페이딩(Fading)
페이딩(fading)이란 전송매체나 경로의 변화로 인해 수신신호 전력이 시간에 따라 변하는 것을 말한다.
고정 환경에서 페이딩은 강우와 같은 환경의 변화에만 영향을 받는다. 그러나 두 안테나 중 하나가 다른
하나에 대해 상대적으로 움직이는 이동 환경에서는 다양한 방해물의 상대적 위치가 시간에 따라 변하므로
복잡한 전송 효과가 발생하게 된다. 다시 말해 페이딩이란 위에서 언급한 환경변수로 인해 전자기파가
공간을 날아가면서 시간적 변화에 따라 신호의 수신세력이 시시각각 변화하는 현상을 뜻하며. 이로 인해
통신 서비스를 이용하면서 종종 통화품질로 곤욕을 치루는 상황이 발생한다.
- 다중경로 전파
세 가지 주요 전파 메커니즘으로 반사(R)와 회절(D)과 산란(S)이 있다.
반사는 전자기파 신호가 신호의 파장보다 상대적으로 넓은 표면을 만났을 때 일어난다. 예를 들어
이동 단말기가 대지 반사파를 수신한다고 하자. 대지 반사파는 반사가 일어난 후 위상이 180°
변하게 되므로, 대지 반사파와 가시선(可視線)파는 서로 상쇄하는 경향이 있으며 이로 인해 신호가
크게 소실된다. 게다가 이동 단말기의 안테나는 대부분의 인공 구조물보다 높이가 낮으므로 다중경로
간섭이 발생한다. 이러한 반사파는 수신신호를 강화시킬 수도 있고 상쇄시킬 수도 있다.
회절은 전파의 파장에 비해 넓은 투과 불가능한 물체의 가장자리에서 발생한다. 전파가 그러한
가장자리를 만나면 이전까지와 다른 방향으로 진행한다. 그러므로 송신기로부터 장애물 없는
가시선이 전혀 존재하지 않는 경우라도 신호가 수신될 수 있다.
만일 장애물의 크기가 신호의 파장과 비슷하거나 작으면 산란이 발생한다. 신호는 장애물을 지나면서
몇 개의 약화된 신호로 흩어지게 된다. 보통의 셀룰러 시스템에 사용되는 극초단파의 경우, 가로등이나
교통 신호등과 같은 많은 종류의 물체들이 산란을 유발할 수 있다. 그러므로 산란의 효과는 예측하기
힘들다.
이들 세 가지 전파 효과는 단말기가 셀 내에서 이동할 때 지역적인 조건에 따라 다양한 방식으로
시스템 성능에 영향을 미친다. 이동 단말기와 기지국 사이에 깨끗한 가기선이 존재할 경우, 회절과
산란은 작은 영향을 미치지만 반사는 여전히 큰 영향을 미친다. 도시 지역의 거리에서처럼 깨끗한
가시선이 존재하지 않는 경우, 대부분의 신호가 회절이나 산란을 통해 수신된다.
다중경로 전파의 부정적인 효과 중 하나는 신호의 여러 복사본이 각각 다른 위상으로 수신기에
도착한다는 것이다. 이들 위상이 파괴적으로 합해진다면 잡음에 대한 신호의 세기가 낮아져서
수신기에서 신호를 수신하기 어렵다. 이러한 다중경로 전파의 특성이 페이딩을 유발하는 원인이 된다.
- 페이딩의 종류
이동 환경에서 페이딩의 효과는 빠른 것과 느린 것의 두 가지로 분류할 수 있다. 도시 환경에서 이동
단말기가 거리를 지날 때, 신호 강도의 빠른 변화는 파장의 절반 정도의 거리마다 발생한다. 이동
셀룰러 응용에서 일반적으로 사용하는 900MHz 주파수대역의 경우 파장은 0.33m이다. 짧은 거리를
이동하는 경우에도 진폭은 20이나 30dB까지 변할 수 있다. 빠른 페이딩으로 알려진 이러한 종류의
빠르게 변화하는 페이딩은 자동차에서 사용하는 이동 전화뿐만 아니라 도시의 거리를 걸어 다니는 이동
전화 사용자에게도 영향을 미친다.
이동 통신 사용자가 파장보다 긴 거리를 이동하는 경우, 사용자가 서로 다른 높이의 빌딩이나 공터나
교차로 등을 지나감에 따라 주변 환경은 계속 변하게 된다. 이와 같이 먼 거리에 걸쳐 이동할 때에는
수신 전력의 심한 변화를 더불어 평균 수신 전력 수준이 변하게 된다. 이를 느린 페이딩이라고 한다.
