연결 모듈
무선 통신에 대한 기본 지식: 무선 메커니즘 (2)
1. 무선 통신이란 무엇인가요?
2. 무선 통신 애플리케이션의 예
3. 무선 통신 시스템의 기본 구성 및 요소
4. 무선 통신 방법: 변조 및 복조
칼럼 전파 및 주파수
색인: 무선 메커니즘 (2)
5. 데이터 전송 방향: 이중(전이중 및 반이중) 및 단면
데이터가 어느 방향으로 전송되는지에 대한 전송 형식은 무선 또는 유선 여부에 관계없이 통신 애플리케이션에서 중요한 사양입니다. 이 형식은 이중 전송과 단면 전송으로 나뉩니다. 또한 이중 전송은 전이중 전송과 반이중 전송으로 다시 분류할 수 있습니다. 아래에서 각 전송 방식에 대해 설명합니다.
5.1 이중 전송
이중 전송*5은 현재 디지털 통신 장치의 매우 많은 비율에서 채택되고 있는 전송 형식입니다. 이중 전송에는 전이중 전송과 반이중 전송의 두 가지 유형이 있습니다.
전이중 전송
그림 8-1에서 볼 수 있듯이 전이중 전송은 데이터 통신과 음성 통화를 동시에 두 가지 방식(이중)으로 할 수 있는 전송 형식입니다. 수신 및 송신(각각 "Rx" 및 "Tx"라고도 함) 신호에 다른 주파수가 할당된 경우 이를 분리하는 주황색의 전자 부품을 듀플렉서라고 합니다.
적용 예: 유선 전화, 휴대폰, 스마트폰 등(기기 간 직접 연결)
*5: 양방향 전송과 관련하여 다운로드/업로드, 다운링크/업링크라는 용어를 자주 듣습니다. 사용 중인 단말기나 PC가 A라고 가정해 보겠습니다. 이 경우 B로부터 데이터를 받는 것을 다운로드, 반대로 A에서 B로 데이터를 전송하는 것을 업로드라고 합니다. 또한 데이터 전송 자체가 중요한 것이 아니라 단순히 단말기와 기지국과의 연결과 같이 단말기 A와 단말기 B 사이의 연결이 중요한 경우 이를 다운링크/업링크라고 합니다.
반이중 전송
그림 8-2a와 그림 8-2b에서 보듯이 반이중 전송은 장치 A와 장치 B가 송신과 수신을 상호 전환하여 데이터를 전송하는 형식입니다. 이 형식은 데이터를 동시에 두 가지 방식으로 전송할 수 없기 때문에 전이중 전송과 구별됩니다.
애플리케이션 예시: 트랜시버
5.2 단면 전송
그림 8-3에서 보듯이 심플렉스 전송은 장치 A(송신기)와 장치 B(수신기) 간에 데이터가 장치 A에서 장치 B로 한 방향으로만 전송되는 형식(심플렉스)입니다.
적용 사례 AM/FM 라디오 방송, 전파를 이용한 원격 제어 등
6. 통신 프로토콜이란 무엇인가요?
지금까지 하드웨어 측면에서 무선 통신에 대해 간략하게 살펴보았습니다. 한편, 무선이든 유선이든 통신을 구축하기 위해서는 소프트웨어 측면도 중요합니다. 이 소프트웨어를 통신 프로토콜 또는 간단히 프로토콜이라고 합니다.
프로토콜은 예를 들어 컴퓨터 등 데이터 통신(디지털 통신) 시스템에서 서로 다른 시스템 간에 오류 없이 데이터를 상호 전송하기 위해 정한 절차와 규칙을 말합니다. 그림 9는 데이터 전송과 관련된 프로토콜의 역할에 대한 예시를 보여줍니다.
데이터 전송을 보장하기 위해서는 제어 절차, 데이터 구조, 인터페이스 등 다양한 역할과 기능의 프로토콜을 결정해야 합니다. 하지만 여기에는 엄청난 수의 프로토콜이 포함됩니다. 프로토콜이 하나의 모델에 고정되어 있다고 가정해 봅시다. 이 경우 프로토콜에 내용을 추가하거나 내용을 변경하는 등 프로토콜을 업데이트해야 할 필요가 생기면 이를 처리하기가 어렵습니다. 이에 따라 각 역할과 기능에 프로토콜을 할당하고 그 프로토콜을 계층 구조로 구성하여 쉽게 업데이트할 수 있도록 했습니다. 이렇게 체계적으로 구성된 프로토콜 구조를 프로토콜 스택이라고 합니다. (프로토콜 스택은 프로토콜 스위트 또는 네트워크 아키텍처라고도 합니다.)
