기본이론 - 정보통신네트워크(4) - 슈퍼헤네로다인, 위성, 페이딩

중요한 개념과 단어 설명은 TTA 한국정보통신기술협회 및 용어 설명 사이트를 참고하였습니다.

https://terms.tta.or.kr/main.do

http://www.ktword.co.kr/index.php

Wiki(https://www.wikipedia.org/)와 copilot의 도움도 받았음을 밝힙니다.

 

<목차>

1. 슈퍼 헤테로다인 방식 (Super-Heterodyne)
2. White Noise
3. 인공 위성 (Satelite)
4. 페이딩
5. 빔포밍(Beamforming)

1. 슈퍼 헤테로다인 방식 (Super-Heterodyne)

  - 수신기의 감도를 높이기 위해서 고주파 증폭기의 이득을 크게 한다는 것에 한도가 있으므로,

고주파 신호를 한 번 주파수가 낮은 중간 주파수로 변환시켜 이것을 증폭한 후에 복조하여 저주파 증폭을 하는 방식.

그림은 그 구성을 표시하고 제1검파에서 고주파로 중간 주파의 변환을 행해, 제2검파에서 복조가 행해진다.

방송의 경우는 제2국부 발진은 없다. 특징은 감도가 좋고 선택도가 좋은 점 등이다.

  - 반송파(Carrier) 주파수를  기저대역(Baseband) 주파수로 직접 변환하지 않고 RF 신호에서 선택된 신호대역 만을 

중간단계로 IF(Intermediate Frequency) 신호로 변환한 후 다시 기저대역으로 변환하는 수신 방식
 - 특히, AM 방송,FM 방송에서 방송사별 채널 선국을 위해 값비싼 BPF를 방송사별로 둘 수  없으므로, 

비교적 넓은 대역폭에 걸쳐 IF로 변환 후 원하는 정확한 채널 선택에 사용

 

2. White Noise

  - 가상적이고, 모델로 삼는 잡음 
  - 모든 주파수 성분을 다 포함하기 때문에 `백색`이라고 불리우는 가상적인 잡음
    * 가시광선에서는 여러 색상이 모두 겹치게되면(합쳐지면) 하얀색(백색)이 됨.
    * 모든 가청 주파수를 균일 포함하면, 넓은 음폭을 가져, 일상생활에 방해되지 않는 소음이 됨
  - 이러한 백색 잡음에 가장 근사적인 실제 잡음으로 열 잡음이 있음 
    * 열 잡음은 제법 넓은 범위의 주파수까지는 백색 잡음에 근사적임
  <특징>

     * 임의 시간 구간 간에 상관성이 없음
     - 평균적으로 소멸함   (zero mean)
     - 변동성이 일정함   (finite variance)
     - 백색과정에 속한 개별 랜덤변수들이 모두 동일한 확률분포를 갖음
       * 대부분, 평균이 0인 가우시안 확률분포를 갖는다고 가정함

 

3. 인공 위성

  1) 구성
    - 탑재물 (Payload)  :  위성 역할에 따라 탑재물 형태가 달라짐
      * 통신위성 
        송수신 안테나 및 이에따른 부속물들 (Antenna subsystem)       
      * 기상 위성
        각종 복사계(輻射計,radiometer) 등
      * 과학 위성
        망원경,분광기,플라즈마 검출기,자기계(磁氣計,magnetometer) 등

  2) 플랫폼 (Platform)
      * 구조체 (Mechanical structure)
        다른 부속품들의 견고한 지지 및 초기 발사체와의 원할한 연결 도모
      * 전력 공급부 (Power supply subsystem)
        태양 전지,축전지 등에 의한 에너지 유지
      * 열 제어부 (Thermal control subsystem)
        내부 장비의 원할한 동작을 위한 적정 온도 제어 유지
      * 자세 궤도 제어부 (Attitude and orbit control subsystem, AOCS)
        적정 궤도 유지, 지구 특정 위치의 지시방향(안테나 등의 조준 중심방향) 유지 등
      * 추진 장비 (Propulsion subsystem)
        궤도,자세 유지를 위한 추진력 제공
      * 원격검침, 추적 및 원격명령(TT&C) 장비 (Telemetry, tracking and command subsystem)

