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== 개요 ==
 
== 개요 ==
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1Hz(헤르츠)는 1초에 한 번 주기적인 현상이 일어나는 것이고, 2Hz(헤르츠)는 1초에 두 번 주기적인 현상이 일어나는 것이다.<ref name="일"></ref> 헤르츠라는 용어는 전자기파의 존재를 실험으로 입증한 독일 물리학자 '하인리히 헤르츠(Heinrigh hertz)'의 이름에서 따왔다.<ref name="성"> 〈[https://www.samsungsemiconstory.com/2281 슬기로운 전기생활을 위한 전기상식용어 '주파수']〉, 《삼성반도체이야기》, 2020-05-15</ref> 주파수는 [[무선통신]]을 하기 위한 기본 자원으로 쓰인다.<ref name="이">류하, 〈[https://m.blog.naver.com/k_dynamic/220421379914 주파수를 파헤쳐보자]〉, 《네이버 블로그》, 2015-07-15</ref> 무선주파수는 파장 0.1mm 이상의 범위, 즉 주파수 3THz 이하의 전자기파이다. RF(Radio Frequency)로 약칭한다.<ref> 〈[https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%B4%EC%84%A0%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98 무선주파수]〉, 《위키백과》</ref> 물리학에서는 진동수 대신 각진동수, 전기, 전자공학에서는 각주파수를 사용한다. 회전 운동에 주소 쓰여, 단위 시간 동안 물체가 회전한 각도(라디안)를 의미한다.<ref> 〈[https://namu.wiki/w/%EC%A7%84%EB%8F%99%EC%88%98 진동수]〉, 《나무위키》</ref> 주파수가 높은 전파는 빛처럼 직진성이 강해서 특정 방향으로 송신하는 데 유리하고, 많은 정보를 보낼 수 있다. 하지만 비가 오거나 안개가 낀 날은 공기에 물방울과 수증기로 전파가 흡수돼 멀리 가지 못한다. 주파수가 낮은 전파는 직진성은 약하지만, 장애물을 뛰어넘는 특성이 있다. 따라서 넓은 지역으로 송신할 수 있다. 하지만 보낼 수 있는 정보량이 적다.<ref>초록중년, 〈[https://m.blog.naver.com/kofreeguide/220151167456 (공지) 주파수 대역에 따른 전파의 종류와 특징]〉, 《네이버 블로그》, 2014-10-15</ref>
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주파수는 전파나 음파가 1초 동안 진동하는 횟수를 의미하며 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다. 헤르츠라는 용어는 전자기파의 존재를 실험으로 입증한 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich hertz) 이름에서 따왔다. 헤르츠가 전자기파를 최초로 입증했을 때, 제자들이 전자기파의 발견이 미래에 어떤 영향을 미칠지 물었는데, 이 질문에 헤르츠는 '이는 단지 맥스웰의 이론을 증명했을 뿐 쓸모 없는 것'이라고 답했다는 일화가 있다. 주파수는 오늘날 사용되는 무선통신을 가능하게 한 중요한 기본 자원이다. 주파수는 일정한 진동을 같는 파(wave)로 이루어진 정현파(sin) 곡선으로 표현된다. 파장(wavelength)은 1회 진동할 때 파동의 거리를 의미하는데, 파장이 길면 주파수가 낮고 짧으면 주파수가 높아진다. 그리고 1 헤르츠는 1초 동안 물체가 1번 진동할 때를 1키로헤르츠(1kHz)는 1초에 1,000번 진동했다는 의미이다.<ref name="삼성">〈[https://www.samsungsemiconstory.com/2281 슬기로운 전기생활을 위한 전기상식용어 '주파수']〉, 《삼성전자 반도체 공식 블로그》, 2020-05-15</ref>
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== 구성 ==
 
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주파수는 일정한 진동을 하는 파(Wave)로 이루어진 정현파(sin) 곡선으로 표현된다. 파장(Wavelength)은 1회 진동할 때 파동의 거리를 의미한다. 파장이 길면 주파수가 낮고, 짧으면 주파수가 높아진다.<ref name="성"></ref> 주기(Period)는 1회 반복하는 데 걸리는 시간을 뜻한다. 주기는 주파수의 역수이다.<ref>sori4rang, 〈[https://sori4rang.com/2693509 주파수, 주기, 파장]〉, 《기꺼이 하는일엔 행운이 따르죠》, 2009-07-16</ref> 진폭은 파형의 중심에서 최대 높이까지의 길이 또는 최소 길이를 뜻한다.<ref> 〈[https://3dmpengines.tistory.com/870 주기, 주파수, 진폭, 파장]〉, 《티스토리》, 2012-11-02</ref>
 
  
 
== 종류 ==
 
== 종류 ==
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* '''아날로그 주파수''': 단위 시간당 진동 횟수이고, 아날로그 라디안 주파수는 단위 시간 당 라디안 위상 각의 변화량이다.
 
* '''아날로그 주파수''': 단위 시간당 진동 횟수이고, 아날로그 라디안 주파수는 단위 시간 당 라디안 위상 각의 변화량이다.
 
