mmWave 전파특성
통상 30 ~300GHz사이의 스펙트럼을 mmWave 밴드라고 하는데, 이는 이 주파수 대역의 파장이 1~10mm 정도이기 때문이다. mmWave가 가지는 몇 가지 전파(Propagation)특성에 대해 정리 해보고자 한다.
mmWave는 넓은 대역폭(wide bandwidth)를 활용하여 고속의 데이터 및 대용량 데이터 전송이 가능하기 때문에 최근에 관심이 높아 지고 있고 5G 역시 이 대역의 주파수가 사용될 예정이다. mmWave를 사용하기 위해서는 전파 특성에 대해서 먼저 고려 할 필요가 있다. 상대적으로 낮은 주파수 대역의 무선 신호는 빌딩과 같은 장애물을 쉽게 관통할 수 가 있어서 더 멀리 전파 될 수 있지만, mmWave는 이러한 장애물 관통이 어려워 수Km 이내의 상대적으로 근거리 통신에 적합하다. 하지만 이러한 mmWave의 특징이 약점만 있는 것은 아니다. mmWave는 통신링크(communication link)를 아주 조밀하게 구성할 수 있어서 스펙트럼 사용 효율을 증대 시킬 수 있고, 통신이 보안성(security)를 증가 시킬 수 있다.
- 자유 공간 전파 특성(Free space propagation)
두 개의 등방성 안테나(isotropic antennas)를 기준으로 주파수와 거리에 따른 손실 특성은 다음 방정식으로 표현 할 수 있다.
L = (4πR/λ)^2 , Free Space Loss, R: Tx와 Rx 사이 거리, λ : 파장
Loss가 거리의 제곱에 비례하고 파장길이의 반비례하므로 mmWave는 짧은 거리 통신 링크에 적합하다는 것을 알 수 있다.
2. mmWave 전파 손실 요소들
보통 microwave 시스템에서 전송 손실은 이론적으로 자유공간 손실로 설명이 되지만, mmWave는 대기 손실 및 강우 손실 같은 추가 적인 요소들을 고려해야 한다.
2.1 대기 손실(atmospheric gaseous loss)
mmWave가 대기중에 전파 될 때 대기중의 산소 분자, 수증기 기타 다른 대기의 기체 성분들에 흡수되면서 손실이 발생한다. 이러한 손실은 특정 주파수 대역에서 두드러지게 발생하는데, 가스 분자들과의 기계적인 공명 현상 때문에 이 대역에서 전파가 흡수되는 현상이 크게 발생하기 때문이다. (결국 전파 거리가 짧아지게 됨). 시험적으로 24 GHz(수증기) 대역과 60GHz(산소) 대역에서 이러한 흡수 효과가 크게 나타나고 있다. (H2O나 O2 분자와 공명하여 흡수되는 대역)
2.2 강우 손실(Rain Loss)
mmWave는 비에도 영향을 받는다. 빗방울이 대략 mmWave의 파장과 비슷한 크기라서 전파(Radio signal)의 산란(scattering)을 유발한다.
2.3 삼림의 의한 손실(Foliage Loss)
나뭇잎과 같이 삼림에의한 손실도 mmWave에서는 상당히 고려해야 할 요소이다. 어떤 경우에는 이 때문에 전파거리에 상당한 장애가 되기도 한다. 실험에 의하면 40GHz의 전파가 10미터 정도의 나뭇잎(큰 나무 한두개를 관통하는 정도)들을 지나가는데 19dB정도의 손실이 발생하는 것으로 알려져 있다. 무시할 만한 수준이 아님을 알 수 있다.
2.4 산란과 회절(Scattering / Diffraction)
Tx와 Rx 사이에 LOS(Line of Sight)패스가 없다면 신호는 장애물들에 반사 및 회절을 통해 수신측에 도달 하게 될 것이다. 빛과 같이 mmWave는 Shadowing(빛이 장애물에 가려 있으면 어두운 것과 같이)이 발생하고 과 낮은 회절(Diffraction) 특성을 갖고 있다. (Shadowing은 다른 한편으로 생각하면 원하지 않는 신호는 좀 더 쉽게 막을 수 있다는 장점이 되기도 한다.) 보통 NLOS 조건에는 수신측에 도달하는 신호전력의 대부분은 반사파 전력이다. 이는 물질의 반사율과 밀접한 관계가 있고 짧은 파장의 신호(높은 주파수)입장에서 보면 장애물의 표면은 상대적으로 거칠게 보일 수 밖에 없다. 결국 이 것은 신호가 정반사 되기 보다는 여러 방향으로 분산 확대 되어 반사된다는 것이다. (즉, 수신측에 많은 전력이 전달되기 어렵다는 얘기)
