📲 정보통신공학 - Ch4. 전송 매체 - 2. 무선 전송

출처 : William Stallings, "Data and Computer Communications (10th Edition)," Pearson, 2014

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4.2  📲 무선 전송

1. 마이크로파 주파수 영역:
   • 범위: 약 1GHz ~ 40 GHz
   • 특징: 고도의 지향성 빔 가능, 점대점 전송에 적합
   • 사용처: 위성통신 포함
2. 라디오 주파수 영역:
   • 범위: 약 30 MHz ~ 1 GHz
   • 특징: 다방향성 응용에 적합
3. 적외선 주파수 영역:
   • 범위: 약 3x10^11 Hz ~ 2x10^14 Hz
   • 특징: 근거리 점대점 및 다중점 응용에서 유용, 단일 방처럼 한정된 지역 내에서 사용

비유도 매체에서의 송수신:

안테나를 통해 이루어짐

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📟 안테나

• 정의: 전자기 에너지를 방사하거나 모으는 전기적 도체 또는 도체 시스템
• 기능:
  • 송신 시: 라디오 주파수 전기 에너지를 전자기 에너지로 변환하여 방사
  • 수신 시: 전자기 에너지를 전기 에너지로 변환하여 수신기로 전달
• 양방향 통신: 하나의 안테나를 송신과 수신에 모두 사용 가능 (안테나의 특성은 송신/수신 일치)
• 방사 특성:
  • 방사 모양: 공간 좌표상의 함수로 나타남, 안테나의 방사 특성을 그래프로 표현 (모든 방향으로 동등한 에너지를 방사하지는 않음)
  • 등방형 안테나: 모든 방향으로 동일한 전력 방사, 이상적인 형태

 

📡 접시형 반사 안테나 ( parabolic reflective anttenna )

• 형태: 파라볼라(포물선)의 형태, 포물면의 초점에서 방사된 파는 축과 평행
• 사용처: 지상 마이크로파, 인공위성 통신 등
• 특성: 이론적으로 분산 없는 평행한 빔 생성

📡 안테나 이득

• 정의: 방향성을 측정하는 척도, 특정 방향으로의 방사 전력과 등방형 안테나의 방사 전력 비교
• 예시: 안테나 이득이 3dB일 경우, 특정 방향으로 등방형 안테나보다 2배 더 강한 전력 방사

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📟 지상 마이크로파

📡  물리적 사양:

• 안테나 유형: 포물선 모양의 "접시형"
• 지름: 일반적으로 약 3미터
• 특징: 단단히 고정, 좁은 빔을 통한 가시선 전송
• 위치: 장애물 통과 및 거리 확장을 위해 주로 높은 지대에 설치
• 장거리 전송을 위해서는 마이크로파 중계탑 여러 개 사용 (점대점 마이크로파 링크 여러 개 연결)

 

📡  응용:

• 주요 용도: 장거리 전기 통신 서비스
• 대체 사용: 동축케이블이나 광섬유 대신 사용
• 특징: 필요한 증폭기나 리피터의 수가 적음, 시야 내 전송 필요
• 일반적 응용: 음성 및 텔레비전 전송
• 증가 추세의 응용: 빌딩 간 단거리 점대점 링크, 폐쇄회로 TV나 실시간 데이터 링크로 사용
• 우회 응용: 지역 전화 회사를 우회하여 도시 내 장거리 통신 설비 연결
• + 셀룰러 시스템에서 사용

📡  전송 특성:

• 주파수 범위: 일반적으로 1 GHz ~ 40 GHz
• 대역폭 및 데이터 전송률: 높은 주파수에서 넓은 대역폭 및 높은 데이터 전송률 가능
• 손실 요인: 주된 손실은 감쇄, 거리의 제곱에 따라 변화
• 감쇄 요인: 비 오는 경우 감쇄도 증가, 특히 10 GHz 이상에서 뚜렷
• 간섭: 전송 영역 겹침에 따른 간섭 증가, 주파수 대역 할당 엄격 조정 필요
• 주요 사용 주파수 대역: 4 GHz 및 6 GHz 대역, 11 GHz 대역도 사용 시작
• TV 시스템 연결: 마이크로파 링크를 통해 지역 TV 설비로 IV 신호 전송, 동축케이블을 통한 가입자 배포
• 단거리 링크: 높은 주파수의 마이크로파 (예: 22 GHz 대역)는 단거리 점대점 링크에 적합, 더 높은 감쇄로 장거리에는 부적합, 안테나 작고 저렴

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📟 위성 마이크로파

📡  물리적 사양

• 정의: 통신 위성은 마이크로파 중계국으로서 기능하며, 지상에 위치하는 두 개 이상의 지구국을 연결하는데 사용됨.
• 특성: 위성(satellite)은 하나의 주파수 대역에서 신호를 수신하고, 이를 증폭하거나 재생하여 다른 주파수로 송신함.

< 위성(satellite) >

하나의 주파수대역으로 수신하여(상향 링크: uplink)

이를 증폭(아날로그 전송)하거나 재생(디지털전송)하여 다른 주파수로 송신 (하향링크: downlink)

 

단일궤도 위성은 트랜스폰더 채널(transponder channel) 혹은 트랜스폰더(transponder)라 불리는 여러 개 의 주파수 대역에서 동작

 

< 통신위성 구성 >

1. 멀리 떨어진 2개의 지상 안테나 사이에서 점대점 링크로 사용

2.하나의 지상 송신국과 여러 개의 수신국 간에 통신을 제공

 

위성의 운용

• 고정 위치 유지: 위성의 위치는 지구의 회전 속도와 일치해야 하며, 이는 약 35,863km의 고도에서 달성됨.
• 간섭 방지: 동일 주파수 대역을 사용하는 위성들 사이에는 상당한 간격 유지 필요.