 

  3) 정지 궤도 위성 (GEO: Geostationary Earth Orbit)

    - 지구 상공 약 36,000 km에서의 순환 및 직선 궤도가 지구 적도면 상에 위치하는 위성궤도
    - 적도로부터 35,786 km 떨어진 곳에서 지구 자전 주기와 동일하게 회전하며

      약 3 km/s 속도로 움직임
    - 전파 시간지연이 있음 : 왕복 약 0.5초
    - 3개 위성으로 지구 전역 커버 가능 : 1개의 위성이 지표면 약 43% 커버
    - 극지방에서는 이용할 수 없음
    - 위성 지구국은 위성추미장치가 필요없음

 

  * 도플러 현상 : 음파 또는 전파의 발생지나 수신지가 가깝거나 멀어지면서 변동하는

                        속도에 따라 수신 주파수가 높아지거나 낮아지는 현상을 말한다.

 

  **고도가 약 35,786km가 아닌 위성은 정지궤도 위성이라고 할 수 없다.
  ** 정지궤도 위성(GEO)의 조건
     - 고도: 지구 중심으로부터 약 42,164km (지표면으로부터 약 35,786km)
     - 궤도 형태: 원형 궤도
     - 궤도 위치: 지구 적도 상공 (궤도면의 기울기 = 0°)
     - 공전 주기: 정확히 23시간 56분 4초 (지구 자전 주기와 같음)
     - 이 네 가지 조건을 동시에 만족해야만 한다

 

고도	궤도 분류	공전 주기	특징
< 2,000 km	저궤도 위성 (LEO)	수십 분	스타링크, 정찰위성 등
2,000 ~ 35,786 km	중궤도 위성 (MEO)	수 시간	GPS, 글로나스 등
= 35,786 km (적도 상공)	정지궤도 위성 (GEO)	24시간	통신/기상 위성 등
> 35,786 km	초정지 또는 탈출 위성	24시간 초과	정지 상태 불가

 

4. 페이딩 (Fading)

  - 경로가 다른  2 이상의 전파가 상호 간섭(상보간섭,소멸간섭)하여 신호 진폭 및 위상 등이

    시간적으로 불규칙하게 변하는 현상
    * 전파(電波) 매질 변동, 방해물 등에 의한 수신 전계강도의 불규칙한 변동 등
  - 페이딩 채널 : 페이딩 현상에 의해 신호 왜곡을 초래하는 불필요한 필터 특성을 보이는 무선 전파채널

  <분류>
    1) 발생 원인에 따른 분류

      * 산란성 (Scattering Fading) :

          다양한 장애물(건물,나무 등)에 산란되어 다수 경로로 전파 수신되며 발생
      * 간섭성 (Interference Fading) :

          다중경로 환경에서 경로 마다 상대 위상이 달라 서로간에 간섭하여 발생

          대책 : 공간다이버시티 및 주파수다이버시티와의 합성
      * 편파성 (Polarization Fading) :

          전파가 지구 자계 영향으로 타원 편파가 되어 편파면이 회전함으로써 발생

          대책 : 편파 다이버시티를 사용
      * 감쇠성(흡수성) (Absorption Fading) :

         전파가 대기 중에서 비,구름,안개 등에 의한 흡수 또는 산란에 의해 발생 

         10 GHz 부근의 주파수 대에서 현저

         대책 : 수신기에 AGC회로를 부가
      * 도약성 (Skip Fading) :

         전파가 전리층과 지표 간에 되풀이 반사하며 전파할 때 전리층 불안정으로

         전파 도달거리가 달라지며 발생. 주로 도약거리 근방에서 발생

         대책 : 주파수 다이버시티를 사용

    2) 공간 변동 규모 차이에 따른 분류 

      * 대규모 (Large-scale Fading) / 장거리 페이딩 :