* '''디지털 주파수''': 연속적인 주파수가 아니라, 이산적이고 샘플링된 주파수를 의미하고, 아날로그 주파수를 샘플링률로 나눈 값이다. 디지털 라디안 주파수는 단위 샘플당 라디안 위상 각의 변화량이다.<ref> 〈[http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=4642&sh=%EB%94%94%EC%A7%80%ED%84%B8+%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98 Digital Frequency 디지털 주파수, 디지털 라디안 주파수]〉, 《정보통신기술용어해설》</ref><ref> 〈[http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=4148 Frequency, cycles/unit 주파수, 진동수]〉, 《정보통신기술용어해설》</ref>
 
* '''디지털 주파수''': 연속적인 주파수가 아니라, 이산적이고 샘플링된 주파수를 의미하고, 아날로그 주파수를 샘플링률로 나눈 값이다. 디지털 라디안 주파수는 단위 샘플당 라디안 위상 각의 변화량이다.<ref> 〈[http://www.ktword.co.kr/test/view/view.php?nav=2&no=4642&sh=%EB%94%94%EC%A7%80%ED%84%B8+%EC%A3%BC%ED%8C%8C%EC%88%98 Digital Frequency 디지털 주파수, 디지털 라디안 주파수]〉, 《정보통신기술용어해설》</ref><ref> 〈[http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=4148 Frequency, cycles/unit 주파수, 진동수]〉, 《정보통신기술용어해설》</ref>
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==사용==
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===전기===
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나라별로 사용 전압과 코드 타입이 다른 것처럼 주파수도 다르다. 각종 전자기기는 대부분 지귤 전기를 사용하지만, 공급받는 전기는 송전 효율을 이유로 교류를 채택하고 있다. 교류 전기는 가장 정상적인 전압으로, 전류 파형이 정현파이기 때문에 주파수가 존재한다. 주파수의 변화는 전동기를 사용하는 전동기기의 수명과 효율에 미치는 영향이 크기 때문에 각국별로 상용 전기 주파수를 통일하고 있다. 전자제품의 전압이 다르면 트랜스로 변환해 사용 가능하지만, 주파수가 다를 경우에는 변환이 어렵다. 요즘 전자제품의 경우 대부분 정격 전압과 주파수가 110/120v, 50/60Hz 겸용으로 출시되어 주파수와 관계없이 사용 가능하다. 대한민국 전기사업법에서는 주파수 유지기준을 60Hz로 정하고, 상하로 0.2Hz의 허용범위를 인정하고 있다. 미국과 캐나다 등에서는 한국과 같은 60Hz를, 유럽에서는 50Hz를 주로 사용하고 있으며, 일본과 중국 등 일부 국가에서는 지역에 따라 다른 주파수를 사용하기도 한다. 나라별, 지역별로 주파수가 다른 이유는 각국에서 처음 전기 사업을 시작할 때 50Hz의 독일식 방식과 60Hz의 미국식 발전기 중 어떤 방식을 선정했는지에 따라 달라지게 된 것이다. 발전소에서 생산되는 전력은 수요와 공급의 차이로 인해 주파수 변화가 발생한다. 주파수가 변화하면 전압에도 변동이 발생되어 전력의 품질이 나빠질 수 있다. 이렇게 되면 대규모 광역 정전 사태가 발생할 수 있다. 그러나 주파수 조정용 에너지저장시스템(ESS)이 있다면 이러한 위험을 대비할 수 있다. 주파수 조정용 에너지저장시스템이란 실시간으로 전력을 저장하고 공급하는 과정을 통해 발전소에서 생산되는 전기의 주파수를 조정하는 것이다. 따라서 주파수 조정용 에너지저장시스템이 구축되면 계속해서 변화하는 전력수요에 대응하여 표준 주파수를 일정하게 유지할 수 있어 안정적이고 좋은 품질의 전력을 유지할 수 있다.<ref>유유리 기자, 〈[https://blog.kepco.co.kr/1972 주파수의 모든 것]〉, 《한국전력 공식 블로그》, 2020-12-03</ref>
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===이동통신===
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; 주파수 대역폭
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이동통신을 포함한 무선통신에서 통신속도를 결정하는 요소에는 여러 가지가 있겠지만, 가장 기본적이며 핵심적인 것은 주파수 대역폭(bandwidth)이다. 국내의 경우 5G에서는 3.5GHz 대역과 28GHz 대역의 주파수 대역을 이용하는데, 통신사별로 Sub-6 대역이라 불리는 3.5GHz 대역에서는 80 혹은 100MHz의 대역폭을 이용하고 있으며, 밀리미터웨이브(mmWave) 대역이라 불리는 28GHz 대역에서는 각각 800MHz씩의 주파수 대역폭을 이용한다. 통신사별로 대략 900MHz 정도의 주파수 대역을 이용하는 것인데, 이는 4G LTE에서 각 이통사가 이용하는 주파수 대역에 비해 적어도 6.7배에서 많게는 9.47배 많은 것이다. 주파수 이용 방식이나 데이터 변조 등의 방법이 모두 동일하다고 가정하더라도 사용하는 주파수가 6.7~9.47배 가까이 많다는 것은 통신 속도도 그만큼 빨라질 수 있다는 것을 의미한다. 여기에 다른 기술들이 결합됨으로써 LTE 대비 최대 20배 빠른 속도를 제공할 수 있게 되는 것이다. 5G에서는 사용 주파수 대역에 따라 네트워크의 구조 및 서비스 특성도 달라진다. 3.5GHz 대역은 기존의 3G나 4G 서비스에 사용되는 주파수 대역과 가깝게 위치하기 때문에 비교적 커다란 통신 반경을 제공하는 셀을 구축하는데 이용되며, 28GHz 대역은 통신 반경이 수백 미터 이내의 소규모 마이크로 셀을 구축하는데 이용된다. 반면, 28GHz 대역을 이용하는 경우 더 빠른 통신 속도를 제공할 수 있다. 따라서, 미국의 버라이즌 같은 통신사는 해당 주파수 대역을 이용하여 5G Home과 같은 고정형 무선접속 서비스를 제공하고 있다.<ref name="김학용">순천향대학교 김학용 교수, 〈[http://www.kibme.org/resources/journal/20190820132340179.pdf 5G 서비스 구현 기술의 이해]〉, 《방송과 미디어 제24권 3호》, 2019-07</ref>
