에서는 다수의 저출력 송신기를 이용하여 "Cell"로 분할된 서비스 지역을 커버하며 출력 레벨은 가입자의 밀도나 서비스 커버리지에 따라 조절될 수 있다. 한개의 Cell Cluster에서 사용된 주파수는 다른 셀에서 재사용 될 수 있고 가입자가 셀간을 이동하더라도 Call은 Handoff되므로 계속 통화를 유지할 수 있게 된다. 가입자는 서비스 지역내에 있을때만 통화가 가능하며 단말기는 기지국을 통하여 통화를 할 수 있다. 채널은 송신용 주파수와 수신용 주파수로 이루어 진다.

3. Cellular 시스템의 구조

기존의 이동통신 방식에 대한 용량 부족 현상과 품질 향상 요구은 계속 증대되고 있으나 주파수 스펙트럼은 한정되어 있으므로 셀룰라 이동통신의 발전을 위해서는 주파수의 효율적인 사용이 가장 중요하게 되었다. 셀은 크게 Urban과 Rural용으로 구분될 수 있으며 각 지역의 특성에 맞게 셀의 사이즈나 Cell Splitting이 결정된다. 셀을 설계할 때는 Cluster와 주파수 재사용, Handoff등을 모두 고려하여야 한다.

1) Cell
Cell은 셀룰라 시스템의 가장 기본적인 지역적 단위(한대의 기지국이 커버하는 지역)를 의미하며 편의상 육각형으로 표시된다.(실제는 육각형이 아니며 원형에 가까움)

2) Cluster
Cell의 집합을 Cluster라고 하며 동일한 Cluster내에서는 주파수 재사용이 불가능하다.

3) 주파수 재사용
Frequency Reuse의 개념은 주파수를 작은 지역적 단위로 할당하는 것에서 비롯되었다. 각 셀은 인접 셀과는 완전히 다른 채널들을 할당받으며 주파수가 재사용될 수 있는 거리는 간섭이 일어나지 않을 만큼 충분히 멀어야 한다.

Frequency Reuse Factor = 1 / (가용 주파수의 수)

4) Cell Splitting
한 셀의 가입자 용량이 한계에 도달하면 더 작은 셀로 나눔으로써 셀 용량을 증가시킬 수 있다. 보통 가입자 밀도가 높은 Urban 지역은 셀의 크기가 작고 가입자 밀도가 낮은 Rural 지역은 셀의 크기가 크다.

5) Handoff
Handoff는 가입자가 Cell간을 이동할때 발생하며 인접 셀로 자동적으로 Call이 전환되는 것을 말한다. 가입자가 셀의 가장자리 부분으로 갈수록 수신 신호의 세기는 약해지게 되며 이를 감지한 기지국은 교환국에 Handoff를 요구하게 된다. 교환국은 보다 강한 신호를 찾아 그 셀의 신호를 가입자에게 할당한다.

4. Analog Cellular System

Cellular 이동통신 시스템은 1970년대 후반 전화 사업자와 정부, 장비 생산자간에 논의되기 시작했으며 시스템 개발에서는 주파수와 채널 할당, 변조방식, 출력 신호 레벨, 프로토콜, Call Processing Sequence등이 고려되었다.

1) AMPS(Advanced Mobile Phone Service)
AMPS는 1983년 개발되었으며 800MHz~900MHz에서 운용되고 각 채널은 30KHz의 대역폭을 가진다. AMPS는 현재 세계적으로 가장 널리 보급되어 있으며 출력을 낮추어 주파수 재사용의 개념을 최대한 활용한 시스템이다. AMPS의 주요 단점은 저용량이며 데이타 통신에 취약하고 보안성이 약하다는 점이다. AMPS는 주로 북미에 많이 보급되었으며 FM 변조 방식을 사용한다.

2) NAMPS(Narrowband Analog Mobile Phone Service)
NAMPS는 AMPS의 용량 부족 문제를 해결하기 위해 개발되었으며 용량은 AMPS의 3배에 이른다. NAMPS는 AMPS의 30KHz 대역을 10KHz 3개로 나눈 것이며 채널 대역폭이 줄어듦으로써 간섭 발생 확률이 증가한다.

5. Cellular System의 구성

셀룰라 시스템은 다음의 네가지 요소로 구성된다.

- PSTN : Public Switched Telephone Network
- MTSO : Mobile Telephone Switching Office
- Cell Site with Antenna System(Base Station)
- Mobile Subscriber Unit

1) PSTN
PSTN은 Local Network, Exchange Area Network, Long-haul Network등으로 구성된다. MTSO(Mobile Telephone Switching Office)는 교환기이며 MSC(Mobile Switching Center)로 부르기도 한다. MSC는 PSTN 및 기지국과 연결되어 Call Control, Call Monitoring, 과금정보 수집등의 역할을 수행한다.

2) Cell Site
Cell Site는 전원 장비, Interface 장비, 송수신기와 안테나로 구성된다.

3) Mobile Subscriber Unit(MSU)
단말기는 제어부와 송수신기로 구성되며 기지국과 신호를 주고 받는다. MSU는 출력에 따라 Mobile Phone(4.0W), Portable Phone(0.6W), Transportable(1.6W)로 구분할 수 있다. 단말기는 차량용, 휴대용이 있으며 단말기의 크기는 주로 밧데리의 수명에 의해 좌우된다.

6. Digital System

이동통신의 가입자가 점차 증가함에 따라 Call Blocking이 발생할 확률이 증가하였고 이러한 문제는 품질과도 관련되어 있었으므로 시스템의 용량 증가는 필수적으로 되었다. 시스템의 용량 부족을 해결하기 위해 이동통신 시스템을 디지탈화하는 방안이 강구되었으며 그 결과로 TDMA, CDMA, GSM등 많은 방식이 등장하였다. 하지만 사업자들이 이미 많은 자본을 AMPS에 투자한 상태이므로 기존 AMPS 시스템을 활용할 수 있는 DAMPS 같은 방식이 고려되기도 했다.

1) AMPS
AMPS의 한채널당 대역폭은 30KHz이며 음성 품질이 낮고 보안성도 떨어진다.

2) DAMPS
DAMPS는 AMPS와 동일한 프로토콜을 사용하며 주요 특징은 다음과 같다.

a)IS-54 규격(Digital Voice Channel)
b)AMPS 용량의 3배
c)800MHz~1900MHz까지 다양한 스펙트럼 대역

TDMA는 각각의 Call에 Time Slot을 할당하여 하나의 주파수 대역을 다수의 사용자가 공유할 수 있도록 한다. 정보는 할당된 Time Slot 동안만 전송이 되며 수신단에서 재조합된다. TDMA는 AMPS와 동일한 대역을 사용하며 채널 대역폭도 같지만 NAMPS와 달리 디지탈 압축 기술을 사용한다.

3) ETDMA(Extended TDMA)
ETDMA는 AMPS에 비해 10~15배의 용량을 가지며 이는 통화중 침묵하는 시간을 효율적으로 이용함으로써 가능해졌다. ETDMA는 TDMA보다 할당된 Time Slot이 많다.

4) FWA(Fixed Wireless Access)
FWA는 Rural 지역을 서비스하기 위해 개발되었으며 유선에 비해 가입자당 비용이 줄어든다. 이는 기존의 유선망에서 교환기로부터 가입자까지 연결된 유선을 무선으로 대치한 것이며 TDMA 또는 CDMA 기술을 응용한다.

5) PCS(Personal Communications Services)
PCS는 통상 1900MHz 대역을 사용하며 TDMA 또는 CDMA 기술을 응용하여 구현된다.

6) CDMA(Code Division Multiple Access)
CDMA는 AMPS에 비해 10~15배 정도의 용량을 가지며 Spread Spectrum 방식을 이용한다. 각 가입자는 Code에 의해 구분되므로 동일한 주파수를 사용하게 되고 주파수 재사용 문제가 없다. 모든 셀은 동일한 주파수를 공유하므로 주파수 재사용 계수는 1이며 각 채널은 1.25MHz의 넓은 대역폭을 가진다. 이러한 특징으로 인해 CDMA에서는 Cell Planning이 매우 간단하다.
CDMA는 간섭에 의해 용량이 결정되며 같은 셀내의 가입자는 서로 간섭을 일으킬 수 있다. 만약 셀내에서 어떤 가입자의 단말기가 규정 이상의 출력을 발생하게 되면 이는 셀 전체에 부하를 가중시키게 되므로 CDMA에서는 전력제어가 매우 정교하게 이루어져야 한다. 각 단말기의 출력은 최소로 유지되어야 하며 이상적으로는 각 단말기의 출력이 모두 동일하게 되면 용량이 최대가 된다.

Cellular 이동통신의 종류

 

이동 통신은 넓은 지역에 걸쳐 가입자가 빠른 속도로 이동하는 중에도 통화가 가능하게 하기 위한 것이다. 이동 통신이 더 많이 보급되기 위해서는 기지국의 비용을 낮추고 가입자 수용 용량을 높이고 음성 품질을 높여야 한다.
이 글에서는 셀룰라 이동 통신의 여러 방식을 살펴 봄으로써 이동 통신에 대한 이해를 돕고자 한다.

1. Analog Cellular

아날로그 통신에서 음성 신호는 무선상에서 연속적으로 전송된다. 음성 신호는 공기중을 전파해 가면서 거리에 따라 약해지므로 네트웍내의 장비들이 신호를 원래 신호의 세기로 중계해 주거나 증폭하여 준다.

1) AMPS(Advanced Mobile Phone System)
1970년대 Bell Labs에 의해 개발되었으며 1983년 미국에서 최초로 상용화 되었다. 800 MHz 대역에서 운용되며 현재 세계에서 가장 널리 보급되어 있다.
AMPS에는 총 666개의 채널이 있었으며 이는 Uplink와 Downlink 채널의 합이므로 그의 절반은 333 채널이다. 이중 21개가 Control Channel로 사용되므로 음성 채널로는 312개가 쓰인다. 각 채널은 30KHz의 대역폭을 가지며 주파수 대역을 추가 할당하여 666개의 채널에 166 채널이 더해져 현재는 총 832개의 채널(EAMPS : Extended AMPS)이 되었다. (824~849MHz와 869~894MHz에 각 50MHz씩 할당되어 있음)
각 채널이 주파수로 구분되는 FDMA(Frequency Division Multiple Access) 방식을 사용하며 변조 방식은 FM이 사용한다.

2) C-450
Motorphone이라고도 하며 Vodacom에 의해 남아프리카에 1980년대에 설치되었다.

3) C-Nezt
독일에서 주로 쓰였으며 450 MHz 대역에서 운용된다.

4) N-AMPS(Narrowband Advanced Mobile Phone System)
Motorola가 개발하였으며 AMPS에 비해 3배의 용량을 가지며 800MHz 대역에서 운용된다. AMPS의 각 채널이 30KHz 대역을 갖는데 비해 NAMPS의 각 채널은 10KHz의 대역폭을 가진다.
NAMPS는 Dual-mode를 지원하며 AMPS, EAMPS와 호환성이 있다.

5) NMT450(Nordic Mobile Telephones/450)
Ericsson과 Nokia가 북유럽 지역에 보급하기 위해 개발하였고 450MHz 대역에서 운용된다.

6) NMT900(Nordic Mobile Telephones/900)
NMT450을 900MHz 대역으로 Upband시킨 것이며 NMT450 보다 더 큰 용량을 가진다.

7) NTT(Nippon Telegraph and Telephone)
일본의 아날로그 이동 통신의 표준 방식이며 큰 용량을 가진다고 하여 HICAP이라고도 부른다.

8) TACS(Total Access Communications System)
Motorola에 의해 개발되었고 AMPS와 유사하며 900MHz 대역에서 운용된다. 1985년 영국에서 처음 사용되었으며 일본에서는 이를 JTAC라 부른다. 1000개의 채널을 가지며 각 채널의 대역폭은 25KHz이다.
이후 ETACS(Extended TACS)로 발전되었는데 ETACS는 1320개의 채널(42개의 Control Channel + 1278개의 음성 채널)을 가진다.
ITACS(International TACS)는 영국 이외의 지역에서 사용이 가능하도록 Control Channel 할당에 유연성을 부여한 것이다. 그외 TACS의 변형으로 IETACS(International ETACS), NTACS(Narrowband TACS : TACS보다 3배의 용량을 가짐)가 있다.

2. Digital Cellular

디지탈 통신에서 음성 신호는 1 또는 0으로 변환되어 전송되며 아날로그와 달리 전기 신호의 On/Off 펄스 조합 형태로 전송된다. 디지탈 이동 통신에서 가장 핵심이 되는 것은 음성 신호를 Coding 또는 Decoding하는 Vocoder 기술이다. 이 Vocoding 기술로 인하여 보안성이 높아지고 용량이 증대되는 것이다.

1) CDMA(Code Division Multiple Access)
Qualcomm에 의해 개발되었으며 1993년 TIA가 승인하였다. 대역 확산 통신 방식의 일종으로 저출력의 신호를 넓은 대역폭에 확산시켜 전송한다.
각 가입자는 고유의 Code를 할당받으며 이것으로 가입자(단말기)를 구분한다. 음성 신호가 디지탈화 되면 코드가 입혀지는데 이렇게 확산된 신호는 다른 여러 신호와 함께 하나의 채널에 실려 전송된다. 수신단에서는 발신시에 입혀진 코드와 동일한 코드를 사용하여 복조를 수행하며 만약 이 코드를 모를 경우 복조가 불가능하다.
CDMA는 가입자의 수용 용량이 매우 크다는 장점이 있으며 보안성이 높고 Soft Handoff를 지원한다. 규격은 IS-95이며 TDMA보다 3~6배 용량이 크다.
CDMA에서 가장 핵심이 되는 기술은 전력 제어로서 1.25ms마다 Power Control Bit가 단말기로 전송되어 단말기의 출력을 높이거나 낮춘다.
CDMA는 종종 칵테일 파티에 비유되는데 여러 나라에서 온 사람들이 한방에서 동시에 대화하고 있을 경우 서로 말이 통하는 사람들끼리는 대화가 가능하지만 외국어를 이해하지 못하는 다른 사람들은 이를 잡음으로 인식한다. 설사 잡음으로 인식하더라도 어떤 사람이 너무 큰 목소리로 이야기를 하게 되면 다른 사람들의 대화에 지장을 주므로 적당한 크기를 유지해야 하는데 이는 전력 제어의 원리이다.

2) D-AMPS(Digital AMPS)
AMPS를 디지탈 방식으로 바꾼 것이며 dual-mode를 지원하고 800MHz 대역에서 운용된다.

3) DCS1800(Digital Cordless Standard)
1800MHz에서 운용되며 GSM 방식이다. Dual-mode를 지원하지 않으므로 GSM 단말기로 DCS1800 서비스를 받을 수는 없다.

4) GSM(Global System for Mobile Communications)
범 Europe 표준 방식이며 TDMA에 기초하고 있고 900MHz 대역에서 운용된다. GSM 방식에서는 Frequency Hopping과 Encryption 기능이 사용되며 International Roaming이 가능하다. 이 국제 로밍을 위해서 고안된 것이 SIM(Subscriber Identification Module)이며 신용카드 크기의 플라스틱 카드에 가입자의 정보를 저장하여 어떤 GSM 단말기로도 통화가 가능하게 된다.

5) PCS1900(Personal Communications Service)
1900MHz 대역에서 운용되는 GSM방식이다. Dual-mode를 지원하지 않으므로 GSM 단말기로 PCS1900 서비스를 받을 수는 없다. 미국에서 PCS용으로 사용된다. PCS는 유럽에서 PCN(PErsonal Communications Network)으로 불리기도 하며 음성, 데이타, 팩스등 다양한 형태의 정보 전송이 가능하다.
PCS의 궁극적인 목적은 모든 가입자에게 고유의 번호를 부여하는 것이며 저렴한 비용으로 전세계 어디에서도 이동 통신 서비스를 받도록 하는데 있다.

6) PHS(Personal Handy System)
일본에서 개발되었으며 고속 데이타 서비스에 적합하다.

7) TDMA(Time Division Multiple Access) 또는 DAMPS(Digital AMPS)
1992년 TIA에 의해 채택되었고 1993년 미국에서 최초로 상용화 되었다. 각 가입자의 통화를 서로 다른 Time Slot에 할당하는 방법으로 용량을 늘리는 다중 접속 방식이며 전송 충돌을 방지하기 위해 모든 단말기는 동기화되어야 한다.
규격은 IS-54이며 미국에서는 ADC(American Digital Cellular) 또는 NADC(North American Digital Cellular)라고 한다. 일본에서는 JDC(Japanese Digital Cellular)라고 한다.
TDMA는 여러 명의 사람들이 동시에 한방에 모여 대화를 하려고 할 때 각각의 사람들에게 특정한 시간 동안(Time Slot)만 이야기 하게 하는 것에 비유될 수 있다. 이때 각각의 사람들에게 짧은 시간을 할당하여 순서대로 이야기할 권한을 부여하는 것은 MSC가 하는 역할이다.

다양한 무선통신 방식

 

1.       LMCS

사회가 정보화 되어감에 따라 보다 빠른 데이타의 전송을 요구하게 되고 이로인해 다양한 초고속망 서비스가 등장하고 있다. 그러나 기존의 유선망은 망구축에 있어서의 시간, 돈 그리고 인력이 많이 요구되기 때문에 이를 대체할 수 있는 무선 초고속망의 필요성이 제기되었다.
LMCS는 Local Multipoint Communication System의 약자로 20GHz 이상 전파 대역의 마이크로파를 이용하여 고속 디지탈 데이타를 가정이나 사무실에 무선으로 양방향 전송하는 시스템이며 저렴한 설치 비용, 신속한 망구축등의 장점을 가지고 있다.
LMCS 시스템의 주요 부분으로는 크게 LMCS 기지국과 가입자 장치가 있으며 기지국에서는 인터넷, 전화, 화상등이 복합되어 있는 수Mbps에 이르는 초고속 데이타 서비스를 제공하고 수km까지 떨어져 있는 가입자는 이를 가입자 장치를 이용하여 무선으로 제공받게 된다.

2. PCS

PCS(Personal Communication Services), 즉 개인휴대통신은 현재 서비스되고 있는 어떤 이동통신 서비스보다도 많은 첨단 기술이 집약된 새로운 이동통신 서비스라고 할 수 있다. 디지탈 기술과 마이크로셀 기술을 이용하여 셀룰라보다 통화 품질이 더 좋을 뿐 아니라, 데이타 통신등의 더욱 다양한 서비스를 더 많은 가입자에게 제공할 수 있다는 것이 PCS의 특징이다.
기존 셀룰라 대역보다 2배 이상 더 높은 1.8GHz 대역을 사용하는 PCS는 훨씬 더 짧아진 전파 도달 거리 때문에 셀룰라보다 더 작은 셀(마이크로셀)을 용이하게 설치할 수 있으므로 주파수 이용 효율이 더 높고 따라서 동일한 양의 주파수 자원으로 더 많은 가입자를 수용할 수 있게 된다. 결국 PCS는 셀룰라보다 고급 서비스를 더 저렴하게 일반 대중에게 공급할 수 있기 때문에 개인휴대통신이라는 이름이 붙게 된 것이다.
끊임없이 발전하는 이동통신의 진화 과정에서 볼때 PCS는 소위 제2세대 이동통신 시스템인 셀룰라와 조만간 가시화될 제3세대 이동통신 시스템인 IMT-2000의 중간 단계로 볼수 있다. 이러한 이유로 PCS를 2.5세대 이동통신으로 부르기도 한다.
현재 국내에서는 한국통신 프리텔을 비롯하여 LG텔레콤과 한솔PCS가 서비스를 제공하고 있으며 이들 3개사 모두 CDMA 방식을 채택하고 있다. 3사업자는 모두 전국 사업자이며 서비스 경쟁을 통하여 더 싸고 더 좋은 PCS 서비스가 제공될 것이다.

3. WLL

WLL(Wireless Local Loop)은 교환기와 가입자 단말기간에 무선을 이용하여 유선 가입자 선로와 동등한 품질의 서비스를 제공하는 시스템이다. WLL의 장점으로는 신속한 망구축, 지형 및 환경에 영향을 적게 받는 점, 경제적인 선로 유지보수 비용, 회선의 증설 및 재배치가 용이하다는 점을 들수 있다. 특히 WLL은 각종 재해로 인한 통신망 복구용, 기존 가입자의 유무선 이원화, ISDN 및 전용 회선 구성, 긴급 회선 구성에 용이하다.

4. CT2

CT2는 보행자 중심의 발신 전용 휴대 전화로서 이동 단말들의 저렴한 통신망 접속을 가능케 하며 대중화된 무선 호출 서비스와 함께 새로운 이동통신 서비스를 제공하기 위해 도입되었다. CT2 서비스를 위해 전국에 약 3만4천대의 기지국(Base Station)을 설치하고 이를 관리하기 위한 기지국관리 시스템(BMS:Base Station Management System)이 40여 시스템, 가입자 관리를 위한 가입자관리 시스템(SMS:Subscriber Management System)을 10여대 설치하여 운용중이다.
시티폰은 소형으로 휴대가 간편하며 소출력으로 인해 밧데리 수명이 길다. 또한 이용 요금이 저렴하며 동시에 우수한 통화 품질을 보유하였다.
국내에서 한국통신과 무선호출 사업자들이 CT2 서비스를 제공하였으나 PCS의 등장으로 인하여 시장을 잃게 되었고 발신 전용이라는 제약을 극복하지 못해 결국 사라질 것으로 보인다.

