주파수와 거리의 상관관계 - 5G는 왜 높은 주파수가 필요한가?

1. 대기 중의 감쇠(Attenuation)
   • 주파수가 높아질수록 신호는 대기 중에서 더 많이 감쇠됩니다.
     • 분자와의 상호작용: 고주파수 전파는 대기 중의 분자들, 특히 산소와 물 분자와 더 활발하게 상호작용합니다. 이러한 상호작용은 에너지를 흡수하고, 전파의 에너지를 감소시키는 원인이 됩니다. 이 흡수 과정은 주파수가 높을수록 더 강해져서 신호의 감쇠를 증가시킵니다.
   • 특히, 높은 주파수의 전파는 습기, 비, 안개 등에 의해 더 많이 흡수되며, 이로 인해 신호가 약해져서 통신 거리가 줄어듭니다.
2. 회절(Diffraction) 효과가 감소함
   • 회절 : 전파가 장애물 뒤로 구부러지는 현상
   • 낮은 주파수의 전파는 더 큰 장애물 주변을 회절할 수 있어서, 시야선(Line of Sight, LOS)이 직접적이지 않은 경우에도 통신이 가능합니다. 반면, 높은 주파수의 전파는 이러한 회절 효과가 적어, 장애물에 더 쉽게 차단됩니다.
3. 지표면 반사
   • 지표면에서의 반사 효과: 낮은 주파수 전파는 지표면에서의 반사가 더 효율적으로 일어나며, 이는 전파가 지평선 너머로 전달되게 합니다. 높은 주파수 전파는 지표면에서 반사되기보다는 흡수되거나 산란되는 경향이 더 큽니다. 이러한 차이는 전파의 파장과 지표면의 거칠기 사이의 상대적 크기 때문에 발생합니다.

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안테나와 주파수? 

높은 주파수의 전파는 작은 안테나를 사용하여 생성할 수 있으며, 이는 신호를 더 방향성 있게 만듭니다. 이로 인해 신호는 특정 방향으로 더 집중되지만, 동시에 다른 방향으로의 커버리지는 감소합니다. 낮은 주파수에서는 더 큰 안테나가 필요하며, 이는 신호를 더 넓게 분산시켜, 더 넓은 영역에 서비스를 제공할 수 있게 합니다.

 

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5G는 높은 주파수가 필요하다

높은 주파수 대역이 필요한 이유

• 고속 데이터 전송
• 낮은 지연 시간
• 높은 네트워크 용량

단점

• 전파 거리가 짧다
• 물리적 장애물에 의해 쉽게 차단될 수 있다

-> 단점을 극복하기 위해, 여러 기술적 전략과 인프라 설계 접근 방식이 개발 됨

5G는 빠른 전송 속도가 필요함! -> 즉, 높은 주파수가 필요하다

5G가 높은 주파수가 필요한 이유

1. 더 넓은 대역폭 제공(높은 주파수 -> 많은 대여폭)

높은 주파수 대역(예: mmWave 대역, 즉 밀리미터 파 대역)은 더 넓은 대역폭을 제공할 수 있습니다. 대역폭이 넓을수록 초당 전송할 수 있는 데이터의 양이 증가하므로, 더 높은 데이터 전송 속도를 달성할 수 있습니다. 5G는 이론적으로 최대 10Gbps까지의 속도를 목표로 하며, 이는 4G LTE보다 약 100배 빠른 속도입니다.

2. 스펙트럼 혼잡 감소

낮은 주파수 대역은 이미 많은 통신 서비스와 기기들 사이에서 널리 사용되고 있어, 스펙트럼 혼잡이 문제가 될 수 있습니다. 반면, 높은 주파수 대역은 상대적으로 사용량이 적어 더 많은 스펙트럼 자원이 사용 가능합니다. 이를 통해 더 많은 사용자와 장치가 동시에 더 높은 데이터 전송 속도를 경험할 수 있습니다.

3. 향상된 용량 및 효율성

높은 주파수를 사용함으로써, 소형 셀(small cell) 네트워크를 통해 네트워크 용량을 증가시키고, 특정 영역 내에서 서비스 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 소형 셀은 범위가 제한적이지만, 높은 데이터 전송 속도를 제공하며, 사용자 밀도가 높은 지역에서 네트워크의 혼잡을 줄이는 데 도움이 됩니다.

4. 지연 시간 감소(높은 주파수 -> 많은 대여폭 -> 빠른 속도)

5G는 매우 낮은 지연 시간(1ms 미만)을 목표로 하고 있습니다. 높은 주파수 대역을 사용하면, 데이터 패킷을 더 빠르게 전송하고 처리할 수 있으며, 이는 지연 시간을 줄이는 데 기여합니다. 이는 실시간 게임, 자율 주행 차량, 원격 수술 등 지연 시간에 민감한 애플리케이션에 매우 중요합니다.

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5G 주파수가 높다 -> 거리가 짧다 ; 이걸 어떻게 극복하지?

1. 소형 셀(Small Cells) 네트워크

• 소형 셀 배치: 5G 네트워크는 기존의 큰 셀 타워 대신에, 소형 셀이라고 불리는 작은, 저전력 기지국을 더 많이, 더 밀집되게 배치하여 커버리지를 확장합니다. 이 작은 기지국들은 도심, 주거 지역, 상업 지역 등 사용자 밀도가 높은 곳에 설치됩니다.
  • 주파수가 높으니 -> 거리가 짧아짐 -> 그러니까 기지국을 짧게 짧게 배치

2. 빔포밍(Beamforming)

• 방향성 신호 전송: 빔포밍 기술을 사용하여, 신호를 특정 사용자나 방향으로 집중시켜 전송합니다. 이 방법은 신호의 효율성을 높이고, 장애물을 우회하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
  • 주파수가 높으니 -> 장애물에 영향을 많이 받음 -> 장애물 우회하기 좋게 전송

3. MIMO (다중 입력 다중 출력)

• 신호의 다양성 증가: MIMO 기술은 여러 개의 송수신 안테나를 사용하여 동시에 여러 데이터 스트림을 전송하고 수신합니다. 이를 통해 데이터 전송률을 크게 향상시키고, 신호 감쇠와 간섭 문제를 줄일 수 있습니다.
  • 주파수가 높으니 -> 감쇠가 많이 됨 -> 여러 개가 한번에 신호를 받아서, 그 감쇠되는 걸 극복!

4. 네트워크 슬라이싱(Network Slicing)

• 맞춤형 네트워크 제공: 5G 네트워크는 가상화 기술을 사용하여, 하나의 물리적 네트워크를 여러 개의 가상 네트워크로 분할할 수 있습니다. 이를 통해 특정 서비스나 사용자 그룹에 최적화된 네트워크 성능을 제공할 수 있으며, 효율적인 자원 사용을 가능하게 합니다.

5. 주파수 재사용(Frequency Reuse)

• 스펙트럼 효율성 증가: 소형 셀을 밀집시키고 동일한 주파수 대역을 재사용함으로써, 네트워크 용량을 증가시키고, 동일한 지역 내에서 더 많은 사용자에게 서비스를 제공할 수 있습니다.

6. 통합 네트워크 구축

• 다양한 주파수 대역의 통합 사용: 5G 네트워크는 높은 주파수 대역뿐만 아니라, 낮은 주파수 대역도 함께 사용하여, 광범위한 커버리지와 고속 데이터 전송의 이점을 동시에 제공합니다.