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; 주파수 이용 방식
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4G 서비스를 위해 어떤 이동통신사업자가 100MHz의 주파수 대역을 이용한다고 할 때, 이 중의 50%는 업링크(Uplink)용으로 이용되며 나머지 50% 정도는 다운링크(Downlink)용으로 이용된다. 즉, 전체 주파수의 절반은 사용자 단말에서 기지국으로 데이터를 전송하는 목적으로 이용되며, 나머지 절반은 기지국에서 사용자 단말로 데이터를 전송(Downlink)하는 목적으로 이용된다. 이처럼 업링크 및 다운링크용으로 주파수 대역을 구분하여 이용하는 것을 두고 주파수 분할 방식FDD)이라고 부르는데, 데이터의 업로드 및 다운로드를 위한 주파수가 서로 달라 안정적으로 데이터를 전송하는 것이 가능해진다. 그러나, 스포츠 중계나 인기 드라마를 여러 사람들이 동시에 시청하는 경우처럼 다운로드 트래픽은 많지만 업로드 트래픽이 거의 없는 상황에서는 주파수 이용 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 5G 서비스에서는 다운링크와 업링크 구분없이 전체 주파수 대역을 이용해서 데이터를 송수신하게 된다. 대신 상황에 따라 다운로드와 업로드 시간을 가변적으로 정해서 데이터를 전송하게 된다. 즉, 전체 주파수 대역을 아주 작은 타임슬롯으로 나누어 놓고 트래픽 상황에 따라 다운로드와 업로드 시간을 변경해 가면서 유연하게 데이터를 업로드 및 다운로드 하게 된다. 이를 시간 분할 방식(TDD)이라고 부르는데, 주파수 효율이 높아지기 때문에 동일한 주파수 대역에서 더 많은 트래픽을 교환하는 것이 가능해진다.<ref name="김학용"></ref>
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; 매시브 MMO 및 빔포밍
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일반적으로 전파는 무지향성이거나 제한적인 범위에서 지향성을 제공한다. 즉, 이동통신 기지국에서 특정한 방향으로 전파를 쏘더라도 여러 사용자들이 동시에 동일한 신호를 받을 수 밖에 없는 구조였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사용자별로 시간대를 할당하거나 주파수 특성을 변형하는 식으로 통신을 했다. 겉으로 보기에는 마치 여러 사용자들이 동시에 서비스를 이용하는 것처럼 보이기는 하지만, 사실상 제한된 무선 자원을 나누어 써야 하기 때문에 통신 속도가 떨어질 수 밖에 없었다. 반면, 5G에서는 주파수가 전파되는 공간을 분할함으로써 여러 사용자가 동시에 같은 주파수 자원을 이용하는 것을 가능하게 한다. 즉, 특정한 공간에 있는 소규모의 사용자들을 하나의 그룹으로 설정하고 이들에게 전체 주파수를 할당하게 되면 상대적으로 더 적은 사용자들이 주파수 대역을 공유하게 되므로 더 빠른 통신이 가능해지는 것이다. 이
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때 그 옆에 있는 다른 사용자 그룹도 동일한 주파수 대역을 이용해서 이웃 사용자 그룹에 대한 간섭 없이 통신을 하는 것이 가능해진다. 만약, 사용자 그룹을 더 작게 만들 수 있다면 개별 사용자들이 각각 동시에 전체 주파수를 이용해서 통신하는 것도 가능해질 것이다. 이처럼 동일한 전파 자원을 동시에 여러 사용자 그룹을 대상으로 서비스 할 수 있도록 하는 것을 두고 매시브 MIMO(Multi-Input Multi-Output)이라고 하며, 이를 가능하게 하는 것이 빔포밍(Beam Forming) 기술이다. 즉, 빔포밍은 기지국 안테나가 특정한 공간에 있는 사용자 그룹을 향해 전파를 집중해서 조사하는 기술을 말한다.<ref name="김학용"></ref>
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; 가변적 채널 대역폭 할당
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4G 이전의 이동통신 서비스나 우리가 집이나 사무실에서 많이 이용하는 와이파이(Wi-Fi)와 같은 무선통신 기술들은 통신을 위해 기본적으로 20MHz 대역폭의 채널을 사용한다. 즉, 한 사용자 혹은 하나의 단말이 통신을 하기 위해서는 전체 주파수 대역의 20MHz를 할당받아 통신을 하게 된다는 것이다. 물론 시간, 주파수, 주파수 위상 등을 달리하여 마치 여러 사용자들이 동시에 같은 주파수를 이용해서 통신을 하는 것처럼 만들게 된다. 그러나 이런 방식은 근본적으로 동시 사용자수를 제한하게 되어 있으며 20MHz의 주파수 대역이 필요하지 않은 서비스에 대해서는 주파수를 낭비하게 되는 결과를 초래하게 된다. 이런 문제를 해결하기 위해 4G 서비스에서부터 LTE Cat.M1이나 NBIoT 같은 기술들이 개발되어 조금씩 이용되고 있다. Cat.M1은 최대 1Mbps의 통신 속도면 충분한 서비스들을 위해 20MHz 대신 1.4MHz만 사용하도록 하며 NB-IoT는 최대 100Kbps의 통신 속도면 충분한 서비스들을 위해 200KHz의 대역폭만 사용하도록 한다. 그러나 5G 서비스는 다양한 통신 속도를 포함하여 다양한 서비스 품질 특성을 요구할 것이므로 이들만으로는 모든 서비스를 효과적으로 수용하는 것이 불가능해진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 5G에서는 채널 대역폭을 가변적으로 이용하여 다양한 서비스를 수용함과 동시에 주파수 자원을 효율적으로 활용하도록 하고 있다. 이를 두고 가변적 채널 대역폭 할당(Scalable Numerology)이라고 부르는데, 15KHz로 고정된 OFDM 부반송파를 2n 비율로 확장하여 다양한 통신 속도를 필요로 하는 서비스를 지원하도록 하고 있다.<ref name="김학용"></ref>
  