5. IMT-2000

IMT-2000은 애초 FPLMTS라는 이름으로 불리웠으며 고속의 데이타 및 멀티미디어 서비스를 포함하는 고품질의 다양한 서비스를 개인에게 할당된 고유번호를 통해서 제공하고 전세계적인 단말 이동성과 개인 이동성을 지원하는 차세대 이동통신 서비스이다.
IMT-2000은 광대역 CDMA를 채택하여 고속의 음성/데이타/영상 서비스를 제공하고 사용자 카드에 의한 개인 이동성 및 차세대 지능망과의 연동에 의한 다양한 지능망 서비스를 제공한다.
공식적으로 FPLMTS라는 이름이 나타나게 된 것은 1978년 ITU(International Telecommunications Union)에서 향후의 이동통신 표준을 단일화함으로써 이동통신 시스템 상호간의 호환성 문제를 해결하고 전세계적인 발전을 도모하기 위한 연구과제를 채택하면서부터이다. 이 연구과제의 제목이 Future Public Land Mobile Telecommunications Systems(미래공중육상 이동통신 시스템)이었으며 이것의 머릿글자를 따서 FPLMTS라 명명하게 되었다. 그러나 최근들어 FPLMTS라는 명칭을 IMT-2000(International Mobile Telecommunications 2000)으로 바꾸어 사용하고 있으며 여기서 2000은 FPLMTS가 사용하는 2GHz의 주파수 대역과 2000년경의 도입시기를 의미한다.
ITU의 권고안에 따르면 IMT-2000을 표준화하고 있는 첫번째 이유는 무선 전송 표준을 전세계적으로 통일하여 서비스 제공 지역을 최대화 하자는데 있다. 즉 서로 다른 이동통신 규격을 통일하여 하나의 단말기로 세계 어디서나 이동통신 서비스를 받을 수 있게 하자는 것이다. 다음으로 IMT-2000이 목표하는 바는 유선망에서 제공되는 수준의 고급 서비스를 무선망에서도 제공하자는 것이다. 따라서 데이타 전송률이 낮고 각 나라마다 규격이 서로 다른 기존의 셀룰라나 PCS, GMPCS(Global Mobile Personal Communications Services)등의 단점을 극복하고 영상 서비스등과 같이 높은 데이타 전송률을 필요로 하는 고급 서비스들을 제공하는 동시에 전세계 어디에서나 통신 서비스를 제공받을 수 있게 하려는 것이 바로 IMT-2000의 목표이다.

IMT-2000의 장점은 다음과 같다.

1) IMT-2000 시스템은 기존의 이동통신 시스템보다 경제적이고 대용량으로 구축된다.
폭발적인 이동통신 이용자의 증가 추세로 미루어 보아 엄청난 투자비가 소요되는 차세대 이동통신 서비스는 필연적으로 경제성 제고와 대용량화가 수반되지 않는다면 살아남을 수가 없으며 전세계적인 규격의 통일과 기술 발전에 수반되는 내재적인 대용량성으로 인해 이를 만족시킬 수 있다. 이로인해 현재의 유선전화 요금 수준과 큰 차이가 없는 고품질의 휴대전화가 조만간 상용화 될 것이다.

2) 완전한 단말 이동성과 개인 이동성이 제공된다.
IMT-2000은 초소형의 개인휴대 단말기를 사용하는 것은 물론이고 사용자 카드를 이용하게 되어 이 카드 하나만 가지고 있으며 모든 통신 서비스를 받을 수 있게 된다. 즉 세계 어디에 있던지 간에 IMT-2000 단말기를 빌려서 이 카드를 꽂기만 하면 전화를 거는것 뿐만 아니라 걸려오는 전화도 받을 수 있고 그 요금도 자신의 전화요금 고지서에 통합되어 부과된다. 여기에 부가되는 기능으로서 서비스를 실시간으로 선택하여 가입하고 이용 후에 곧 해지할 수 있는 기능이 수반된다.

3) 유선전화 수준의 통화 품질과 다양한 서비스를 이용할 수 있게된다.
IMT-2000이 상용화되면 휴대전화로도 음성 서비스를 비롯하여 다양한 부가 서비스 및 고속 데이타, 영상 서비스 등의 비음성 서비스도 이용할 수 있으며 궁극적으로 멀티미디어 서비스로 통합되어 초고속 광대역 서비스로 발전할 것이다.

Cellular란?

 

이동통신 기술이라는 것이 가입자가 자유롭게 이동하면서 통신을 할 수 있도록 하는 것이라면, 이러한 욕구를 달성시키기 위한 전송 수단으로는 통신을 하고자 하는 두 지점을 물리적으로 연결할 필요가 없는 전자파를 사용해야 할 것이다. 여기서 전자파란 넓은 의미의 전자파를 말하는 것으로 낮게는 수 KHz 정도의 낮은 주파수에서부터 높게는 적외선 레이저나 가시광선 레이저를 포함한 매우 높은 주파수의 전자파를 망라한 것이다.

전자파의 중요한 특징으로는 공기나 진공인 공간을 다른 매질이 없어도 전파할 수 있다는 것이다. 이러한 특징 때문에 정해지지 않은 곳으로 원하는 정보를 전송하기 위해서 사용 할 수 있다. 라디오나 텔레비전 같은 이미 우리 일상 생활에 깊숙히 파고 들어와 있는 방송 형태의 통신부터 디지틀 휴대전화와 같은 최첨단 양방향 통신기기등이 모두 전자파를 사용하고 있다.
방송과 같은 단방향 통신은 보내고자 하는 정보를 일방적으로 전자파를 통해서 보내고자 하는 전 지역에 방송하고 수신하고자 하는 가입자는 수신 가능 지역 내에서는 아무 곳에서나 단말기(라디오나 텔레비전)를 설치하면 보내는 정보를 수신할 수 있다. 이러한 단방향 통신은 가입자 수라는 개념을 전혀 고려할 필요가 없다.
그러나 휴대전화와 같은 양방향 통신은 이보다도 훨씬 복잡할 뿐더러 어떤 한 지역에서 통신을 할 수 있는 가입자 수가 여러가지 요인에 의해서 제약을 받는다.
대개 양방향 통신에서 가장 중요한 것은 통신의 상호 독립성이다. 즉 통신하고 있는 당사자 외에 다른 사람이 동일한 통신 내용을 수신할 수 없어야 한다. 이러한 요구 조건을 만족시키기 위해서 모든 양방향 통신 시스팀에서는 통화 채널이라는 개념을 이용하여 각각의 가입자가 서로 다른 통화 채널을 이용하여 통신을 할 수 있도록 한다. 즉, 모든 통신 시스팀은 각각의 방법으로 통신채널을 확보하여, 각각의 가입자에게 통신채널을 할당하게 된다.

이동통신에서는 전송수단으로 전자파를 이용하기 때문에 전자파의 특성에 의해서 채널수가 제한된다. 채널수와 관련된 전자파의 특징을 살펴보면 첫째로, 전자파는 공기중에 전파되면서 크기가 작아져서 어느 이상 거리가 멀어지면 신호의 크기가 너무 작아져서 수신이 불가능해진다. 둘째로 동일한 주파수를 동일한 장소에서 서로 다른 사용자가 동시에 사용할 수 없다. 즉, 동일한 주파수를 사용한다는 것은 서로 같은 채널을 사용하는 것과 같다. 물론 이러한 개념은 CDMA 방식에서는 조금 다르게 적용되지만, 서로 강한 간섭을 준다는 것은 마찬가지이다. 따라서 정해진 주파수 대역폭으로 가급적 많은 채널을 확보하기 위해 여러가지 기술이 적용되고 있다. 이러한 채널을 확보하기 위한 방법으로, 주어진 주파수 대역폭을 통신에 꼭 필요한 대역으로 잘게 나누어서, 각각의 가입자가 각각 쪼개진 작은 대역폭만 사용하는 주파수 분할 방식, 적당히 쪼개진 주파수 채널을 각 가입자가 일정 시간만 사용하게 하는, 즉 기존 전화망에서 PCM과 같은 방법으로 시간을 나누어서 사용하는 시분할 방식이 지금까지 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 동일한 주파수 대역을 사용하지만 전송하고자 하는 정보에 암호를 곱해주어 이 암호를 가지고 채널을 구분하는 부호분할 방식이 개발되어 있다. 이 모든 방법은 같은 주파수 대역폭으로 가능하면 더 많은 정보를 전송하기 위해 개발된 기술로, 즉, 주파수 이용효율을 높이기 위한 기술로, 크게 변복조 기술과 다중접속 기술로 나눌 수 있으며, 위에서 언급한 방법은 주로 다중접속 기술에 의해서 분류한 것이다.

그러나 이동통신 환경에서 매우 많은 가입자가 언제 어디서나 통화를 할 수 있도록 하기 위해서는, 이렇게 주어진 주파수 대역의 사용 효율을 높이는 방법만으로는 필요한 가입자를 수용하는데 한계가 있다. 첫째로 전자파가 도달되는 거리에 한계가 있기 때문이고, 둘째로는 많은 가입자를 수용하기 위한 채널수가 충분하지 않기 때문이다. 특히 이동통신 환경은 다른 무선통신 환경과는 달리, 가입자가 계속 이동하기 때문에 원천적으로 전자파 전파 환경이 통신 시스팀에서 제어가 불가능하여, 고효율의 변복조 방법을 사용하는데 한계가 있다.
이와 같이 서비스 지역의 제한과 가입자 수용용량의 한계를 극복하기 위해서 제안된 개념이 '셀룰라' 라는 것이다. '셀룰라'란 서비스 지역을 여러 개의 작은 구역, 즉, '셀'로 나누어서, 서로 충분히 멀리 떨어진 두 셀에서 동일한 주파수 대역을 사용하므로서 공간적으로 주파수를 재사용할 수 있도록 하므로서 공간적으로 분포하는 채널수를 증가시켜 충분한 가입자 수용용량을 확보할 수 있도록 하는 이동통신 방식을 말한다.

주어진 구역을 '셀'로 나누면, 어떻게 수용 가능한 가입자수가 증가할 수 있는지를 살펴보자.
이해를 돕기 위하여 간단한 주파수 분할 방식(FDMA)을 가정하여, 설명하도록 한다. 주어진 총 주파수 대역폭이 15MHz이고, 각 통화채널에 할당해야하는 대역폭이 30KHz이라면, 총 주파수 대역에서 얻을 수 있는 통화채널수는 15000/30 = 500 개가 된다. 이 500개의 채널을 이용하여 서울지역과 인천지역에 이동통신 서비스를 한다고 생각해 보자. <그림 1-1>와 같이 서울 지역을 서비스 하기 위해서 남산에 기지국 하나, 인천지역을 서비스 하기 위해서 부평 근처에 기지국을 하나 세우고, 두 지역에 이동통신 서비스를 제공한다고 하자. 만일 사용 가능한 총 500개의 채널을 모두 남산에서도 사용하고, 인천지역인 부평에서도 사용한다고 하면, 중간지역인 부천에서는 같은 채널의 신호가 인천쪽에서도 오고, 서울쪽에서도 도달하기 때문에 혼선이 발생하여 통화를 할 수 없을 것이다.

이런 혼선이 발생하는 문제점을 극복하려면 인천쪽인 부평 기지국에 채널 반(250채널)을 할당하고, 서울쪽인 남산 기지국에 나머지 반을 할당하여, 서울과 인천 지역에서 각각 서로 다른 채널을 사용하면, 부천에서 발생하는 혼선이 사라지게 된다. 즉, 서울/인천지역에서 총 500개의 채널을 사용할 수 있는 것이다. 그러나 만일 <그림 1-2>와 같이 서울지역을 7개의 작은 구역인 '셀'로 나누고, 인천지역도 7개의 셀로 나눈 다음, 주어진 총 통화채널을 7개로 나누어서, 각각의 셀에 500/7 ≒ 71개의 채널을 할당하고, 인천지역도 같은 방법으로 셀을 나누어서 각 셀에 71개의 통화채널을 할당하면 <그림 1-2>와 같이 같은 채널을 사용하는 구역이 각 셀의 반경에 비해서, 서로 멀리 떨어져 있으므로(A와 A' 사이), 서로의 간섭이 무시할 수 있을 정도로 작게 만들어 혼신의 염려가 없도록 한다. 즉, <그림 1-2>의 경우 서울, 인천지역에서 사용하는 총 채널 수는 1000개가 되어 <그림 1-1>의 경우와 비교해 보면, 사용할 수 있는 채널이 두 배로 증가했음을 알 수 있다. 이렇게 서비스 구역을 잘게 나누면 수용용량이 증가함을 알 수 있다.

 

여기서 만일 셀반경을 반으로 줄이면, 셀수는 4배로 증가하게 되고, 셀에 주파수를 할당하는 방법을 그대로 적용하면, 각 셀당 71개의 통화채널을 그대로 각 셀에 할당할 수 있으므로, 전체 서비스 지역의 통화채널수도 역시 4배로 증가하게 된다. 이와 같이 셀반경을 조절하여 통화채널 용량을 조절할 수 있으므로, 수요에 따라 셀반경을 설정하여, 가입자가 많아도 이를 수용할 수 있게 된다. 물론 무조건 셀 반경을 줄일 수 있는 것은 아니다. 시스템의 특성, 전파 환경등에 의해서 줄일 수 있는 한계가 있다. 이에 대해서는 다음에 살펴보게 된다. 이러한 셀룰라 개념을 도입한 이동전화 서비스가 지금의 한국이동통신과 신세기에서 서비스하는 셀룰라 전화이고, 셀반경을 줄일 수 있는 기술을 적용하여, 수용용량을 더욱 증가시킨 서비스 개념인 PCS도 이 셀룰라 전화의 일종이라고 생각하면 된다.

셀룰라에서 서비스 지역을 작은 셀로 나누고 셀 경계를 정하기 위해서 셀모양을 정의해야 한다. 실제 서비스 지역이 완전한 평면이라면 셀모양은 원형에 가깝다. 그러나 쉽게 생각 할 수 있는 원형의 셀은 평면적으로 배치할 수 없으므로 사용하기가 곤란하므로, 평면적으로 배치할 있는 다각형 형태를 사용하여야 한다. 평면으로 배치할 수 있는 다각형으로는 <그림 1-3>에서 보여주는 바와 같이, 삼각형과 사각형 그리고 육각형이 있다. 셀모양으로 삼각형과 사각형 그리고 육각형 형태의 셀을 배교해 보면 육각형 형태의 셀이 중첩되는 영역이 가장 적으므로, 가장 경제적인 셀배치를 할 수 있다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.  

셀확장

 

초기에 서비스 지역에 셀을 설계한 후에 가입자가 증가하게 되면, 증가한 가입자를 수용하기 위해서 추가로 셀을 늘려야 할 필요가 있다. 이를 <그림 1-7>에서 트래픽 밀집 지역이 넓어지는 경우에 대해서 보여 주고 있다. 이 경우 인접 지역의 셀이 존재하면, 이를 <그림 1-7>에서 보여주는 것처럼 셀을 분할하며, 영역을 확장한다.

또한 이미 서비스가 제공되고 있는 지역에서 트래픽이 증가하여 셀의 밀도를 높이는 경우에 대해서는 <그림 1-8>에서 보여주고 있다. 이 경우 기존의 셀로는 발생하는 트래픽을 감당할 수 없으므로 셀을 추가하므로, 기존의 셀에 비해서 셀반경이 작아진다. 셀반경이 작아지면 이 지역에서 수용 가능한 트래픽이 증가할 뿐 아니라, 커버리지 기준도 옥외 커버리지에서 옥내 커버리지 영역이 증가하는 효과도 가져온다.

 

어떤 경우나 추가된 셀은 인접 셀에 영향을 미치기 때문에 이를 고려하여 주변 셀의 커버리지와 새로 추가한 셀의 커버리지를 조정하고, 상호 셀간 간섭을 고려하여, 추가한 셀을 포함하여, 주변 셀의 안테나 방향, 다운틸트, 송신전력 등, 기지국 파라미터를 조정해야 한다.

각 셀은 셀의 크기에 따라서 서로 다른 이름을 사용한다. 보통 지금의 이동 전화에서는 셀반경이 5 km - 30 km로 이를 매크로셀(Macro Cell)이라 하고, 개인 통신 개념이 나타나면서 가입자 수용용량을 증가 시키기 위해서 셀 반경을 줄여, 셀 반경이 500 m - 1 km 내외의 셀을 마이크로셀(Micro Cell)이라 하고, 마이크로셀과 매크로셀 사이의 크기를 가지는 셀을 미니셀(Mini Cell)이라 하기도 한다. 이보다 셀 반경이 더 작아져서 200m 이내가 되면 이를 피코셀(Pico Cell)이라 부른다. 또한 저궤도 인공위성을 이용한 이동 전화 서비스에서는 셀반경이 100km 이상되는 셀이 사용되는데 이를 메가셀(Mega Cell)이라 한다. 이러한 셀 분류는 딱 정해진 기준이 있는 것은 아니며, 대개 이러한 분류 기준으로 사용하고 있다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

주파수 재사용 계수

 

셀룰라 시스팀에서 단위 면적당 채널수를 증가시키는 방법으로 셀반경을 줄이는 것 외에 '주파수 재사용 계수'를 조절하는 방법이 있다. '주파수 재사용 계수'란 셀룰라 시스팀에서 주파수 효율이 얼마인지는 나타내는 데 사용하는 파라미터로, 전체 주파수 대역을 몇 개의 셀에 나누어 주는가를 나타내는 것으로 셀수를 말한다.
위의 예를 기준으로 설명하면, 주어진 총 채널수를 7개로 나누고, 이 7개의 나누어진 통화 채널수를 7개의 셀에 나누어 주었으므로 이 경우 '주파수 재사용 계수'는 7 이다. 이때 서울지역 7개 셀 묶음이나, 인천지역 7개 셀 묶음을 셀 클러스터라 한다. 따라서 '주파수 재사용 계수'를 이 셀 클러스터에 포함된 셀 수를 말한다고 할 수 있다.

여러 가지 경우의 주파수 재사용 계수를 갖는 셀 클러스터 모양을 <그림 1-4>에서 보여주고 있다. 셀 모양을 정육각형으로 가정하여 셀 클러스터의 셀 수, 즉, 주파수 재사용 계수가 3, 4, 7인 경우에 대해서 전방향셀(Omni-directional Cell)인 경우와 3 섹터셀(Sectored Cell)인 경우에 대해서 셀 클러스터의 셀배치 모양을 보여주고 있다. <그림 1-4>의 (a), (b), (c)는 전방향 셀에 대한 셀배치 모양이고, (d), (e), (f)는 섹터셀인 경우의 셀배치를 나타낸 것이다.

여기서 전방향셀이란 기지국이 셀의 가운데 위치하여 수평방향으로 360도 전방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 서비스 하는 셀을 말하며, 섹터셀이란 기지국이 어떤 특정 방향으로 전자파를 송신하는 안테나를 사용하여 셀을 여러 개의 섹터로 분할하여 각각의 섹터마다 서로 다른 안테나와 RF 장비를 사용하는 기지국으로, 전방향셀에 비하여 간섭을 제어하기가 쉽고, 안테나 이득이 커서 하나의 기지국으로 서비스 할 수 있는 면적이 전방향셀에 비해서 넓어 여러가지 이점이 있는 셀을 말한다. 이에 대한 자세한 차이점 및 용도는 추후에 좀더 자세히 설명하도록 한다.

각각의 주파수 재사용 계수에 대해서 <그림 1-2>에서 적용한 500개 통화 채널을 가지고 셀당 할당할 수 있는 통화 채널수를 계산해 보면, 재사용 계수가 3 인 경우는 500/3= 166개, N = 4인 경우는 500/4 =125개, N=7인 경우 71개, N = 12인 경우는 42개로, 주파수 재사용 계수가 작아질수록 각 셀에 배정할 수 있는 통화 채널수가 많아진다는 것을 알 수 있다. 즉 가능하면 주파수 재사용 계수를 작게 하면 셀당 할당할 수 있는 통화 채널수가 증가하여 단위 면적당 채널수가 증가한다는 것을 알 수 있다.
이 셀 구조중에 주파수재사용 계수가 7인 경우를 예로 <그림 1-5> 에 같은 주파수를 재사용하는 셀을 빗금쳐서 표시하고 있다.

그러나 주파수 재사용 계수가 작아지면 <그림 1-4, 5>에서 보여주는 것처럼 같은 주파수를 사용하는 셀이 가까워지기 때문에 서로의 간섭량이 증가하므로 무조건 주파수 재사용 계수를 줄일 수가 없다. 이 주파수 재사용 계수는 주변의 전파환경에도 영향을 받지만, 가장 큰 결정 요인은 이동통신 시스템이 요구하는 최소 신호대 간섭비 (C/I)이다. 이동통신 시스팀이 요구하는 최소 신호대 간섭비(C/I)가 크면, 같은 주파수 채널을 사용하는 셀을 멀리 떨어지게 하여 서로의 간섭을 줄여야 하고, 최소 신호대 간섭비(C/I)가 작으면, 간섭이 어느정도 증가하여도 되므로, 주파수 재사용 계수를 줄여서, 같은 주파수를 사용하는 셀이 조금 가까와져도 신호를 복구할 수 있게 된다.

주파수 재사용 계수 따른 간섭량의 변화를 살펴보자. 먼저 육각형 형태의 전방향 셀을 가정하면 셀 반경과 같은 주파수를 사용하는 셀사이의 거리는 주파수 재사용 계수의 함수임을 알 수 있다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

이는 셀 반경이 2km인 셀의 주파수 재사용 계수가 7인 경우 같은 주파수를 사용하는 셀과의 간격이 9.2km 이라는 것이다. 또한 가장 흔하게 사용하는 3 섹터셀을 기준으로 주파수 재사용 계수에 따른 셀사이의 간격을 예로 살펴보자. 이때 셀사이의 간격은 셀반경에 비해서 몇 배 인가로 나타내는 것이 좋다. 이에 대한 이유는 다음 장의 전파전파 특성을 살펴보면 전자파의 크기가 작아지는 가장 큰 원인이 거리이기 때문이다.
<그림 1-6>와 같이 3섹터 셀이 분포하고 있을 때, 같은 주파수를 사용하는 셀사이의 거리를 계산해 보자.

각 주파수 재사용 계수에 따라 3섹터 셀의 셀반경에 대한 셀간 거리는 위의 수식을 적용하면 다음과 같다.

