Channel 이란?

무선통신을 공부하다 보면 Channel(채널)이라는 말을 정말 자주 사용한다. 그러나 채널이 의미가 "채널이 어떻다" 로 쓰일 때가 있고 "몇 번 채널을 사용한다"로 표현될때가 있다. 즉, 의미가 서로 다르다라는 것이다.

무선 통신에서 이야기하는 채널은 문맥에 따라 여러 의미를 가질 수 있지만, 크게 주파수 채널(Frequency Channel) 과 전파 채널(Propagation Channel)으로 구분한다.

1. 주파수 채널(Frequency Channel)

주파수 채널은 쉽게 말하면 통신을 위해 사용하는 주파수 자원의 범위를 의미한다. 예를 들어 Wi-Fi에서 "80MHz 대역폭을 사용한다"라고 해보자. 80MHz Operating Channel은 20MHz SubChannel로 생각할 수 있다.

이 중 하나의 20MHz subchannel이 Primary 20MHz channel이 되고, 나머지 주파수 영역을 함께 사용하여 더 넓은 대역폭을 구성할 수 있다. 

따라서 여기서 말하는 채널은  어떤 주파수 영역을 통신에 사용할 것인가에 관한 영역이다.

전파 채널(Propagation Channel)

전파 채널은 완전히 다른 개념이다. 쉽게 말하면 송신기(Tx)가 보낸 신호가 수신기(Rx)에 도착하기까지 어떤 일을 겪는가?를 나타내는 것이 전파 채널이다.

예를 들어, Wi-Fi에서 AP가 어떤 신호 x(t)를 송신했다라고 생각해보자. 아무런 변화없이 신호가 전달된다면 수신 신호는 단순하게 

라고 생각할 수 있다. 하지만 실제 무선환경에서는 이렇게 단순하지 않다.

AP가 송신한 전파는 거리가 멀어지면서 약해질 수 있고, 벽이나 건물 같은 장애물의 영향을 받을 수도 있다. 또한 벽, 바닥, 가구와 같은 여러 물체에 반사되거나 산란되면서 서로 다른 경로를 통해 수신기에 도착할 수 있다. 따라서 무선통신에서는 수신 신호를 일반적으로 

처럼 쓸 수 있다.

여기서

• x(t) : 송신 신호
• h(t) : 전파 채널
• n(t) : 잡음
• y(t) : 수신 신호

를 의미한다. 즉, 송신한 x(t)가 그대로 수신되는 것이 아니라 채널 h(t)의 영향을 받은 결과가 수신기에 도착하는 것이다.

즉 x라는 데이터를 보냈을 때 어떤 채널 상황을 거쳐서 전송이된다. 이 채널 상황이 거친다라는 것은 거리에 따른 신호감쇄, 벽이나 건물 등으로 인해 신호 감쇄, 벽에 거치거나 바닥에 반사되는 등 여러 복사본이 들어옴에 따라 나오는 지연 등이 포함될 수 있다. 이를 수학적으로 모델링 한 것이 바로 전파 채널 h인 셈이다.

전파 채널에서 발생하는 일

전파 채널에서 발생하는 일

전파가 송신기에서 수신기로 전달되는 동안 정말 다양한 현상이 발생한다.

대표적으로는 다음과 같이 있다.

송신기와 수신기 사이의 거리가 멀어질수록 평균적인 수신 신호의 세기가 감소 하는 현상

Path Loss

송신기와 수신기 사이의 거리가 멀어질수록 평균적인 수신 신호의 세기가 감소 하는 현상

Multipath Propagation

Shadowing

벽이나 건물과 같은 큰 장애물이나 주변 환경의 영향으로 평균적인 수신 신호 세기가 변하는 현상

Multipath Propagation

송신기가 하나의 신호를 보냈다고 하더라도 그 신호가 반드시 하나의 경로로만 수신기에 도착하는 것이 아니라 여러 경로를 통해 전달될 수 있는데,  동일한 송신 신호의 여러 복사본들이 서로 다른 세기(Amplitude), 지연(Delay), 위상(Phase)을 가지고 수신기에 도착한다. 

즉, 서로 다른 경로를 거친 여러 신호의 합이 존재한다. 

무선 신호는 여러 경로를 통해 전달될 수 있다라고 했다. 즉 하나의 신호를 쐈는데 누구는 직진으로 바로 딱 들어오고, 어떤 건 팅팅팅팅팅 튕겨서 들어간다. 즉 시간적으로 늦게 도착하게 된다.

impulse 하나를 보냈는데 Rx에서는 시간에 따른 신호가 다르게 찍힌다. 이게 바로 Channel Impulse Response이다. 채널에 Impulse를 넣었을 때 나오는 Response...

==> 전파 채널은 송신기와 수신기 사이에서 신호가 어떻게 변화하여 전달되는지를 나타내는 모델.

여기서 T는 각 multipath component의 delay를 나타낸다.

즉 h(T)를 보면 어떤 경로들이 존재하고, 각 경로가 얼마나 늦게, 얼마나 강하게 들어오는가? 를 알 수 있다.

이 각각을 흔히 tap이라고 부른다.

Multi Path 환경에서의 impulse

무선 신호는 여러 경로를 통해 전달될 수 있다라고 했다. 즉 하나의 신호를 쐈는데 누구는 직진으로 바로 딱 들어오고, 어떤 건 팅팅팅팅팅 튕겨서 들어간다. 즉 시간적으로 늦게 도착하게 된다.

하나의 신호를 보냈는데 multipath 때문에 수신 신호가 시간축으로 퍼져버렸다. 

impulse 하나를 보냈는데 Rx에서는 시간에 따른 신호가 다르게 찍힌다. 이게 바로 Channel Impulse Response이다. 채널에 Impulse를 넣었을 때 나오는 Response...

다만 정확한 delay spread는 단순히 최대 delay - 최소 delay 하나만 쓰는 게 아니라, RMS Delay Spread라는 통계량을 많이 사용한다.

그리고 이게 TGax의

• Model-B
• Model-C
• Model-D
• …

여기서 T는 각 multipath component의 delay를 나타낸다.

즉 h(T)를 보면 어떤 경로들이 존재하고, 각 경로가 얼마나 늦게, 얼마나 강하게 들어오는가? 를 알 수 있다.

이 각각을 흔히 tap이라고 부른다.

h때문에 어려울 수 있는데 , 그냥 개념만 알자.

“Tx가 보낸 신호가 여러 경로를 타고 오면서 각각 다른 시간에, 다른 세기와 위상으로 Rx에 도착한다.”

Delay Spread

여기서 딜레이가 10ns도 있고, 70ns도 있다. 즉 가장 빠른 경로와 가장 늦은 경로 사이의 시간차이는 70-10 = 60ns이다.

하나의 신호를 보냈는데 multipath 때문에 수신 신호가 시간축으로 퍼져버렸다.