 
== 대역별 용도 ==
 
== 대역별 용도 ==

2021년 1월 22일 (금) 17:50 판

주파수(frequency)는 진동수라고도 하며, 주기적인 현상이 단위시간 동안 몇 번 일어났는지를 의미한다. 국제단위로는 헤르츠(Hz)를 쓴다.[1]

개요

주파수는 전파나 음파가 1초 동안 진동하는 횟수를 의미하며 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다. 헤르츠라는 용어는 전자기파의 존재를 실험으로 입증한 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠(Heinrich hertz) 이름에서 따왔다. 헤르츠가 전자기파를 최초로 입증했을 때, 제자들이 전자기파의 발견이 미래에 어떤 영향을 미칠지 물었는데, 이 질문에 헤르츠는 '이는 단지 맥스웰의 이론을 증명했을 뿐 쓸모 없는 것'이라고 답했다는 일화가 있다. 주파수는 오늘날 사용되는 무선통신을 가능하게 한 중요한 기본 자원이다. 주파수는 일정한 진동을 같는 파(wave)로 이루어진 정현파(sin) 곡선으로 표현된다. 파장(wavelength)은 1회 진동할 때 파동의 거리를 의미하는데, 파장이 길면 주파수가 낮고 짧으면 주파수가 높아진다. 그리고 1 헤르츠는 1초 동안 물체가 1번 진동할 때를 1키로헤르츠(1kHz)는 1초에 1,000번 진동했다는 의미이다.[2]

종류

  • 시간 주파수(Temporal Frequency): 단위 시간당 파동의 개수이고, 진동수(Frequency)라고도 한다.
  • 공간 주파수(Spatial Frequency): 단위 길이당 파동의 개수이고, 파수 또는 파동수(Wave Number)라고도 한다.
  • 아날로그 주파수: 단위 시간당 진동 횟수이고, 아날로그 라디안 주파수는 단위 시간 당 라디안 위상 각의 변화량이다.
  • 디지털 주파수: 연속적인 주파수가 아니라, 이산적이고 샘플링된 주파수를 의미하고, 아날로그 주파수를 샘플링률로 나눈 값이다. 디지털 라디안 주파수는 단위 샘플당 라디안 위상 각의 변화량이다.[3][4]

사용

전기

나라별로 사용 전압과 코드 타입이 다른 것처럼 주파수도 다르다. 각종 전자기기는 대부분 지귤 전기를 사용하지만, 공급받는 전기는 송전 효율을 이유로 교류를 채택하고 있다. 교류 전기는 가장 정상적인 전압으로, 전류 파형이 정현파이기 때문에 주파수가 존재한다. 주파수의 변화는 전동기를 사용하는 전동기기의 수명과 효율에 미치는 영향이 크기 때문에 각국별로 상용 전기 주파수를 통일하고 있다. 전자제품의 전압이 다르면 트랜스로 변환해 사용 가능하지만, 주파수가 다를 경우에는 변환이 어렵다. 요즘 전자제품의 경우 대부분 정격 전압과 주파수가 110/120v, 50/60Hz 겸용으로 출시되어 주파수와 관계없이 사용 가능하다. 대한민국 전기사업법에서는 주파수 유지기준을 60Hz로 정하고, 상하로 0.2Hz의 허용범위를 인정하고 있다. 미국과 캐나다 등에서는 한국과 같은 60Hz를, 유럽에서는 50Hz를 주로 사용하고 있으며, 일본과 중국 등 일부 국가에서는 지역에 따라 다른 주파수를 사용하기도 한다. 나라별, 지역별로 주파수가 다른 이유는 각국에서 처음 전기 사업을 시작할 때 50Hz의 독일식 방식과 60Hz의 미국식 발전기 중 어떤 방식을 선정했는지에 따라 달라지게 된 것이다. 발전소에서 생산되는 전력은 수요와 공급의 차이로 인해 주파수 변화가 발생한다. 주파수가 변화하면 전압에도 변동이 발생되어 전력의 품질이 나빠질 수 있다. 이렇게 되면 대규모 광역 정전 사태가 발생할 수 있다. 그러나 주파수 조정용 에너지저장시스템(ESS)이 있다면 이러한 위험을 대비할 수 있다. 주파수 조정용 에너지저장시스템이란 실시간으로 전력을 저장하고 공급하는 과정을 통해 발전소에서 생산되는 전기의 주파수를 조정하는 것이다. 따라서 주파수 조정용 에너지저장시스템이 구축되면 계속해서 변화하는 전력수요에 대응하여 표준 주파수를 일정하게 유지할 수 있어 안정적이고 좋은 품질의 전력을 유지할 수 있다.[5]