페이딩 효과는 평면 페이딩(flat fading)과 선택적 페이딩(selective fading)으로 분류할 수 있다.
비선택적 페이딩이라고도 하는 평면 페이딩은 수신신호의 모든 주파수 성분이 동시에 동일한 비율로
변동하는 종류의 페이딩이다. 선택적 페이딩은 전파 신호의 각 주파수 성분에 서로 다른 영향을 미친다.
선택적 페이딩이라는 용어는 오직 통신 채널의 전체 주파수대역과 관련해서만 의미를 가진다. 만일
신호 감쇠가 신호의 주파수대역의 일부분에서 발생할 경우 이는 선택적 페이딩이다. 비선택적 페이딩은
관심 있는 신호의 주파수영역이 페이딩의 영향을 받는 스펙트럼보다 좁아서 영향을 받는 스펙트럼에
완전히 포함되는 것을 의미한다.
페이딩을 보다 자세하게 분류 한다면 크게 대류권 페이딩과 전리층 페이딩으로 나눈다.
○ 대류권 페이딩
- 신틸레이션 페이딩 : 대기 중의 와류에 의한 유전율이 불규칙한 공기 덩어리가 발생하고,
여기에 입사된 전파는 산란을 받으며, 이러한 산란파와의 직접파와의 간섭에 의해 발생한다.
- 덕트형 페이딩 : 전파 통로 상에 라디오 덕트가 발생할 때 전파는 덕트 내에 제한되어 수신점
밖으로 나가 수신 전계가 약화하거나 수신전계 변동 폭이 크고 불규칙하게 변화를 하므로 발생한다.
- 산란형 페이딩 : 대기의 소기단군, 난류 등에 발생된 산란파가 수신하는 경우 수신전계는
수많은 간섭파의 합성이므로 진폭이 시간적으로 변화되어 발생한다.
- 감쇄형 페이딩 : 비, 구름, 안개 등에 의하여 전파가 흡수 또는 산란 손실이 발생되므로 이로 인한
전계강도가 시간적으로 변화하여 발생한다.
○ 전리층 페이딩
- 간섭성 페이딩 : 동일 전파를 수신할 때에 두 개 이상의 다른 통로를 거쳐 수신되는 경우 이들은
서로 간섭을 일으킨다. 이때 전리층 반사파는 전리층의 변동으로 통로에 따른 위상차가 변동하여
합 또는 차로서 나타나므로 수신전계는 시시각각으로 변화하게 된다.
- 편파성 페이딩 : 전리층에서 전파가 반사될 때에 지구 자계의 영향으로 타원편파가 되며 전파의
세기는 일정해도 편파면이 시간적으로 회전하기 때문에 수신공중선의 유기 전력은 변동한다.
타원의 장축이 수신공중선의 축과 일치할 때 수신 전계는 가장 크며 직각일 때 작아진다.
- 흡수성 페이딩 : 전파가 전리층을 통과하거나 반사될 때에 전자와 공기분자와의 충돌때문에
그 세력이 일부가 흡수되므로 전파의 에너지가 감쇠를 받는다. 따라서 전리층의 전자 밀도가
시간적으로 서서히 변동하면 수신전계 강도도 따라서 변동하게 되는데 전리층 변동이 보통 때는
급격하지 않으므로 Fading의 주기도 비교적 길다.
- 선택성 페이딩 : 전리층에서의 전파가 받는 감쇠는 주파수에 밀접한 관계를 가지고 있으므로
반송파와 측파대가 받는 감쇠의 정도가 다르며 전리층이 급속히 상하좌우로 이동할 때 반송파와
측파대가 각각 받는 영향이 달라져서 생긴다.
- 에러보정방법
다중경로 페이딩에 의한 에러와 왜곡을 보정하기 위한 방법들은 일반적으로 순방향 오류 정정,
적응 등화(adaptive equalization), 다이버시티(diversity)의 세 가지 범주로 분류할 수 있다.
보통의 이동 무선 환경에서는 에러율을 낮추기 위해 세 가지 범주의 기술이 동시에 사용된다.
순방향 오류정정은 디지털 데이터나 디지털화 된 음성이나 영상 데이터를 전송하는 디지털 전송 응용에
사용할 수 있다. 일반적인 무선 이동 통신에서 데이터 비트에 대한 총 전송 비트의 비는 2에서 3 사이가
된다. 이것은 시스템의 용량을 절반에서 삼분의 일 정도로 떨어뜨리므로 매우 큰 부담으로 보일 수
있지만 무선 이동 환경에서의 전송의 어려움을 고려하면 이러한 정도의 중복은 필요하다.
