휴대폰 통신 원리 완전 가이드: 내부 작동부터 5G까지

의심할 여지 없이 휴대폰 통신의 등장은 우리가 특정 작업을 수행하는 방식을 향상시킨 많은 이점을 가져왔습니다.

따라서 물리적으로 사랑하는 사람과 가까이 있지 않아도 통신과 상호작용이 더 좋아졌습니다.

흥미롭게도 휴대폰 통신은 상호작용을 넘어섭니다. 사실 휴대폰으로 인터넷을 서핑하고 사진을 찍을 수도 있습니다.

그럼에도 대부분의 휴대폰 사용자는 자신의 휴대폰이 어떻게 작동하는지 말할 수 없습니다. 그래서 이 글을 만들기로 했습니다. 휴대폰의 심층적 세부 사항, 내부 PCB 작동 원리 등을 보여드리기 위함입니다.

준비되셨나요? 그럼 시작해 보겠습니다.

휴대폰은 어떻게 작동하는가?

휴대폰 작동 원리를 이해하기 전에 두 가지 중요한 측면을 살펴보는 것이 중요합니다:

기본 기능 실행 방식

안드로이드 스마트폰에는 웹 서핑, 영상 통화, 문자 메시지 등 흥미로운 기능이 있습니다. 하지만 이러한 기능을 제외하면 장치의 기본 기능인 음성 통화에 집중할 수 있습니다.

작동하는 휴대폰으로 음성 통화를 어떻게 할까요? 우선 모바일 장치는 라디오 수신기와 송신기를 갖춘 양방향 무전기와 같습니다. 따라서 누군가와 전화를 걸면 목소리를 무선파로 변환합니다.

그런 다음 무선파가 가장 가까운 기지국(셀 타워)에 도달할 때까지 이동합니다. 결과적으로 기지국 네트워크가 무선파를 수신자에게 중계합니다. 그러면 수신자의 휴대폰이 파를 전기 신호로 변환하고 전화가 울립니다.

기지국(셀 타워)

또한 무선파가 기지국으로 이동하는 동안 여러 물체가 반사하거나 흡수할 수 있다는 점을 유의해야 합니다. 따라서 통화 품질은 기지국과의 근접성이나 사용자와 기지국 사이의 장애물에 따라 달라질 수 있습니다.

휴대폰 작동에 영향을 미치는 다른 요소들:

안테나

대부분의 휴대폰은 최소 하나의 안테나를 가집니다. 휴대폰은 무선 신호를 송수신하기 위해 안테나가 필요합니다. 이 구성 요소는 전기 신호를 무선파로, 그 반대로 변환하는 데 도움을 줍니다.

휴대폰 안테나

휴대폰에는 두 가지 유형의 안테나가 있습니다:

내장 안테나

평면 역-F 안테나(PIFA) – 이 구성 요소는 단극 안테나 유형입니다. 보통 휴대폰 상단 섹션에 있으며 접지면에 평행하게 뻗어 있습니다. 이 기능은 최신 휴대폰에서 매우 표준적이며 두 가지 유형이 있습니다:

평면 역-F 안테나 구조

출처: Researchgate © Naveen Kumar

이 변형의 아이디어는 안테나 높이를 줄이면서 공진 트레이스 길이를 유지하는 것입니다. 또한 이 안테나는 구조적 단순성, 낮은 프로파일, 호환성, 경량화 조건을 충족합니다.

마이크로칩 안테나 – 이 구성 요소를 마이크로스트립 안테나라고도 부릅니다. PCB가 마이크로파 주파수에서 사용하는 마이크로스트립 기술을 사용합니다.

마이크로칩 안테나 구조

출처: Researchgate © Applied Physics A

외장 안테나

이 구성 요소는 구형 휴대폰에서 더 흔합니다. 두 가지 유형이 있습니다:

나선 안테나(Helical antenna) – 이 유형은 좁은 나선 모양을 가지며 스프링 같은 와이어가 특징입니다. 보통 고무나 플라스틱 케이스로 보호됩니다.

