밀리미터파 전파 특성과 통신에 미치는 영향

밀리미터파 통신 전파의 기초

밀리미터파 (mmWave) 통신은 30-300GHz 대역에서 데이터 전송률이 높은 5G 시스템의 핵심 기술입니다. 광대역(~1GHz) 채널을 활용함으로써 증강현실 및 자율주행차 같은 저지연 애플리케이션의 증가하는 요구사항을 충족하기 위한 멀티기가비트 처리량을 제공할 수 있습니다. 2023년 네이처 보고서에 따르면, 방향성 안테나를 사용해 1km 거리에서 mmWave 속도가 10Gbps에 달했으나, 이 전파 특성은 저주파 마이크로파와 상당히 차이가 납니다.

공간 감쇠는 주파수의 제곱에 비례하므로 6GHz 이하 대역에 비해 경로 손실이 20~30dB 더 높다. 실외 환경 문제는 이러한 문제를 더욱 악화시키며, 강우는 60GHz에서 5-15dB/km의 감쇠를 유발할 수 있고 콘크리트와 같은 건축 자재는 40-60dB의 침투 손실을 초래한다. 식물의 감쇠는 일반적으로 신호 손실을 10-20dB 유발하며 개방된 지역와 동일한 신뢰성을 확보하기 위해서는 혁신적인 엔지니어링 해결책이 필요하다.

위상 배열 안테나를 이용한 고급 빔포밍 기술은 전파 제약을 극복하기 위해 지향성 전송 채널을 구축함으로써 공간 내에서 주파수 재사용이 가능하고 간섭을 줄일 수 있습니다. 이러한 지향성 빔을 통해 도심과 같이 혼잡한 환경에서의 중요한 이점을 달성할 수 있습니다. 최신 아키텍처는 직교 다중 반송파 변조(OMM)와 대규모 MIMO의 하이브리드 구조를 활용하여 지능형 네트워크를 구현하며, mmWave 대역의 주파수 풍부성과 마이크로웨이브 시스템의 견고성을 결합하여 실시간 최대 처리량을 확보합니다.

밀리미터파 통신 신호에 대한 환경 영향

밀리미터파(mmWave) 통신 시스템은 다양한 운용 환경에서 신호 품질에 중대한 영향을 미치는 고유한 환경적 도전 과제에 직면해 있습니다.

기상 조건에 의한 신호 감쇠 메커니즘

60GHz 주파수 대역에서 비는 최대 20dB/km의 감쇠를 유발하며, 눈과 안개는 추가적인 산란 효과를 일으켜 위상 일관성을 방해합니다. 이러한 기상 현상은 짧은 파장이 입자 간섭에 민감하기 때문에 mmWave 링크에 더 큰 영향을 미치며, 이는 저주파 시스템보다 훨씬 심각합니다.

식생 및 건물 침투 손실 효과

현장 측정 결과에 따르면 단일 나무가 mmWave 신호를 35dB 감쇠시키며, 무성한 잎사귀는 신호 세기의 98%를 차단할 수 있습니다. 28GHz에서 창살유리와 같은 건축 자재는 40dB의 전송 손실을 보이며, 이는 마이크로웨이브 주파수 대비 3배 높은 수준입니다. 따라서 구조적 장애물을 극복하기 위해서는 전략적인 네트워크 계획이 필수적입니다.

우천 페이딩 및 대기 흡수 문제

산소 흡수의 피크는 60GHz에서 대기 손실이 15dB/km에 달하며, 열대지방의 심한 비가 내리는 상황에서는 신호 감쇠가 30dB/km를 초과하기도 합니다. 이러한 요인들은 결합적으로 실질적인 배치 범위를 제한하게 되며, 이에 따라 적응형 마진 계산 및 동적 전력 조정 프로토콜이 필요해집니다.

밀리미터파 통신에서의 경로 손실 모델링

자유공간 대 도시 전파 모델

밀리미터파(mmWave) 전파는 환경에 따라 고유한 특성을 가집니다. 자유공간 경로 손실(FSPL)은 전송 거리의 역제곱으로 표현될 수 있으며, 이는 \(\frac{1}{R^2}\)입니다. 그러나 도심 지역에서는 채널이 보다 복잡한 상호작용을 유발하며, 경로 손실 지수는 LOS(직접 가시 경로)에서 2.5–4.5, 비-LOS(비가시 경로)에서는 4.7–9.2 범위에 있습니다. 28GHz에서의 잎 손실은 6–8 dB/m이며, 콘크리트 벽은 40–60 dB의 손실을 유발합니다. 빔포밍이 없는 도심 mmWave 범위는 이러한 장애물로 인해 이론적인 자유공간 범위인 1–2km와 비교하여 150–200m까지 감쇠됩니다. 적응형 안테나 어레이는 신호가 가능한 경로를 향해 전력을 조정함으로써 일부 손실을 회복할 수 있지만, 실제 적용 시 통신 범위는 궁극적으로 장애물 밀도에 의해 결정됩니다.

