<답>
1. 개요
- 무선통신 시스템의 성능은 수신기의 신호 검출 능력과 전파 전송 특성에 의해 결정
- 수신 감도, 전파 손실, 잡음 지수, SNR, 열잡음은 시스템 설계 및 링크 버짓 산출의 핵심 파라미터로 통신 품질과 통달거리를 결정하는 필수 요소
2. 무선통신 시스템 용어 설명
가. 수신 감도 (Receiver Sensitivity)
- 개념
- 수신기가 요구되는 BER(Bit Error Rate) 또는 PER(Packet Error Rate)을 만족하면서 신호를 정상적으로 복조할 수 있는 최소 수신 전력
- 단위는 dBm으로 표현하며, 값이 작을수록(음수값이 클수록) 수신기 성능 우수
- 수식 표현
- [ P_{sens} = -174 + 10\log_{10}(B) + NF + SNR_{req} ]
- B: 대역폭(Hz), NF: 잡음지수(dB), SNR_req: 요구 SNR(dB)
- 영향 요소
- (잡음 지수(NF)) 수신기 내부 잡음 특성
- (대역폭(B)) 신호 대역폭이 넓을수록 열잡음 증가
- (변조방식) QPSK, 16QAM, 64QAM 등에 따라 요구 SNR 상이
- (오류정정부호) FEC 적용 시 요구 SNR 감소로 수신 감도 개선
나. 전파 손실 (Propagation Loss)
- 개념
- 송신 안테나에서 방사된 전파가 수신 안테나까지 전달되는 과정에서 발생하는 전력 감쇠
- 자유공간 손실, 회절, 산란, 반사 등 복합적 요인에 의해 발생
- 일반식
- 총 전파손실 = 자유공간손실 + 대기흡수 + 회절/산란 + 차폐손실
- 실제 환경에서는 경로손실 모델(Okumura-Hata, COST-231 등) 적용
- 주요 손실 메커니즘
- 자유공간 손실: Lfs=32.4+20log10(f)+20log10(d) (dB)
- (회절손실) 건물, 산 등 장애물에 의한 회절
- (투과손실) 건물 벽면, 유리 등 관통 시 발생
- (강우감쇠) 고주파수 대역(밀리미터파)에서 두드러짐
다. 잡음 지수 (Noise Figure, NF)
- 개념
- 수신기 또는 증폭기가 신호를 처리하는 과정에서 추가하는 잡음량을 나타내는 지표
- 입력 SNR 대비 출력 SNR의 열화 정도를 dB로 표현
- 잡음 지수 산출 [ NF = 10\log_{10}(F) = 10\log_{10}\left(\frac{SNR_{in}}{SNR_{out}}\right) ] (dB)
- 이상적인 소자는 NF = 0dB, 실제는 양수값 (LNA: 0.5~2dB)
- 다단 증폭기 NF (Friis 공식)
- [ F_{total} = F_1 + \frac{F_2-1}{G_1} + \frac{F_3-1}{G_1 G_2} + \frac{F_4-1}{G_1 G_2 G_3} ]
- 첫 단 LNA의 잡음지수와 이득이 전체 시스템 NF를 지배
- 주요 특징
- (온도 의존성) 잡음온도 Te=T0(F−1), T0=290K
- (수신 감도와 직결) NF 1dB 개선 시 수신 감도 1dB 향상
- (측정방법) Y-factor 방법, Cold/Hot 잡음원 사용
라. SNR (Signal to Noise Ratio)
- 개념
- 수신 신호 전력 대비 잡음 전력의 비율로, 신호 품질을 나타내는 핵심 지표
- [ SNR = 10\log_{10}\left(\frac{P_{signal}}{P_{noise}}\right) ] (dB)
- SNR 결정 요소
- (신호전력) 송신전력, 안테나 이득, 전파손실
- (잡음전력) 열잡음, 간섭, 수신기 내부 잡음
- (대역폭) 잡음전력 Pn=kTB에 비례
- 변조방식별 요구 SNR
| 변조방식 | 요구 SNR (BER=10⁻³) | 데이터율 |
| BPSK | 6.8 dB | 낮음 |
| QPSK | 9.6 dB | 중간 |
| 16QAM | 16.5 dB | 높음 |
| 64QAM | 22.5 dB | 매우높음 |
| 256QAM | 28.0 dB | 초고속 |
- 고차변조일수록 높은 SNR 요구, Adaptive Modulation으로 채널 상황에 따라 최적화
마. 열잡음 (Thermal Noise)
- 개념
- 도체 내 자유전자의 열적 운동(브라운 운동)에 의해 발생하는 랜덤 잡음
- 모든 온도(절대온도 0K 이상)에서 발생하며 주파수에 무관한 백색잡음 특성
- 열잡음 전력 산출
- [ P_n = kTB ] (Watt)
- k: 볼츠만 상수 (1.38×10−23 J/K)
- T: 절대온도 (Kelvin, 상온=290K)
- B: 대역폭 (Hz)
- dBm 환산
- 상온(290K)에서 1Hz당 열잡음: Pn=−174 dBm/Hz
- 대역폭 10MHz일 때: Pn=−174+10log10(107)=−104 dBm
- 실무 적용
- 링크 버짓 계산 시 기준 잡음 레벨로 활용
- 저잡음 증폭기(LNA) 설계: 열잡음 최소화가 핵심
- 광대역 시스템: 대역폭 증가 시 열잡음 증가로 SNR 감소 (Shannon 용량 고려)
3. 무선통신 시스템 성능 지표 상관관계
4. 무선통신 시스템 기술 적용 및 동향
가. 5G/6G 시스템 적용
- (mmWave 대역) 높은 전파손실을 Massive MIMO, 빔포밍으로 보상, 저잡음 증폭기(0.5dB NF) 필수
- (초광대역(수백MHz~GHz)) 열잡음 증가 대응 위해 LDPC, Polar Code 등 고급 FEC 적용
- (적응형 변조(AMC)) SNR 실시간 측정으로 QPSK~256QAM 동적 전환, 스펙트럼 효율 극대화
나. 위성통신 및 IoT
- (위성링크): 140dB 이상 경로손실, -130dBm 수신감도 요구, 극저잡음 수신기 설계
- (NB-IoT/LoRa) 164dB MCL(Maximum Coupling Loss) 확보 위해 확산변조 및 반복전송
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