무선 링크

요약

무선 링크는 선 대신 공기를 쓴다. 선을 깔 필요가 없어서 들고 다니며 쓸 수 있고, 설치 없이 바로 쓸 수 있다. 대신 신호가 사방으로 퍼져서 가까운 링크끼리 간섭하고, 벽에 튕긴 신호가 여러 길로 조금씩 늦게 도착해 섞인다. 그래서 전파 사용을 허가제로 관리하고, 신호는 주로 아날로그 파형을 쓴다.

예시로 보기

카페에서 노트북이 와이파이 공유기와 통신한다. 전파의 일부는 곧장 가고, 일부는 벽에 튕겨 300 m 더 돌아간 뒤 도착한다고 하자. 튕긴 신호는 \(300 / (3.0 \times 10^8) = 1\) μs 늦다.

전송률	비트 폭	1 μs 늦은 반사파가 겹치는 범위
0.1 Mbps	10 μs	같은 비트의 뒤쪽 10%
1 Mbps	1 μs	다음 비트 하나 전체
10 Mbps	0.1 μs	뒤 비트 10개

같은 반사라도 전송률이 높을수록 여러 비트에 겹친다. 속도가 올라 비트 폭이 줄면 신호가 겹쳐 간섭이 심해진다. 이것을 다중 경로 문제라 부른다. 신호가 여러 길로 와서 생기는 문제라는 뜻이다.

두 그림 모두 곧장 온 신호(파란 선)에 60% 세기의 반사파가 1 μs 늦게 더해졌다. 0.1 Mbps(위)에서는 비트가 바뀌는 자리마다 칸의 10%만 흐트러지고, 칸 가운데는 깨끗하다. 10 Mbps(아래)에서는 10칸 앞의 비트가 칸 전체에 겹친다. 그래서 같은 1이라도 칸마다 높이가 달라지고, 낮아진 칸은 잡음이 조금만 더해져도 반대 비트로 읽히기 쉽다¹.

검증: 1 μs, 표의 겹침, 고정 무선 가입자망의 150 Mbit/s와 약 201 km² — 34_wireless-links_verify.py

정의

장점	단점
고정된 링크가 없다. 이동성을 지원한다	신호가 공중으로 퍼져 나간다
즉시 쓸 수 있다 (선을 깔 필요가 없다)	고주파와 저주파의 특성이 다르다
	인접한 링크 사이에 간섭이 일어날 수 있다. 그래서 전파 사용에 규제가 필요하다(라이선스 제도)
	다중 경로 문제

신호는 아날로그를 주로 쓴다. 디지털 신호는 쓰기 어렵다.

무선 링크를 쓰임새로 나누면 다음과 같다.

flowchart TD
  W["무선 링크"] --> F["고정 무선통신"]
  W --> SR["단거리 무선통신"]
  W --> CE["이동통신"]
  W --> SA["위성통신"]
  F --> F1["무선 고속 전용 링크"]
  F --> F2["무선 가입자망"]
  SR --> S1["무선 LAN (Wi-Fi)"]
  SR --> S2["Bluetooth"]
  SR --> S3["ZigBee"]
  SR --> S4["적외선 통신"]

고정 무선통신과 단거리 무선통신은 이 문서에서, 이동통신과 위성통신은 따로 다룬다.

고정 무선통신. 무선의 두 번째 장점(즉시 사용)을 살린다.

무선 고속 전용 링크: 본사와 지점 사이에 국경이 있어 선을 깔기 어려우면, 두 건물 사이에 무선 링크를 연다.
무선 가입자망: 가입자의 링크를 무선으로 만든다. 예를 들어 기지국 하나가 반경 8 km를 72° 부채꼴(섹터)로 나누고, 섹터마다 30 Mbit/s를 준다. 안테나의 방향성으로 공간을 나눠 같은 주파수를 섹터마다 다시 쓴다. 섹터가 5개이므로 기지국 하나가 모두 150 Mbit/s, 약 201 km²를 맡는다.

단거리 무선통신. 누구나 허가 없이 쓸 수 있는 공용 대역을 쓴다. 라이선스가 없어서 누구든 쓸 수 있고 소비자층이 크지만, 간섭이 생길 수 있다.

기술	범위	속도
무선 LAN (Wi-Fi, IEEE 802.11b/a/g)	LAN (넓은 쪽)	인터넷~다채널 영상
Bluetooth	PAN (좁은 쪽)	인터넷~스트리밍 영상
ZigBee (IEEE 802.15.4)	PAN	텍스트~인터넷 (가장 느림)
적외선 통신		요즘은 잘 쓰지 않는다

넓은 순서로 WAN(Wide Area Network), LAN(Local Area Network), PAN(Personal Area Network)이다.

연결

선수: 신호와 변조(주파수)
공기는 모두가 함께 쓰는 매체라 다중 접근 링크다. 여럿이 동시에 보내면 간섭(충돌)이 생긴다.
셀로 나눈 무선: 이동통신. 하늘의 중계기: 위성통신

확인 문제

C1 무선 링크의 장점 두 가지와 단점 네 가지를 쓰라. 전파 사용에 라이선스 제도가 필요한 이유는?

답: 장점: 이동성 지원, 즉시 사용 가능. 단점: 공중으로 퍼져 나감, 고주파와 저주파의 특성 차이, 인접 링크 사이의 간섭, 다중 경로 문제. 인접한 링크가 같은 주파수를 쓰면 서로 간섭하므로, 누가 어느 주파수를 쓸지 규제해야 한다.

C2 같은 반사 환경에서 전송률을 높이면 다중 경로 문제가 왜 더 심해지는가? 수치 예를 들어 설명하라.

답: 반사파가 늦게 도착하는 시간은 경로의 길이 차로 정해지고 전송률과 무관하다. 전송률을 높이면 비트 폭(1 ÷ 전송률)이 줄어서, 같은 늦음이 더 많은 비트에 겹친다. 예: 1 μs 늦은 반사파는 0.1 Mbps(비트 폭 10 μs)에서는 한 비트의 10%에만 겹치지만, 10 Mbps(0.1 μs)에서는 뒤 비트 10개에 겹친다.

C3 다음에는 Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee 중 무엇이 맞는가? (a) 스마트 전구의 켜짐·꺼짐 센서, 건전지로 몇 년 (b) 무선 이어폰 (c) 노트북으로 고화질 영상 스트리밍

답: (a) ZigBee. 텍스트 수준의 아주 느린 속도로 충분하고, 짧은 거리(PAN)다. (b) Bluetooth. 개인 주변(PAN)에서 음악 정도의 속도다. (c) Wi-Fi. LAN 범위에서 가장 빠른 속도가 필요하다.

반사파의 세기 60%와 비트열은 설명용 가정이다. 34_wireless-links_plot.py로 그렸고, 반사파 지연 1 μs가 0.1, 1, 10 Mbps에서 비트 0.1개, 1개, 10개 폭이라는 것과 0.1 Mbps에서는 칸 가운데의 부호가 보낸 비트와 모두 같다는 것을 같은 코드로 확인했다. ↩