주파수 의존 감쇠 특성

대기 흡수는 24GHz(수증기로 인함)와 60GHz(산소로 인함)에서 피크를 이루며, mmWave 시스템에 추가적인 손실인 0.2–15 dB/km을 유발합니다. 강우 감쇠는 보통의 비가 내릴 때 30–40 GHz 대역에서 2–8 dB/km의 감쇠를 초래합니다. 주목할 점은 동일한 거리에서 73GHz 신호가 24GHz 대비 자유공간 손실(FSPL)이 1.8배 더 크다는 것으로, 이는 FSPL 방정식에서 주파수의 제곱(f²)에 비례하는 특성에 기인합니다. 이는 중요한 트레이드오프로 이어지며, 더 높은 주파수는 더 넓은 대역폭(2GHz 채널)을 가능하게 하지만, 100GHz 미만 대역보다 기지국 배치 밀도가 4배 더 필요하게 만듭니다. 이러한 한계는 오늘날 저손실 유전체 및 메타표면 안테나와 같은 첨단 소재들 덕분에 완화되고 있으며, 이를 통해 E-밴드 주파수에서 5G 백홀 링크에 90% 효율의 주파수 대역 사용이 가능해졌습니다.

신뢰성 있는 통신을 위한 시야 확보 조건

밀리미터파 (mmW) 통신 시스템은 고주파 대역(24–100 GHz)에서 작동하기 때문에 송수신기 간 정밀한 정렬이 필요합니다. 저주파 신호는 장애물을 우회하여 회절될 수 있지만, 밀리미터파 대역의 경우 최대 60~90%의 에너지가 장애물에 의해 흡수됩니다(ITU 2023). 이러한 제약 조건으로 인해 방해 없는 시야 확보(LOS)는 5G/6G 환경에서 멀티기가비트 처리량을 달성하는 데 필수적입니다.

인간 활동 및 구조물로 인한 차단 효과

도시 환경에서는 LOS를 방해하는 세 가지 주요 요소가 있습니다:

• 정적 장애물 : 콘크리트 벽은 mmWave 신호를 40–60 dB 감쇠시키며, 유리는 전송 신호를 15–25 dB 약화시킵니다.
• 이동형 장애물 : 단일 보행자로 인해 20–35 dB의 신호 손실이 발생할 수 있으며, 차량 교통량은 0.8–3.2초 지속되는 간헐적인 서비스 중단을 초래합니다.
• 환경적 변화 요소 : 계절적 식생 변화는 잎사귀에 의한 감쇠를 12–18 dB만큼 변화시킬 수 있습니다.

이러한 효과는 밀도가 높은 도시 지역에서 더욱 두드러지며, 빔포밍 기술이 적용되지 않으면 평균 LOS 가용성이 54~72%로 하락합니다.

NLOS(Non-Line-of-Sight) 환경을 위한 빔포밍 솔루션

위상 배열 안테나는 장애물을 우회하기 위한 27dBm 등방성 복사 전력(EIRP) 빔스티어링을 가능하게 합니다. 최신 시스템의 성능은 다음과 같습니다.

• 1.2° 빔폭 정밀도를 제공하는 1024요소 안테나 클러스터
• AI 기반 RF 경로 예측을 활용한 3ms 이내 빔 재정렬
• 벽 반사를 통한 78% NLOS(비직선 수신) 신뢰성

2024년 UAV 통신 인프라에 대한 연구를 통해 적응형 빔포밍이 고정 섹터 안테나 대비 도심 지역 아웃에이지 확률을 63% 감소시킨다는 사실이 입증되었습니다. 이 방식은 실시간 라이다 맵핑과 동적 주파수 공유 기술을 결합하여 장애 발생 시에도 QoS를 유지할 수 있습니다.