이동통신

주파수 대역폭

이동통신을 포함한 무선통신에서 통신속도를 결정하는 요소에는 여러 가지가 있겠지만, 가장 기본적이며 핵심적인 것은 주파수 대역폭(bandwidth)이다. 국내의 경우 5G에서는 3.5GHz 대역과 28GHz 대역의 주파수 대역을 이용하는데, 통신사별로 Sub-6 대역이라 불리는 3.5GHz 대역에서는 80 혹은 100MHz의 대역폭을 이용하고 있으며, 밀리미터웨이브(mmWave) 대역이라 불리는 28GHz 대역에서는 각각 800MHz씩의 주파수 대역폭을 이용한다. 통신사별로 대략 900MHz 정도의 주파수 대역을 이용하는 것인데, 이는 4G LTE에서 각 이통사가 이용하는 주파수 대역에 비해 적어도 6.7배에서 많게는 9.47배 많은 것이다. 주파수 이용 방식이나 데이터 변조 등의 방법이 모두 동일하다고 가정하더라도 사용하는 주파수가 6.7~9.47배 가까이 많다는 것은 통신 속도도 그만큼 빨라질 수 있다는 것을 의미한다. 여기에 다른 기술들이 결합됨으로써 LTE 대비 최대 20배 빠른 속도를 제공할 수 있게 되는 것이다. 5G에서는 사용 주파수 대역에 따라 네트워크의 구조 및 서비스 특성도 달라진다. 3.5GHz 대역은 기존의 3G나 4G 서비스에 사용되는 주파수 대역과 가깝게 위치하기 때문에 비교적 커다란 통신 반경을 제공하는 셀을 구축하는데 이용되며, 28GHz 대역은 통신 반경이 수백 미터 이내의 소규모 마이크로 셀을 구축하는데 이용된다. 반면, 28GHz 대역을 이용하는 경우 더 빠른 통신 속도를 제공할 수 있다. 따라서, 미국의 버라이즌 같은 통신사는 해당 주파수 대역을 이용하여 5G Home과 같은 고정형 무선접속 서비스를 제공하고 있다.[6]

주파수 이용 방식

4G 서비스를 위해 어떤 이동통신사업자가 100MHz의 주파수 대역을 이용한다고 할 때, 이 중의 50%는 업링크(Uplink)용으로 이용되며 나머지 50% 정도는 다운링크(Downlink)용으로 이용된다. 즉, 전체 주파수의 절반은 사용자 단말에서 기지국으로 데이터를 전송하는 목적으로 이용되며, 나머지 절반은 기지국에서 사용자 단말로 데이터를 전송(Downlink)하는 목적으로 이용된다. 이처럼 업링크 및 다운링크용으로 주파수 대역을 구분하여 이용하는 것을 두고 주파수 분할 방식FDD)이라고 부르는데, 데이터의 업로드 및 다운로드를 위한 주파수가 서로 달라 안정적으로 데이터를 전송하는 것이 가능해진다. 그러나, 스포츠 중계나 인기 드라마를 여러 사람들이 동시에 시청하는 경우처럼 다운로드 트래픽은 많지만 업로드 트래픽이 거의 없는 상황에서는 주파수 이용 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 5G 서비스에서는 다운링크와 업링크 구분없이 전체 주파수 대역을 이용해서 데이터를 송수신하게 된다. 대신 상황에 따라 다운로드와 업로드 시간을 가변적으로 정해서 데이터를 전송하게 된다. 즉, 전체 주파수 대역을 아주 작은 타임슬롯으로 나누어 놓고 트래픽 상황에 따라 다운로드와 업로드 시간을 변경해 가면서 유연하게 데이터를 업로드 및 다운로드 하게 된다. 이를 시간 분할 방식(TDD)이라고 부르는데, 주파수 효율이 높아지기 때문에 동일한 주파수 대역에서 더 많은 트래픽을 교환하는 것이 가능해진다.[6]

매시브 MMO 및 빔포밍

일반적으로 전파는 무지향성이거나 제한적인 범위에서 지향성을 제공한다. 즉, 이동통신 기지국에서 특정한 방향으로 전파를 쏘더라도 여러 사용자들이 동시에 동일한 신호를 받을 수 밖에 없는 구조였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사용자별로 시간대를 할당하거나 주파수 특성을 변형하는 식으로 통신을 했다. 겉으로 보기에는 마치 여러 사용자들이 동시에 서비스를 이용하는 것처럼 보이기는 하지만, 사실상 제한된 무선 자원을 나누어 써야 하기 때문에 통신 속도가 떨어질 수 밖에 없었다. 반면, 5G에서는 주파수가 전파되는 공간을 분할함으로써 여러 사용자가 동시에 같은 주파수 자원을 이용하는 것을 가능하게 한다. 즉, 특정한 공간에 있는 소규모의 사용자들을 하나의 그룹으로 설정하고 이들에게 전체 주파수를 할당하게 되면 상대적으로 더 적은 사용자들이 주파수 대역을 공유하게 되므로 더 빠른 통신이 가능해지는 것이다. 이 때 그 옆에 있는 다른 사용자 그룹도 동일한 주파수 대역을 이용해서 이웃 사용자 그룹에 대한 간섭 없이 통신을 하는 것이 가능해진다. 만약, 사용자 그룹을 더 작게 만들 수 있다면 개별 사용자들이 각각 동시에 전체 주파수를 이용해서 통신하는 것도 가능해질 것이다. 이처럼 동일한 전파 자원을 동시에 여러 사용자 그룹을 대상으로 서비스 할 수 있도록 하는 것을 두고 매시브 MIMO(Multi-Input Multi-Output)이라고 하며, 이를 가능하게 하는 것이 빔포밍(Beam Forming) 기술이다. 즉, 빔포밍은 기지국 안테나가 특정한 공간에 있는 사용자 그룹을 향해 전파를 집중해서 조사하는 기술을 말한다.[6]

