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최적의 경로 찾기, 2.4㎓ 대역 사용 모듈의 경로 손실 계산
이나리 기자 | 승인 2016.11.14 10:54

가정, 사무실, 공장에서 사용하는 근거리 무선 애플리케이션에는 2.4㎓ 대역이 널리 사용된다. 통상적으로 2.4㎓ 채널은 비허가 ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수 대역에 속한다.

지그비(ZigBee)(IEEE 802.15.4), 블루투스(Bluetooth)(IEEE 802.15.1), 와이파이(Wi-Fi)(IEEE 802.11 b/g/n), WUSB(Wireless Universal Serial Bus), 고유 프로토콜(MiWi 등), 일부 무선 전화기 등의 수많은 프로토콜이 이 대역을 사용한다. 그렇기 때문에 2.4㎓ ISM 대역에서 동작할 때는 같은 스펙트럼을 사용하는 다른 프로토콜들과 간섭을 일으키기 쉽다.

따라서 무선전송 시의 거리와 성능을 평가하는 것이 중요하며 이를 통해 실내 및 실외 환경에서 사용하는 근거리 모듈용으로 경로 손실을 예측할 수 있는 모델을 제작해 설계자가 무선 통신 시스템의 성능을 초기에 예측하도록 해야 한다. 여기에 필요한 성능 파라미터에는 거리, 경로 손실, 리시버 감도, 비트 오류율(BER), 패킷 오류율(PER)이 있으며 이는 모든 통신 시스템에서 필수적이다.

이와 관련해 파워와 안테나 사양이 다른 3개의 모듈인 마이크로칩의 MRF24J40MA, MRF24J40MB, MRF24J40MC을 살펴보겠다.

마이크로칩 MRF24J40MB 2.4㎓ IIEEE 802.15.4 모듈

MRF24J40MA는 인증 받은 2.4㎓ IEEE 802.15.4 무선 트랜시버 모듈로서 PCB 안테나를 통합했으며 무선 센서 네트워크, 홈 자동화, 빌딩 자동화, 컨슈머 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. MRF24J40MB도 이와 유사하지만 자동 원격 검침(Automatic Meter Reading) 같은 좀 더 먼 거리의 애플리케이션에 사용하는 것에 최적화 됐다.

MRF24J40MC는 외부 안테나를 사용하며[그림1] 장거리 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. 3개 모듈 모두 4 와이어 SPI 인터페이스를 통해 마이크로컨트롤러로 연결되며 보드에 있어서도 다양한 규격 및 인증을 받았다.

 [그림1] 도터 보드와 외부 안테나가 연결된 MRF24J40MC 모듈


경로 손실 모델

대규모(large-scale) 모델은 거리에 따른 동작을 예측하기 위한 것이다. 대규모 모델은 거리와 주요 환경적 요인의 함수이며 주파수와는 거의 무관하다. 이 모델은 거리가 줄어들수록 유용성이 급격히 떨어지지만 무선 시스템의 거리를 모델링하고 대략적인 용량 계획을 하는 데 유용하다.

소규모(small-scale) 페이딩 모델은 신호 변동성을 일대일 척도로 설명하기 위한 것이다. 이 변동에서는 멀티 패스(multi-path) 현상(위상 캔슬)이 중요한 요인이다. 이러한 경로 감쇠는 일정한 것으로 간주되기는 하나 주파수 및 대역폭에 따라 크게 변한다.

하지만 짧은 거리나 시간으로 신호를 급격하게 변화시키는 소규모 모델링을 먼저 하는 경우가 대부분이다. 예측되는 수신 파워가 리시버 감도에 비례해 충분히 크다면 수신되는 파워는 사용하는 통신 프로토콜에 따라서 달라질 것이며 이 링크는 데이터를 전송하기에 유용하다. 수신 파워가 리시버 감도를 초과하는 양은 링크 마진이라고 한다.