적응 등화는 아날로그 정보(아날로그 음성이나 영상)나 디지털 정보(디지털 데이터나 디지털화 된
음성이나 영상)의 전송에 적용될 수 있으며 부호 간의 간섭을 제거하기 위해 사용된다. 등화는
흩어진 부호 에너지를 원래의 시간 간격 안으로 모으기 위한 과정들로 이루어지며, 복잡한 디지털 신호
처리 알고리즘뿐만 아니라 이른바 집중 아날로그 회로 또한 등화 기술에 포함된다.
다이버시티는 각각의 채널이 독립적인 페이딩을 겪는다는 사실에 착안하고 있다. 그러므로 전송기와
수신기 사이에 다수의 논리 채널을 만들고 각각의 채널에 정보의 일부분을 전송함으로써 에러를 줄일 수
있다. 이 기술은 가장 높은 에러율이 발생하는 것을 피하기 위해 전송을 여러 채널로 나누는 것이므로,
에러를 제거할 수는 없고 에러율을 낮출 수는 있다. 다이버시티로 에러율을 낮추면 순방향 오류정정이나
적응 등화기술로 나머지 에러를 처리 한다.
- 이동통신의 다이버시티 기법
사용자로부터 방사된 신호 중 직접파 성분인 신호가 첫 번째로 기지국에 도달한 뒤, 건물과 같은
장애물에 의해 반사되어진 신호들이 기지국에 도달하게 되었을 때 기지국에 도달하는 직접파 성분
신호와 장애물에 의해 반사되어진 신호는 진행하는 경로의 길이가 서로 다르게 되므로 기지국에
도달하는 시간의 차가 발생하게 되며, 도달되는 신호별로 서로 다른 감쇠와 위상차가 발생하게 된다.
기지국에서는 사용자간의 통화를 위해 이러한 다중경로신호 모두를 수신해야 한다. 하지만 서로 다른
감쇠와 위상차를 갖는 다중신호들을 기지국에서 수신하게 되면 수신신호의 진폭이 커졌다 작아졌다
하는 현상이 발생하게 되는데 이러한 현상을 다중경로 페이딩(multipath fading)이라 한다.
이동통신시스템에서 다중경로 페이딩은 가입자간에 서로 통화를 가능하게 하는데 있어서 매우 위험한
요소이다. 다중경로 페이딩이 심하게 발생하게 되면 무선망의 안정성이 떨어지게 되며 통화가 끊기는
현상이 발생하게 된다. 그러므로 이동통신시스템에서는 다중경로 페이딩을 경감시키는 기술이 필수적이
된다.
현재 이동통신시스템에서 다중경로 페이딩 현상을 경감시키기 위해 기지국에서 다이버시티 기법을
사용하고 있다. 이동통신에서 페이딩 현상은 피할 수 없는 현상이다. 문제가 되는 것은 일정 레벨이하로
떨어지는 깊은 페이딩 현상이다. 다이버시티 기법은 기지국에서 발생되는 페이딩 문제를 해결하는
간단하면서도 효과적인 방법이다. 신호를 수신할 때 페이딩이 적은 신호를 수신한다면 신호재생 시
좀더 질이 좋은 통화감도를 제공할 수 있을 것이다.
다이버시티 기법의 기본 개념은 수신 단에서 2개의 수신안테나를 이용하는 것이다. 예를 들어 송신기와
수신기를 출발지와 목적지에, 그리고 전송경로를 도로에 비유하면 이해하기 쉽다. 즉 재해로 도로가
불통이 될 수가 있지만 양 지점의 사이에 복수의 도로가 있다면, 한 개의 도로가 불통이 되도 다른 길을
통해서 무사히 목적지에 도착할 수가 있다. 이 경우 재해의 영향을 동시에 받지 않기 위해서는 좀 떨어진
도로를 이용할 필요가 있다. 다이버시티 수신에 있어서 복수의 페이딩 파를 얻는 것은 송신기와
수신기와의 사이에 독립적인 전송 경로를 만드는 것 외에 없다. 즉 두 개의 수신안테나에 수신되는
신호가 완전히 서로 다른 신호를 수신하면 되는 것이다. 이렇게 되면 한쪽 안테나에 수신되는 신호에
깊은 페이딩 현상이 발생하더라도 다른 한쪽 안테나에 수신되는 신호는 작은 페이딩 현상이 발생하게
됨으로 적은 페이딩 신호를 선택하여 신호를 재생하면 좋은 질의 통화를 제공하게 된다.