가변적 채널 대역폭 할당

4G 이전의 이동통신 서비스나 우리가 집이나 사무실에서 많이 이용하는 와이파이(Wi-Fi)와 같은 무선통신 기술들은 통신을 위해 기본적으로 20MHz 대역폭의 채널을 사용한다. 즉, 한 사용자 혹은 하나의 단말이 통신을 하기 위해서는 전체 주파수 대역의 20MHz를 할당받아 통신을 하게 된다는 것이다. 물론 시간, 주파수, 주파수 위상 등을 달리하여 마치 여러 사용자들이 동시에 같은 주파수를 이용해서 통신을 하는 것처럼 만들게 된다. 그러나 이런 방식은 근본적으로 동시 사용자수를 제한하게 되어 있으며 20MHz의 주파수 대역이 필요하지 않은 서비스에 대해서는 주파수를 낭비하게 되는 결과를 초래하게 된다. 이런 문제를 해결하기 위해 4G 서비스에서부터 LTE Cat.M1이나 NBIoT 같은 기술들이 개발되어 조금씩 이용되고 있다. Cat.M1은 최대 1Mbps의 통신 속도면 충분한 서비스들을 위해 20MHz 대신 1.4MHz만 사용하도록 하며 NB-IoT는 최대 100Kbps의 통신 속도면 충분한 서비스들을 위해 200KHz의 대역폭만 사용하도록 한다. 그러나 5G 서비스는 다양한 통신 속도를 포함하여 다양한 서비스 품질 특성을 요구할 것이므로 이들만으로는 모든 서비스를 효과적으로 수용하는 것이 불가능해진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 5G에서는 채널 대역폭을 가변적으로 이용하여 다양한 서비스를 수용함과 동시에 주파수 자원을 효율적으로 활용하도록 하고 있다. 이를 두고 가변적 채널 대역폭 할당(Scalable Numerology)이라고 부르는데, 15KHz로 고정된 OFDM 부반송파를 2n 비율로 확장하여 다양한 통신 속도를 필요로 하는 서비스를 지원하도록 하고 있다.[6]

대역별 용도

3~30kHz는 초장파(VLF)로 장거리 항해나 수중음파 탐지기로 쓰인다. 30~300kHz는 장파(LF)로 항해 보조물이나 무선 전파 표지로 사용된다. 300~3,000kHz는 중파(MF)라 불리고, 해상 무선, 방향 탐지, 조난 통신, 연안 안내 통신, 상업용 AM 라디오에 사용된다. 표준 AM 방송은 535~1,605kHz이다. 3~30MHz는 단파(HF)로, 탐색과 구조, 선박 및 항공통신, 전신 및 전화, 팩시밀리, 선박 연안간 통신에 사용된다. 30~300MHz는 초단파(VHF)로 VHF 텔레비전, FM 라디오, 육상 운송, 개인전용 항공기, 항공 교통량 제어, 택시나 경찰, 항해 보조물에 사용된다. FM 방송은 88~108MHz이다. 0.3~3GHz는 극초단파(UHF)로, UHF 텔레비전, 채널, 라디오존데, 항해 보조물, 감시 레이더, 위성통신에 사용된다. 3~30GHz는 센티미터파(SHF)라고 불리며, 위성통신이나 무선 고도계, 마이크로파 링크, 공중 및 기상 레이더, 공용 반송파, 육상 이동국에 사용된다. 30~300GHz는 밀리미터파(EHF)이라 불리고, 철도 서비스나 레이더 지상 시스템, 실험용으로 쓰인다. 300GHz~3THz는 실험용으로 쓰인다. 적외선, 가시광선, 자외선은 고주파수를 가지고 있고, 광통신 시스템에 사용된다.[7]

진폭 변조

Amplitude Modulation의 약자로 AM이다. 전자 통신 중에서 일반적으로 라디오 반송파를 통한 정보 송신에 쓰인다.[8] 500kHz ~ 1,600kHz의 낮은 주파수를 사용하여 멀리까지 쉽게 전파된다. 하지만 음질이 좋지 않다.[9] 일반적으로 AM은 DSB-LC를 지칭한다. 진폭 변조는 어느 측파대를 전송하는지에 따라 방식이 다르다.

  • 양측파대(Double Side Band, DSB): 상측파대와 하측파대를 모두 전송하는 방식으로, 반송파를 동시 전송 여부에 따라 나뉜다. 양측파대-SC(Suppressed Carrier)는 억압 반송파로, 반송파를 전송하지 않는다. 양측파대-LC(Large Carrier)는 큰 반송파로, 변조하지 않은 반송파를 함께 전송한다. 수신기 구조가 간단하지만, 다른 방식에 비해서 점유 주파수 대역폭이 넓어져 전력 소비가 커지는 단점이 있다.
  • 단측파대(Single Side Band, SSB): 불필요한 한 측파대를 제거하여 한 측파대만 전송하는 방식으로, 한 측파대를 제거하기 위해 필터를 이용한 방식과 위상 변환기를 사용하는 방식이 있다. 양측파대보다 주파수 대역폭이 좁아져 송신기 전력 소비가 낮지만, 수신기의 구조가 복잡하다.
  • 잔류축파대(Vestigial Side Band, VSB): 한 측파대의 대부분과 다른 쪽 측파대의 일부를 함께 전송한다. 이것은 양측파대와 단측파대의 장점만 모아둔 것이다.[10]

주파수 변조

Frequency Modulation의 약자로 FM이다. 주파수 변조를 이용한 방송이다.[11] 87MHz~108MHz의 높은 주파수를 사용한다. 장애물에 전파 방해를 쉽게 받지만, 진폭변조보다 음질이 더 좋다.[9] 주파수 변조 전송은 진폭 변조 전송보다 임의 잡음 제거율이 더 우수하며, 동일한 주파수와 송신기 전력에 대해서 진폭 변조보다 더 멀리 전송할 수 있다. 주파수 변조 진폭 변화에는 정보 신호가 포함되어 있지 않아 주파수 변조 반송파의 진폭을 원하는 크기로 제한시킬 수 있고, 진폭에만 변화를 주고 주파수에는 영향이 없는 효율적인 C급 증폭기를 주파수 변조 장비에 사용할 수 있다.