이동통신 시스팀에서 신호복구에 필요한 시스팀(기지국, 단말기)의 신호대 잡음비(C/I 또는 Eb/No) 를 작게 설계하여, 주파수 재사용 계수를 줄이는 것이 채널 용량 증가에 크게 기여할 수 있음을 알 수가 있다. 실제 예를 들어 설명해 보면, 대개 디지틀 방식의 셀룰라가 아날로그 방식 셀룰라보다 용량이 크다고 하는데, 주어진 주파수 대역으로 제공할 수 있는 통화 채널수만 비교해 보면, 앞에서 예를 다시 적용해 보면, 15 MHz 주파수 대역폭인 경우 아날로그인 AMPS 시스팀의 경우 통화 채널수가 500개이고, 디지틀 방식인 GSM은 600개로, 총 통화 채널수만 비교하면 용량 차이가 1.2배 이다. 그러나 AMPS 시스팀의 경우는 S/N 비가 18dB 이어서 주파수 재사용 계수를 7을 적용하고 있고, GSM의 경우는 S/N 비가 6dB 로 주파수 재사용 계수를 4를 적용할 수 있다. 따라서 GSM 방식이 AMPS 방식에 비해서 용량이 2배 이상임을 알 수 있다.

특히 새로운 무선접속 방식인 CDMA의 경우 이론적인 주파수 재사용 계수는 1 이고, 실제의 경우에도 1/0.6 정도이므로 다른 무선접속 방식(아날로그인 AMPS, TDMA 디지틀 방식인 GSM)에 비하여 각각 이론적으로는 주파수 재사용 계수에서만 아날로그에 배해서 4배, TDMA 방식에 비해서 2∼2.4배 차이가 난다. 즉 CDMA 방식이 다른 무선접속 방식에 비해서 채널 용량이 큰 가장 큰 이유가 CDMA의 주파수 재사용 계수에 있음을 알 수 있으며 CDMA의 경우는 뒤에 좀 더 자세하게 설명하겠다.

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

FDMA 방식의 기본 개념

 

통신망을 통해 전달되는 데이터중 가장 많은 양을 차지하는 것이 음성일 것이다. 사람의 음성을 전달하는데 필요한 최소한의 주파수 대역폭은 300 ~ 3400 Hz로 알려져 있다. 이러한 음성 신호를 전기적인 신호로 변환하여, 통신망을 통해서 다른 곳으로 전달하기 위해서는 음성 신호를 전송하기에 적합한 전기적인 신호로 바꾸어 주고, 수신하는 쪽에서 이를 다시 음성 신호로 역변환을 하게 된다.

통신망에서 사용하는 전송 시스팀의 특성을 살펴보면, 전송 가능한 주파수 대역이 음성 대역폭 보다는 월등히 크고, 훨씬 높은 주파수까지도 전송할 수 있다. 이런 전송로는 단 한 사람의 통신을 위해서만 사용하는 것은 경제으로나 시설 운용면에서 매우 좋지 않다. 따라서 현재 대개의 통신망에서는 하나의 전송로를 이용하여 동시에 여러 사람의 데이타를 보내기 위한 기술이 적용되어 있으며, 이를 다중화 방법이라 한다.
다중화 방법중에 가장 쉽게 생각 할 수 있는 방법이 전송로가 가지는 주파수 대역폭을 전송신호 대역폭 단위, 즉 채널로 분할하고, 각 신호를 서로 다른 채널로 전송하는 방법을 주파수 분할 다중화라 한다.

만일 전송 신호가 디지틀 신호이면, 각 채널을 사용하는 시간을 나누어서 다중화 하는 시분할 다중화 방법을 사용할 수 있다. 이를 이동통신 환경에 적용하여 보면, 각 가입자는 전자파를 이용하여, 기지국과 연결되므로, 공기중을 전파하는 전자파가 전송로 이고, 이 전송로 중에 사용 가능한 주파수 대역폭이 있으므로, 이 제한된 주파수를 사용하여 가급적 많은 사람이 동시에 통화할 수 있도록 하는 것이므로, 기지국과 가입자의 접속 방법인 무선 접속 방식은 다중화 방법과 동일한 개념이라는 것을 알 수 있다.

주파수 분할 무선 접속방식(FDMA)은 주파수 분할 다중화 방법을 이동통신망의 기지국과 단말기 사이에 적용한 것으로, 사업자에 할당된 주파수를 통신에 필요한 최소한의 주파수 대역으로 잘게 나눈 뒤에 이를 각 가입자에게 할당하는 방식이다.
현재 FDMA 방식에서 사용하는 통화채널의 대역폭은 20kHz - 30kHz정도이다. 이는 실제 음성 대역폭 4 kHz 보다는 훨씬 큰 대역폭임을 알 수 있다. 이는 음성 신호를 그대로 사용하면, 무선 구간에서 음성 품질이 너무 떨어지기 때문에 음성 품질을 어느 정도 유지하기 위하여 음성 신호를 먼저 잡음에 강한 FM 변조를 한 후에 FM 변조된 신호로 기지국과 단말기 사이의 통신을 한다.
이론적으로 FM 변조는 광대역으로 변조할수록 잡음에 강한 특성을 보인다. 그러나 음성 품질을 높이기 위해서 FM 변조 대역폭을 넓게 하면, 통화 채널이 줄어들기 때문에 음성 품질과 통화 채널수를 적절히 조정하여 FM 변조 대역폭을 결정하여야 한다.

또한 이동전화 환경은 통화 채널이 받는 간섭 및 잡음이 주로 인근에서 사용하는 동일 채널에서 부터 오는 간섭이 대부분을 차지하는 간섭에 의해 통화 품질이 제한되는 환경이다. 따라서 통신 시스팀에서 신호를 복구하는데 장애가 되는 가장 큰 원인은 인접 셀에서 사용하는 동일 채널 간섭이기 때문에 이를 적절히 제어하기 위해서는 동일 채널을 사용하는 셀 사이의 거리를 적당히 멀게 유지해야 한다. 이는 주파수 재사용 계수를 의미하는 것으로 간섭에 약한 시스팀은 주파수 재사용 계수를 크게하여 셀 간 상호 간섭을 줄여야 하고, 간섭에 강한 시스팀은 셀 간 사이를 줄일 수 있어, 주파수 재사용 계수를 줄일 수 있다. 즉 간섭에 강한 시스팀이 주파수 재사용 계수를 줄임으로서 더 많은 단위 면적당 통화 채널을 확보할 수 있는 것이다. 즉, 적정한 통화 품질을 얻기 위한 적정 신호대 잡음비는 이동 전화 환경에서는 셀 간 최대 간섭량, 즉 주파수 재사용 계수를 결정하는 파라미터임을 알 수 있다.

현재 아날로그 방식의 이동전화에 사용하는 FM 변조 방식은 적정한 통화품질을 유지하기 위한 신호대 잡음비가 약 18 dB 이상 되어야 하기 때문에, 주파수 재사용 계수 7을 가장 보편적으로 사용하고 있다.
이 경우 신호대 간섭비를 계산해 보자. 먼저 거리에 따른 전자파 감쇄율을 거리에 4승에 반비례 한다고 가정하고, 주파수 재사용 계수가 7인 경우에 인접에 있는 셀에서만 간섭이 온다고 하면, 인접 셀이 주파수 재사용 계수가 7 이므로 가장 가까운 거리에 있는 6개의 동일 채널을 사용하는 셀을 고려하여, 신호대 갑섭비를 계산하면 다음과 같다.

 

이를 다시 쓰면

와 같다.

여기에 주파수 재사용 계수 7을 대입하면,

또는 18dB가 되어 아날로그 방식에서 주파수 재사용 계수가 7이 타당함을 알 수 있다.

신호대 잡음비는 주파수 재사용 계수 뿐만 아니라 셀의 소형화에도 한계 요인으로 작용한다. 특정 지역에서 통화가 많은 경우 이 지역을 주어진 주파수 대역으로 충분한 통화채널을 확보하기 위해서는 셀의 반경을 줄여야 하는데, 셀의 반경이 줄어들면 주변의 지형 지물에 의한 영향이 커져서 셀의 모양이 매우 불규칙해져 아메바와 같은 셀형태를 가지게 된다. 이렇게 셀형태가 불규칙하기 때문에 셀 상호간의 간섭을 주파수 재사용 계수로 제어하는 것이 불가능해진다. 따라서 셀 반경을 무작정 줄일 수 없어, 아날로그 방식인 경우 마이크로셀을 구성하는데 많은 문제가 있다. 즉 개인통신(PCS) 서비스를 위해서 아날로그 방식의 이동 전화 기술을 사용하는 것은 거의 불가능 하다는 이야기 이다.

▶ 대표적인 서비스 종류 비교

FDMA 방식을 사용한 아날로그 휴대전화는 미국에서 서비스를 시작하여 우리나라에서도 서비스를 하고 있는 AMPS(Advanced Mobile Phone System)방식과 북유럽을 중심으로 서비스를 하고 있는 NMT(Nordic Mobile Telephone), 영국 등지의 TACS(Total Acess Communicaton System) 그리고 일본에서 서비스중인 JTACS(Japanese Total Acess Communicaton System)등이 있다.
각 방식별로 사용 주파수 대역과 변조방식, 채널대역폭 등을 비교하여 <표 2-1>에 나타내었다.

<표 2-1> 각 아날로그 휴대폰 방식의 비교

§ 이글은 한국통신프리텔의 하태숙박사가 지은 글입니다.

이동전화망과 무선기지국

 

1. 가정용 무선전화와 이동전화의 차이점

요즘은 무선세상이다. 무선전화의 핵심기술은 핸드오프이다. 우리가 사용하는 가정용 무선전화와 이동전화의 가장 큰 차이점이 핸드오프 기능의 유무이다. 일반적으로 가정용 무선 전화기는 고정장치를 중심으로 약 200m 정도의 서비스 지역에서만 통화가 가능한 반면에 이동전화의 경우 기지국과 기지국을 핸드오프하면서 통화를 계속할 수 있어 통화 가능 지역의 제한을 받지 않는다.

2. 이동전화망과 셀, 무선기지국

여기서 기지국과 핸드오프란 말이 나왔다. 기지국은 무엇이고 핸드오프는 무엇인가 살펴보자. 이동전화는 이동전화를 사용할 수 있는 전 지역을 많은 셀들로 분할한다. 셀의 중심에는 무선 기지국이 하나 있어 셀내에서 이동전화 서비스를 담당한다. 셀은 공간에 펼쳐 있는 6각형 벌집과 비슷하다. 6각형 벌집이 오밀조밀하게 평면을 빈틈없이 채우고 있는 것처럼 이동전화망도 전 서비스 지역을 수많은 6각형 모양의 셀로 공간을 나눈다. 이 6각형 모양이 생물의 세포 모양과 같다고 해서 셀(Cell:세포)이라 부른다. 이것은 어디까지나 이동전화망을 쉽게 이해하기 위해 도입한 모형일 뿐 실제로 이동전화의 서비스가 그렇게 되지는 않는다.

3. 무선기지국과 단말기, 주파수

이동전화망에서는 단말기(휴대폰)의 사용 주파수가 특정 채널로 고정되어 있는 것이 아니라 기지국에서 신호 채널을 통해 통화 채널을 지정해 주는데 따라 단말기는 그 주파수에 자동 동조된다. 따라서 인접한 셀은 다른 주파수를 사용해야 하지만 일정 이상 떨어진 셀간에는 같은 주파수를 재사용할 수 있으며 이에따라 주파수 이용 효율이 증대되어 가입자 수용 용량을 증대시킬 수 있다.

4. 무선기지국과 핸드오프 기능

기지국은 셀내에서 이동전화 서비스를 담당해 단말기의 통화 채널을 지정해 주어 통화가 순조롭게 이루어지도록 한다. 그런데 기지국과 기지국을 이동할 때는 핸드오프 기능을 이용해야 한다. 핸드오프란 음성채널로 통화가 진행되는 동안 해당 기지국이 그 신호의 세기를 감시하여 신호 세기가 약해지면 신호 세기가 더 좋은 음성 채널을 찾아 진행중인 통화를 다른 음성 채널로 이전시키는 기능이다. 이러한 핸드오프 기능은 이동통신에서 가장 중요한 기능이며 핸드오프 개념은 한정된 주파수 자원을 재사용함으로써 주파수 효율을 높이는 것이다.

5. 한국의 통신망

한편 국가의 신경망인 통신망도 유선망과 무선망 2중으로 구성되어 있다. 유선망은 광케이블, 동축 케이블로 전화국 간이나 가입자를 연결하는 통신망으로 무선망은 서울 관악산이나 대전 식장산 등 전국의 산에 설치된 중계소를 이용해서 구성되어 있다. 이 두 통신망은 상호 보완적으로 운용되고 있는데 유선이 고장나면 무선으로, 무선이 고장나면 유선으로 전환해서 사용할 수 있도록 되어 있다. 비록 무선의 용량이 작아 완전히 이중화되어 있지는 못하지만 위성통신을 사용하여 무선으로 전파를 보내면 문제가 없다.
이같은 유무선 통신망은 서울, 대전, 대구, 광주 등 주요 도시를 연결하는 기간망이 중추 역할을 하고 이곳에서 다시 가까운 지방으로 뻗어 나가 있다.

이동통신 기술 현황

 

현재 우리가 무선통신에서 사용되는 주파수 중 송신 혹은 수신장치를 일반 대중이 사용할 수 있도록 경제성 있게 제작할 수 있는 주파수 범위는 대략 수백 KHz에서 수 GHz의 주파수대이다. 이러한 주파수대를 KHz대역을 사용하는 AM 라디오 방송에서부터 100MHz 근방의 FM방송, TV방송, CB(Citizen Band) 무선기 그리고 최근 사용되기 시작한 2GHz대의 PCS까지 다양한 무선통신 시스템들이 나누어서 사용하고 있다.

주파수는 동일한 지역에서 하나 이상의 시스템이 동시에 사용할 수 없기 때문에 어느 나라에서나 아껴야 할 공공의 자원으로 인식되어 있고 이에 따라 우리나라의 전파 관리국이나 미국의 FCC(Federal Communications Commission)등과 같은 국가 기관에 주파수의 할당이나 불법적인 주파수의 사용에 대한 규제 등 한정된 자원의 효율적인 관리를 위한 노력을 하고 있다. 이중에서 특히 개인 이동통신에 사용되는 휴대용 무선기나 이동전화는 하나의 주파수가 할당되어 정보를 송신하고 이를 다수가 수신하는 방송 형태와는 달리 각 개인별로 별도의 주파수를 사용해야 하기 때문에 많은 사람들이 동시에 이용하기 위해서는 일반 방송과는 다른 방법으로의 접근이 필요하다.

실제로 개인 이동통신에서 주파수의 사용 효율을 높이기 위한 방법 중의 하나인 셀룰러 방식은 1960년대에 제안되었으며 1970년에는 FCC에서 셀룰러방식의 개인 이동통신을 위한 주파수가 할당되었다. 이후 AT&T에서 AMPS(Advanced Mobile Phone System)의 개발이 완료되어 1983년 시카고와 볼티모어 지역에서 상용 서비스를 시작한 것이 미국에서의 이동통신의 효시이다. 셀룰러방식의 이동통신에서는 서비스 지역을 수Km 정도의 작은 셀로 나눈 후 전파가 전달되면서 거리에 따라 그 크기가 감소하는 점을 이용하여 인접한 셀에서는 서로 다른 주파수를 할당하고 전파가 감쇄되어 영행을 미치지 않을 정도로 떨어진 셀에서는 같은 주파수를 다시 사용할 수 있도록 셀의 크기와 전파 출력의 강도 등을 조절하여 배열함으로써 한 셀에서 사용된 주파수를 다른 셀에서 재사용이 가능하도록 하여 주파수의 이용 효율을 높이고 있다.

<디지털방식의 이동통신 시스템 등장>

1996년 신규 PCS사업을 위한 1.9GHz대역의 주파수가 할당되어 경매되기 전까지 미국의 이동통신에서는 800MHz대역(정확하게는 기지국 송신 주파수 대역에 869-894MHz 그리고 단말기 송신 주파수 대역에 824-849MHz)에서 아날로그 방식으로 동작하는 AMPS가 주로 사용되었다. AMPS방식에서는 1개의 음성이 FM(Frequency Modulation)방식으로 변조되어 30KHz의 주파수를 점유하는 1개의 Channel을 구성하며 이에 따라 위의 주파수 대역에는 총 832(=894-869/0.03)개의 AMPS Channel을 구성할 수 있다.
이와 같이 주어진 주파수 대역을 여러 개의 Channel로 나누어서 동시에 이용하는 방식을 FDMA(Frequency Division Multiple Access)라고 부른다. 또한 FCC는 통신시장에서 경쟁 유도를 위해 이러한 832개의 Channel을 A와 B Block의 두 그룹으로 나누어 각 지역별로 두 개 회사에 416 Channel씩 할당해 주었다. 이러한 416 Channel 중에서 단말기와 시스템간의 교신을 위한 21개의 Control Channel을 제외한 나머지 395개의 Channel이 음성통신을 위한 Channel로 사용될 수 있다.

따라서 7-Cell 재사용 시스템에서는 각 셀이 대략 58개의 음성채널, 다시 말해서 한 셀당 57명의 동시 통화가 가능해진다. 그러나 이러한 정도의 통화용량은 90년대 들어 이동통신 가입자가 급격히 늘어나면서 인구 밀집 지역에서의 통화 수요를 충족 시키기가 어려워지기 시작했다. 이에 따라 이동통신 사업자들은 셀의 크기를 줄이거나 지향성 안테나를 이용한 주파수 재사용 효율을 높여 주는 등의 노력과 동시에 근본적으로 시스템 용량을 늘려줄 수 있는 다지털방식의 이동통식 시스템에 관심을 갖게 되었다.

<디지털 방식의 장점>

디지털 방식의 이동통신 시스템의 개발에 가장 먼저 관심을 보인 지역은 유럽지역으로 1982년 CEPT(Comference of European Post and Telecommunications)에서 Group Special Mobile(GSM)을 개발하기 위한 연구팀을 구성한 것이 그 시작이었다. 이후 Global System for Mobile Communications으로 그 이름을 바꾼 GSM은 1987년 유럽 내 17개국이 공통규격으로 채택하기로 합의함에 따라 그 표준화와 상용화가 급진전되어 가장 먼저 디지털 이동통신 시장에 선보인 시스템이 되었고 지금도 세계적으로는 가장 많은 국가에서 사용하고 있는 시스템이 되었다.
인접한 국가간에도 서로 방식이 달라 국가간 상호 로밍이 불가능했고 이에 따라 기존의 이동통신 시스템으로는 성장에 한계를 느껴 차세대 디지털이동통신 방식에 일찍 눈을 돌린 유럽과는 달리 미국은 AMPS 방식의 이동통신 시스템의 이용에 별다른 문제가 없는 상황에서 1980년대 후반에 기존의 AMPS시스템과 호환이 될수 있는 D-AMPS(Digital AMPS) 혹은 NATDMA (North American Time Division Mutiple Acess)로 불리는 디지털이동통신 방식의 개발에 착수하였으며 1990년에는 퀄컴의 주도아래 CDMA방식의 이동통신 시스템 개발에 착수하였다.

이동통신에 디지털 방식을 도입함으로써 얻어지는 이점은 여러 가지를 들 수 있다. 먼저 아날로그 방식으로 전송을 할 경우에는 전송중에 들어오는 잡음이 그대로 전달되어 전파 환경이 열악한 자역에서 통화할 경우 통화 품질의 저하가 심각해지게 되나 디지털 방식을 사용할 경우에는 전송중에 잡음이 들어 오더라도 수신측에서 부호를 재생하는 관정에서 제거되기 때문에 전송중 잡음이 사용자에 전달이 되지 않아 어떠한 환경에서도 좋은 음질을 보장한다. 또한 효과적인 음성압축을 통하여 같은 폭의 주파수 대역에 아날로그 방식에 비해 2배에서 6배까지 더 많은 음성 Channel을 수용할 수 있게 된다.

<다중화 방식의 기본개념>

그러면 지금까지 언급된 FDMA 방식의 AMPS와 TDMA 방식의 GSM및 NA-TDMA(Code Division Mnltiple Acess)방식의 특징들을 살펴보기에 앞서 각 방식의 기본적인 개념을 알아보도록 하겠다.

FDMA나 TDMA 그리고 CDMA 모두 기본적으로는 하나의 정보 전달 통로를 통해서 독립적인 여러 개의 정보를 전달하기 위해 고안된 다중화 방식들이다. 이해를 돕기 위해서 정보가 전달되는 주파수 대역을 하나의 파이프로 그리고 각각의 음성을 서로 다른 액체로 비유해 보기로 한다. 우리가 이렇게 서로 다른 액체를 하나의 파이프를 통해서 보낸 수 있는 방법은 기존의 파이프안에 다시 작은 직경의 파이프 를 설치하여 각 액체를 각각의 작은 파이프를 통해서 보내는 방법과(FDMA) 시간차이를 두고 각 액체를 교대로 보내는 방법(TDMA), 그리고 모든 액체를 섞어서 보낸 후 받는 쪽에서 이를 다시 분리하는 방법(CDMA)을 생각할 수 있다.

이중에서 CDMA 방식에서는 각각의 음성을 서로 구별이 가능한 부호열(Code Sequence)에 섞어서 전송함으로써 받는 쪽에서 이러한 부호열에 따라 분리할 수 있도록 하여 준다.
GSM과 NA-TDMA는 모두 TDMA 방식을 채택하고 있으나 GSM의 경우는 새로운 주파수 할당이 가능한 유럽 지역에서 표준안이 제정되어 200KHz 간격으로 주파수 대역을 나눈 반면 NA-TDMA는 기존의 AMPS가 사용하던 대역을 그대로 사용하기 위해서 AMPS와 같은 30KHz 간격으로 주파수 대역을 나누어 사용한다. 또한 앞에서 언급한 주파수 재사용에서도 NA-TDMA는 AMPS의 주파수 재사용 배치와 같은 7-Cell 단위의 주파수 재사용을 하고 있으나 GSM의 경우는 3-Cell 단위의 주파수 재사용을 함으로써 재사용 효율을 높이고 있다.