다이버시티 기법에는 사이트 다이버시티 기법, 공간 다이버시티 기법, 편파 다이버시티 기법,
시간 다이버시티 기법, 그리고 주파수 다이버시티 기법이 있다.
사이트 다이버시티 기법(Site Diversity)은 위성 통신에서는 사이트 다이버시티를 이용한다. 사이트
다이버시티란 거리상으로 멀리 떨어져 있는 2개 이상의 기지국을 동시에 운용하는 방식으로, 한 기지국이
있는 지역에 비나 눈 때문에 통신이 불가능 할 경우 통신이 가능한 다른 기지국을 대신 이용하게 된다.
각 기지국들이 있는 지역의 기후가 서로 독립적일 정도로 거리가 충분히 멀도록 기지국을 배치하기 때문에
가능한 것이다.
공간 다이버시티 기법(Space Diversity)은 2개의 수신안테나를 공간상으로 이격시키는 방법으로 이격
거리는 보통 10∼20λ정도이다. 서로 이격된 안테나로부터 수신되는 신호들은 서로 다른 위상 변화를
겪기 때문에 각각 서로에 대해 낮은 상관 특성을 가지게 된다. 여기에서 낮은 상관 특성을 가진다는 것은
한쪽 신호와 다른 쪽 신호의 다중경로 페이딩 특성이 서로 독립적임을 의미한다. 그러므로 한 신호가 깊은
페이딩에 빠질 때 다른 신호는 깊은 페이딩에 빠질 확률이 적게 되며 이러한 두 신호를 합성하면
다중경로 페이딩이 적은 신호로 만들 수 있게 된다.
편파 다이버시티 기법(Polarization Diversity)도 서로 독립적인 페이딩 특성을 가지는 2개의 신호를
사용하는데, 공간 다이버시티와 다른 점은 2개의 수신안테나를 공간상으로 이격시키는 것이 아니라 2개의
안테나의 편파를 달리한다는 점이다. 송신단에서 송신된 신호의 편파는 건물과 같은 장애물에 의해 반사
또는 회절 되면서 그 편파 특성이 변하게 되며, 다중경로신호마다 서로 다른 편파를 가지게 된다. 이 때
수신단에서 서로 다른 편파를 가지는 2개의 안테나를 설치하면 페이딩 특성이 독립적인 2개의 신호를 얻게
되는 것이다. 보통 수신안테나는 수직 방향으로부터 각각 좌우로 45°의 편파 특성을 가지는 안테나를
이용하는데, 이것은 수직 편파 신호를 송신할 경우 확률적으로 수직 방향으로부터 좌우로 45°기운
편파 신호가 가장 크며 또한 서로 상관도가 가장 낮기 때문이다.
이동통신시스템에서 사용되는 또 다른 중요한 다이버시티 기법으로 시간 다이버시티 기법(Time Diversity)이 있다. 시간 다이버시티는 레이크 수신기를 이용하는 방법으로 앞에서 설명했듯이
다중 경로마다 페이딩 특성이 서로 다르기 때문에 각 다중경로신호의 시간지연을 보상한 후 합성하여
페이딩이 적은 신호로 만들 수 있다. 특히 각 다중경로신호의 시간 지연차가 클 경우에 시간 다이버시티를
이용하지 않을 경우 ISI(inter symbol interference)가 발생하므로 이러한 시간 다이버시티는
페이딩이 적은 신호를 만들어 내는 다이버시티의 효능 이상의 이동통신 시스템의 성능 향상 효과가 있다.
주파수 다이버시티 기법(Frequency Diversity)은 주파수마다 서로 다른 전파 특성을 가지므로 서로
페이딩 특성이 독립적인 2개 이상의 주파수를 동시에 사용하는 다이버시티 기법이다. 독립적인 페이딩
특성을 가질 수 있는 주파수 간격은 주파수 밴드별로 다른데 보통 10MHz정도이다. 보다 넓은 의미에서의
주파수 다이버시티 기법은 다중반송파(multi-carrier) 시스템뿐만 아니라 frequency-hopping
시스템도 포함한다.
참고.
1. Data & Computer Communications 7Th Edition. Stallings [출처] 페이딩(Fading)
2. 이동통신의 다이버시티 기법. 윤영중
3. 이동통신에서의 페이딩 현상과 대책. 정보환
