오늘날의 디지털 세상에서 필수적인 건물 내 무선
모바일 장치의 확산, 대역폭 용량 및 도달 범위의 발전, 고정 유선 연결에서 장치 연결에 묶여 있을 필요가 없다는 이점에 힘입어 무선은 사람과 사물을 연결하기 위한 사실상의 미디어로 빠르게 자리매김하고 있습니다. 대부분의 사람들은 모든 무선 연결 이면에 LAN(Local Area Network), 서비스 공급자 네트워크 및 클라우드에 업링크 연결을 제공하는 인프라가 있음을 이해합니다. 그러나 케이블 연결 전문가는 무선 통신이 어떻게 작동하는지, 그리고 여러 유형의 건물 내 무선 기술이 다양한 애플리케이션에서 서로 다른 주파수, 데이터 속도 및 거리에서 작동한다는 사실을 정확하게 알아야 합니다.
내용물
건물 내 무선의 정의와 중요한 이유
모든 모바일 데이터 트래픽의 70~80%가 실내에서 생성되는 것으로 추정됩니다. 건물 내 무선 네트워크는 사무실 건물, 경기장, 호텔, 병원, 공항, 소매점 등 내부에서 우리와 장치를 연결하는 데 매우 중요합니다.
우리는 일상적으로 모바일 장치에 의존하고 있기 때문에, 거의 모든 시설에서 무선 연결을 필요로 하며, 구현의 용이성, 확장성, 비용 절감 때문에 동시에 더 많은 IoT 및 스마트 빌딩 장치가 무선 기술을 통해 연결되고 있습니다. 그 외 여러 건물 내 애플리케이션은 액세스 제어 및 자산 추적부터 모바일 결제, 재고 관리 및 일상적인 핸즈프리 장치에 이르기까지 모든 것에 무선 기술을 사용합니다. 따라서 다양한 보완 기술을 통한 신뢰할 수 있는 건물 내 무선 범위는 오늘날의 연결된 세계에서는 필수적입니다.
건물 내 무선의 작동 방법
모든 건물 내 무선 시스템은 전자기 스펙트럼 내에서 작동하며, 이는 공간을 통과해 이동하는 전기 및 자기 에너지 파동으로 구성된 전체 범위의 방사선을 의미합니다. 이러한 파동은 파장과 주파수를 특징으로 합니다.
- • 파장은 한 번의 완전한 파형 사이클 범위의 거리이며, 주파수는 특정 시간 내의 파형 수입니다.
- • 주파수는 초당 1주기와 동일한 헤르츠로 표현됩니다(1메가헤르츠는 초당 100만 주기, 1기가헤르츠는 초당 10억 주기). 주파수가 높을수록 파장이 짧아집니다.
전체 전자기 스펙트럼은 가장 긴 파장을 가진 초저주파부터 적외선, 자외선, X선 및 가장 짧은 파장을 가진 초고주파 감마선에 이르기까지 다양합니다. 아래 그림에서 가시광선은 스펙트럼의 아주 작은 부분만 사람이 볼 수 있는 7가지 색상으로 구성되어 있습니다.
전자기 스펙트럼은 긴 파장의 전파부터 가장 짧은 파장의 감마선까지 다양합니다.
무선 통신 주파수
무선 통신은 약 3Hz~3000GHz까지 스펙트럼의 무선 주파수(RF) 부분 내에 속합니다. RF 스펙트럼은 간섭을 방지하기 위해 연방통신위원회(FCC)와 국제전기통신연합(ITU)의 규제를 받는 고정적이고 유한한 자원입니다. 본질적으로 GPS 내비게이션, 군사, 비상 통신, 텔레비전 방송, AM 및 FM 라디오, 기상 위성, 셀룰러, Wi-Fi, 블루투스 등과 같은 다양한 전송 유형 및 애플리케이션에 대해 다양한 “대역”으로 잘게 쪼개집니다. 일부 대역은 특정 서비스에 할당되는 반면, 다른 대역은 운영자에게 판매되거나 라이선스가 부여됩니다. 모든 RF 신호는 전기 신호를 RF 신호로 변환하는 안테나 유형을 사용하며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
다양한 RF 대역은 very low, low, medium, high, very high, ultra high, extremely high, and tremendously high 주파수로 지정됩니다. 주파수가 증가함에 따라 대역폭 용량이 증가하고 범위가 감소합니다. 신호 경로 손실은 더 낮은 주파수에서 더 낮은데, 이는 더 나은 전파(물질을 침투하는 기능) 및 범위를 제공합니다. 그렇기 때문에 잠수함은 장거리 해수를 관통할 수 있는 저주파수 대역을 사용합니다. 다음 표에는 다양한 RF 대역과 공통 애플리케이션이 요약되어 있습니다.