밀리미터파 통신을 위한 채널 모델링 기법

3D 공간 전파 메커니즘

밀리미터파(mmWave) 통신 시스템은 신호가 도시 구조물과 고도 및 수평 평면에서 어떻게 상호작용하는지를 이해하기 위해 높은 해상도의 3D 공간 모델이 필요합니다. 기존의 2D 모델과 달리 이러한 모델은 확장형 Saleh-Valenzuela 모델 등을 활용하여 LOS(직선 경로) 확률을 모사할 때 건물 크기와 시간에 따라 변하는 장애물을 포함한 통계적 모델링 기법을 사용합니다. 본 연구를 통해 이러한 모델들이 구조물의 기하학적 차이에 따라 12~18dB 범위의 회절 손실 변화를 예측한다는 것을 입증하였습니다.

다중경로 페이딩 및 반사 분석

MmWave의 짧은 파장으로 인해 다중경로 클러스터가 희박하게 형성되며, 반사된 신호는 sub-6GHz 대역 신호에 비해 6~9dB 더 감쇠됩니다. 실내 실험 결과, 산란된 에너지 중 단지 20~30%만이 유효한 다중경로 연결에 기여하는 것으로 나타나, 확산 산란보다 우세한 반사 경로를 우선시하는 개선된 통계 모델이 필요함을 보여주고 있습니다.

산업 모순: 대역폭 증가 대비 전송 거리 감소

MmWave 대역은 400~800MHz의 채널 대역폭을 제공하지만, 28GHz에서의 자유공간 경로 손실은 3GHz 대역에 비해 29dB 더 높습니다. 이는 도심 지역에서 150~200m 간격으로 소형 셀을 배치해야 함을 의미하며, 이는 마이크로웨이브 기반 시스템보다 4배 밀도가 높은 것입니다. 이러한 조건은 기가비트 처리량을 유지하기 위한 필수 조건입니다.

실제 도시 환경 적용 사례 연구

26GHz 주파수를 사용한 마드리드 지하철 시범 프로젝트는 빔포밍과 실시간 장애 예측 기술을 결합하여 혼잡한 역내에서 94%의 신뢰성을 달성했습니다. 그러나 보행자의 움직임으로 인해 수신신호강도(RSS)가 3~5dB 변동하는 현상이 발생했으며, 이는 공공 장소에서 AI 기반의 채널 적응 기술이 필수적임을 보여줍니다.

전략적 기지국 통신 네트워크 설계

신호 간섭 최소화를 위한 기지 선정

기지국을 최적으로 배치함으로써 신호가 장애물로 인해 매우 빠르게 감쇠되는 mm-웨이브 네트워크에서 간섭 수준을 최소화할 수 있습니다. 도심 환경에서는 신호 차단 및 중복 문제를 해결하기 위해 최적의 배치가 필요합니다. 복잡한 전파 모델링을 통해 시스템 설계자는 채널 간 간섭을 최소화하고 커버리지 밀도를 극대화할 수 있는 지역을 정확하게 파악할 수 있습니다. 지형 인식 기반의 설치 위치 선정 방식은 고른 간격 배치 대비 데드존의 수를 45% 줄이고 평균 직경을 24% 감소시킬 수 있음을 확인하였습니다. 주요 요인으로는 건물 밀도와 고도 차이, 그리고 추가 하드웨어 투자 없이 간섭을 억제할 수 있도록 기존 인프라의 중복(mapping of existing infrastructure tramping)을 고려하는 것이 포함됩니다.

향후 전망: 하이브리드 RF-MmWave 아키텍처

MmWave 기술을 서브-6GHz 대역과 통합한 듀얼 밴드 아키텍처는 차세대 네트워크를 위한 실현 가능한 후보로 나타났습니다. 이 하이브리드 아키텍처는 고밀도 도심 지역의 고처리량을 위해 mmWave massive MIMO와 교외/농촌 지역의 광범위한 커버리지를 위한 RF 주파수 대역을 결합합니다. 스마트 전환 프로토콜은 이동성 및 서비스 프로필에 따라 사용자를 두 대역 간 동적으로 할당합니다. 시스템은 mmWave만 사용하는 네트워크에 비해 구축 밀도를 60%까지 줄이며 핸드오버 발생 시 필요한 QoS를 유지합니다. 다양한 지형에서 지속적인 연결성이 필수적인 산업용 IoT 애플리케이션에도 이러한 통합 솔루션이 유망함이 입증되었습니다.