  • 측대파 쌍(Sideband Pair): 반송파의 중심 주파수의 위, 아래로 똑같은 거리만큼 떨어져 있는 두 개의 측대파를 말한다. 측대파 쌍의 위치는 변조지수(Modulation Index, MI)에 의해 결정된다.[12]

무선 통신

전자기파와 사람의 가청주파수를 넘는 초음파 영역을 이용한 통신 방법으로, 일반 신호를 고주파와 합성하여 전파를 통해 전송한다. 수신 측에서는 받은 고주파 신호를 처리하여 다시 원래의 신호로 바꾼다. 적외선을 이용하는 텔레비전 리모컨과 같이 수 미터 이내에서 작동하는 것부터 위성통신과 같이 수천 킬로미터 떨어진 곳에서 작동하는 것까지 다양하다.[13]

근거리

  • 블루투스(Bluetooth): 주파수대 2.4GHz를 사용한다. 개인용 컴퓨터에 이용되는 마우스나 키보드, 휴대전화와 스마트폰, 태블릿, 스피커 등에서 문자 정보나 음성 정보를 비교적 낮은 속도로 디지털 정보를 주고받는 용도이다.[14]
  • 엔오션(EnOcean): 자연계에 존재하는 동작, 빛, 그리고 온도 차 등의 매우 작은 에너지를 이용하여 전원과 유지보수가 필요 없는 무선 전송 시스템이다. 지역마다 사용 주파수가 다른 일본에서는 315MHz, 928MHz의 주파수를 사용해 특정 소전력 무선에 해당한다. 북미에서는 315MHz, 902MHz, 유럽에서는 868MHz에 대응한다.
  • 와이파이(WiFi): 2.4GHz와 5GHz의 주파수대를 사용하고, 통신속도가 빠르다. 통신 거리도 100m 정도로 가정 내에서 인터넷 회선의 무선 네트워크화를 실시하는 가장 대중적인 방법이다.[15]
  • 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC): 전자기유도 현상을 활용한 양방향 무선통신이다. 주파수 13.56MHz로 고정되어있고, 최대 10cm로 연결범위가 짧지만, 높은 보안성을 가지고 있다.[16]

장거리

  • RFID(Radio-Frequency Identification): 무선 주파수를 통해 물체나 사람을 식별하는 인식 시스템으로 바코드와 비슷한 역할을 한다. 전파를 이용해 먼 거리에서도 태그를 인식할 수 있다. 또한, 직접적인 접촉 없이 먼 거리에서도 정보를 인식할 수 있고, 고속으로 움직이는 물체도 식별할 수 있다. 사이에 있는 물체를 투과해 데이터를 수신할 수 있다. 최대 100m까지 연결이 가능하고, 단방향 통신이다.[16]
  • 사물인터넷 네트워크(IoT Network): 고용량 사물인터넷용 주파수 2.4GHz, 5.8GHz와 저전력과 저용량 사물인터넷용 주파수 900MHz의 대역을 사용했다.[17] 각종 사물에 센서와 통신 기능을 내장하여 인터넷에 연결하는 기술이다. 즉, 무선 통신을 통해 사물을 연결하는 기술이다. 가전제품, 모바일 장비, 웨어러블 디바이스 등 임베디드 시스템의 사물과 데이터를 주고받아 스스로 분석하고 학습한 정보를 사용자에게 제공하거나 원격 조정할 수 있는 기술이다.[18]

대역폭

특정한 기능을 수행할 수 있는 주파수의 범위이다.[19] 네트워크 대역폭은 컴퓨터 네트워크나 인터넷 연결을 통해 한 지점에서 다른 지점으로 데이터양의 최대를 전송하는 유선 또는 무선 네트워크 통신 링크의 용량이다. 데이터 연결의 대역폭이 클수록 한 번에 주고받을 수 있는 데이터도 많아진다.[20] 넓은 대역폭을 가지고 있다면 많은 데이터를 운송할 수 있고, 반대로 좁은 대역폭을 가지고 있다면 적은 데이터를 운송할 수 있다. 일반적으로 대역폭의 크기와 전송속도와 비례한다. 하지만 다양한 방법과 변조 방식 등을 사용하여 좁은 대역폭에서도 높은 전송 속도를 가질 수 있다.[21]

활용

고주파 온열치료

암 환자 치료에 함께 시행되는 주파수 10만Hz 이상의 고주파 온열 암 치료가 있다. 고주파 온열 암 치료는 고주파로 암 조직에 열을 가해, 암세포 증식을 억제하여 암세포가 스스로 파괴하도록 유도하는 치료법이다. 암이 많이 진행된 환자나 장기 깊숙이 암세포가 침투한 때도 효과적으로 활용할 수 있다. 몸에 열이 가해지면 정상 세포는 주위 혈관이 확장되면서 혈액순환을 통해 열을 분산시킨다. 반면 암세포는 연결된 혈관이 작고, 혈관 확장 능력이 낮아서 열을 분산하지 못한 채 점차 괴사한다. 정상 세포는 42도 이상에서 50분 이상 지나면 생존율이 떨어진다. 하지만 암세포는 38.5 ~ 42도 수준의 온도만 가해져도 세포막에 작용하는 열 스트레스가 약화하여 손상을 입게 된다. 이 특성을 이용하여 고주파 온열 암 치료는 정상 세포를 손상하지 않으면서 암세포를 제거하도록 돕는다.[22]