나선 안테나

출처: Wikimedia Commons

채찍 안테나 또는 수납식 안테나(Whip or retractable antenna) – 이 장치는 보통 코드나 유연한 와이어로 구성됩니다.

수납식 안테나

출처: Wikimedia Commons

연결성 또는 신호 강도

신호 강도는 기지국에서 수신된 신호의 정도를 의미합니다. 휴대폰 통신 모바일 네트워크는 화면의 막대 바로 이를 나타냅니다. 막대가 적으면 약한 신호 강도를 의미하므로 연결이 불량할 수 있습니다.

하지만 막대 수가 많으면 두 가지를 의미합니다: 신호 중단 감소와 더 나은 연결성.

사용하는 메커니즘

스마트폰이 앱 다운로드, 웹 서핑 등을 할 수 있는 기반은 다음 메커니즘입니다:

Wi-Fi 데이터 사용

모바일 데이터가 Wi-Fi 네트워크가 하는 일을 수행하는 데 도움이 될 수 있지만, 둘은 다릅니다. 그 차이는 작동 방식에 있습니다.

먼저 Wi-Fi 스펙트럼을 살펴보겠습니다. 스펙트럼을 보면 Wi-Fi가 더 오른쪽에 있습니다. 이는 더 짧은 파장과 더 높은 주파수를 의미합니다.

따라서 더 많은 대역폭을 가집니다. 비디오 다운로드나 영상 통화가 셀룰러 데이터보다 Wi-Fi 네트워크에서 더 빠른 이유입니다.

또한 Wi-Fi의 파장이 그렇게 멀리 갈 수 없음을 의미합니다. 그래서 Wi-Fi 하드웨어를 라우터 배치 근처에 두는 것이 중요합니다. 또한 Wi-Fi는 5GHz와 2GHz 두 가지 표준 주파수를 사용합니다. 이 두 대역이 개인 Wi-Fi 네트워크 전용이기 때문입니다.

하지만 단점은 파동 간섭을 통제하는 주체가 없다는 것입니다. 따라서 여러 Wi-Fi 네트워크가 5GHz에서 나란히 작동하면 파동이 충돌하여 상쇄될 수 있습니다.

흥미롭게도 이는 많은 세입자가 위아래에서 Wi-Fi 네트워크를 사용하는 경우 Wi-Fi에 문제가 생기는 이유 중 하나입니다.

그렇다면 홈 네트워크를 실행하는 데 사용할 수 있는 두 가지 하드웨어 구성 요소는:

모뎀

모뎀은 케이블 회사에서 얻을 수 있는 장치입니다. 주요 기능은 라우터에서 인터넷으로의 신호 요청을 연결하는 것입니다. 따라서 모뎀은 이더넷 코드로 라우터에 연결해야 합니다.

USB 모뎀

결과적으로 연결이 장치에서 라우터와 모뎀으로 전기 신호를 전송합니다. 모뎀은 보통 동축 케이블로 집 밖의 스몰 셀에 연결됩니다. 따라서 전기 신호가 스몰 셀에서 매크로 셀로 다시 중계됩니다.

그렇기 때문에 케이블 회사가 Wi-Fi를 설정해야 합니다. 즉, 회사가 사용자 단말에서 스몰 셀과 매크로 셀로의 백홀(back-haul)을 가능하게 합니다. 또한 신호는 초당 약 186,282마일 속도로 왕복합니다. 하지만 셀룰러 데이터는 무선파만 무선으로 보냅니다.

라우터

라우터는 장치에 연결할 수 있는 하드웨어입니다. 교통 경찰 역할을 합니다. 그래서 15개 이상의 장치가 라우터를 통해 무선 신호를 송수신할 수 있습니다.

라우터

라우터는 신호를 정렬하여 정돈합니다. 결과적으로 신호가 인터넷 액세스에서 장치로, 다시 되돌아가는 데 성공합니다.

