대기 손실이 mmWave 실외 통신에 미치는 영향

본 논문은 5세대 이동통신(5G)에서 차세대 주파수 대역으로 채택된 30 ~ 300 GHz 밀리미터파(mmWave)의 전파 전파 특성을 대기 환경 요인에 초점을 맞추어 분석한다. 서론에서는 현재 3G/4G가 사용하고 있는 700 MHz ~ 2.6 GHz 대역이 데이터 트래픽 급증에 따라 포화 상태에 이르렀으며, 대역폭 확대를 위해 mmWave가 필요함을 제시한다. mmWave는 파장이 1 ~ 10 mm 수준으로 인간 손가락 크기와 비슷해 고주파 특유의 높은 자유공간 손실과 대기 감쇠가 발생한다는 점을 강조한다. 본 연구는 MATLAB 시뮬레이션을 기반으로 네 가지 주요 손실 메커니즘을 정량화하였다. 첫 번째는 자유공간 경로 손실(FSPL)로, 전파가 전파 매질 없이 전파될 때 거리와 주파수에 따라 손실이 f²·d² 비율로 증가한다. 시뮬레이션 결과, 30 GHz에서 1 km 거리의 FSPL은 약 80 dB, 100 GHz에서는 100 dB에 달한다. 이는 동일 전송 전력을 유지하려면 안테나 이득을 크게 높이거나 셀 반경을 제한해야 함을 의미한다. 두 번째는 강우에 의한 감쇠이다. ITU‑R P.838‑3 모델을 사용해 비 강도(RR)와 주파수에 따른 감쇠 계수를 도출하였다. 결과는 10 GHz 이하에서는 비에 의한 손실이 거의 무시되지만, 20 GHz를 초과하면 강우 감쇠가 급격히 증가한다. 예를 들어, 28 GHz에서 ‘보통 비(1 mm/h)’는 0.2 dB/km, ‘폭우(10 mm/h)’는 2 dB/km이며, 60 GHz에서는 동일 강도에서 5 dB/km, 100 GHz에서는 12 dB/km에 이른다. 따라서 고주파 대역을 사용할 경우, 비가 많이 내리는 지역에서는 셀 반경을 수백 미터 이하로 제한하거나, 비가 적은 주파수(28 ~ 38 GHz)를 선택해야 한다. 세 번째는 안개·구름에 의한 감쇠이다. 안개 입자는 평균 직경이 0.01 mm 이하이며, 물방울 밀도와 가시거리(Lv)만을 변수로 하는 모델을 적용했다. 300 m 가시거리(ρw ≈ 0.5 g/m³)에서는 30 GHz에서 0.05 dB/km, 100 GHz에서 0.2 dB/km 수준으로 매우 작다. 그러나 고밀도 안개(가시거리 < 50 m, ρw ≈ 2 g/m³)에서는 100 GHz에서 1 dB/km까지 상승한다. 이는 주로 고주파 대역에서만 고려해야 할 손실이며, 일반적인 실외 환경에서는 무시해도 무방하다. 네 번째는 대기 가스 흡수이다. 산소와 수증기가 주요 흡수원이며, ITU‑R P.676‑10 모델을 통해 주파수별 흡수 손실을 계산하였다. 산소는 60 GHz 근처에서 피크를 형성해 약 15 dB/km의 손실을 유발하고, 수증기는 118 GHz에서 약 10 dB/km의 손실을 만든다. 저주파(30 ~ 40 GHz)에서는 가스 흡수가 0.1 dB/km 이하로 미미하지만, 70 GHz 이상에서는 급격히 증가한다. 따라서 60 GHz 대역을 이용한 시스템은 산소 흡수에 대한 보정이 필요하고, 100 GHz 이상을 사용할 경우 수증기 흡수도 고려해야 한다. 논문은 위 네 가지 손실을 종합하여 전파 손실 모델을 구축하고, 다양한 시나리오(거리 100 m, 1 km, 10 km; 비 강도 0 ~ 50 mm/h; 안개 가시거리 50 ~ 300 m; 대기 가스 표준 조건)에서 총 경로 손실을 시뮬레이션하였다. 결과는 다음과 같다. 1. **거리와 주파수 의존성**: 거리 1 km, 30 GHz에서는 총 손실이 약 100 dB, 100 GHz에서는 ≈ 130 dB로 차이가 크다. 2. **강우 영향**: 비가 없을 때와 비교해 100 GHz, 10 mm/h 강우에서는 추가 손실이 ≈ 12 dB/km, 20 mm/h에서는 ≈ 25 dB/km에 달한다. 3. **안개·구름 영향**: 일반적인 안개(가시거리 ≈ 200 m)에서는 총 손실에 0.3 dB 이하의 미미한 영향을 미친다. 4. **가스 흡수 영향**: 60 GHz에서 산소 흡수는 고정 손실 ≈ 15 dB/km를 제공한다. 이는 거리와 무관하게 존재하므로, 장거리 전송 시 설계에 반드시 포함해야 한다. 이러한 분석을 바탕으로 저자들은 실외 mmWave 셀 설계 시 다음과 같은 권고안을 제시한다. - **주파수 선택**: 28 ~ 38 GHz 대역은 강우와 가스 흡수 모두에서 비교적 낮은 손실을 보이며, 실외 밀리미터파 셀에 가장 적합하다. - **셀 반경 제한**: 1 km 이상 거리에서는 강우와 가스 흡수로 인한 손실이 100 dB를 초과하므로, 셀 반경을 200 ~ 300 m 이하로 제한한다. - **안테나 설계**: 높은 안테나 이득(≥ 30 dBi)과 빔포밍 기술을 활용해 자유공간 손실을 보상한다. - **기상 기반 적응**: 실시간 강우 레이더와 기상 예보를 연동해, 비가 많이 내리는 구간에서는 주파수를 낮추거나 전송 전력을 증가시킨다. 결론에서는 mmWave가 제공하는 초고대역폭이 5G 및 차세대 무선 서비스에 필수적이지만, 대기 손실이 설계와 운영에 큰 제약을 가한다는 점을 강조한다. 특히 비가 많이 내리는 지역과 고주파(> 60 GHz) 대역에서는 손실이 급격히 증가하므로, 실용적인 서비스 제공을 위해서는 기상 조건을 고려한 동적 주파수·전력 관리가 필요함을 역설한다. 향후 연구에서는 실제 현장 측정 데이터를 기반으로 모델을 보정하고, 빔 트래킹 및 다중 안테나(MIMO) 기술과 결합한 손실 완화 전략을 탐구할 것을 제안한다.