도플러 레이더

차량에 어린아이가 방치되어 일어나는 사고를 막기 위해 작은 레이더를 개발했다. 차 안의 탑승자를 인식하기 위해 초음파 센서, 카메라, 적외선 센서 등을 활용했지만, 초음파 센서는 물체까지의 거리만 측정하기 때문에 사람이 아닌 물건을 사람으로 잘못 판단할 수 있고, 카메라는 사람과 사물을 구별할 수 있지만, 조명에 민감하고 사생활을 침해하는 문제가 있다. 또 열을 측정해 탑승자를 인식하는 적외선 센서는 탑승자의 옷차림과 보온을 위해 좌석에 달린 열선 때문에 인식 정확도가 낮다는 단점이 있다. 이런 단점을 보완하기 위해 도플러 레이더로 사람의 호흡 신호를 분석하는 방법을 활용하고 있다. 도플러 레이더는 물체에 보낸 전자파의 주파수와 반사되어 나온 전자파의 주파수 차이를 분석하여 물체의 움직임을 파악하는 장치이다. 이 레이더를 이용하면 호흡할 때 나타나는 가슴의 움직임을 분석해 사람을 찾아낼 수 있다. 하지만 탑승자가 움직이면 가슴의 움직임이 다른 움직임에 묻히는 단점이 있다. 사람의 움직임이 나타내는 주파수 패턴을 분석하여 호흡 신호를 포착하지 못해도 차량 내 사람을 찾는 알고리즘을 개발하여 이 단점을 보완하였다.[23]

5G

통신사는 정부로부터 5G 주파수 28GHz와 3.5GHz 대역을 각각 할당받았다. 일반 고객용으로 구축한 5G 사용 망은 3.5GHz 기반이다. 28GHz는 초고속 대용량 데이터 전송을 가능하게 하지만 전파 손실에 취약해 전국망 구축에는 적합하지 않다. 밀리미터파(mmWave)로도 불리는 28GHz는 현실적으로 활용 가능한 무대로 제한적인 공간에서 초저지연, 초고속 네트워크 환경이 필요한 스마트 팩토리, 스마트 시티, 스마트 오피스, 헬스케어 등이 지목되고 있다. SK텔레콤은 인천국제공항에 5G 28GHz 기반 모바일 에지 컴퓨팅(MEC)를 활용한 코로나 19 방역 시스템을 만든다. KT는 광화문 사옥 인근을 비롯해 수원, 서울, 대전, 대구 등에 28GHz 기지국을 구축하고 실증을 하고 있다, LG유플러스는 구미 금오공대와 28GHz 주파수 대역을 활용한 5G 실증을 시작했고, 전주에서의 모바일 에지 컴퓨팅(MEC) 연계 사업, 안산 반월, 시화 공단 사업 등 총 세 군데 정부 사업을 연계해 진행하고 있다. 밀리미터파의 단점을 극복하기 위한 방법으로 빔포밍 기술과 5G 스몰셀 등을 주시하고 있다. 빔포밍 기술은 많은 수의 안테나에 실리는 신호를 정밀하게 제어해 특정 방향으로 에너지를 집중 시켜 거리를 늘리거나 간섭을 줄여 보다 나은 무선 채널 환경을 만들어 준다. 스몰셀은 소출력 커버리지를 갖는 기지국으로 밀리미터파의 짧은 커버리지 단점을 보완한다.[24]

각주

  1. ↑ 〈진동수〉, 《위키백과》
  2. ↑ 〈슬기로운 전기생활을 위한 전기상식용어 '주파수'〉, 《삼성전자 반도체 공식 블로그》, 2020-05-15
  3. ↑ 〈Digital Frequency 디지털 주파수, 디지털 라디안 주파수〉, 《정보통신기술용어해설》
  4. ↑ 〈Frequency, cycles/unit 주파수, 진동수〉, 《정보통신기술용어해설》
  5. ↑ 유유리 기자, 〈주파수의 모든 것〉, 《한국전력 공식 블로그》, 2020-12-03
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 순천향대학교 김학용 교수, 〈5G 서비스 구현 기술의 이해〉, 《방송과 미디어 제24권 3호》, 2019-07
  7. ↑ 이완국, 〈주파수 대역별 용도〉, 《티스토리》, 2009-11-24
  8. ↑ 〈진폭 변조〉, 《위키백과》
  9. ↑ 9.0 9.1 뮤트캐스트, 〈AM/FM 주파수의 차이〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-22
  10. ↑ 라인하트, 〈AM 변조방식의 모든 것〉, 《티스토리》, 2014-02-07
  11. ↑ 〈주파수 변조〉, 《위키백과》
  12. ↑ AnnieNBruno, 〈(정보통신) FM 주파수 변조 Frequency Modulation 실험〉, 《네이버 블로그》, 2016-07-30
  13. ↑ 〈무선통신〉, 《위키백과》
  14. ↑ 〈블루투스〉, 《위키백과》
  15. ↑ 로옴 공식 홈페이지 - https://www.rohm.co.kr/
  16. ↑ 16.0 16.1 〈(세상을 바꾸는 무선통신기술)제 2탄. 무선주파수기술의 장거리선수! 'RFID'〉, 《삼성반도체이야기》, 2020-04-24
  17. ↑ 〈사물인터넷 확산을 견인하는 주파수 공급 추진〉, 《대한민국 정책브리핑》, 2018-03-28
  18. ↑ 〈사물인터넷〉, 《위키백과》
  19. ↑ 〈대역폭〉, 《위키백과》
  20. ↑ 솔루션 헌터, 〈대역폭(bandwidth)〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-25
  21. ↑ 김가요미, 〈대역폭과 전송속도와의 관계〉, 《티스토리》, 2019-08-02
  22. ↑ 전종보 기자, 〈癌 태워 없애는 '고주파 온열치료' 면역력까지 '증폭'시킨다〉, 《조선일보》, 2021-01-20
  23. ↑ 김우현 기자, 〈어린아이 차량 방치 사고 막아줄 차내 레이더 기술 나왔다〉, 《동아사이언스》, 2020-12-30
  24. ↑ 전현수 기자, 〈통신사‘초고속,저지연’ 5G 28GHz 올해 존재감 드러낼까〉, 《이코노믹리뷰》, 2021-01-20

참고자료

같이 보기


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