셀룰러 데이터 사용

셀룰러 데이터 작동을 허용하는 주요 요소는 하드웨어와 스펙트럼입니다.

스펙트럼

전자기 스펙트럼은 전송에 유용한 특징을 가집니다. 다양한 주파수 특성과 파장을 가진 섹션이 있는 큰 파동이라고 생각할 수 있습니다. 이 특성들은 보통 서로 반대이거나 역수 관계입니다.

주파수가 작으면 파장은 크고 그 반대도 마찬가지입니다. 스펙트럼상의 위치가 전송할 데이터 유형을 결정합니다. 예를 들어 낮은 파장 특성과 높은 주파수는 높은 대역폭을 의미합니다. 따라서 더 짧은 거리로 많은 데이터를 보낼 수 있습니다.

하드웨어

휴대폰은 거대한 타워 덕분에 신호를 초고속으로 수신할 수 있습니다. 휴대폰 작동을 돕는 다른 인프라에는:

1. 스몰 셀(Small cells) – 이름처럼 작은 구조입니다. 흥미롭게도 이 셀들은 회사가 거대한 타워를 설치하지 않고도 커버리지를 확장할 수 있게 합니다. 그리고 매크로 셀로 다시 통신하는 데 도움이 됩니다.

2. 매크로 셀(Macro cells) – 동네에서 쉽게 발견할 수 있는 거대한 타워입니다. 회사는 이러한 구조물이 나무 선 위나 옥상에 있도록 합니다. 결과적으로 신호가 간섭이나 물리적 구조물 장애물 없이 도달하도록 돕습니다.

3. 백홀(Back-haul) – 스몰 셀에서 매크로 셀로 오는 통신을 의미합니다. 광섬유 케이블을 사용하여 적절한 라우팅을 보장합니다.

기술 업그레이드 (5G 및 CBRS)

5세대 셀룰러 네트워크(5G)는 일부 국가에서 아직 초기 단계입니다. 효율성과 다운로드 속도 면에서 4G LTE보다 나을 것을 약속합니다. 또한 5G는 전자기 스펙트럼의 맨 오른쪽에 있습니다. 이는 대역폭 증가를 의미합니다.

하지만 이 기술에는 몇 가지 함의가 있습니다. 5G의 더 빠른 다운로드 속도는 신호가 작동하려면 회사가 많은 기지국을 설치해야 함을 의미합니다.

시민 광대역 무선 서비스 (CBRS)

CBRS는 스펙트럼의 대역을 세 계층으로 나누는 새로운 무선 주파수입니다.

1계층 – 이 첫 번째 계층은 정부 전용입니다. 육군과 해군이 통신에 사용합니다. 또한 일부 정부 위성 통신에 쓰입니다.

2계층 – 이 단계는 우선 액세스입니다. 통신 회사가 여기서 운영합니다. 이 계층은 회사에 정부로부터 선호하는 스펙트럼을 구매할 수 있는 권한을 줍니다. 하지만 구매한 스펙트럼 중 어떤 것도 사용하지 않으면 3계층으로 넘어갑니다. 따라서 스펙트럼이 대중에게 제공됩니다.

3계층 – 세 번째 계층은 일반 권한 액세스입니다. 누구나 이 단계에서 스펙트럼을 사용할 수 있습니다. 또한 개인 모바일 네트워크를 만드는 데 스펙트럼을 사용할 수 있습니다.

맺음말

휴대폰 통신을 사용하는 것은 꽤 흥미롭습니다. 결국 우리 대부분을 흥미롭게 하는 다양한 기능이 함께 제공됩니다. 하지만 장치가 어떻게 작동하는지 잘 알면 더 좋아집니다. 결과적으로 이해를 높이고 장치 작동 방식을 개선할 수 있습니다.

이 주제에 대해 어떻게 생각하시나요? 질문이나 제안이 있으신가요? 언제든 연락 주세요.