링크 마진 또는 페이드 마진은 트랜스미터와 리시버 사이에 신뢰할 수 있는 무선 링크를 달성하기 위해 리시버 감도 수준 이상으로 필요한 파워(마진)이라고 할 수 있다. 안테나의 완벽한 정렬, 멀티 패스나 반사가 없는 우호적인 조건이라면 필요한 링크 마진은 0데시벨(dB)이 될 것이다.

어느 정도의 페이드 마진을 필요로 하는지는 링크 신뢰성의 필요 정도에 따라 달라지지만 경험 법칙에 따르면 어느 경우이든 22~28dB의 페이드 마진을 유지하는 것이 좋다. 기상 조건이 좋을 때 15dB 이상의 페이드 마진이라면 날씨, 태양, RF 간섭 등으로 인한 혹독한 조건에도 RF 시스템이 계속 효과적으로 동작할 것이라고 확신할 수 있다.

수신 안테나와 송신 안테나 간의 전파(propagation)로 발생하는 경로 손실은 통상적으로 거리를 파장에 대해 정규화해서 표기한다. 그러나 거리와 파장을 분리해 손실을 고려하는 것이 편리한 경우도 있다. 이 경우에는 사용하고 있는 단위를 추적하는 것이 중요하다. 그 이유는 어떤 것을 선택하느냐에 따라 상수 오프셋(constant offset)이 달라지기 때문이다.

예를 들어 MRF24J40MB 모듈의 RF 노드 1과 2를 사용해서 20dBm의 출력 파워로 1킬로미터(㎞) 링크(거리)의 성능을 살펴보자.

노드 1은 1dBi 게인으로 전방향성 PCB 안테나로 연결하고 노드 2도 1dBi 게인으로 비슷한 PCB 안테나로 연결한다. 노드 1의 송신 파워는 100㎽(또는 20dBm)이고 감도는 102dBm이다.
노드 2의 송신 파워 또한 100㎽(또는 20dBm)이고 감도도 노드 1과 같다. 케이블은 짧고 손실은 양단에서 대략 1dB이다. 그 다음에는 1㎞ 링크의 자유 공간 경로 손실만 감안해 노드 1에서 노드 2로의 링크에 대해 게인은 모두 더하고 손실은 모두 빼면 된다.

-60dB는 노드 2의 최소 수신 감도(-102dBm)보다 높으므로 이 신호 레벨은 노드 2가 노드 1과 통신하기에 충분하다. 42dB의 마진(102dB-60dB)이 있으므로 우호적인 기상 조건에서 우수한 전송을 달성할 수 있지만 혹독한 기상 조건에 대비하기에는 충분하지 않을 수 있다.

리턴 경로의 경로 손실도 동일하다. 따라서 노드 1 측의 수신 신호 레벨은 -60dB이다. 노드 1의 수신 감도는 -102dBm이므로 42dB의 페이드 마진이 남는다(102dB-60dB).

또 LoS(Line-of-Sight)라고 하더라도 환경적 요인으로 인한 손실(페이딩)이 있을 수 있고 이로 인해 20dB까지 추가적으로 감쇠될 수 있다. 이 경우 추가 게인 없이 통신하기 위해 필요한 요건 안에 든다.

이번에는 노드 2를 0dB 게인(출력 파워)을 갖는 MRF24J40MA 모듈로 대체해 본다. 노드 1의 수신 감도가 -95dBm이므로 35dBm의 페이드 마진이 남는다(95dB-60dB). 또 LoS라 하더라도 환경적 요인으로 인한 손실이 있을 수 있으며 이 손실로 인해 20dB가 추가적으로 감쇠될 수 있다. 그러면 15~20dB의 추가 게인만을 가지고 통신한다.

프레넬 존(Fresnel Zone)

프레넬 존은 [그림2]에서 보는 것과 같이 무선 파장이 안테나를 떠난 후에 가시적 LoS 주변으로 확산되는 영역을 말한다. 특히 2.4㎓ 무선 시스템에서는 LoS가 강도를 유지하도록 하는 것이 좋다.

2.4㎓ 파장은 물에 흡수되기 때문이다. 경험 법칙에 따르면 프레넬 존의 60%가 장애물이 없고 트여 있어야 한다. 보통 20%의 프레넬 존 방해는 링크의 신호 손실에 거의 영향을 미치지 않지만 40% 이상의 방해이면 신호 손실이 심해진다.