Vocoding 방식에 있어서는 GSM이 13Kbps의 RPE-LTP(Regular Pulse Excitation with Long-Term Prediction)을 사용하고 NA-TDMA는 7.95kbps의 VSELP(Vector Sum Exited Linear Predictive)를 사용한다. CDMA경우에는 그 특성상 넓은 대역을 필요로 하기 때문에 1250KHz간격으로 대역을 나누어서 사용하며 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 주파수 대역 내에서 Code를 이용하여 각 Channel을 구분하기 때문에 인접한 셀에서도 같은 주파수를 사용할 수가 있어 주파수의 재활용률이 1이다.
CDMA의 경우도 GSM이나 NA-TDMA와 같이 Vocoder를 사용하는데 여기에서는 음성에 따라 1Kbps에서 8Kbps(국내의 경우 800 MHz대 이동전화 및 홍콩에서 채택) 혹은 1Kbps에서 13Kbps까지의 (미국 이동통신 사업자 및 국내 PCS에서 채택) 음성에 따라 가변적인 데이터 속도로 동작하는 QCELP(Qualcomm Code Excited Prediction)가 사용된다. 이와 같이 음성을 효율적으로 압축할 수 있는 Vocoding 기술의 채택과 효율적인 주파수 재사용은 기존의 AMPS방식에 비해 3배(GSM, NA-TDMA)에서 15배(CDMA) 이상의 용량 증가를 가져와 제한된 주파수를 이용해 더욱 더 많은 사람이 이동할 수 있게 된다. 또한 디지털 방식으로의 전환은 CDPD와 같은 데이터 전용망을 필요로 하는 아날로그 방식과는 달리 음성과 데이터의 결합을 가능하게 하여 인터넷 등 이미 우리 생활의 일부가 된 데이터 서비스를 이동 중에도 손쉽게 제공할 수 있게 되었다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

이동통신 안테나

 

안테나란 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 주거나 그 반대의 기능을 수행하는 장치를 의미합니다. 송신의 경우에는 송신기에서 보내고 싶은 전기적인 신호를 전파로 바꾸어 멀리까지 보내게 되며, 또한 멀리서 송신된 전파를 수신하면 그 전파를 전기적인 신호로 바꾸어 수신기에 전달하여 주기도 합니다.

<전파의 성질>

전파는 공간을 전해가는 파동입니다. 따라서 파장과 주파수를 갖게 됩니다. 파장을 λ, 주파수를 f , 전파가 공간을 전해가는 속도를 c 라고하면 다음 관계가 성립합니다.

λ (m) = c (m/sec) / f (Hz)

<안테나의 특성>

안테나의 특성은 주로 임피던스, 이득, 지향성의 3요소에 의해 나타냅니다.

◎ 임피던스 : 임피던스는 전류가 흐르기 어려움을 나타내는 양입니다. RIG와 동축 케이블, 그리고 안테나 모두 각각의 임피던스 값을 가지고 있습니다. 이 세 임피던스 값이 일치할 때에 가장 효과적으로 전파가 전해지게 됩니다. 보통 RIG와 동축 케이블의 임피던스는 50Ω으로 고정되어서 생산됩니다. 그러나 안테나의 임피던스는 50Ω이 아닌 경우가 많습니다. 그러므로 안테나의 임피던스가 50Ω에 가깝도록 조정을 해주어야 하며 이러한 조정을 MATCHING이라고 합니다.
SWR은 바로 이 임피던스가 일치한 정도를 나타내는 값입니다. SWR은 1 이상의 값을 가지며 SWR이 1에 가까우면 더욱 효과적으로 전파를 보낼 수 있고 RIG의 손상이 적어집니다.

◎ 이득 : 이득은 안테나의 성능을 의미하는 것입니다. 안테나에 일정한 출력이 보내져도 안테나의 성능에 따라 더 높은 출력의 전파를 보낸 것과 같은 효과가 발생하게 됩니다. 이러한 효과를 나타내는 것을 이득이라고 합니다. 단위는 dB입니다. 이득이 높은 안테나를 사용하면 작은 출력으로도 멀리 있는 무선국과 효과적인 교신을 할 수 있습니다.

◎ 지향성 : 안테나가 특정한 방향으로 전파를 더 많이 보내는 성질을 지향성이라고 합니다. 지향성이 있는 안테나를 지향성 안테나라고 하며, 지향성이 없이 모든 방향으로 동일하게 전파를 보내는 안테나를 무지향성 안테나라고 합니다. 안테나는 전파를 입체적으로 보내지만 입체적인 지향성은 생각하기 어려우므로 우리는 편의상 수평면에서의 지향성과 수직면에서의 지향성을 생각합니다.
안테나의 용도에 따라 지향성이 있는 안테나를 사용하거나 지향성이 없는 안테나를 사용합니다. 지향성 안테나를 사용하는 가장 대표적인 예는 전파의 발신지를 탐지하는 일입니다. 목적하는 방향으로 전파를 더 많이 보내도록 하기 위해 지향성 안테나는 방향을 바꾸어줄 필요가 있습니다. 수평 방향을 바꾸어주는 장치를 로테이터 (ROTATOR), 수직 방향을 바꾸어주는 장치를 엘리베이터 (ELEVATOR)라고 합니다.

<안테나 엘리먼트>

안테나의 여러 부분 중에서 실제로 전파를 송신하거나 수신하는 부분을 엘리먼트 라고 합니다. 안테나의 실질적인 부분이며 전기가 잘 통하는 도체로 이루어져 있습니다.

<공 진>

공진이란 안테나가 어떤 특정한 파장의 전파를 가장 효과적으로 보내고 받는 현상을 의미합니다. 안테나의 길이가 파장의 1/2의 정수배일 때 안테나는 공진하게 됩니다. 이때 이 전파의 주파수 중에서 가장 낮은 주파수를 안테나의 공진 주파수라고 합니다.

<로딩 코일(연장 코일)>

안테나에 코일을 삽입하면 안테나의 공진 주파수가 높아지게 됩니다. 즉 안테나의 길이가 파장의 1/2보다 짧아도 동일한 주파수의 전파에 공진할 수 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 길이를 단축시켜 주는 코일을 로딩 코일이라고 합니다. 이와는 반대로 안테나에 콘덴서를 삽입하면 안테나의 공진 주파수가 낮아지게 됩니다. 즉 안테나의 길이가 파장의 1/2보다 길어도 동일한 주파수의 전파에 공진할 수 있게 됩니다. 이렇게 안테나의 길이를 연장시켜 주는 콘덴서를 단축 콘덴서라고 합니다.
로딩 코일은 설치 장소보다 안테나의 길이가 너무 길때에 이용됩니다. 그러나 안테나를 단축하면 이득이 감소합니다.

<트랩>

한 안테나로 여러 주파수의 전파를 이용하려고 할 때에 사용되는 코일을 트랩이라고 합니다. 코일도 안테나처럼 공진 주파수를 가지고 있으므로, 코일이 삽입될 경우 그 주파수에 해당하는 전파에도 공진하게 됩니다. 그러므로 한 안테나를 여러 주파수에 공진시켜 사용할 수 있습니다.

<동축 케이블>

안테나에 전기 에너지를 공급해 주는 전선을 급전선이라고 합니다. 이 급전선 중에서 외부 도체와 내부도체로 이루어져 있는 전선이 동축케이블입니다. 외부 도체와 내부 도체의 축이 일치하기 때문에 동축 케이블이라는 명칭을 사용하게 되었습니다. 동축 케이블은 고유한 임피던스와 크기, 재료, 성능에 따라 여러가지 규격을 갖고 있습니다. 보통 RG 8이라는 굵은 동축케이블 과, RG 58이라는 가는 동축케이블을 사용합니다. 이 두 동축케이블은 모두 임피던스가 50Ω입니다.

▣ 안테나의 종류

<반파장 다이폴(DIPOLE) 안테나>

모든 안테나의 기본이 되는 안테나입니다. 파장의 1/2의 길이를 가진 도선의 가운데에 동축 케이블을 연결한 형태입니다. 안테나의 엘리먼트와 평행한 면에서의 지향성은 8자 모양이며 수직한 면에서는 무지향성입니다. 안테나의 임피던스는 75Ω입니다. 이 안테나는 단독으로도 사용되며 다른 안테나의 구성 요소가 되기도 합니다.

◎ 수평 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 지면과 평행한 안테나입니다. 보통 HF에서의 교신과 VHF, UHF의 TV 방송에 많이 사용합니다.
◎ 수직 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 지면과 수직한 안테나입니다. 보통 VHF, UHF에서의 교신에 많이 사용 합니다. 수평면에서 무지향성인 점이 특징입니다.
◎ V형 반파장 다이폴 안테나 : 엘리먼트가 V형을 이루고 있는 안테나입니다. 임피던스가 50Ω이어서 특별한 용도에 많이 이용되고 있습니다.

<수직 접지 안테나 (모노폴 안테나)>

안테나의 엘리먼트 중 하나를 접지한 형태의 안테나입니다. 접지라는 것은 전기적인 위치 에너지가 0 이 되도록 만드는 것을 의미합니다. 지표면의 전기에너지는 0 이므로 보통 지표면에 연결하여 접지합니다. 이렇게 접지를 하게되면 그 엘리먼트가 존재하지 않아도 존재하는 것과 같은 효과가 발생합니다. 그러므로 안테나는 파장의 1/4의 길이에 해당하는 엘리먼트 하나로 감소합니다. 그러나 기본적으로는 수직 반파장 다이폴 안테나와 동일합니다. 안테나의 엘리먼트와 평행한 면에서의 지향성은 반원 모양이며 수직한 면에서는 무지향성 모양입니다. 안테나의 임피던스는 36Ω입니다. 이 안테나는 매우 많은 무선기기에서 사용되고 있습니다.

◎ 로드 안테나 : 엘리먼트를 지표면에 접지한 안테나로서 휴대형 무선기기에 많이 이용됩니다. 사용자가 무선기기를 손에 잡게 되면 인체를 매개로 무선기기와 지표면이 연결됩니다.
◎ GP (Ground Plane) 안테나 : 안테나를 높은 곳에 올릴 경우 지표면에는 접지할 수 없게 됩니다. 이 때에 전기적인 위치 에너지가 0인 금속판에 엘리먼트를 연결하면, 지표면에 접지한 것과 동일한 효과가 발생합니다. 이러한 안테나를 GP 안테나라고 합니다. 보통 금속판 대신에 방사상으로 전개된 여러개의 도체를 이용합니다. 이러한 도체를 레디알(RADIAL) 이라고 하며 길이는 파장의 1/4입니다.
◎ 다단 GP 안테나 : GP 안테나를 수직으로 여러 개 쌓아올리게 되면 안테나의 이득이 증가합니다. 이러한 안테나를 다단 GP 안테나라고 하며, 쌓아올린 엘리먼트의 개수가 단의 수를 결정합니다. 예를 들어 5개의 엘리먼트를 쌓아올린 GP 안테나는 5단 GP 안테나입니다.

<야기 안테나>

야기 안테나는 야기, 우노다 두 사람이 개발해낸 안테나입니다. 이 안테나는 복사기, 반사기, 도파기로 구성되어 있습니다. 지향성은 도파기 방향으로 입체적인 지향성을 갖고 있습니다. 이 안테나는 TV 방송 수신용으로 매우 많이 사용되고 있어서 주변에서 쉽게 접할 수 있습니다. 임피던스는 25Ω입니다.

◎ 복사기 : 일반적인 반파장 다이폴 안테나입니다. 전파는 이 복사기에서 송신되거나 수신됩니다.
◎ 반사기 : 파장의 1/2의 길이보다 긴 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 반사합니다. 그러므로 반사기의 뒤로는 전파가 발사되지 않습니다. 보통 1개의 반사기를 사용합니다.
◎ 도파기 : 파장의 1/2의 길이보다 짧은 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 강화시켜 줍니다. 그러므로 도파기 방향으로 전파가 진행하게 되며 지향성도 이 방향으로 생성됩니다. 도파기의 개수가 증가할수록 지향성이 더욱 날카로와지고 이득이 증가합니다.
◎ HB9CV 안테나 : 일반적인 2 엘리먼트 야기 안테나와 유사한 형태의 안테나입니다. 그러나 야기 안테나와는 달리, 복사기 뿐만 아니라 반사기에도 전기 에너지가 공급되는 일종의 위상 배열 (PHASED ARRAY) 안테나입니다. 2 엘리먼트 야기 안테나의 크기로서 3 엘리먼트 야기 안테나의 성능을 가지고 있으므로, 안테나를 설치할 공간이 협소한 무선국에서 많이 이용하고 있습니다.

<루프 안테나>

엘리먼트가 끝이 없이 루프 모양을 이루는 안테나입니다. 엘리먼트가 이루는 루프의 길이는 1파장의 길이입니다. 루프의 형태는 원형, 사각형, 삼각형 등의 여러 형태이며 필요에 따라 선택합니다. 지향성은 8자 모양을 입체적으로 전개한 형태입니다. 임피던스는 60Ω입니다. 이 안테나는 여러 공진 주파수의 엘리먼트를 한 안테나에 설치할 수 있으므로 많이 이용되고 있습니다.

◎ 쿼드 안테나 : 이 안테나는 복사기, 반사기, 도파기로 구성되어 있습니다. 지향성은 도파기 방향으로 입체적인 지향성을 갖고 있습니다.
◎ 복사기 : 일반적인 루프 안테나입니다. 전파는 이 복사기에서 송신되거나 수신됩니다.
◎ 반사기 : 1파장의 길이보다 긴 루프 모양의 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 반사합니다. 그러므로 반사기의 뒤로는 전파가 발사되지 않습니다. 보통 1개의 반사기를 사용합니다.
◎ 도파기 : 1파장의 길이보다 짧은 루프 모양의 도체입니다. 복사기에서 발사된 전파를 강화시켜 줍니다. 그러므로 도파기 방향으로 전파가 진행하게 되며 지향성도 이 방향으로 생성됩니다. 도파기의 개수가 증가할수록 지향성이 날카로와지고 이득이 증가합니다.

<기타 안테나>

◎ 헬리칼 (HELICAL) 안테나 : 로딩 코일만으로 이루어진 안테나입니다. 길이가 작아 휴대용 무선기기에 많이 사용됩니다. 그러나 이득은 매우 낮습니다.
◎ 로그 페리오딕 (LOG PERIODIC) 안테나 : 도파기 숫자가 매우 많은 야기 안테나의 형태와 비슷한 안테나입니다. 넓은 범위의 주파수에 공진하므로 군사용, 외교 업무용으로 사용되고 있습니다.
◎ 코너 리플렉터 (CORNER REFLECTER) 안테나 : 일반적인 반파장 다이폴 안테나에 반사판을 설치한 안테나입니다. 전체적인 크기가 작아도 날카로운 지향성을 얻을 수 있으므로 군사용으로 이용되고 있습니다.
◎ 파라볼라 (PARABOLA) 안테나 : 일반적인 다이폴 안테나에 포물면 형태의 반사판을 설치한 안테나입니다. 지향성이 극히 우수하며 마이크로파 대역의 주파수에서 사용되고 있습니다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

이동통신의 발전

 

모든 고등 동물은 어떠한 형태든 같은 종족간의 정보 전달 수단을 가지고 있다고 한다. 이를 반대로 해석해 보면 정보전달 수단을 가지지 못하는 동물은 약육강식의 생존경쟁에서 점차 도태되어 왔다는 것으로도 볼 수 있을 것이다. 이중에서도 특히 인간은 오랜 시간을 거친 진화의 과정에서 언어라는 발전된 형태의 정보 전달 수단을 만들어 냈고 이어서 이러한 직접적인 정보 전달 수단에 만족하지 않고 시간과 공간을 뛰어 넘어 정보를 전달할 수 있는 방법을 생각해 내기에 이르렀다.

그리스의 희곡 Agamemnon에 서술된 바에 따르면 기원 1200년 전에 트로이의 함락 소식을 봉화를 이용해 600Km 떨어진 곳까지 전달한 것으로 전해지고 있다. 이와 같이 봉화나 연기 또는 북소리 등을 이용한 통신은 단순한 비상신호 전달 수단으로부터 몇개의 봉화를 이용하거나 연기의 발생 시간을 조정하는 등의 방법을 이용, 부호를 약속함으로써 좀더 다양한 정보를 보내는 수단으로 발전되어 갔다. 그러나 상세하고 정확한 정보를 전달하는 방법은 사람이 직접 문자나 구두로 전달하거나 기록지를 이용한 문서 전달 등 물리적인 전달 수단에 의존할 수 밖에 없었다.

<생활환경에 변화를 가져 온 통신수단>

이에 따라 1800년대 후반 전화나 무선통신 수단이 개발되기 전까지 인류의 생활양식이나 각종 산업의 구성은 대부분 중앙 집중식으로 발전해 왔다. 이러한 상황 아래서 1870년 Alexander Graham Bell이 발명한 전화, Hertz에 의해 발견된 전파(1888년)의 존재 그리고 이어 1895년의 Marconi의 무선통신 시범은 수천 년에 걸쳐 자리 잡아 온 우리 인류의 생활 환경에 커다란 변화를 예고하는 전주곡이었다.

20세기에 접어 들면서 시작된 방송은 그 정보 전달의 동시성으로 인해 수많은 사람들에게 문화적, 사회적인 충격을 경험하게 했으며 정치, 사회적인 기능에서 차지하는 방송의 위력은 그의 등장과 동시에 최고의 위치를 차지하게 되었다. (현대에 들어와서 발생한 정변이나 전쟁시 가장 먼저 점령되는 곳이 어딘인가를 생각해 보라)
통신에 대한 인간의 본능적인 욕구와 정치·사회적인 중요성에 대한 인식은 지난 1세기 동안 통신 기술이 그 어떤 분야와도 비교가 되지 않을 정도로 비약적인 발전을 할 수 있었던 원동력이 되었다. 방송을 1905년 AM방송에서부터 출발하여 FM, TV 그리고 최근 10여년 사이에 등장한 DBS(Direct Broadcasting Satellite)등 위성방송은 국가간의 국경을 무너뜨리며 전세계를 하나의 문화권으로 묶어나가고 있다. 최근 선보이기 시작한 HDTV(High Definition Television)는 앞으로 단순한 TV 수신기로서의 기능 뿐만 아니라 각종 정보의 입출력 창구로서 가정 혹은 개인과 사회를 묶어주는 매개체가 될 것으로 예측하고 있다.
방송이 이와 같이 일반대중을 상대로 발전해 온 것과는 달리 양방향 무선통신을 극히 한정된 자원을 가진 주파수의 효율적인 사용을 위해 군대나 경찰과 같은 국가 통치 차원의 응용이나 Microwave 전송과 같은 국가 기간 산업용 등 특수한 목적을 가지는 한정된 환경 아래서 발전해 왔다. 그러나 통신의 발전은 더이상 중앙 집중 형태의 산업구조를 유지할 필요성을 느낄 수 없도록 했다.
이에 따라 수없이 많은 다국적 기업의 등장 등 사회 경제적인 이해관계에 따른 전셰계를 대상으로 하는 분산된 산업구조로 이행되어가고 있다. 이러한 분산된 산업구조는 다시 통신에 대한 수요를 폭발적으로 증가시키는 요인이 되었고 이제는 단순한 통신의 기능을 양적인 면에 대한 요구 뿐만 아니라 통신의 질에 대한 요구 수준 역시 점차 높아지기 시작했다.
특히 20세기 후반에 들어와서 급격히 발전한 컴퓨터 관련 기술과 PC의 폭발적인 보급 확대는 통신의 기능을 단순한 음성정보 전달 수단에서 데이터, 영상 등 각종 복합적인 정보 전달 수단으로 발전시켜 나가도록 하고 있다. 이에 따라 현대를 살고 있는 우리들은 어떠한 형태든 정보와의 연결을 유지해야 한다는 것에 대해 거의 강박 관념을 가질 정도로 집착을 하고 있으며 이러한 강박 관념은 초중등 학교 학생들에게까지 그 영향을 미치고 있다.

<이동전화 대중화시대 개막>

이동전화는 이와 같은 'Getting Connected'에 대한 사회적인 욕구에 대한 기술적인 응답으로서 시작되었다. 다수의 대중들에게 한정된 주파수 스펙트럼을 가지고 양방향 통신 서비스를 제공하기 위한 방법으로서 'Cell'이라는 주파수 재사용 개념이 개발되었고 이에 따라 유선 전화가 가지는 이동성의 한계를 극복할 수 있는 이동전화 대중화의 길이 열리게 되었다.
그러나 통신의 정치, 경제적인 잠재력을 감안한 국가 이기주의(특히 거대한 단일 시장을 가지고 있는 미국)에 의해서 ANSI(American National Standard Institute)와 CCITT(Consultative Committee for International Telephone and Telegraph)로 나누어져 표준화가 이루어졌던 유선전화와 마찬가지로 이동통신 표준 역시 미국의 AMPS(Advanced Mobile Phone System), 북유럽을 중심으로 한 NMT(Nordic Mobile Telephone) 그리고 영국의 TACS(Total Access System)등 서로 다른 표준을 가지는 이동통신 시스템들이 설치 운영됐다. 이러써 이들 국가간을 이동하는 사람들이 자신들의 서비스 영역을 벗어나서 이동통신 서비스를 받는 데 많은 불편을 가져왔다.

이와 같은 사용자의 불만은 대륙의 대부분(미국, 캐나다, 멕시코 등)이 AMPS를 사용한 북미쪽 보다는 여러 개의 국가가 밀집해 있는 유럽 대륙에서 심각해졌으며 이러한 사용자의 불만과 무서울 정도로 급성장하는 이동통신의 시장에 대한 주도권을 잡기 위해 유럽의 각 국가들은 공동의 차세대 디지털 이동통신 표준을 만들기 위해 GSM(조기에는 Group Special Mobile로 불렸으나 후에 Global System for Mobile Communication의 약어로 변경) 표준의 개발에 착수했다.
이와 같은 유럽의 움직임에 대해 미국 역시 퀼컴사를 주축으로 CDMA를 기본으로 하는 2세대 디지털 이동통신 시스템과 GSM과 같이 TDMA기술을 기반으로 하고 있으나 기존의 AMPS와의 호환성을 고려한 AT&T의 NA-TDMA를 개발함으로써 최소 연 50% 이상의 성장이 예측되는 거대한 규모의 이동통신 시장에 뛰어들었다. 현재까지 제2세다 디지털 이동통신 시장의 싸움이 본격적으로 시작되기도 전에 제3세대 이동통신 시스템으로 불리는 IMT-2000의 규격 제정에 자국의 이익을 반영하기 위한 치열한 신경전이 벌어지고 있다.