 

📡  응용

• IV 분배 (TV 분배):
  • 특성: 위성은 다수의 시청자에게 TV 프로그램을 분배하기에 아주 적합함.
  • 사용: 중앙에서 프로그램을 네트워크를 통해 송신하고, 위성을 통해 여러 지상국으로 방송 후 시청자에게 전달.
  • 네트워크 활용: 특정 네트워크(DBS)는 위성 채널을 거의 독점적으로 사용하여 프로그램을 분배함.
• 장거리 전화 전송:
  • 사용: 공중 전화망에서 전화국 간의 점대점 트렁크로 사용됨.
  • 특징: 국제 트렁크의 용도로서 가장 적당한 매체로, 지상 시스템과 경쟁관계에 있음.
• 사설 기업망:
  • 용도: 업무용 데이터 전송에 사용되며, 위성 제공자는 전체 용량을 여러 채널로 분할하여 개별 기업 사용자에게 임대함.
  • 특징: 대용량 요구사항을 가진 대규모 조직에 한정되어 있음.
• 위성항법:
  • 시스템 구성: 궤도 위성 집합, 지상 감시국, 위성 업로드 설비.
  • 기능: 각 위성은 정확한 시간에 고유 디지털 코드열을 전송하며, 수신기는 이를 통해 위치, 높이 및 시간을 결정함.
  • 사용자: 민간 및 군용.
• 최신 위성 응용:
  • 개발된 시스템: 작은 구경 터미널 시스템이 개발되어 저가의 대안을 제공함.
  • 사용 형태: 여러 가입자 스테이션이 저가의 안테나를 사용하여 위성 전송 용량을 공유하면서 허브 스테이션으로 전송함.

📡  전송 특성

• 최적의 주파수 범위:
  • 1 GHz ~ 10 GHz 사이가 위성 전송에 최적임.
  • 1 GHz 이하: 자연과 인공의 잡음으로 인해 심각한 잡음 발생.
  • 10 GHz 이상: 대기의 흡수와 강우에 의해 감쇄가 심해짐.
• 주요 사용 대역:
  • 4/6 GHz 대역 (C-Band)
    • 상향 링크(지상에서 위성으로 uplink) : 5.925 ~ 6.425 GHz  
    • 하향 링크(위성에서 지상으로 downlink) l: 3.7 ~ 4.2 GHz
    • 특징: 상향 링크와 하향 링크가 서로 다른 주파수 사용 필요, 연속적인 통신을 위해 간섭 없이 주파수 할당 중요.
• 대역 포화 및 개발 중인 대역:
  • 4/6 GHz 대역 포화: 주파수 대역이 포화 상태로, 다른 주파수 사용 불가.
  • 12/14 GHz 대역 (Ku-Band) 개발 중:
    • 상향: 14 ~ 14.5 GHz
    • 하향: 11.7 ~ 12.2 GHz
    • 특징: 감쇄 문제를 극복하고 작고 저렴한 지구국 수신기 사용 가능.
  • 20/30 GHz 대역 (Ka-Band) 기획 중:
    • 상향: 27.5 ~ 30.0 GHz
    • 하향: 17.7 ~ 20.2 GHz
    • 특징: 더 큰 대역폭과 더 작고 저렴한 수신기 사용 가능, 더 큰 감쇄 문제 발생 예상.
• 통신의 특성:
  • 전파 지연: 장거리 통신의 경우, 지구국 간의 전송과 수신 사이에 약 1/4초의 전파 지연 발생, 전화 회의 등에서 현저하게 감지됨.
  • 위성 마이크로파의 본질: 본질적으로 방송 매체로서 다수의 송신국과 수신국이 위성을 통해 통신 가능.

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📟 방송 라디오 broadcast radio

📻 기본 차이점:

• 방송 라디오는 다방향성을 가지며, 접시형 안테나가 필요 없고, 특정 위치에 설치할 필요가 없음.
• 마이크로파는 지향성을 가짐.

📻 응용:

• 방송 라디오는 주로 30 KHz에서 300 GHz 범위의 주파수를 사용하여 통신에 사용됨.
• 이 주파수 범위는 라디오, TV 및 다양한 데이터 네트워킹 응용에 사용됨.

📻 전송 특성:

• 30 MHz 이상의 라디오파는 전리층을 통과하므로, 주로 시야 내에서만 전송 가능함.
• 높은 주파수의 마이크로파와 달리, 강우에 의한 감쇄에 덜 민감함.
• 거리에 따른 감쇄량은 라디오의 긴 파장 때문에 상대적으로 적게 발생함.

📻 주요 손상 요인:

• 다중경로 간섭은 육지, 물, 자연적 또는 인공적 물체에 의한 반사로 인해 발생할 수 있음.
• 이 현상은 비행기가 지나가면서 여러 개의 영상을 나타내는 것과 유사한 효과를 초래할 수 있음.

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📟 적외선

기술적 방식:

• 적외선 통신은 비응집 적외선을 변조하여 사용하는 송수신기(트랜시버)를 활용
• 트랜시버는 직접적인 시야 내에 있거나, 밝은 색 표면(예: 방 천장)의 반사를 통해 시야 내에서 작동해야 함

주요 특성과 차이점:

• 적외선 통신은 벽을 침투하지 못하므로, 마이크로파 통신에서 발생할 수 있는 보안과 간섭 문제가 나타나지 않음
• 주파수 할당 문제가 없으며, 통신 사용을 위한 특별한 허가가 필요하지 않음

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휴,,,,,,