프로토콜 스택은 국제 표준을 기반으로 모델링됩니다. 이를 개방형 시스템 상호 연결(OSI) 기본 참조 모델이라고 합니다(표 4). 실제로는 이 모델을 사용하지 않고 각 애플리케이션에 편리한 사양(데이터 전송 효율이 좋고 데이터 전송 안정성이 높은 등)을 갖춘 프로토콜 스택을 채택합니다. 표 5는 Bluetooth® LE 모델의 프로토콜 스택을 예로 들어 인터넷에서 표준으로 사용되는 TCP/IP 모델과 OSI 기본 참조 모델 간의 대응을 설명합니다. TCP/IP 모델과 Bluetooth® LE 모델의 각 계층에 대한 설명은 생략했습니다. 레이어 수가 적고 일부 레이어가 생략된 것을 볼 수 있습니다.
4G LTE와 5G 통신은 기지국을 경유하는 구조입니다. 따라서 통신 프로토콜이 TCP/IP 모델 및 Bluetooth® LE 모델보다 복잡해지고 있습니다.
칼럼 무선 통신의 역사와 진화
무선 통신의 역사는 1864년으로 거슬러 올라갑니다. 영국의 이론 물리학자 J.C. 맥스웰은 "전자기장의 동역학 이론"이라는 제목의 논문에서 전파의 존재를 예측했습니다. 그러나 당시 이 논문은 이해하기 매우 어려웠습니다. 그 결과 그 내용을 이해하지 못했습니다. 전파의 존재는 독일의 H. R. 헤르츠에 의해 입증되었습니다. 헤르츠는 1888년 인공적으로 전파를 생성하는 데 성공했습니다. 이 시연을 통해 전파는 반사, 굴절, 회절, 간섭 등의 측면에서 빛과 동일한 성질을 가지고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 이탈리아의 발명가 G. 마르코니는 전파를 이용한 무선 통신을 최초로 실용화했습니다. 1837년 S. 모스가 유선을 이용한 유선 통신에 성공한 지 약 60년 후인 1896년, 마르코니는 영국에서 모스 부호를 사용하여 약 3km 거리의 무선 통신을 전송하는 데 성공했습니다. 또한 그는 1899년 도버 해협을 건너 1901년 대서양을 건너 무선 통신에 성공했습니다(그림 10-1).
당시까지만 해도 불가능했던 육지에서 해상, 해상에서 육지, 해상에서 해상 간 이동 통신을 가능하게 하기 위해 선박에서 무선 통신을 사용하는 것은 당연한 일이었습니다. 이에 대한 테스트가 1897년에 실시되었습니다. 1912년 타이타닉 호의 침몰은 무선 통신 초창기의 가장 역사적인 사건이었습니다. 타이타닉이 처녀 항해 중 빙산과 충돌하여 침몰한 것은 잘 알려져 있습니다. 당시에는 무선 통신을 통해 모스 부호로 "SOS" 조난 신호를 보냈습니다. 근처를 항해하던 카르파티아 호가 이 신호를 가로채 재난 현장으로 달려가 711명을 구조했습니다.
1900년대 초에는 라디오와 텔레비전 방송처럼 모스 부호 이외의 오디오와 비디오를 무선으로 전송하는 것도 가능해졌습니다. 라디오 방송은 1906년 미국에서 처음 실현되었습니다. 일본에서는 1925년 도쿄 방송 시스템(NHK)이 개국했습니다. 흑백 텔레비전도 같은 시기에 발명되었습니다. 텔레비전 방송은 1950년경에 시작되었습니다. 또한 컬러 텔레비전은 흑백 텔레비전이 발명된 지 3년 후에 등장했습니다. 컬러 텔레비전 방송은 1960년대에 선진국에서 도입되었습니다. 이를 통해 텔레비전 방송의 토대가 마련되었습니다. 그 후 텔레비전은 2000년대 초반까지 아날로그 형식으로 방송되었습니다. 2010년대 후반부터 전 세계적으로 디지털 포맷으로 전환되고 있습니다.
무선 통신은 이제 방송 이외의 분야에서도 우리 생활 속으로 스며들고 있습니다. 경찰, 소방, 방재, 철도, 공항 등 특정 업무 전용 무선(상용 무선)의 보급과 개인 무선으로 대표되는 휴대폰의 보급으로 무선 통신의 활용 범위가 크게 확대되었습니다. 휴대폰은 1993년경부터 각국에서 디지털화되기 시작했습니다(2세대: 2G). 그 이후로 속도와 용량이 급격히 증가했습니다. 해외에서는 2009년, 국내에서는 2012년 4G가 등장하면서 그 수준이 크게 높아졌습니다. 이제 2020년대에는 5G가 확산되는 단계에 접어들었습니다(그림 10-2). 또한 그 다음 세대인 5G와 6G에 대한 논의가 진행되고 있습니다.