<국가별 IMT-2000 표준 추진>

현재까지 드러난 IMT-2000 관련 각 국가별 표준화 추진 현황을 보면 일본이 가장 앞서서 NTT 도코모를 중심으로 Wide-Band CDMA를 기본으로 한 시스템 표준을 개발하고 있으며 여기에 유럽의 에릭슨과 노키아, 미국의 모토로라 루슨트 등이 참여하고 있다. 유럽은 에릭슨과 노키아가 일본의 NTT 도코모 연합에 참여하고 있는 한편에서 자체적인 W-CDMA 방식이나 GSM을 발전시킨 TDMA 방식을 이용한 UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)의 개발을 추진하고 있다.
미국 역시 루슨트나 모토로라가 일본과 협력함과 동시에 CDG(CDMA Development Group)를 중심으로 기존의 CDMA를 발전시킨 IMT-2000의 규격 작업을 추진하고 있다. 이와 같이 서로 복잡하게 얽혀 있는 IMT-2000 개발의 이면에는 향후 수억의 인구가 사용하게 될 차세대 통신 시스템의 시장에서 살아 남기 위한 치밀한 계산이 깔려있다.

2세대 이동통신 시스템 시장에서 주도권을 빼앗긴 일본은 제3세대 이동통신 방식의 표준으로 기존 시스템과는 차별화 되는 방식을 추진함으로써 현재 미국이나 유럽이 GSM과 CDMA로부터 얻은 기득권을 약화시킬 수 있다는 계산이 깔려 있다. 유럽은 3세대 시스템에 적용하기에는 TDMA가 CDMA에 비해 뒤떨어진다는 판단 아래 미국이 기득권을 쥐고 있는 CDG의 IMT-2000보다는 일본과 협력하겠다는 생각을 하고 있는 것으로 보인다.

<장기적인 안목의 연구개발 요구>

미국의 경우는 표면적으로는 IMT-2000으로 할당된 주파수가 이미 PCS용으로 사용되고 있고 이에 따라 IMT-2000은 기존 CDMA와 호환성을 유지해야 한다는 명분을 내세우고 현재 제2세대 CDMA의 가능한 많은 부분을 IMT-2000 규격에 적용하려 하고 있다. 그러나 실제 이를 주도적으로 추진하고 있는 퀼컴, 루슨트, 모토로라, 노텔 등의 숨은 의도는 이들이 기존 CDMA와 관련해서 가지고 있는 지적 재산권들을 새로운 시스템에 적용함으로써 이들로부터 얻는 로열티 등 직접적인 이익 뿐만 아니라 여기에서 경쟁의 제한 등 막대한 간접적인 이권을 보호하자는 생각이 있는 것으로 보인다.
현재 CDG 내부 특히 미국내 이동통신 사업들로부터 이들 4개사의 배타적인 연합이 미국의 CDMA 관련 산업이나 IMT-2000에 대응한 국제 사회에서의 미국의 입장이 약화될 것을 우려하여 이를 견제하기 위한 노력을 하고 있으나 현실적으로 이들 4개사가 투입하고 있는 인력이나 연구 개발 자금이 없이는 표준화 작업의 진행이 어렵다는 점에서 얼마나 효과를 거둘 수 있을지는 의문시 되고 있다.
현재 우리나라는 전세계에서 가장 많은 CDMA 가입자를 가지고 있으며 이와 관련된 시스템, 단말기 등을 자체 개발하여 생산, 사용하고 있을 뿐만 아니라 해외에 수출까지 하고 있다. 그러나 이와 같은 화려한 명성의 이면에서 우리는 개발 초기부터 막대한 액수의 기술 도입료에 시달리고 있다. 이제 다음 세대의 이동통신에서 우리가 지금까지 쌓아온 명성에 걸맞는 지위를 차지하기 위해서는 지금부터라도 장기적인 안목을 가지고 국가 차원의 연구 개발 투자를 함으로써 국제 표준 개발에 기여도를 키움으로써 우리의 고유 기술을 세계인들이 자랑스럽게 사용할 수 있도록 기울여야 할 것이다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

전파란 도대체 무엇일까?

우리에겐 늘 주변에 있어서 그 존재의 중요함에도 불구하고, 고마움을 모르고 살아가는 것이 많습니다. 물, 공기, 태양, 전기도 그런 경우지만 전파도 마찬가지입니다. 전파는 우리 눈에 보이지도 않고, 냄새도 없지만 그 존재를 인정할 수 밖에 없으며, 만약 전파가 없다면 우리 생활에 막대한 불편함을 초래할 것입니다. 그렇다면 전파란 도대체 어떤 것일까요?

※ 사전적 의미의 전파
우리나라의 전파법 제 2조에 보면, "전파란 인공적 매개물이 없이 공간에 전파하는 3,000GHz 보다 낮은 주파수의 전자파" 라고 정의되어 있습니다.

※ 넓은 의미의 전파
"무선통신에 사용되는 무선 주파수를 포함하여 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 우주선 등을 총칭하는 것"이라고 할 수 있습니다

<전파의 존재를 최초로 예언한 맥스웰>

오늘날 이동통신, 방송 등에서 활발하게 이용하고 있는 전파, 이 전파의 존재를 최초로 예언한 사람은 영국의 맥스웰입니다. 맥스웰은 패러데이의 법칙에 변위전류를 추가하여, 전계가 시간적으로 변하면 자계가 생기고, 자계는 또 전계를 발생시켜 파동(전파)이 발생한다고 1871년에 발표했습니다. 이렇게 발생되는 전파는 이미 태고부터 존재하고 있었지만, 우리 인간이 인지하지 못하고 있었을 뿐입니다. 하지만, 맥스웰도 오늘날 전파가 이렇게 넓은 범위에 활용되어 우리 인간에게 엄청난 도움을 주리라고는 미쳐 생각치 못했을 것입니다.

<사바르/헨리/에디슨과 전파>

1) 사바르 (1824년)
전기 실험을 위해 고안된 콘덴서의 원형인 "라이든(Leyden)병"에 저장된 전기를 방전할 때 불꽃이 점멸하며 진동하고 있는 것처럼 보인다고 말만 했습니다.

2) 헨리 (1842년)
"라이든 병"으로부터 30미터나 떨어진 곳에서도 쇠조각이 자화하는 사실을 발견하고 놀랬을 뿐 그것이 전파인 줄은 몰랐습니다.

3) 에디슨 (1875년)
모르스의 키를 두드릴 때에 가까이 있는 금속에서 불꽃이 튀는 것을 볼 수 있었다고 하였으나, 역시 그것이 전파인 줄은 에디슨도 알지 못했습니다.

<전파를 확인한 훌륭한 헤르쯔>

1) 퓨우즈 (1879년)
퓨우즈는 전기 불꽃의 작용이 전파일 것이라고 판단하고, 전기 불꽃의 신호를 수신하는 장치를 만들어 실험해 보였습니다. 그러나, 전파가 아닌 것 같다는 일부 학자들과의 다툼으로 헤르츠보다 9년 빨리 전파를 발견할 수 있었음에도 불구하고 전파에 대한 연구를 단념해 버립니다. 물론 전기 퓨우즈는 그로부터 발명된 것입니다.

2) 헤르츠 (1888년)
그는 전파를 포착하는 기구를 만들어 전파확인 실험에 착수하였고, 1888년에 전파의 존재확인에 성공합니다. 하지만, 전파의 존재를 최초로 확인 했을 뿐 헤르츠는 전파를 이용한 통신의 실용화까지는 생각하지 못했습니다.

3) 마르코니 (1895년)
그 후 1895년에 마르코니는 무선통신 실험에 성공했습니다. 우리가 자주 보고 듣는 방송국의 주파수 단위인 Hz는 바로 헤르츠의 이름을 딴 것입니다.

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주파수란 무엇인가?

 

주파수는 전파가 움직이는 보이지 않는 길이며, 전파의 특성을 통신, 의학에 이용하기 위해 파장 또는 진동수를 기준으로 정한 이용자의 약속입니다.
단위는 "Hz"를 사용하며 1Hz는 1초 동안 1번 진동한 것을 말합니다.

예) 이동전화 800MHz = 1초에 8억번 진동
무선호출 320Mhz = 1초에 3억2천번 진동

<주파수 대역과 대역폭>

GBS가 50~60MHz를 이용해 방송을 한다고 가정할 때, 주파수 대역(Band)은 50~60MHz 이며 주파수 대역폭 (Bandwidth / 두 주파수 간의 간격)은 10MHz입니다.

<주파수와 안테나의 관계>

1) 안테나의 역할
수신 안테나 : 공간을 진행하고 있는 전파를 감지해 효율적으로 흡수하는 기능
송신 안테나 : 장비(기지국)에서 발생시킨 전력을 전파로 변환 공간에 효율적으로 복사하는 기능

2) 주파수와 안테나의 관계
파장 (λ) = 전파의 속도 (C) ÷ 주파수 (f)
즉, ( = C/f (주파수가 높을수록 안테나의 짧아진다.)
그러므로, 반파장 안테나를 사용하여, 800 MHz 이동전화의 안테나 길이를 구하면

<주파수 대역별 이용분야>

가청 주파수 ⇒ 수 [Hz] ~ 20,000 [Hz]
음성 주파수 ⇒ 300 [Hz] ~ 3,400 [Hz]

 

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주파수는 보이지 않는 통신로

유선통신에서는 케이블(동축 또는 광케이블)을 통하여 정보를 교환하게 되므로 케이블이 정보를 주고받는 통로라 할 수 있는 것처럼 전파통신에서는 공간에 분포된 전자파의 어떤 지정된 주파수를 통하여 정보를 교환하기 때문에 공간에 퍼져있는 주파수가 통로가 되는 것이다. 그러나 주파수 하나로 통신할 수 있는 정보의 양은 매우 적어 실제로는 여러개의 주파수(주파수 대역)을 이용한다. 많은 수의 주파수를 이용하면 더욱 많은 정보량을 전송할 수 있다.
예를들면 중파(AM) 방송에서는 음성을 전송하기 위해 9KHz의 대역을 사용하고 영상 및 음성을 함께 전송하는 텔레비젼 방송에서는 6MHz의 보다 넓은 주파수 대역을 필요로 하고 있다. 보다 많은 정보량을 보내기 위해서는 보다 넓은 통로, 즉 보다 넓은 주파수 대역이 필요하다.
이러한 대역들은 주파수 스펙트럼상에서 용도에 따라 분할되어 사용되지만 동일 지역 및 동일 시간에 동일 주파수대를 다른 용도에서 사용하게 되면 결과적으로 서로 다른 용도에서 같은 통로를 이용하는 결과를 초래하므로 혼잡이 야기된다.
이런 혼잡한 현상은 신호간에 발생된다하여 혼신이라고 부른다. 그러므로 한번 쓰인 주파수는 다른 용도로 사용할 수 없다.

전파 통신 기기를 도구로 사용하여 일정한 목적에 이용한다는 측면에서 주파수 스팩트럼은 자원의 성격을 갖는다. WARC 회의에서는 주파수를 인류 공동의 재산이라고 규정하고 있다.
경제적인 면에서 전자파는 다양한 용도에서 인간의 욕구를 충족시키는 광의의 재화에 해당되며 이용 가능한 주파수는 유한하여 혼선 등으로 임의의 사용이 불가능하다는 점에서 희소성을 가진 경제재에 해당한다. 또 전자파원은 방출 에너지의 크기에 따라 분포되는 범위(통화 가능 범위)가 달라지므로 전자파원을 기준으로 하여 어느 정도 거리가 떨어지면 진동의 힘이 미약해진다. 즉 주파수를 인식할 수 없게 되므로 이런 경우는 다시 같은 주파수를 재사용할 수 있게 된다.
또한 공간에 퍼져있는 진동의 힘의 분포는 전자파원이 전자파를 방사하느냐에 따라 존재하게 되므로 같은 주파수를 시간을 달리하여 사용할 수 있다. 또 한편 기술적으로 안테나를 어떻게 설계하느냐에 따라 공간에 퍼지는 전자파를 수직, 수평, (타)원편파 등을 이용하여 전파 통로를 다원화할 수 있다. 전자파가 전파되는 형태에 따라 직접파, 반사파, 지표파와 지상파로 구분되는데 각각의 전파 특성은 주파수에 따라 달라진다.

지상파는 직접파와 반사파로 구성된다. 150KHz 이하의 저주파수대에서는 파장이 길어 주간에는 지상파가 전리층에 흡수되어 지표파가 전파의 중심적인 역할을 하게 되고 야간에는 지표파보다 지상파의 역할이 증대된다. 160KHz에서 30MHz(중파 및 단파)대에서는 주파수가 높아짐에 따라 지표파의 역할은 감쇄하게 되고 지상파가 주를 이루게 된다. 특히 단파대에서는 전리층의 반사 특성 때문에 장거리 통신 즉 국제 통신 및 방송에 많이 이용되고 있다. 30MHz 이상의 주파수대 (초단파대 이상)에서는 전리층을 관통하는 특성 때문에 지상파 중에서 직접파가 중요한 역할을 하게 된다. 이제 정보화 사회에서 주파수는 돈이고 자원이다.

꼭 알아두어야 하는 전파관련 용어들

전파가 발생하는 것을 알아보기 전에 우리는 먼저, 파동과 관련된 다음의 용어를 이해하는 것이 필수적입니다.

- 파장 : 마루에서 마루까지의 거리 또는 골에서 골까지의 거리

- 마루 : 파동이 진행하면서 그 위치가 변할 때 가장 높은 곳

- 골 : 변화하는 위치가 가장 낮은 곳

- 진폭 : 마루의 높이나 골의 깊이

- 주기 : 한번의 진동에 소요되는 시간 즉, 마루에서 마루 또는 골에서 골까지 이르는데 소요되는 시간

<전파의 발생 및 전파(Propagation)>

① 도선에 전류가 흐르면, 자계가 발생 합니다.
② 자계가 발생하면, 자계를 중심으로 전계가 형성됩니다.
③ 형성된 전계는 시간에 따라 변하기 때문에, 전계를 중심으로 다시 자계가 형성됩니다.
④ 이 자계에 의해 다시 전계가 발생하고, 전계에 의해 자계가 다시 발생합니다.

위와 같은 반복되는 과정을 거쳐서 전자파는 공간으로 직진, 반사, 회절 등을 하면서 멀리 멀리 전파(Propagation)되어 나가게 되는 겁니다. 1초에 30만 Km의 빛의 속도로 말입니다. 우리가 사용하고 있는 휴대폰도 이 전파를 받아 통화를 하는 것이고, 라디오, TV도 같은 개념입니다.

§이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

전파와 주파수

 

인공적인 유도없이 공간을 전파하는 3KHz에서 3,000GHz 사이의 주파수를 지니는 전자파를 말한다. 또 주파수는 전파가 공간을 진행할 때 생기는 파동이 1초 동안에 진동하는 횟수, 즉 신호의 주기가 1초 동안에 몇번 반복되었는가를 의미한다.
즉 파동이 1초 동안에 1회 진동하는 경우 이를 1Hz라 하고 1천번 진동하면 1KHz, 1백만 진동하면 이를 1MHz, 10억번 진동하면 이를 1GHz라 한다.

또 파장은 신호 주기의 길이, 즉 신호가 전파되고 있는 동안 주기의 시작점에서 끝점까지의 길이를 나타내며 단위는 거리 단위인 미터(m)를 사용한다. 따라서 주파수와 파장은 반비례하며 주파수 값이 큰 신호는 파장이 매우 짧은 신호가 된다.

전파의 구분은 3KHz(1백km의 파장)를 기점으로하여 주파수 값의 10배마다 구분하고 각 구분 사이의 주파수 범위를 주파수대라고 한다. 주파수대는 3KHz ~ 30KHz인 초장파를 시작으로 장파, 중파, 단파, 초단파, 극초단파, 마이크로파, 밀리파, 준밀리파 등으로 구분한다.
또 주파수 대역은 전파를 이용하여 통신 및 방송 등의 서비스를 제공할 때 그 서비스에 할당된 주파수 범위를 말한다. 국내의 경우 디지털 이동전화의 주파수대는 800MHz이다.

이와같은 전파는 무선통신에 있어 없어서는 안될 중요한 매개체라 할 수 있다. 또 전파를 이용하는 무선통신은 하나의 공간을 공동으로 이용하므로 동일한 주파수의 전파를 동시에 동일 장소에서 사용할 수 없다.
즉 어떤 사람이 일정 주파수의 전파를 발사하는 중에 다른 사람이 동일 전파를 발사하면 혼신으로 인해 통신이 되지 않는다. 따라서 전파는 일정한 규칙에 의해 질서를 유지하면서 이용해야 하는 제약이 따르고 이로인해 전파는 무한한 것이 아니라 유한한 자원이다.
이같은 유한한 자원을 효율적으로 이용하기 위해 각국은 무선통신 사업자에게 일정 기준에 의해 주파수를 할당, 사용토록 하고 있다. 미국의 경우는 경매 방식에 의해 일부 무선분야의 주파수를 할당하고 있다.

또한 전파의 전달에는 국경이 없으므로 인접 국가와의 혼신의 문제가 발생한다. 이를 방지하기 위해 국가간에 정해진 규칙에 의해 전파를 관리 및 활용하고 있는데 국제적으로 전파를 관리하는 기관이 국제연합의 전문기관인 국제전기통신연합(ITU)이다.
ITU는 무선주파수와 위성궤도에 관한 국제적 관리업무를 비롯하여 전기통신, 전파통신 및 방송분야 기술의 국제 표준화, 통신서비스의 기준, 요금원칙 등을 설정하는 업무외에 개발도상국에 대한 기술협력 사업 등을 전개하고 있다.
현재 회원국은 1백80여개국에 이르고 우리나라는 지난 1952년에 가입했다. ITU는 국제전기통신연합 헌장, 국제전기통신연합 협약을 근간으로 국제전기통신규칙, 전파규칙 등을 마련하여 전파를 관리하고 있다. 국제적으로 원할한 통신을 위해 ITU 전파 규칙내에는 지역별 업무별로 사용 주파수대를 나타낸 주파수 분배표가 작성돼 있으며 이를 바탕으로 각국은 전파를 각 서비스에 활용하고 있다.
또 국내의 경우는 정보통신부를 주관청으로하여 전파법에 근거한 전파법 시행령, 전파법 시행규칙, 무선설비규칙, 무선기기형식검정 및 기술 기준확인증명에 관한 규칙, 전자파 장해 검정규칙 등을 기준으로 전파관리를 하고 있다.

전파는 통신에만 이용되는 것이 아니고 공중파 방송에 있어서도 반드시 필요한 것이어서 국내에서 공중파 TV 방송이나 AM 또는 FM 방송을 허가할 경우에도 정보통신부가 주파수 이용상황 등을 검토하여 허가하도록 되어 있다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

전파와 주파수

1. 비행기도 떨어뜨리는 전자파 장애

전파가 전기의 일종이다보니 전기를 사용하는 모든 기기에서는 전파가 발생하게 된다. 이것이 상호 간섭을 일으켜 잡음을 만들기도 하고, 심하면 장애가 오기도 하며, 기기의 오동작(잘못 작동하는 것) 등 무서운 결과를 초래할 수도 있다.
최근 국내에서도 병원 근처에서 휴대폰의 사용을 제한하는 병원이 늘고 있다고 한다. 자기공명장치 등 정밀 전자 장비가 전자파 장애에 의해 잘못 작동되는 경우가 발생하기 때문이다. 대부분의 항공기에서는 휴대폰과 노트북의 사용을 금지하고 있다. 몇 가지 항공기 사고가 전자파 장애 때문이라고 의심되는 부분이 있기 때문이다. 또 컴퓨터로 완벽하게 동작하는 로봇이 옆을 지나가고 있던 사람을 때린 사고가 발생하였는데, 이도 전자파 장애에 의해 컴퓨터가 오동작한 것으로 추측되고 있다. 무시할 수 없이 많은 전자파 장애가 발생하고 있는 것이다.
필자가 근무하는 회사는 무전기를 생산하고 시험하는 관계로 전자파가 많은데 전화기들이 오동작하는 경우가 종종 발생하고 있다. 한 예로 유선전화기를 사용하여 통화하고 있을 때 출력 2Watt의 무전기 안테나를 전화기 본체에 대고 PTT를 눌러 송신 주파수를 날리면 전화가 뚝 끊기는 현상이 일어나거나 통화상에 심한 잡음이 발생한다.

2. 전자레인지(전자파 장애의 부산물)

전자파의 '장애'에 의해 탄생한 문명의 이기가 전자레인지다. 영어로 Micro Wave Oven이라고 불리는데, 이는 마이크로파(1-100GHz)로 레이더를 연구하던 한 기술자가 먹으려고 주머니에 넣어 두었던 초콜릿이 완전히 녹아버린 것을 보고, 마이크로파가 물체의 분자를 흔들어 열을 발생시킨다는 원리를 발견하게 된 것이다. 열이란 곧 불질의 분자운동 에너지다. 전자레인지는 마이크로파를 쏘아 음식물의 분자를 흔들어 주어서 내부로부터 골고루 열이 발생하게 만든 것이다.
전자레인지는 2450MHz대 주파수를 사용하고, 출력은 가정용이 400-600W, 영업용이 1-3kW정도다. 음식물에 고주파를 방사하면 식품의 분자가 일종의 회전운동을 하며 열을 발생해 식품이 조리된다. 음식의 분자가 열을 발생하기 이전에 수분부터 가열돼 증발하기 때문에 전자레인지에 음식을 하면 좀 뻑뻑해지는 것이 사실이다. 고구마를 찜통에서 가열하면 겉부터 익으면서 수분차단벽 역할을 해서 고구마 속은 촉촉하면서도 맛이 있지만, 전자레인지에 고구마를 넣고 익히면 속이 무척 뻣뻣해져서 맛은 나지 않는다. 그래서 전자레인지는 또한 좋은 탈수기도 된다. 전자레인지에 젖은 옷을 넣고 좀 가열시킨 다음 꺼내보면 삶은 옷처럼 수분이 많이 증발한다. 털어서 다시 넣고를 10회 정도 반복하면 급할 때 유용하게 사용할 수 있다. 또한 눅눅해진 팝콘, 땅콩, 강냉이 등을 전자레인지에 넣고 해동에 맞추어 놓으면 갓구워낸 것처럼 바삭바삭해진다.