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이름 |
주파수 범위 |
어플리케이션 |
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저주파수(LF) |
30kHz |
내비게이션, 해저, 기상 시스템, 표준 시간 신호, 유럽 AM 라디오 |
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중간 주파수(MF) |
300kHz~3kHz |
선박/항공기 내비게이션, AM 라디오 |
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고주파수(HF) |
3 MHz ~ 30 MHz |
군대, 항공 공대지, 해양 재해, AM 라디오, 아마추어 라디오, 단파 방송 |
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초고주파수(VHF) |
30MHz ~ 300MHz |
양방향 응급, FM/TV 방송, 아마추어 라디오 |
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초고주파수(UHF) |
300MHz ~ 30GHz |
GPS, 셀룰러, Wi-Fi, 위성 전화, 양방향 라디오(워키토키), 레이더, TV 방송, 블루투스, Zigbee, 장거리 |
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초고주파수(EHF) |
30 GHz ~ 300GHz |
고대역 5G , 위성, 레이더, 과학 연구, 천문학 |
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극고주파수(THF) |
300 GHz ~ 적외선 |
R&D, 천문학, 실험 |
다음 표는 일반적인 유형의 무선 통신을 전달하는 주파수를 보여줍니다.
건물 내 무선 시스템의 유형
건물 내 무선 연결은 Wi-Fi로만 생각할 수 있지만, 다양한 애플리케이션과 장치에는 여러 무선 기술이 필수적입니다. 이 모든 것은 서로 다른 주파수에서 작동하며 고유한 방식으로 기능합니다.
Wi-Fi
정보통신기술(ICT) 산업에서 관심 있는 Wi-Fi 애플리케이션은 300MHz~30GHz의 UHF 범위에 속합니다. IEEE 802.11 Wi-Fi는 기업 공간에 배포된 기본 애플리케이션입니다. 아래 표와 같이 Wi-Fi 5, 6, 6E, 7은(는) 2.4, 5, 6GHz 주파수 대역에서 작동합니다. Wi-Fi용 배선에 대한 당사 페이지에서 Wi-Fi 애플리케이션의 배선 요건에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.
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Wi-Fi 5 |
Wi-Fi 6 |
Wi-Fi 6E |
Wi-Fi 7 |
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표준 |
IEEE 802.11ac |
IEEE 802.11ax |
IEEE 802.11ax |
IEEE 802.be |
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전송 주파수 |
5GHz 전용 |
2.4 GHz 및 5GHz |
2.4GHz, 5GHz, 및 6GHz |
2.4GHz, 5GHz, 및 6GHz |
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최대 스트림 수 |
8 |
8 |
8 |
16 |
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스트림당 최대 데이터 속도 |
866Mb/s |
1.2Gb/s |
1.2Gb/s |
2.9Gb/s |
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최대 이론적 데이터 속도 |
6.93Gb/s |
9.61Gb/s |
9.61Gb/s |
46.1Gb/s |
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전형적 속도 |
1.3Gb/s |
5Gb/s |
5Gb/s |
18Gb/s |
이 표에서는 Wi-Fi 범주의 표준, 주파수, 용량을 비교합니다.
RF 스펙트럼은 고정된 자원이므로 더 많은 대역폭이 필요한 더 많은 사용자와 장치의 수요 증가에 직면하기 때문에 스펙트럼을 최적화하는 새롭고 혁신적인 방법이 중요합니다.
