무선통신 페이딩의 유형과 채널 대응 설계

수신 신호가 일정하지 않은 이유

페이딩(Fading)은 경로가 다른 2개 이상의 전파가 상호 간섭하여 신호의 진폭과 위상 등이 시간적으로 불규칙하게 변하는 현상이다. 전파매질의 변동, 방해물에 의한 반사·회절·산란 때문에 수신 전계강도가 흔들린다.

이런 현상으로 신호 왜곡을 유발하는 불필요한 필터 특성을 갖는 무선 전파채널을 페이딩 채널이라고 한다. 통신 설계에서는 다이버시티(Diversity) 기술이 대표적인 대응 수단으로 쓰인다.

전파 환경이 만드는 페이딩

다중경로로 전달된 전파가 서로 다른 위상으로 도달해 간섭하는 경우를 간섭성 페이딩(Interference Fading)이라 한다. 건물 반사가 많은 도심 환경에서 특히 심각하게 나타날 수 있다.

편파성 페이딩(Polarization Fading)은 전파의 편파면이 회전해 수신 안테나의 편파 방향과 어긋날 때 발생한다. 주로 이오노스피어를 통과하는 과정에서 지구 자기장의 영향을 받아 생긴다.

감쇠성 또는 흡수성 페이딩(Absorption Fading)은 비, 구름, 안개 등에 의한 흡수나 산란과 관련된다. 특히 10 GHz 부근 주파수 대역에서 현저하게 나타난다.

도약성 페이딩(Skip Fading)은 전리층 반사파와 지표면 사이의 반사 등으로 수신 지점에 신호가 간헐적으로 도달하는 현상이다.

변동이 펼쳐지는 공간의 차이

대규모 페이딩(Large-scale Fading)은 장거리 페이딩이라고도 하며, 주로 전송로 손실에 기인한다. 넓은 지역에서 거리에 따라 완만하게 변동하고, 경로 손실(Path Loss)과 그림자 효과(Shadowing)가 주요 원인이다.

반대로 소규모 페이딩(Small-scale Fading)은 근거리 페이딩으로 불린다. 빌딩이나 가옥 같은 구조물의 국부 산란으로 발생한 다중경로 반사파에 주로 기인하며, 순간적이고 급격하게 변한다. 신호의 파장 길이 수준처럼 짧은 거리에서도 수신 상태가 크게 달라질 수 있다.

대역폭과 시간 변화로 읽는 채널 특성

선택성 페이딩(Selective Fading), 또는 주파수 선택적 페이딩(Frequency Selective Fading)은 주파수 대역마다 페이딩 상태가 크게 달라지는 경우다. 신호 대역폭이 채널의 상관대역폭보다 클 때 발생하며, 심볼간 간섭(ISI)으로 통신 품질을 떨어뜨린다.

동기성 페이딩(Synchronous Fading)은 주파수 비선택적 페이딩(Frequency Non-selective Fading)이라고도 한다. 신호 주파수대역 전체에서 수신 전계강도가 대체로 균일하게 변동한다. 신호 대역폭이 채널의 상관대역폭보다 작을 때 나타나며, 전체 신호가 동일한 감쇠를 겪는다.

이 구분은 다중경로에 따른 지연 확산 정도와 연결된 상관대역폭(Coherence Bandwidth)으로 판단한다.

시간 변화도 별도로 봐야 한다. Fast Fading 채널은 전송된 신호보다 빠르게 출렁이며, 1개 신호 심볼주기 안에서도 불규칙한 변동이 일어난다. 도플러 확산이 심볼 속도보다 큰 경우에 발생하고 신호 왜곡이 심각해진다.

Slow Fading 채널은 전송 신호보다 느리게 변한다. 1개 이상의 복수 신호 심볼에 걸쳐 채널 변화가 나타나며, 도플러 확산이 심볼 속도보다 작은 경우에 해당한다. 이 경우에는 신호 감쇠 효과가 주로 지배적이다.

Fast Fading과 Slow Fading의 구분은 시변채널의 도플러 확산 정도와 관련된 상관시간(Coherence Time)에 의해 결정된다.

설계에서 다루는 신호 품질 저하

페이딩은 수신 신호 강도를 급격히 낮춰 수신 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 다중경로는 위상 불일치에 따른 신호 왜곡을 만들고, 특정 주파수 대역에서는 심한 감쇠가 발생한다. 이동 환경에서는 도플러 효과에 따른 주파수 편이(frequency shift)도 함께 고려해야 한다.

대응 방식은 채널 특성에 맞춰 선택한다.

공간 다이버시티는 여러 안테나로 공간적으로 분리된 신호를 수신한다. 주파수 다이버시티는 다른 주파수로 동일 정보를 보내며, 시간 다이버시티는 다른 시간에 동일 정보를 반복 전송한다. 편파 다이버시티는 서로 다른 편파 특성을 이용한다.
적응형 등화기(Adaptive Equalizer)는 채널 특성에 맞춰 필터 계수를 자동 조정해 왜곡을 보상한다. 결정 피드백 등화기(DFE), 선형 등화기 등이 활용된다.
오류 정정 코딩(Error Correction Coding)은 컨볼루션 코드, 터보 코드, LDPC 코드 등으로 오류를 검출하고 정정한다. 인터리빙(Interleaving)은 버스트 오류를 분산하는 데 사용된다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 주파수 선택적 페이딩 환경에 효과적으로 대응한다. 넓은 대역폭을 여러 개의 협대역 서브캐리어로 나누어 사용한다.

이동·위성·방송 환경의 적용

5G NR(New Radio)은 Massive MIMO와 빔포밍 기술로 페이딩 영향을 최소화하며, MIMO를 통해 공간 다이버시티를 확보한다.

위성통신에서는 레인 페이딩(Rain Fading)에 대응하기 위해 적응형 코딩 및 변조(ACM) 기술을 적용하고, 위성 다이버시티로 신호 안정성을 확보한다.

DVB-T2, ATSC 3.0 등의 디지털 방송 표준은 OFDM과 강력한 오류 정정 코딩을 사용한다.

밀리미터파 대역을 사용하는 5G 이상의 통신 시스템에서는 페이딩 영향이 더욱 심각해질 수 있다. 채널이 겪는 변동의 유형을 구분하고 그에 맞는 대응 기술을 적용하는 일이 무선통신 시스템 설계의 핵심이다.