3. 무선의 관리제도

무선은 눈에 보이지 않으므로 주파수나 출력, 점유대역폭, 스퓨리어스 방사, 전자파 장애 등 관리하지 않으면 타인에게 피해를 주는 부분을 규제 관리하기 위한 제도를 두고 있다. 그 제도에는 무선국 검사, 무선기기 형식검정, 기술기준 확인증명, 전자파 장해검정, 무선국 감시가 있다.
무선국 검사는 타인에게 영향을 주는 불필요한 전파발사 여부와 무선국 운용규정 준수여부 등을 점검하는 것으로서 준공검사, 정기검사, 임시검사 등이 있다. 무선기기 형식검정이란 항공, 해상기기 등 인명안전에 관련된 기기의 안전성을 인증하고, 무선기기의 성능과 형식을 승인하는 것으로서 형식검정에 합격된 제품은 판매가 자유로워진다. 이 형식검정은 전기제품에도 적용된다. 기술기준 확인증명이란 셀룰라폰, TRS단말기, 간이 무전기 등 일반인들이 사용하는 무선통신기기가 다른 주파수의 통신에 나쁜 영향을 주는 전파를 발사하지는 않는지 모든 제품 하나하나를 점검하는 것이다. 증명을 필한 기기는 가허가와 준공검사없이 신속히 허가가 난다. 전자파 장해검정은 무선기기 이외의 기기로부터 발생하는 쓸데없는 전파가 다른 무선통신을 방해하지 않도록 규제치내의 방사가 이루어지도록 규제하는 것이다. PC, 모니터, 프린터, 모뎀 따위 컴퓨터 관련기기 등이 대상이다.

4. 제한없이 사용할 수 있는 미약전파

놀이동산을 가든 부페를 가든 2살이하의 유아는 입장료를 받지 않는다. 이처럼 전파도 미약하여 다른 통신이나 전파사용에 지장을 주지않는 낮은 출력의 주파수는 제한없이 사용할 수 있다. 전파법에는 발사하는 전파가 매우 미약한 무선국은 정보통신부 장관의 허가나 신고없이 사용할 수 있도록 규정되어 있다. 미약무선국은 혼신으로부터의 보호가 없고 현행의 허용치로는 통신거리도 한정되어 있지만 최근 사회전반에 걸쳐 그 수요가 증대되고 있다.
미약무선국의 기준은 1992년 6월부터 발사되는 전파의 전계강도의 측정거리가 100m에서 3m로 개정되었다. 전계강도는 3m의 위치에서 322MHz미만은 500Mv/m이하, 322MHz이상 10GHz 미만은 35mV/m이하로 바뀌었다. 이런 미약전파를 활용하여 많은 무선통신관련 응용기기를 허가절차나 규제없이 사용할 수 있다. 하지만 통달거리가 짧으므로 지나친 기대는 하지 않는 것이 좋다.
미약전파를 활용하여 사무실 또는 가정내의 신호용 케이블류들을 제거하는 응용기기가 많이 고안되고 있다. 요즘 식당에 가면 소리쳐 부르지 않아도 테이블 위에 있는 버튼을 누르면 무선으로 카운터와 연결되어 벨이 울리는 장치도 있고, 아예 초인종을 무선으로 만든 제품도 있다. 선을 제거하고 싶다는 인간의 욕망은 끝이 없어서 앞으로도 많은 제품이 나올 것같다.
전파법 시행령 제 56의 2에서 규정하는 '무선국 허가없이 개선가능한 설비'로는 앞에 설명한 미약전파를 사용하는 기기, 무선 원격조정 모형비행기나 완구 등과 같이 500m에서 전계강도가 200Mv 이하인 무선설비, 형식승인 합격한 무선전화기와 생활무전기 및 100Mv 이하의 구내 무선호출기, 무선 마이크, 무선 LAN, 수신전용 무선기기 등이 있다.

5. 잠수함은 어떻게 통신을 할까?(수중통신)

물속을 돌아 다니는 잠수함과 관련된 기술은 비행기의 그것과 큰 차이를 보이고 있는데, 이는 물속이라는 특수 상황 때문이다. 비행기가 마이크로파를 이용한 레이다를 사용해 주변의 사물을 인식한다는 것은 누구나 알고 있다. 그렇다면 잠수함은 레이다와 같은 기능을 어떻게 수행하는 것인가?
물은 일반적으로 전파를 통과시키지 않기 때문에, 물속을 운행하고 있을 때는 전파를 전혀 사용할 수가 없다. 그래서 잠수함의 레이다는 음파를 사용한다. 영화를 보면 잠수함이 지나가는 장면이 나오면 항상 나오는 소리가 있다. "띠-띠"하는 이 소리는 소나라는 음파 레이다에서 나온다. 음파를 발사해 그 음파가 되돌아오는 방향과 시간을 측정하여 주변의 물체를 인식하는 것이다.
그러나 음파로는 무선통신이 안된다. 할 수 없이 수면 가까이 올라가 안테나를 부이에 매달고 줄을 달아 물위로 올려서 무선통신을 한다. 진 해크만과 던젤 워싱턴이 주연한 '크림슨 타이드'란 영화를 보면 이 안테나 선이 끊어져 핵발사 명령에 관한 무선 암호통신을 받지 못하는 장면이 나온다. 이 안테나가 끊어지면 완전히 물위에 솟아 올라 잠수함의 첨탑에 달린 안테나로 통신을 해야 한다. 이처럼 물속에서는 무선통신을 하지 못하기 때문에 방수 무전기도 없다.
그러나 최근에는 극저주파를 사용해서 물속에서도 통신을 한다고 한다.

6. 누구나 라디오 방송국을 만들 수 있다(해적 방송국)

라디오 방송국하면 웬지 거대한 기기들이 가득차고 많은 사람이 근무하는 그런 곳으로 생각하기 쉽다. 필자가 미국에서 슈퍼마켓에 갔더니 마이클 잭슨이 애틀란타에 와서 공연을 하는데 콜라 12개들이 한 상자를 사고 응모권을 써서 보내면 애틀랜타 최고의 청취율을 갖고 있는 라디오 방송국과 코카콜라가 협찬하여 추첨에 의해 마이클 잭슨 공연 티켓을 준다고 해서 나도 1장을 공모하였다. 2주일 후 일요일 아침에 잠을 자고 있는데 전화가 왔다. 티켓 2장에 당첨이 되었다는 것이다. 너무도 기뻐서 알려주는 주소로 '애틀랜타에서 가장 유명한 라디오 방송국'을 찾아 나섰는데, 2시간이 되도록 찾을 수가 없었다. 한국에서의 생각으로 KBS, MBC 이렇게 쓴 큰 건물과 옥상을 뒤덮고 있는 안테나 타워를 찾고 있었으니 찾을 수가 없었던 것이다. 힘겹게 찾아간 그 애틀랜타에서 제일 유명한 라디오 방송국은 작은 5층 건물의 4, 5층을 사용하고 있었고, 직원수는 30-40명 정도 되는 것 같았다. 결국 중요한 수업이 있어서 마이클 잭슨 공연은 보지 못하였지만 그 티켓을 팔아 10만원 정도 수입이 생겼던 것은 즐거운 기억인데, 어째서 그렇게 거대하게 생각되던 라디오 방송국이 그렇게 작을 수 있었을까?
답은 '말을 안하면 된다'는 것이다. 그때 애틀란타의 라디오 방송국들은 말 안하기 경쟁을 하고 있었다. "우리 방송국은 2시간 동안 말 한 마디 안하고 음악만 틀어드립니다. 광고는 한데 몰아서 1분도 안 됩니다"하고 광고하던 바로 그 방송국이었던 것이다. 말을 안하면 DJ가 할 일이 없어지고, 유명인이나 달변이 아니어도 상관없고 방송작가가 필요없다. 뉴스를 안하니 기자가 필요없고 아나운서도 필요없다. 이런 식으로 돈 들어갈 일이 없으니까 광고를 덜해도 되고, 광고를 안하니까 음악을 들으려는 사람들이 그 방송만 듣는다. 아침에 일기예보는 TV를 보고 전해주는 정도이니 참 기발한 발상이다.
만약 내가 사용하고 있는 무전기의 주파수가 FM 방송의 한 채널이라면, 내가 무전기에 200Watt 증폭기를 달고 우리 아파트 옥상에 안테나를 달고 말을 하고, 우리집 오디오에 김건모의 '스피드' CD를 걸어 틀면 하나의 완벽한 라디오 방송국이 되는 것이다. 그래서 무전기를 설치하기 위한 허가신청서류 양식 하단에 보면 방송국의 경우 적는 난도 같이 있다. 결국 라디오 방송국 하나 개국하는 거나 무전기 하나 개국하는 것이나 똑같은 것이다.

경기도에 연구소를 가지고 있는 S그룹 연구단지 기숙사에서 실제로 있었던 일이다. 어떤 전자관련 연구를 하던 연구원이 청계천에 가서 재료를 구입해다 무전기를 만들었는데, 허가가 안나는 FM 주파수를 썼으므로 물론 불법이었다. KBS와 MBC FM 방송 주파수 사이를 겨냥해서 주파수를 정하고, 책상에 마이크 하나 놓고 불법 사설 방송국을 연 것이다. 밤 10시만 되면 무전기를 켜고 "여기는 ○○ 사설 방송국입니다. 오늘의 음악은…"하면서 카세트에다 자기가 좋아하는 음악을 틀고 사이사이 멘트는 그냥 생각나는대로 주절거리기 시작하였다. "오늘 점심시간에 동료들과 상의해본 결과 본연구소의 가장 미인은 김아무개로 결정되었다. 그녀의 매력포인트는 이러저러하다고 한다. ○○연구실 이아무개 ○○센티, ○○연구실 최아무개 ○○센티,,,"라는 둥 익명의 이점을 살려 할 소리 안할 소리를 마구 지껄여댄 것이다. 한 달이 못되어 그 기숙사에서는 애청자(?)가 폭발적으로 늘어났다고 한다. 전파감시소에서 걸리기 전에 스스로 폐국(?)을 했는지 언론사 통폐합에 통합이 되었는지 모르겠지만, 이렇듯 라디오 방송국은 원하기만 하면, 또 법을 어길 배짱만 있으면 10만원이면 개국이 가능하다.

■ '통통튀는 통신이야기'중에서/정진현 지음

전파의 성질

 

1. 쓰는 상황에 따라 엿 장수 맘대로 나가는 무전기(전파의 성질)

"이 무전기 몇Km나 나가요?"
"예, 5Km 나갑니다."

이 대화는 필자의 주변에서 무척이나 많이 듣는 대화다. 여기서 질문하는 사람은 무선에 대해 문외한임이 확연히 드러나며, 대답하는 사람도 별로 정직하지 않거나 무식함을 알 수 있다. 왜냐하면 무선은 그 성질 때문에 단 1m에서도 통화가 안되는 수가 있고 십여Km까지 통화가 되는 등 변화무쌍하기 때문이다.

첫째, 무선전화는 산, 돌, 바위, 철판, 철망사(모기장), 콘크리트 벽, 인체, 물 등을 통과하지 못한다. 그리서 무전기의 조정이나 테스트는 철판과 쇠그물창으로 된 전파암실에서 한다.
둘째, 무선전파는 통과하지 못하는 경우엔 일부 반사되거나 가장자리에서 회절한다 (굽어진다). 지하 1층과 지상 4층간에 무전기로 통화를 하고 있다면 그 전파는 무전기와 무전기를 잇는 직선거리로 전달되고 있는 것이 아니라, 일단 4층의 창문밖으로 나가 앞건물에 반사된 뒤 현관을 통해 계단을 따라 계속 반사되어 전달되고 있는 것이다. 지하는 완전히 땅속이고 쇠로 된 방화벽이 입구를 완벽하게 막고 있으며, 앞, 뒤, 옆으로 아무 건물도 없다면 지하 1층과 지상 1층이 직선거리로 1-2m 떨어져 있어도 통화가 안된다. 산에서는 산봉우리 이편과 저편간이나, 산모퉁이 바로 돌아 송학사에 간 사람과 통화가 안되는 수가 자주 있다. 산모퉁이를 돌아 저편에 전파를 반사시켜줄 아무런 물체가 없는 경우다.
무선전파가 인체를 통과하지 못하기 때문에 무선전화기는 안테나가 머리에 가리지 않게 방향을 잡아야 하고, 휴대폰은 그 주변 중계국 안테나와 자신의 안테나간에 머리가 위치하지 않게(어디 있는지 모르므로 빙빙 돌다가 감도가 제일 좋은 위치), 무전기는 통화하는 상대방 방향으로 서서 통화를 해야 한다. 또한 무선전화기는 본체의 안테나를 수직으로 똑바로 세우고 완전히 뽑아주어야 하며, 휴대폰은 모든 중계국 안테나가 수직으로 설치되어 있으므로 안테나가 수직이 되도록 신경을 쓰며 통화해야 한다. 무선전화기든 휴대폰이든 잡음이 많은 경우, 조금만 자리를 이동해도 감도가 좋아지는 것을 느끼실 것이다.

따라서 위의 질문과 답을 바르게 다시 한다면,
"이 무전기 출력이 몇 W(Watt:와트)입니까?"
"예, 2W입니다."
"음…그러면 도심에서는 1-2Km, 교외에서는 3-4Km, 해상에서는 7-8Km 정도 통달이 되겠구먼."
또는 "이 무전기 몇 Km나 나가요?"
"어떤 용도로 어디에서 사용하실지 몰라 잘 모르겠구만유. 지가 나가는 만큼 나가겠지유. 쓰는 놈이 알지, 파는 놈이 뭐알겠시유."

2. 불법적인 고출력도 소용없다(무선의 도달거리와 출력)

무전기의 출력을 세게 하면 전파가 멀리 가지 않겠는가 하는 생각이 들 수 있다. 그런데 그게 그렇지가 않다. 주파수는 결국 한정되어 있고, 어떤 무선 전화기가 한국 전역을 커버한다고 하면 결국 전국에서 동시에 사용할 수 있는 무선전화기는 일반 무선전화기용으로 허가된 주파수 하나당 하나씩 15개와 고급 무선기용 주파수 40개를 합쳐 55개밖에 되지 않을 것이다. 그래서 출력을 제한하는 것이다.
대부분의 무선전화기는 0.01Watt이하이고 휴대폰은 0.6 Watt, 차량용 셀룰라폰은 3 Watt이다. 경찰들의 휴대용 무전기도 5 Watt를 넘지 않는다.
또한 출력이 세면 소모전류가 많다. 따라서 배터리가 많아져 무거워지므로 휴대기의 경우 이 무게와 비용과 출력간에 적정선을 찾게 되는 것이다. 휴대폰의 출력도 정확히 0.6 Watt가 아니다. 내부에 출력조정 스위치가 있어 기지국과의 거리에 따라 출력이 자동조정되며, 가장 상황이 나쁠 때 0.6 Watt가 나오도록 조정을 하고 있다.
일부 몰지각하고 나쁜 사람들이 이 내부 출력조정 스위치에 손을 대어 출력을 높인다고 한다. 그래봐야 휴대폰 사용시간만 짧아질 뿐이다. 이 뿐만 아니라, 아예 일본에서 불법으로 수입해온 출력 증폭기를 구입하여 출력 2 Watt의 무전기를 50이나 100 Watt로 증폭하여 사용하는 경우도 있다. 생각을 해보시라, 무전기 한 대의 출력이 방송국 출력만큼 세다니. 그래서 정부에서는 전파감시소를 운영하고 있으며 이동 전파감시차량도 보유하고 있다. 불법으로 출력을 증폭하여 사용하는 사람이나 허가없이 무전기를 사용하는 사람을 찾아내는 것이다.
모든 무선통신을 감청하여 불법의 내용을 확인하고 그 위치를 찾아내는 방법은 2차대전 때나 지금이나 같다. 지향성 안테나를 360도 빙빙 돌리면서 이동 감시차량을 움직이면 전파수신감도가 가장 센 방향을 알 수 있다. 서로 다른 위치에 있는 두 차량에서 전파수신강도가 가장 센 방향으로 직선을 그어 두 직선이 만나는 지점이 위치가 된다. 최근 이 전파감시국의 활동이 강화되어 많은 불법이 적발되고 있다. 가장 많은 것이 장거리 무선전화기의 불법사용이라고 한다.
그러면 전파의 통달거리는 출력에 따라 정비례하여 늘어나는가 하면 그렇지가 않다. 통상 개념적으로 늘어나는 출력의 제곱근의 값만큼 늘어난다고 생각하면 이해가 쉽다. 즉 1 Watt가 1Km의 통달거리를 가진다고 하면 3 Watt인 경우 1.732Km가 통달된다고 보면 된다. 그런데 배터리 소모는 출력이 2 Watt면 1 Watt인 경우보다 2배, 3 Watt는 3배로 정비례하여 더 소모되므로, 졀국 배터리 크기와 무게, 가격을 고려할 때 휴대용 무전기의 출력은 적정선을 찾지 않을 수가 없다.

3. 전파와 전리층

지구상의 상층대기를 구성하고 있는 분자나 원자는 태양으로부터 오는 자외선, X선에 의해 전리된다. 이 분자, 원자 이온과 전자가 혼재하는 영역을 전리층(Ionosphere)이라 부른다. 전리층은 D층(70-90Km), E층(90-130Km), F층(130-수백Km)으로 분류된다.
전리층의 전자밀도는 태양활동의 정도, 계절, 시각, 위치, 경도 등에 의해 변화한다. 지구자계의 영향으로 극지방과 적도지방에서는 큰 차이가 난다. 또 고위도의 전리층은 강하입자에 의한 전리작용도 더해져 특히 복잡하게 변화한다. 극지방에서 전리층과 관계하여 발생하는 하늘의 빛의 마술을 오로라라고 한다. 여름에는 F층이 둘로 나뉘어지며, E층에서도 상황에 따라 불규칙하게 출현하는 층이 있어 초단파의 이상전파현상을 일으키기도 한다. 이 전리층은 계절과 기후에 따라 생겼다 없어지므로 지구반대편과 통화하기 위해 아마추어 HAM들은 전리층 예보에 귀를 기울인다.

4. 차세대 이권이 걸려 있는 주파수 경매

전파의 단위로서 전파의 종류를 구분하는 이름인 주파수란 눈에 보이지 않는 무형의 것이며, 무선의 발달과 함께 세상에 없었던 것이 생겨난 것이라고 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고 이제 주파수는 소유의 대상이 되었으며 개인의 것이 아니면 국가의 것이라는 개념으로 국가가 관리하고 있다. 이미 전세계가 서로 주파수를 할당하고 조정하여 상호간 간섭이 없도록 하고 있는 등 주파수는 부동산이나 지적 재산권처럼 엄청난 이권이 개입된 주요 물권이 되었다.
현재 우리나라는 정부가 통신사업을 심사에 의해 지정해주고 있다. 겉으로는 통신사업을 해도 좋다는 단순한 허가에 불과한 것으로 보이나, 사실은 그 금싸라기같은 주파수를 할당해 준다는데 더 큰 의미가 있는 것이다. 따라서 통신사업을 허가받은 업체는 허가를 받는 즉시 사업의 성패를 떠나 엄청난 미래의 이익을 보장받은 것이나 다름없다.
무선 주파수는 갈수록 고갈되고 있다. 이미 1GHz대역 미만의 주파수는 더 이상 나누어줄 것이 없을 정도로 포화되었다. 최근에 AFKN이 VHF 채널 2번에서 UHF 채널 34번으로 옮긴 것도 그 좋은 VHF 대역을 더 이상 미군에게 할당할 수 없다는 정부의 판단에 의한 것이다. 용산기지가 가족공원으로 바뀐 것과 같다.
만약에 96년 6월에 무선통신 사업을 허가받은 업체가 사업이 잘 안되어 이익을 전혀 내지 못하고 5년이 지났다고 하자. 5년간 전혀 이익도 손해도 보지 않고 사업을 포기하기로 하면, 그 회사에서 가장 값나가는 것은 땅값이 올랐다면 부동산이 있겠고 영업권도 있겠지만 그보다도 주파수가 천정부지의 가격으로 입찰의 대상이 될 것이다.
미국에서는 정부가 사업권 획득에서 탈락한 업체들의 군소리도 듣기싫고 정부의 재정적자도 메꿀겸해서 주파수를 경매에 붙인다. 돈을 가장 많이 써낸 업체가 그 주파수의 주인이 되는 것이다. 앞으로 이 주파수에도 투자하는 장영자같은 큰 손이 나올지도 모른다. 믿거나 말거나.
우리나라에서는 주파수 사용료를 받는다. 정부가 길을 닦고 공원을 만들고 사용료를 받는 것은 당연하겠지만 하늘에 그냥 있던 전파를 사용했다고 주파수 사용료를 부과하고 있다. 걸국 모든 국가가 전파를 정부의 재산으로 규정하고 있는 것이다. 그런데 우리나라 정부가 주파수 사용료를 부과하기 시작하면서 약간의 혼란이 생겼었다. 일반 무전기를 기준으로 특정주파수를 한 개 사용하면 얼마, 두개 사용하면 두배, 이런 식으로 부과를 하다 보니 그렇다면 여러 주파수를 공용해 사용하는 TRS나 셀룰라폰은 어떻게 값을 매기느냐로 문제가 된 것이다. TRS나 셀룰라폰이 아무리 주파수를 공용한다고 해도 한 순간에 하나밖에 안쓰기 때문에 한 개의 주파수 값만 내도 된다면, 아무리 일반 무전기에 20개의 주파수를 넣어도 한 번에 한 주파수만 사용하는 것은 마찬가지이기 때문이다. 그러다가 목적계수라는 개념을 도입하여 주파수의 활용효율이라는 측면에서 가감해주는 방법으로 해결하였다.
하여튼 공짜로 사용하던 주파수에 사용료가 붙으니 처음 당하는 사람은 아무래도 억울한 생각이 들게 마련이다. 이러다가는 강에서 수영하면 강사용료, 숨쉬면 공기사용료도 부과되는 날이 오지 않는다고 누가 보장하겠는가?