 [그림2] 프레넬 존

따라서 프레넬 존이 어느 정도까지 방해를 받을 수 있는지 계산해야 한다. 보통 20%~40%의 프레넬 존 장애물은 통신 링크에 간섭을 거의 일으키지 않기 때문에 프레넬 존의 방해는 20% 이내로 하는 것이 좋다.

건물 안에서는 벽이나 천장 같은 장애물 때문에 실내 전파 손실이 더 클 수 있다. 벽이나 천장으로 인한 감쇠뿐만 아니라 장비, 가구, 사람으로 인한 방해로 인해 손실이 발생될 수 있다.
나무의 경우 직접적인 경로 상에 있을 때 한 그루 당 8~18dB의 감쇠를 일으킨다. 이러한 감쇠는 나무의 크기, 형태, 종류에 따라서 달라질 수 있다.

목조 벽면이 양편에 있을 경우에는 약 6dB의 손실을 일으킬 수 있다. 또 소재나 LoS 문제로 인해 오래된 건물이 새로운 건물에 비해 실내에서의 손실이 비교적 더 클 수 있다. 콘크리트 벽면은 크기와 형태에 따라서 10~15dB의 감쇠를 일으킨다. 건물 바닥은 12~27dB의 손실을 일으킨다. 콘크리트나 강철로 된 바닥이 목재로 된 바닥보다 더 많은 감쇠를 일으킨다. 거울로 된 벽면은 반사로 인해 매우 큰 손실을 일으킨다.

프레넬 존은 실내 환경 거리 측정을 위한 좋은 지표가 될 수 있다. 대체로 LoS 전파는 처음 3미터(m)만 해당된다. 3미터이상에서는 밀집된 사무실 환경의 경우 실내 전파 손실이 30m당 최대 30dB까지로 늘어날 수 있다. 대부분의 경우에는 경로 손실을 크게 잡는다. 실제 전달 손실은 건물의 구조, 형태, 배치에 따라서 크게 달라질 수 있다.

프레넬 존에서 전달 손실을 일으킬 수 있는 요인들로는 다른 트랜스미터와의 충돌, 트랜스미터로부터 20~24% rms 대의 약한 EVM(error vector magnitude), 움직이는 물체나 사람들로부터의 반사를 들 수 있다. [그림3]은 LoS 환경에서 수신된 신호 강도 정보(RSSI)다.

[그림3] LoS 환경에서 위치와 거리

맺음말

RF 시스템 성능을 예측하기 위한 경로 손실 모델은 주의를 기울여 선택해야 한다. 특수한 몇몇 경우를 제외하고는 대개의 경우 자유 공간 경로 손실(FSPL) 모델을 사용하면 심각한 오류가 발생할 수 있다.

도심지 환경에서 사용하기 위한 좀더 현실적인 모델은 ITU 실내 전달 모델이다. 도심지 환경에서는 필요한 링크 예산이 증가할 것에 대비해서 경험적으로 10~12dB를 사용함으로써 전송 거리를 두 배로 늘릴 수 있다.

리시버 감도는 시스템에서 첫 번째로 고려해야 할 변수로서 이를 최적화하면 전송 거리를 늘릴 수 있다. 모든 무선 시스템에서 다른 변수들도 거리에 영향을 미치지만 리시버 감도를 변화시킬 때처럼 영향을 미치려면 더 높은 비율로 변화시켜야 한다.

멀티 패스 현상으로 인한 페이딩은 30~40dB의 신호 감쇠를 일으킬 수 있다. 따라서 무선 시스템을 설계할 때 이러한 손실을 극복하기 위해서는 충분한 링크 마진을 고려해 링크 예산으로 넣어야 한다.

<글 : 프라딥 샤만나(Pradeep Shamanna) 마이크로칩 수석 애플리케이션 엔지니어 >
<자료제공 : 마이크로칩테크놀로지 (www.microchip.com)>

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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