          주로 전송로 손실에 기인, 넓은 지역 거리에 따라 완만하게 변동
      * 소규모 (Small-scale Fading) / 근거리 페이딩 :

           주로 빌딩,가옥 등의 구조물에 의한 국부 산란에 따른 

          다중경로 반사파에 기인, 순간적이고 급격한 변동

 

  <대책>

     - 다이버시티 기법 활용
      공간 다이버시티, 주파수 다이버시티, 시간 다이버시티 로 구분

     - 위성 통신에서 사용하는 다이버시티 기법 :

        Site : 지역을 다르게

        Orbit : 궤도를 변경

        Frequency : 감쇠 없는 주파수로 변경 (10GHz 이하의 주파수로)

     - 공간 다이버시티

        Angle Diversity : 전파의 도래 방향이 다르면 수신 전계의 페이딩 상태가 달라진다
                 같은 주파수, 지향성이 다른 2 이상의 안테나로 수신하고 페이딩 영향을 개선

        Antenna Diversity : 공간적으로 분리된 2 이상의 안테나를 이용

                 2 이상의 안테나를 페이딩 상관성이 적게되는 위치에 이격 설치하여

                 이 중 가장 좋은 신호를 선택 수신하며 페이딩 영향을 개선하는 방식

구분	Long Term Fading	Short Term Fading	Rician Fading
영문 이름	Large-Scale Fading	Small-Scale Fading	Rician Fading
변화 범위	수십 ~ 수백 미터	수 센티 ~ 수 미터	Short-Term의 한 형태
원인	장애물, 건물, 그림자, 거리	다중 경로 전파 (간섭/합성)	LOS + 반사파 혼합
변화 속도	느림 (환경이 바뀌지 않으면 거의 고정)	빠름 (이동 시 실시간 변화)	빠름
모델링 방식	로그 거리 감쇠 모델 로그 정규 분포	Rayleigh 또는 Rician 분포	Rician 분포
예시	터널 속, 건물 그림자 지역	걷거나 달릴 때 신호 급변	LOS 환경에서 Wi-Fi 사용 시
이해	"건물이나 산에 가려 신호가 서서히 약해지는 현상" → 커버리지 영향	"움직이면서 수신기 근처의 반사로 인해 신호가 급격히 오르내리는 현상" → 다중 경로 간섭, 지터 발생	"직접 도달하는 강한 신호 + 건물  반사로 인한 약한 신호가 함께  도달하는 경우" → 직선 경로가 존재할 때 발생

 

 

5. 빔포밍 (Beamforming)

  1)  특정 방향/패턴(모양)으로 RF 에너지의 집속화

    * 다수의 안테나에 의해 또는 어레이 안테나에 의해 원하는 때 원하는 특정 방향 만으로 

      방사/수신하는 즉, 원하는 지향성을 갖도록 전파 빔을 만들어내는 기술 

  2) 장점

    * 공간 필터링 (Spatial Filtering) 기능이 가능 :
      원하는 특정 방향으로 만 지향성을 높이고 다른 방향은 억제
    * 공간 다중화 (Spatial Multiplexing) : 공간적으로 멀티플렉싱을 가능케 한다.

      공간 채널 상에 여러 신호를 함께 결합시켜 보냄으로써 전송용량 증대

  3) 5G 빔포밍 특징
    * 고주파 대역 (mmWave) 사용 :
      5G는, 28GHz, 39GHz 등 고주파 대역을 사용. 전파의 직진성이 강하고, 도달거리가 짧음 
       → 정밀하고 집중적인 송신 필요
    * Massive MIMO와 결합 :
       5G 기지국은, 수십~수백 개의 안테나를 사용하는 Massive MIMO 기술과 결합하여
       다수의 사용자에게 동시에 빔포밍 필요

       MIMO (Multiple Input Multiple Output, 다중 안테나 기술)
    * 사용자별 신호 세기 조정 :
       사용자에게 향하는 빔을 정밀 조절함으로써, 신호 세기를 극대화하여,
       데이터 속도, 연결 안정성, 통신품질(QoS) 향상