■ '통통튀는 통신이야기'중에서/정진현 지음

<전파의 직진성>

- 사전적인 의미의 직진 : 하나의 점에서 또 다른 점으로 최단거리를 이동하는 것이라 할 수 있습니다. 전파는 빛과 유사한 성질을 갖고 있으며, 이러한 직진성은 전파에 국한하지 않고 파동 전반에 공통적으로 나타나는 성질입니다.
- 실질적인 예 (휴대폰) : 많은 경로의 전파가 휴대폰의 안테나를 통해 도착되게 되는데, 이때 휴대폰은 통화하기에 유리한 가장 강한 전파를 잡을 수 있는 메커니즘을 가동하여 통화로를 설정하게 됩니다.

<전파의 간섭성>

연못에 돌멩이 두 개를 동시에 던져 넣으면, 돌멩이가 물속에 떨어진 곳으로부터 두 개의 동심원이 퍼져 나갑니다. 이 때 파동이 겹쳐지는 곳을 살펴보면, 다음과 같은 현상이 발생합니다.

i) 역위상의 경우
한 쪽 물결의 마루와 다른 물결의 골이 겹쳐지는 곳에서는 양쪽 물결(파동)이 서로 상쇄하여, 그 합쳐진 물결은 그 마루와 골이 작아집니다 .

ii) 동위상의 경우
마루와 마루가 겹쳐지는 곳 : ⇒ 마루가 한층 더 높아집니다.
골과 골이 겹쳐지는 곳 : ⇒ 골이 더 낮아집니다.

즉, 전파도 동일 주파수에 대한 2개 이상의 파동이 동위상인 경우에는 합성되는 현상이 발생하고, 역위상인 경우에는 간섭현상을 일으키게 됩니다.

<전파의 회절성>

전파는 빛과 같이 직진하지만, 전파가 도달할 수 없는 산이나 건물 뒷면에서도 라디오나 TV가 수신 되고 휴대폰 통화도 되는 것은 전파의 회절성 때문입니다. 즉, 파동(전파의 흐름)이 진행하다가 장애물을 만나면, 장애물을 돌아 뒤쪽까지 도달하는 현상을 말합니다.
흔히 휴대폰을 사용할 때 건물이나 산 등에 가려 기지국 안테나가 보이지 않는 곳에서 통화하는 경우가 훨씬 더 많습니다. 만약 전파가 회절성 없이 직진성만 가지고 있다면, 휴대폰 통화는 물론 이동전화의 대중화는 상당히 어려움에 봉착했을 것입니다. 그러므로, 전파의 회절성은 이동통신에 있어서 없어서는 안될 중요한 특성이라 할 수 있습니다.

§이글은 SK텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

주파수와 도달거리의 관계

 

자유공간이 아닌 대지에서의 수신 신호세기는 William C.Y.Lee 저서의 Mobile Cellular Telecommunications Systems의 사용 주파수와 반비례 관계를 갖습니다. 그러나 실제로 이동통신 환경은 주위의 건물과 지형지물에 의하여 도달거리가 중요하게 결정됩니다.
예를들어 기존의 Cellular 이동통신 시스템은 전파가 평지에서 15km정도 도달하고, PCS 시스템은 10km정도 전파가 도달합니다. (위 수치의 근거는 전파전파 모델인 LEE 모델식에 근거하여 계산한 값임) 그러나 우리나라의 경우 대부분이 산으로 둘러싸여있으므로 10km 이상 평지로 연결되어있는 지역이 드물기 때문에 10km 이상의 전파 도달 거리가 필요한 지역은 거의 없습니다. 기존의 이동통신 기지국들의 간격도 대부분이 10km 이내라는 점은 이러한 주장을 뒷바침해줍니다.
또한, 전파의 도달거리는 기지국의 위치에 의하여 크게 좌우되는 사항입니다. 당사는 필요한 수준의 도달 거리를 만족시키기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션과 수많은 전파 테스트를 실시하여 적절한 위치에 기지국을 설치하여 원하는 도달거리를 충분히 얻고있습니다.

<주파수와 전파 투과성 및 회절성의 관계는?>

먼저 전파의 투과성은 대부분 실험에의한 실험식과 데이터들이 여러가지 문서와 논문에 나와있습니다.
그중 1993년 12월 발행된 IEE Proc.-I, Vol.140에 A.M.D.Trukmani와 A.F.de Toledo가 쓴 "Modeling radio transmissions into and within multistory buildings at 900,1800 and 2300MHz"라는 논문을 보면 주파수가 증가 할수록 건물 투과 손실은 감소한다는 결과를 보여주는 실험 데이터를 확인할 수 있습니다. 또 이러한 사실은 Kazimierz Siwiak의 저서 Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications. 회절성에 대한 관계식은 여러 이동통신 문헌에서 찾아볼 수 있습니다.
이중 회절에 의한 손실은 회절을 유발하는 물체를 간단히 edge로 간주하여 분석한 Knife-edge 모델에서 주파수와의 관계를 알 수 있습니다. William C.Y.Lee 저서의 Mobile Cellular Telecommunications Systems을 인용하면 주파수가 증가할수록 회절에 의한 손실은 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 따라서 당사에서는 주파수 증가에 따른 회절손실 증가와 투과손실의 감소를 설계에 반영하여 효율적인 무선망 설계를 하였습니다.

§ 이글은 LG텔레콤 홈페이지에 게재된 것입니다.

휴대폰 이야기

 

1. 세포들이 모인 네트워크 - 셀룰라 이동통신망

셀룰라폰이란 휴대폰과 카폰을 아우르는 용어다. 셀룰라폰을 다른 무선장치와 구분하는 가장 큰 특징은 이름에도 나와 있듯이 통신지역을 여러 개의 셀(Cell:세포)로 구획을 만들어 놓았다는 것이다. 여러 개의 셀이 모여서 전체 통신망을 구성하는 것은 사람의 몸도 작은 세포들이 모인 것과 같다.
하나의 셀은 3-5Km의 반경을 가지는 하나의 기지국을 가지고 있고, 이 셀들이 교환기와 컴퓨터로 연결되어 전체망을 구성한다. 이렇게 여러 개의 셀로 통신망을 구성하게 되면 여러 가지 문제가 발생하기 때문에 과거에는 기술상 하지 못했다.
셀과 셀이 토지 구획하듯 정확하게 잘라지면 좋겠지만, 대부분의 셀이 서로 겹쳐 있어서 경계면에서 문제가 발생한다. 자동차를 타고 100Km 이상의 빠른 속도로 한 셀에서 다른 셀로 옮겨가는 경우, 좀 더 깨끗하게 접속될 수 있도록 양쪽 셀 중계국의 신호를 비교 분석하는 것과 통화가 끊어지지 않게 그 통화를 한 중계국에서 다른 중계국으로 넘겨주는 기능 등을 수행하여야 한다. 이렇듯 우리는 휴대폰을 집에 있는 전화 사용하듯 쓰고 있지만, 우리가 느끼지 못하고 있는 가운데 많은 첨단기술이 통화를 계속되게 해주는 것이다.

2. 전파도둑(휴대폰 불법복제)

휴대폰을 3개 사서 1개만 등록시키고, 2개는 그 등록시킨 1개에 일명 '쁘라찌'를 시켜 연결해서 사용하는 불법복제가 기승을 부린다고 한다. 나머지 2개의 전화는 수신은 안돼도 호출기로 수신하고 어디서나 전화를 할 수 있을 뿐만 아니라, 등록 비용도 절약하고 매월 나오는 기본료와 전파사용료를 안 내도 되므로(건 것만큼 등록된 전화쪽 요금에 가산된다), 많은 사람들이 불법복제를 한다고 한다. 하지만 이것은 불법이므로 시도하지 마시기 바란다. 외국에서는 아예 남의 전화에 기생하여 전화비조차 안 내는 전파도둑도 많다고 하니 요지경 세상이다.
휴대폰에는 제조시에 전화기에 각각의 특수번호가 붙어 나온다. 이것은 제조 일련번호와는 또 다른 전자일련번호로서 ESN(Electronic Serial Number) 또는 헥사 코드(HEXA CODE)라고 한다. 제조회사는 전화기를 제조하고 판매하고자 하는 나라의 해당 서비스 회사에 이 ESN을 등록시킨다. 따라서 휴대폰을 이동통신회사에 등록시키거나 기기변경을 할 때는 전화기의 제조회사명, 모델명, 기기일련번호만을 기록하게 되어 있다. 그러면 이미 컴퓨터에 등록된 헥사 코드를 찾아 등록이 된다.
만약 새로운 전화기를 구해다가 사용하고 있는(등록되어 있는) 휴대폰의 헥사 코드를 알아내어 입력을 시킨다면(특수한 장치가 필요하다), 완벽한 쌍둥이가 되는 것이다. 각각 전화를 걸 수는 있지만 받을 때는 두개가 동시에 벨이 울리기 때문에 먼저 받는 쪽이 통화하게 된다.
미국, 일본 등지에서 이 헥사 코드의 불법복제가 성행하여 피해자가 속출하고 있다. 최신의 기술은 단지 휴대폰을 사용하는 사람 옆에만 가도 그 사람이 사용하고 있는 휴대폰의 헥사 코드를 알아낼 수 있다고 한다. 이러한 헥사 코드 불법 복제를 막는 방법은 거의 없다. 이동통신 회사의 컴퓨터는 사용자가 휴대폰을 켜고 있는 동안 계속 어느 구역(Cell)에 그 전화기가 있는지 확인하게 되므로, 짧은 시간에 이동할 수 없는 원거리의 2개 구역에서 전화 사용 기록이 남을 때 그 전화기가 불법 복제 되었음을 알 수는 있다. 이 경우 그 전화기를 일단 사용 정지시킨 뒤 전화번호를 변경하면 된다. 그러나 불법복제되어 요금이 과다하게 나왔음을 증명하기 전에는 사용자가 요금을 모두 물어야 한다.
우리나라에서도 서서히 문제가 되고 있어 이동통신 회사측에서도 대책을 마련하고 있다. 셀룰라 폰의 특성상 전원이 들어와 있는 한 어느 셀지역에 있는지 중앙 컴퓨터가 계속 모니터링을 하고 있으므로, 헥사 코드가 동일한 두 개의 신호가 잡히는 경우를 추적한다. 따라서 불법복제로 휴대폰을 사용하고 계신 분은 빨리 원상복구를 하시든지, 한번에 한 단말기만 켜져 있게 하시든지 해야 할 것이다. 다만, 헥사 코드를 바꾸기 이전의 코드를 메모해 두지 않으셨다면 원래의 헥사 코드를 물어본다는 행위 자체가 불법 복제를 시인하는 것이기 때문에, 그 휴대폰은 완전 고철덩어리가 되고 만다는 것을 명심하셔야 한다.

3. 열받으면 요절하는 배터리(배터리이야기 1)

내가 몸에 소지하고 있는 배터리를 모두 세어 보았다. 휴대폰 안에 5개, 호출기에 1개, 전자시계 안에 1개, 전자수첩 안에 3개, 원격시동 리모컨에 1개 해서 총 11개의 배터리를 가지고 다닌다는 것을 알고 놀란 적이 있다. 현대 생활에서 배터리는 너무도 여러 곳에 사용되고 있어 상당히 친숙한 물건인데도 아주 기초적인 지식도 없어 많은 사람들이 손해를 보고 있다. 이 내용을 잘 읽고 나면 많은 돈을 절약할 수 있으므로 잘 읽어주시기 바란다.
일반적으로 배터리, 우리 말로는 전지라고 하는 것은 1차 전지와 2차 전지로 나뉜다. 1차 전지란 통상 이야기하는 건전지로서 망간아연 건전지나 알카라인 건전지를 말하며 1회 사용하면 버려야 하는 것이다. 최근 알카라인 건전지를 특수한 방법으로 재충전하여 10여회 재사용이 가능한 충전기가 시판되고 있어 재활용도 가능하다고 하는데, 일단 1차 전지는 재충전이 되지 않는 것을 통칭한다. 1차 전지를 무리하게 충전하려고 하면 폭발할 위험이 있으며, 폭발시 나오는 액체로 실명할 수도 있으므로 조심하여야 한다.
2차 전지는 충전을 하여 재사용이 가능한 것을 말한다. 자동차용 배터리에 많이 사용되는 납 축전지가 있고, 현재 전세계적으로 전자 제품에 가장 많이 사용하는 것은 니켈카드뭄(NiCd), 곧 니카드 배터리이다. 따라서 여러분이 주목하여 알아두셔야 하는 것이 이 니카드 전지의 성질이다. 이 놈의 성질이 고약하기 때문이다. 니카드 전지는 여러 업체가 생산하고 있으나 가장 성능이 좋다고 하는 회사의 제품도 통상 700회쯤 충전, 방전을 하고 나면 수명을 다 한다. 잘하면 1,000회 이상까지 사용이 가능하다고도 한다. 휴대폰의 경우 매일 한 번 충전하고 사용한다면 일년 365일 곱하기 2, 즉 730일 동안 충전, 방전을 하게 되어 2년 사용하면 수명이 다하므로 버리는 것이 당연하다(이렇게 수명이 있음을 모르고 2년후에 제품고장을 호소하는 소비자가 너무너무 많다).
그러나 제대로 사용하지 않으면 이 700회도 사용 못하고 반 년이 못되어 수명을 다하는 경우도 허다하다. 니카드 배터리는 열을 받으면 수명이 단축된다. 따라서 만충전이 되었는데도 또 충전기 위에 올려 놓으면 전류가 유입되고, 더 이상 들어갈 수 없는 전기 에너지가 열에너지로 바뀌어 심하면 손을 델 수 있을 정도로 배터리가 뜨거워진다. 심하게 열을 받은 배터리는 거의 숨지게 된다. 따라서 과충전을 하지 말아야 된다.

4. 니켈메탈수소와 리튬이온(배터리이야기 2)

니카드 배터리를 몰아내려는 신기술은 니켈메탈수소 배터리(일반적으로 니켈수소로 불린다)와 리튬이온 배터리 등이다. 니카드보다는 니켈메탈수소가, 니켈메탈수소보다는 리튬이온이 같은 부피일 때 전류용량(전기를 담고 있는 용량. 사용시간을 결정한다)이 더 크다. 다만 기술이 완벽치 못하여 리튬이온은 니켈메탈수소보다, 니켈메탈수소는 니카드보다 재충전 사용횟수가 적다. 리튬이온은 니카드의 절반 정도 수명이다.
니켈메탈수소는 니켈이 들어가므로 니카드만큼은 아니어도 역시 사용시간을 단축시키는 메모리 효과가 생긴다. 천만다행으로 리튬이온은 전혀 메모리 효과가 없다. 따라서 1통화하고 충전하고를 반복해도 수명이 단축되지 않는다. 그러나 완벽한 물건은 없는 것인지, 리튬이온은 폭발의 위험이 있다. 모든 2차 전지가 폭발의 위험이 있어 불에 넣지 말라고 되어 있는데, 리튬이온 배터리는 그중 가장 불안정하다. 따라서 배터리 팩을 만들 때 내부에서 빠져 나오는 개스의 배출 문제로 제조업체마다 고생하고 있다.

5. 배터리도 떨어뜨리면 고장이 난다(배터리이야기 3)

최근의 재충전 배터리는 전기용량을 늘리기 위해 첨단기술을 활용한다. 같은 크기에 더 많은 전기용량을 담다보니, 내부의 절연막등 소재가 종이처럼 엷어졌다. 그러므로 사용자가 배터리를 떨어뜨려 충격을 주게 되면 배터리가 망가지는 수가 있다. 예를 들어 배터리 내부의 종이보다 얇은 절연막이 찢어져 누전이 되면 그 배터리는 불량이 되고, 불량 배터리는 저항으로 돌변하여 다른 배터리의 성능도 함께 저하되므로 배터리 팩 전체가 못쓰게 된다. 앞으로는 배터리 팩을 조심조심 사용하기 바란다.
배터리 팩은 당연히 본체와 연결되는 전극을 가지고 있다. 무선 전화기인 경우, 집안에서 마구 굴러다니기 때문에 이 전극에 이물질이 끼거나 손때가 묻어 접촉불량으로 충전이 안되는 경우가 상당히 많이 발생한다. 배터리 팩의 전극이나, 무선전화기나 휴대폰의 전극은 지우개로 깨끗하게 지우거나 칼로 녹이나 불순물을 제거해 주도록 하자.

6. 통신기기에 물은 쥐약

필자가 운전을 하고 가다가 신호등에 걸려 무심히 창밖을 보고 있는데, 길가에서 사복경찰 한 명이 무전기 안테나를 잡고 흔들고 있는 것을 목격하였다. 우리 회사에서 제조한 제품이라, "어휴! 저렇게 안테나 잡고 흔들면 안테나 부러질텐데"하고 속을 태우고 있는데, 아니나 다를까, 손에서 쑥 빠져나온 무전기가 인도 바로 앞 차도에 고인 빗물 속으로 철퍼덕 빠진다. 그 순간 깜짝 놀란 그 경찰은 얼른 무전기를 꺼내서 손으로 물기를 마구 닦고, 나는 속으로 "켜지 마, 켜지 마"하고 외치는 순간, 그 경찰은 무전기를 껐다가 켰다가를 반복하고 있었다. 나는 지구상에서 무전기 하나의 사망을 애처로워하며 A/S 비용증가에 관해 걱정하면서 길을 계속 갔던 기억이 있다.
휴대폰, 무선호출기 등을 사용하다 보면 빗물, 엎질러진 물 등등 물에 닿는 겅우가 많이 있다. 이때는 즉시 전원을 끄고 분리할 수 있는 것을 전부 분해하여 물기를 닦고 말린 후, 적어도 24시간, 즉 물기는 물론 내부의 습기도 완전히 제거되었다고 생각될 때까지 전원을 켜서는 안된다. 물기가 닿으면 밧데리의 높은 전압이 저전압에 작동되어야만 하는 미세한 부품에까지 물기를 타고 흘러가 부품을 파괴하기 때문이다. 이럴 때 전원을 껐다가 다시 켜게 되면 전원이 들어가는 순간 흐르는 더 높은 과전류가 부품 파괴를 더욱 확실하게 하게 되는 것이다.
통신기기뿐만 아니라 모든 전자기기는 물을 먹여서도 안되고, 고장났나 안났나 확인을 위한 전원 ON OFF 행위는 확실한 확인 사살이 됨을 명심해야 한다. 바닷물이나 하수도 등 맑은 물이 아닌 곳에 빠뜨렸을 때에는 배터리를 분리하고, 맑은 물에 1분가량 담가 염분이나 기타 부식을 촉진하는 물질을 제거하 후 건조시켜 수리점에 가져간다.

■ '통통튀는 통신이야기'중에서/정진현 지음

이동전화 서비스 기술적 비교

PCS와 이동전화(휴대폰)는 몇가지 면에서 차이가 나지만 본질적으로는 별로 차이나지 않는다. 심지어 일각에서는 PCS는 이동전화의 또 다른 이름에 불과하다는 의견까지 나오고 있다.
이동전화와 PCS를 구분하는 가장 큰 차이는 우선 사용하는 주파수 대역이다.<표 참조>
이동전화는 8백MHz대역을 사용하는 반면 PCS는 1.7~1.8GHz의 고주파 대역을 사용한다.

이는 고주파 대역으로 올라갈수록 직진성이 뛰어난 반면 회절성이 반감하는 전파 특성과 관련해 서비스 측면에서 이동전화와 PCS가 약간의 차이를 보일 수 있다. 즉 이동전화는 기지국당 통화반경이 상대적으로 넓으며 PCS는 동일한 조건이라면 통화 송신율이 높음을 의미한다.
하지만 이 차이도 사실 미국과 같은 넓은 지역이 아닌 한국과 같은 좁은 지역에서는 별반 의미가 없다. 특히 이를 보완하기 위해 이동전화 사업자들은 양질의 통화 품질을 위한 첨단기술을 도입하고 PCS 사업자들도 기지국 수를 늘려갈 경우 이같은 차이는 거의 무의미하다는 얘기다.
또 하나의 차이는 음질을 결정하는 음성부호화 기술(보코더)이다. 이동전화는 8Kbps를 사용하는 반면 PCS는 13kbps 수준으로 서비스 제공이 가능하다. 이는 PCS가 이동전화 보다 음질이 63%정도 좋음을 뜻한다. 시범 서비스 기간에 뚜렷한 음질의 차이를 느낄 수 있는 것이 바로 이 보코더 기술의 차이 때문이었다.
그러나 실제 PCS도 이동전화 못지않게 실가입자 수가 늘어날 경우 이용자들 입장에서는 이같은 기술적 차이에 의한 음질을 구분해 내기가 쉽지 않을 것이다. 이런 측면에서 현재 이동전화 사업자들이 『1백명의 가입자를 상대로한 서비스와 1백만명의 가입자를 상대로한 서비스를 비교하는 것은 타당치 않다』는 하소연은 일리가 있다고 할 수 있다.

사실 PCS와 이동전화 모두 디지털 기술을 기본으로 하는 코드분할다중접속(CDMA)방식을 채용하고 있다. 디지털 이동통신의 핵심은 일정 주파수로 여러명이 동시에 통화해도 혼선이 생기지 않도록 「교통정리」를 해주는 것이 기술의 요체다.
결국 동일한 전송방식을 사용한다는 점을 전제할 때 음질로 양서비스를 판단한다는 것은 무리가 따른다. 여기에 PCS와 이동전화가 모두 고속 주행중 통화가 가능하고 음성 및 데이터 서비스를 제공하는 것도 엇비슷하다.
만약 멀티미디어 서비스를 제공할 수 있는 IMT-2000 수준의 이동전화가 출현한다면 모르겠지만 현재로서는 양측의 차이를 기술적으로 가르기는 힘들다고 보는 것이 정확하다. 이처럼 이름만 달리한 두개의 거의 같은 서비스가 하나의 시장을 두고 치열한 접전을 벌이고 있으니 「이동통신시장은 총성없는 전쟁」이라는 말이 나도는 것도 결코 우연이 아니다.

§ 이글은 전자신문에 게재된 기사입니다.

