무선 네트워크의 핵심 : 주파수 속도 대역폭

물리로 이해하는 네트워크 : 데이터가 네트워크를 통해 이동하는 방법

무선 네트워크에서 가장 중요한 개념은 주파수 속도 대역폭이다.

무인도에 떨어져서 RC회로와 안테나로 구조신호를 보낼때 가장 중요한게 무엇일까?

주파수와 속도 그리고 대역폭이다. 안테나 설계나 파워관리도 있겠지만.. 중요한건 아니니까..

 

물리적으로 주파수는 전자가 LC회로에서 커패시터와 인덕터를 왕복하며 에너지를 충방전하면서 생겨나는 회로의 진동에 의해 결정된다. 공식으로 적으면 다음과 같다. 

f = 1 / (2π√(LC))

 

KT 면접에서도 가장 많이 물어보셨던 내용도 무선 네트워크의 가장 기본인 주파수와 속도와 대역폭에 대한 개념이 잡혀있는가를 검증하는 질문이 많았다.면접때 받았던 질문을 떠올려보면 전송속도를 높히기 위해서는 주파수와 대역폭 중에 어떤게 더 중요한가요? 커버리지를 높히기 위해서는 높은 주파수와 낮은 주파수 중에 어떤걸 사용해야 하나요? 와 같은 질문을 받았다.

주파수와 전송속도 그리고 대역폭이 물리적으로 어떤 현상을 뜻하는지를 이해하면 쉽게 대답할 수 있다.

 

헤르쯔는 전자기파의 존재를 실험해서 주파수의 단위가 되었다

주파수란 전자가 1초에 몇번 진동하는가?로 생각할 수 있다.

헤르쯔는 일상생활속에 충분히 녹아든 개념이지만 헷갈리는 경우가 많다.

소리의 헤르쯔가 높으면 귀가 찢어지는 소리가 들린다.

6GHz의 초고속와이파이는 2.5GHz나 5GHz 와이파이보다 빠를꺼 같다.

실제로 헤르쯔는 네트워크에서 신호가 얼마나 빨리 움직이는지를 측정하는데 사용된다.

주파수가 높을 수록 데이터를 더 빠르게 보낼 수 있다.

 

전파의 물리적 성질은 파장에 의해 결정된다

동시에 주파수는 파장과 역수 관계를 가진다.

빛의 속도는 일정하기 때문에 빛의 속도 = 파장 * 주파수 의 관계로 인해 서로 역수관계를 가진다.

빛의 속도가 왜 파장과 주파수의 곱으로 표현되는지는 너무나 당연한 물리적 법칙에서 출발한다.

거속시의 개념을 알고 있다면 쉽게 이해할 수 있다. 파장은 빛이 가는 거리이며 주파수는 빛이 파장의 거리만큼 진행하는데 걸리는 시간의 역수를 의미한다. 빛의 속도 v = 파장 m / 주파수의 역수 s 

위키피디아에서 가져온 색에 따른 파장의 길이 차이

 

왜 파장 이야기가 나왔는가 하면.. 파장은 안테나의 크기, 전파의 커버리지 등을 결정하는 물리적 변수이기 때문이다.

2.4GHz 와이파이 전파의 파장을 계산하면 12cm 정도이다. 안테나의 길이가 6cm 정도 되면 와이파이 신호를 송수신 할 수 있다.

FM 라디오는 88~108MHz의 파장을 사용하는데 파장을 계산하면 2.78미터 정도이다. 1m는 되어야 FM 라디오 신호를 송수신 할 수 있다.

(좌)와이파이 송수신용 아두이노칩 ㄹ모양의 금속배선은 안테나 역할을 한다 (우)FM 라디오 안테나 제품사진

3GPP 규격에 따른 통신세대별 주파수와 파장은 다음과 같다.

세대	주파수 대역 MHz	파장 m
2G	1800 MHz	0.167 m
3G (WCDMA)	2100 MHz	0.143 m
4G (LTE)	900 MHz 1800 MHz	0.334 m 0.167 m
5G	3.5 GHz	0.086 m

4세대 LTE까지는 파장의 길이가 0.1m 정도로 상대적으로 전파의 회절이 잘 일어나서 커버리지가 넓었다.

회절이란 파동이 장애물을 만나거나 다른 매질로 전파될때 파동이 굽어지는 현상으로 파장이 짧을 수록 회절이 심하게 일어나게 되고, 이는 즉 신호의 간섭이 심해진다는 것을 의미한다. 5G는 4G에 비해 파장의 길이가 2배이상 짧다. 즉 LTE보다 커버리지가 2배이상 줄어들 수 있다는 것이다.

 

대역폭은 네트워크에서 차선에 비유할 수 있다.

주파수가 아무리 커도 1차선에서 빠르게 전달되면 결국 전달해야하는 데이터의 병목이 일어나게 된다.

주파수는 회로의 특성에 의해 결정되었다면 대역폭은 전달할 수 있는 전파의 에너지에 의해 결정된다.

대역폭은 Bps 단위를 사용하는데 예를 들어 100Mbps의 대역폭을 가진 네트워크는 초당 100메가비트의 데이터를 전송할 수 있다. 

대역폭을 아끼기 위해 네트워크에선 멀티플렉스라는 기술을 사용하여 전송하는 데이터를 변조하여 에너지의 낭비를 줄인다. 소프트웨어적으로 TDM과 같은 알고리즘을 짜서 신호를 합치고, 물리적으로는 WDM으로 빛의 파장대별로 다른 데이터를 지정한 뒤에 파장을 합쳐서 한번에 송신해서 대역폭을 절약한다.

따지고 보면 대역폭은 무선통신보다는 유선통신과 관련이 있는 개념이긴하다. 무선에서 대역폭은 사용자가 설정할 수 없기 때문이다. 라우터라는 네트워크 장비에서 데이터 패킷의 크기에 따라 대역폭을 지정한다. 인터넷을 가입할 때 1Gbps 초고속 인터넷이라고 광고하는데 이때 1Gbps가 광랜에서 전송가능한 최대 대역폭이다. 지금은 와이파이 6E가 나와서 2.4Gbps 대역폭까지 나온다고 한다. 

요약

요약하면 네트워크에서 정보가 전달되는 과정을 전자기파의 잔달이라고 생각하면 좀더 물리적으로 손에 잡히는 개념으로 이해할 수 있다. (아마도..?)