Radio Site Design Considerations

 

셀룰라 이동 통신이나 무선 고정망을 위한 무선 시스템을 설계할 때는 매우 세심한 주의가 필요하며 특히 가장 중요한 것중의 하나가 바로 사이트의 선정이다. Radio Site 선정시 주요 고려사항으로는 위치, 주변 지형의 평균 고도, 자연 재해의 발생 가능성, 간섭 발생 가능성, 부대 장비, 가입자 단말기의 유형등이 있으며 사이트를 선정한 다음에는 안테나와 급전선, 타워, 접지, 전원 설비등을 설계해야 한다.

1. Site Selection

1) Site의 위치는 coverage 지역의 모양, 크기, 가입자 밀도, 가용한 무선 주파수 대역, in-building coverage등을 고려하여 결정하며 보통 coverage의 중앙이 좋다. 가입자 밀도가 높은 도심 지역에는 기지국을 다수로 설치해야 하는 경우가 많다.

2) HAAT(Height Above Average Terrain)는 주변 지형 대비 안테나의 높이를 의미하며 HAAT가 클수록 coverage도 늘어난다. HAAT가 증가할수록 antenna down tilt limitations과 케이블 손실에 의한 문제가 발생될 가능성이 높아진다.

-- Rural : 70 ~ 200m
-- Urban : 20 ~ 50m(co-channel 간섭을 최소화시켜야 함)
-- large HAAT를 위해서는 고도가 높은 지역에 짧은 안테나를 사용하거나 고도가 낮은 지역에 긴 안테나를 사용해야 하며 전자의 방법이 선호된다. (타워 비용 감소, 급전선의 비용과 케이블 손실 감소, 안테나 설치와 유지 보수 용이, 바람이나 얼음에 대한 저항성 증가, Site가 고지대에 위치할 경우 접근성 떨어지고 AC 전원등의 기반 시설이 취약)

3) 자연 재해 발생 가능성 : Site는 홍수, 화재, 지진등의 자연적 재해가 많이 발생하는 지역은 피해야 하며 이는 각종 환경 기록등을 이용하여 조사할 수 있다.

4) 간섭 발생 가능성 : noise floor가 낮을수록 좋으며 간섭이나 강한 신호가 없는 지역이 좋다.

ⅰ) Transmitter가 많은 지역 : 모든 Radio Transmitter는 원치않는 Spurious signal을 방사하므로 Transmitter가 많을수록 noise floor는 높아지고 이로 인하여 SNR이 감소한다.(performance, coverage area 감소) 주파수 이격, sideband noise, filter, 잡음 지수등에 의한 복합적 문제이므로 예측하기 어려우며 잡음에 의해 신호의 감쇄가 심각할 때는 bandpass cavity filter를 사용하거나 사이트를 이동해야 한다.

ⅱ) IM interference : Radio transmitter의 비선형적 특성으로 인하여 발생하는 spurious signal은 증폭기로 유입되어 intermodulation 신호를 발생시키며 이 신호들은 희망 신호와 혼합되어 증폭/방사된다. IM 발생은 예측 가능하며 RF isolator(RF diode로 동작, 유입되는 다른 RF energy를 감소)를 사용함으로써 방지가능하다.

ⅲ) Receiver overload : 통상 receiver는 75dB 이상의 dynamic range를 가지며 이는 원치않는 신호의 크기가 희망 신호에 비해 75dB 이상이 되면 않된다는 의미이다.(넘게 되면 overload 발생) 즉, 수신 감도가 최대 -119dBm이 되려면 불요파는 -44dBm이상이면 않된다. 운용 주파수 근처에 존재하는 다른 신호들은 감도를 떨어뜨리거나 overload 현상을 발생시킬 수 있다. bandpass filter의 폭을 좁히거나 notch filter를 사용함으로써 방지가능하다.

5) 주변 설비 : 모든 기지국에는 AC 전원(통상 240VA at 2.5KW)이 필요하며 정전시 최소 30분 정도의 예비 전원이 공급되어야 한다. 축전지의 충전 시간은 통상 8시간에서 10시간 정도이며 정전이 너무 잦은 지역은 사이트로 적절치 못하다. 태양 전지가 예비 전원 장치로 고려될 수도 있으나 이것은 일조량에 따라 달라지므로 그리 유용하지는 않다. 기지국은 MSC나 PSTN과 연결하기 위한 E1/T1 중계선 설비나 이를 대체할 수 있는 마이크로웨이브 시스템이 필요하며 커버리지를 늘리기 위해 중계기가 사용되기도 한다.

6) 접근성 : 아무리 좋은 장비라도 주기적인 유지 보수 활동이 필요하므로 사이트에 대한 접근성의 확보는 매우 중요하다. 접근성 확보를 위해 고려해야 할 사항으로는 Maintenance center와의 거리(이동시 소요시간), 도로 조건, 계절에 따른 접근성(폭설로 인한 도로 차단, 홍수로 인한 도로 유실등)이 있다.

7) 가입자 단말기의 형태 : Fixed wireless system의 경우 Mobile wireless system에 비하여 HAAT의 영향을 적게 받으며 단말기의 출력이 높다. 커버리지가 동일할 경우 Fixed Wireless System은 Mobile System에 비해 사이트의 고도와 타워의 높이가 낮아도 된다.

사이트의 선정에는 위에서 언급한 것 이외에도 많은 것들을 고려해야 하며 어디에도 완벽한 사이트는 없다. 따라서 사이트를 선정할 때는 무엇을 가장 우선시할 것인가를 결정한 다음 다른 요소들은 조화를 이룰 정도면 된다.

3. Tower Design

사이트를 선정한 다음에는 원하는 커버리지와 용량, 품질과 신뢰성을 획득하도록 하는 작업이 필요하다.

-- 보통 무선 시스템은 안테나를 위해 tower를 사용하며 재질에 따라 wood, metal monopole, guyed multi-legged steel의 세가지가 있으며 구조에 따라 Self-supporting과 guyed 방식이 있다. Guyed 구조가 비용이 저렴하지만 tower 설치를 위한 공간이 더 필요하며(tower 높이의 약 80%), Self-supporting 구조는 바닥이 3각 또는 4각 구조이고 최대 150m까지 세울 수 있다.(monopole은 최대 50m)
타워 디자인시에 고려되어야 할 것들은 다음과 같다.

ⅰ) Wind load : 견딜수 있는 최대 풍속
ⅱ) Ice load : 안테나에 얼음이 생겼을 때 견딜수 있는 최대 무게
ⅲ) Antenna load : Antenna 무게 + Coaxial cables 무게
ⅳ) Accessory load : antenna mount, platforms, side arms, climbing devices, lighting and ice shield

협대역 마이크로웨이브 안테나를 설치할 때는 타워의 휨이 마이크로웨이브의 특성에 영향을 줄 수 있으므로 타워의 휨(Twist) 정도을 고려해야 한다.
※ 안테나의 높이에 따라 Safety marker light(저공 비행 경보용) 설치

4. Antenna Type

안테나 타입의 선택은 시스템 설계에서 매우 중요한 부분을 차지한다. 적절치 않은 안테나를 선택하게 되면 커버리지의 감소, 음영 지역 발생, 간섭 효과등으로 시스템의 성능이 현저히 감소할 수 있다.

1) Antenna Gain
기지국의 안테나는 0dBd(unity gain) ~ 15dBd까지의 range를 가짐
※ dBd : the gain of the antenna in decibels referenced to the gain of a dipole
※ dBi : the gain of antenna referenced to an isotropic radiator(Microwave 주파수에서 주로 사용)
※ dBi - 2.15 = dBd
안테나의 이득은 송신과 수신이 같으며 안테나의 이득을 증가시킬수록 수직, 수평 방사각은 줄어든다. 안테나 이득의 증가가 coverage를 증가시킬 수도 있지만 어떤 환경하에서는 System의 전체적인 성능을 떨어뜨릴 가능성도 있다.

2) Beam Width
Antenna beam width는 half-power point(-3dB)와 major lobe간에 측정된 각도이다.
-- Horizontal beam width(Azimuth) : coverage area의 모양을 결정한다.
-- Vertical beam width(Elevation) : HAAT가 높을때 특히 고려해야 하며 안테나의 이득과 반비례한다.

3) Down tilt
안테나의 main lobe와 horizontal축 사이의 각도를 의미한다.
-- Electrical down tilt : Phase 조정(0.5~9°)
-- Mechanical down tilt : 안테나의 각도를 물리적으로 조정(최대 30°)
-- Omnidirectional Antenna : Electrical down tilt(Omni 안테나의 한쪽에 물리적 down tilt를 주면 다른 한쪽은 up tilt를 주는 것이 된다.)
-- Directional Antenna : Electrical + Mechanical down tilt(이상적으로는 후면으로의 방사가 없으므로)

4) Omni-directional vs. directional
-- Omni-directional Antenna : Uniform radiation pattern(원형 방사)을 가지며 설치가 간단하고 비용이 저렴하다. Frequency Reuse가 많이 사용되지 않는 경우 사용하며 vertical beam width가 매우 좁고 antenna gain은 12dBd 정도이다. 넓은 지역을 Cover해야 할 경우에는 Vertical beamwidth가 아주 좁은 Collinear type을 사용한다. Omni 안테나의 단점은 수직 빔폭이 매우 좁다는 것이고 이로 인하여 간섭의 유입이 많아질 수 있다.
-- Directional Antenna : Sectorized 또는 panel antenna라고도 하며 horizontal beam width는 45~220°, antenna gain은 5~17 dBd 정도이다. 안테나 이득이 높으며 frequency reuse가 용이(back side 간섭 감소)하다. cellular system의 경우 90~105°안테나 세개가 120도씩을 커버하는 형태로 많이 쓰인다. 이러한 3-Sector 안테나는 채널간 간섭을 줄일 수 있으나 비용이 많이 들고 급전선도 많이 필요하다.

5) Antenna placement
Directional 안테나는 타워상의 위치에 크게 영향을 받지 않지만 Omni 안테나상의 설치 위치에 따라 성능의 차이가 많이 난다. Omni-directional antenna의 경우 이상적으로는 tower의 꼭대기에 설치되는 것이 좋지만(tower의 위쪽에 설치될수록 depth of nulls는 커짐) 여러개의 안테나가 설치되어야 하는 경우에는 각각 서로 다른 위치의 tower side arm에 설치되어야 한다. 송신과 수신 안테나간의 수평 이격 거리는 3m 이상이며 receive diversity antenna간은 10m HAAT당 약 0.5m의 이격거리가 필요하다.

6) Antenna Selection
ⅰ) Operating frequency & Center frequency : 안테나의 크기와 주파수는 반비례한다.
ⅱ) Gain : Gain과 안테나의 크기는 비례한다.
ⅲ) Radiation pattern : 방사 패턴은 안테나 이득에 직접적인 영향을 주며 Beamwidth와 안테나의 이득은 반비례한다.
ⅳ) VSWR : Impedance Matching의 정도를 의미하며 보통 1.5 : 1 이하여야 하고 50Ω Transmission Line에서 가장 좋다. VSWR이 높으면 transmission line에서의 loss가 증가한다.
ⅴ) Polarization
ⅵ) Type of connector interface
ⅶ) Power : Power handling은 connector type과 transmission line에 의해 결정된다.
ⅷ) Antenna mounting : 환경 조건과 관련 법규에 의해 결정해야 하며 Accessory도 함께 고려한다.
ⅸ) 안테나 보호장치 : 기구의 보호와 시각적인 효과를 위한 것이다.
ⅹ) 안테나 수명등을 고려한다.

5. Feedline Loss

-- 급전선은 안테나와 기지국 시스템을 연결하는데 쓰이며 Feedline loss는 송신과 수신시 RF power를 감소시킨다.(feedline loss는 보통 2dB 이하이며 이상적으로는 1~1.5dB) Cable loss는 주파수가 증가함에 따라 함께 증가하므로 케이블 손실 Specification을 결정할 때는 적절한 주파수를 사용하는 것이 중요하다. Tower의 높이가 매우 높아서 cable loss에 의한 손실을 보상할 수가 없을 때는 Tower top preamplifier(10dB 이상의 loss도 보상)를 사용해야 한다. Tower top preamplifier는 LNA와 weather-proof enclosure, power supply, signal distribution unit으로 구성된다. Tower top Preamplifier의 단점은 가격이 비싸고 낙뢰의 위험이 증가한다는 점이다.

6. Site Grounding

-- 적절하게 설계된 접지는 낙뢰에 의한 충격(100*10^6 Volts & 100,000A)을 방지한다. 낙뢰의 가능성은 구조물의 높이가 25m를 넘을 때마다 제곱으로 늘어나며 낙뢰는 시스템에 치명적인 영향을 준다. 낮은 impedance(10 ohms 이하)와 고전류 접지 시스템 확보가 필요하며 ground rods와 radial wire등의 구성 방식이 있다.

1) 구성 방식
-- Grounding rods : 2.5m의 copper-clad stell rods를 최소 지하로 0.5m 이상 설치하며 tower와는 6번 solid copper wire를 사용하여 연결한다.
-- Radial wire : 수십개의 50m 이상 wire를 지하로 연결하여 구성한다.
그외 tower, equipment, telephone company, power system, building ground가 있으며 이들은 서로 연결되어 하나의 closed loop를 형성하도록 한다.

2) Surge Protector
안테나 급전선, 전원선, 전화선에는 Clamping voltage에 의한 손상을 막기 위해 Surge protector를 사용하며 surge protector에는 MOV(Metal Oxide Varistors)와 Gas discharge tubes가 있다. MOV는 응답 시간이 빠르지만 전류 용량이 작으며 Gas discharge tube는 응답 시간이 상대적으로 느리지만 전류 용량이 커 이 두가지를 결합하여 사용한다.

7. Standby Power System

-- 정전시 시스템의 down을 방지하기 위해 예비 전원 설비가 필요하며 정전 횟수와 시간을 고려하여 설계한다.

1) 축전지 방식 : 간단하며 비용이 저렴하고 동작 시간은 최소 30분정도가 되어야 한다. 축전지의 용량과 작동 시간은 비례하며 정전이 자주 일어나지 않고 정전 시간이 짧은 경우에 사용하는 것이 좋다. 장시간의 정전시에는 시스템이 down되는 치명적인 결과를 가져올 수도 있으므로 평균 정전 시간이 축전지 동작 시간보다 짧은 경우에만 사용한다.

2) 발전기 방식 : 정전이 자주 일어나며 정전 시간이 긴 경우에는 축전지와 발전기를 함께 사용하는 것이 해결책이 될수 있다. 정전시에는 발전기가 구동되어 regulation될 때까지 축전지가 우선 전원을 공급한다.

이제까지 살펴본 바와 같이 적절하게 선택된 사이트의 위치는 기지국의 성능을 최대로 발휘하게 하며 품질이 좋고 신뢰성이 뛰어난 네트웍을 구성하게 한다. 시스템의 요구 사항과 무선 환경에 따라서 또다른 문제가 발생할 수도 있으며 이를 적절하게 해결하는 것은 결국 엔지니어의 경험과 지식이다.

Smart Antenna 개요

 

1.       Introduction

이동통신에 대한 수요가 급증함에 따라 한정된 스펙트럼을 효과적으로 이용하고자 하는 연구에 많은 관심이 집중되고 있다. 원래 셀룰러, PCS등 이동통신은 한정된 스펙트럼을 효과적으로 이용하고자 하는 기본 개념에서 출발하였으므로 셀을 점점 더 나누면 스펙트럼의 효율성은 증가한다. 그러나 셀을 분할하는 방법은 기지국을 설치하는데 엄청난 비용이 추가 부담되는 것뿐만 아니라 잦은 핸드오프로 인한 통신 두절, 혹은 통신 신뢰성 하락이 필연적으로 존재하게 되는 단점을 가지고 있다.
최근에 기지국을 증설하지 않고 진보된 안테나 기술을 적용해서 통신 용량을 대폭 증가시키고 통신 품질을 개선할 수 있는 새로운 연구가 진행되고 있다. 이것은 소위 스마트 안테나 기술을 이용해서 원하는 가입자의 방향으로 전파를 집중시키고 타가입자의 간섭 신호는 저하시켜 송수신함으로써 기존의 이동통신 시스템의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이다. 이는 안테나 배열과 전파 방향을 제어할 수 있는 디지탈 신호처리 기술을 복합적으로 활용하여 구현되는 최첨단 Beamforming 기술로서 통신 사업자간에 지대한 관심을 일으키고 있다.

2. 스마트 안테나 시스템의 원리

일반적으로 이동통신 시스템의 기지국 안테나는 전방향 안테나(Omnidirectional Antenna)가 사용되어 방향에 상관없이 일정한 이득을 주도록 제작한다. 이럴 경우 안테나에 송수신되는 모든 신호들은 기지국의 송수신 안테나와의 거리에 따라 Power의 정도를 달리하여 송수신되며 송수신 희망 신호에 간섭의 영향을 미친다. 따라서 이 기지국 안테나는 선택적으로 신호에 이득을 주어 송수신할 수 없다. 이러한 간섭의 영향을 줄이기 위해 셀을 여러 섹터로 나누어 여러 개의 안테나를 사용하는 방법이 있는데, 가령 셀을 3개의 섹터로 나누어 3개의 안테나를 사용하여 각 안테나가 120도를 담당하도록 한다면 간섭의 영향을 1/3로 줄일 수 있다.
간섭의 영향을 줄일 수 있는 또다른 방법으로는 안테나가 하드웨어적으로 고정되어 정해진 특정각으로부터 도달하는 신호에 대해 큰 이득을 주고 다른 방향에서 송수신되는 간섭 신호에 매우 작은 이득을 주도록 제작하는 것도 있다. 그러나 이 방법은 송수신체가 고정되어 있는 경우에 한하여야 한다.
좀더 고급적인 방법으로는 희망 신호를 송출하는 송신체가 이동하거나 그 신호의 도달각이 상황에 따라 가변적일 때는 여러 안테나 소자로 구성된 어레이(Array)를 사용하는 것이다. 안테나 어레이는 원거리 신호원들의 위치를 파악하거나 그들로부터 나오는 신호들을 선택적으로 송수신하는데 이용되고 주변으로부터 들어오는 방해 전파를 제거하는데 이용된다.
스마트 안테나 시스템이란 배열된 안테나의 위상을 제어하여 특정 신호(원하는 방향의 신호)를 선택적으로 송수신하고 간섭 신호의 영향을 최소화시킴으로써 가입자 상호간의 간섭을 대폭 감쇠시킨 것이다. 즉 셀내의 각 단말기에 독립된 빕을 송수신간에 제공하고 원하는 단말기 방향으로 이들을 극대화되도록 빔형성시킴으로서 여타의 단말기 방향에 전파량을 극소화할 수 있다. 그러므로 수신 신호의 잡음을 대폭 감쇠시킨다.
스마트 안테나 시스템은 통화 채널간 방해 전파(Interfering Noise)를 최소화하여 통화 품질을 향상시키고 가입자 수를 증가시킬 수 있는 시스템이며 원하는 방향으로 전파가 집중되어 각 단말기는 저전력으로 통화가 가능하므로 배터리 수명을 획기적으로 연장할 수 있는 기술이다. 결국 스마트 안테나 시스템이란 각 단말기 방향으로 독립된 빔패턴을 제공하여 통신 용량을 증대시키고 통신 품질을 대폭 개선할 수 있는 지능형 기지국을 실현하는 기술이다.

3. CDMA 환경에서의 스마트 안테나 시스템

CDMA 환경하에 가입 용량을 제한하는 가장 근본적인 원인은 다른 가입자들의 신호가 간섭으로 작용하기 때문이다. 동일 셀내에서 발생되는 모든 신호가 그 가입자의 통신을 방해하는 간섭파가 되며 이는 CDMA가 갖고있는 구조적인 신호 환경이다. 따라서 셀내의 가입자 수는 Processing Gain이라 불리는 W/R에 의해 결정되는데 W는 현재 사용하고 있는 PN(Pseudo Noise) 코드칩의 Duration에 의해 결정되는 사용 대역폭이며 R은 데이타의 전송률이다. Processing Gain을 상이한 PN코드간의 Orthogonality(직교성)면에서 관찰하며 W/R이 클수록 즉 확산된 사용 대역폭을 넓힐수록 상이한 가입자간에 직교성이 증가하여 간섭의 영향이 줄어들므로 W/R이 크면 보다 많은 가입자를 가질수 있다.
IS-95에서는 Processing Gain이 약 4인 셈이므로 각각의 가입자 카드에서 원하는 신호의 세기는 간섭 신호의 세기보다 평균 4배로 많게 통신되고 있다. 따라서 어떤 샘플링 시간에서 원하는 신호와 상이한 신호를 4개 이상의 간섭 신호원이 동일값으로 송신했다면 PN코드만으로는 간섭 신호의 분리가 불가능하다. 그러므로 현재 사용화된 CDMA 시스템에서 간섭 신호의 분리 방법으로는 셀을 섹터화하여 간섭 신호와 희망 신호를 분리하는 방법을 사용하고 있다.

스마트 안테나 기술은 기존의 고정 섹터화 개념을 혁신하는 것으로 볼수 있는데 이는 각 가입자마다 독립된 빔패턴을 기지국에서 제공하는 것이다. 즉 셀내의 모든 가입자에게 방향성 빔패턴을 제공함으로서 통화 방향으로는 최대의 이득을 설정하고 여타의 방향으로는 이득을 최소화한다. 이것은 송신과 수신 양방향에 제공되며 셀내의 모든 가입자에게 독립적으로 동시에 제공된다. 이와같은 최적의 빔형성 기술은 기지국에 배열 안테나를 설치하고 각 가입자에 맞는 최적의 웨이트를 독립적으로 계산하여 각 가입자에게 제공하는 기술이다.
CDMA 환경의 경우 원하는 신호와 간섭 신호는 PN코드에 의해 분리된다. 이 원리를 이용하여 각 가입자마다 수신되는 고유 벡터값을 계산하여 배열안테나 위상을 조정함으로서 배열된 안테나는 신호원이 있는 방향으로 독립적인 빔패턴을 형성시킨다. 즉 m개의 빔형성 모듈은 배열 안테나 n개를 독립적으로 위상 배열할 수 있으며 이는 각 가입자 방향으로 빔패턴을 형성하여 원하는 신호와 간섭 신호간의 신호차를 크게 유지하여 통화 품질을 개선하는 것이다.

 

                                                               

최종편집일 2003년 2월 19일 강완신