각 주파수 대역 내에는 여러 채널이 존재하며, FCC는 U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure) 내에서 사용 가능한 채널을 정의합니다. 주파수 범위 내의 일부 채널은 특정 용도에 할당되었으며 Wi-Fi에 사용할 수 없습니다. 2.4GHz 대역에는 14개의 채널이 있고, 5GHz 대역에는 29개가 있으며, 6GHZ 대역에는 59개가 있습니다. 그러나 5 및 6GHz 채널은 중복되지 않지만 2.4GHz 대역의 채널은 대부분 중복되기 때문에 간섭 가능성이 증가하고 전송 속도가 감소합니다. 2.4GHz 대역 내에서 사용 가능한 14개 채널 중 3개만 중복되지 않는 것으로 간주됩니다. 채널 1, 6, 11입니다.
2.4GHz 주파수 대역 내에서 채널 1, 6, 11만 중복되지 않는 것으로 간주됩니다.
대역폭을 늘리는 한 가지 방법은 여러 개의 좁은 채널이 더 넓은 채널로 집계되는 채널 결합입니다. 예를 들어, 5GHZ 대역에서는 더 작은 비중첩 20MHz 채널은 조합되어 14개의 40MHz 채널, 7개의 80MHz 채널, 또는 3개의 160MHz 채널을 생성할 수 있습니다. 더 많은 채널 결합 기회를 제공함으로써 Wi-Fi 6E 및 7을(를) 위해 중복되지 않는 59개의 20MHz 채널로 6GHz 주파수를 개방하여 더 많은 사용자와 더 큰 대역폭을 수용함으로써 29개의 40MHz, 14개의 80MHz 및 7개의 160MHz 채널이 더 많은 고대역폭 사용자를 지원할 수 있습니다. 3개의 비중첩 채널만 있는 경우 2.4GHz 대역의 채널 결합은 단일 40MHz 채널로 제한됩니다.
5 및 6GHz 주파수 대역 내에서 채널 결합을 사용하여 더 적은 수이지만 더 큰 40, 80, 20MHz 채널에 대해 더 작은 160MHz 채널이 결합되는 대역폭을 증가시킬 수 있습니다.
일부 기본 주거용 Wi-Fi 액세스 포인트(WAP)는 제한된 수의 채널로 설정되지만, 고급 엔터프라이즈급 WAP는 일반적으로 다양한 폭으로 다양한 채널을 구성할 수 있는 기능을 제공합니다. 그러나 모든 WAP가 DFS 채널로 알려진 기상 및 레이더 시스템과 스펙트럼을 공유하는 160MHz 채널 폭 또는 채널을 지원하는 것은 아닙니다. DFS는 동적 주파수 선택을 의미하며, 이는 WAP가 레이더 이벤트를 수신하고 감지 시 해당 채널에서 트래픽을 자동으로 옮기도록 요구하는 메커니즘입니다. DFS 규정을 준수하고 WAP 인증을 받지 않으려면 많은 공급 업체는 DFS 채널을 제공하지 않기로 선택하기만 하면 됩니다. 또한 DFS 채널에서 레이더 이벤트를 스캔하고 클라이언트를 다른 채널로 이동하는 데 필요한 시간은 음성 통화와 같은 실시간 애플리케이션에 영향을 미치는 지연을 유발하여 오디오가 끊길 수 있습니다.
Wi-Fi 채널 가용성은 지역에 따라 다를 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 미국에서는 5MHz와 5470MHz(U-NII-2B) 사이의 채널을 제외하고 5350GHz 주파수 공간 내의 모든 채널을 사용할 수 있습니다. 그러나 중국 및 인도네시아와 같은 국가에는 5350MHz와 5730MHz 사이의 채널 사용을 금지하는 제한이 있으며 일본은 5735MHz와 5895MHz 사이의 채널 사용을 금지합니다. 그리고 미국이 Wi-Fi용 6GHz 대역을 완전히 채택한 반면, 다른 국가들은 그 중 일부만 승인했습니다. 더 많은 국가가 고주파 6GHz 스펙트럼을 수용함에 따라 채널 사용 규정이 전 세계적으로 변화할 수 있습니다.
채널 결합 외에도 대역폭을 늘릴 수 있는 여러 WAP 기술이 있습니다. 빔형성은 신호를 집중시키고 여러 송수신 안테나를 통해 전송하는 기술 중 하나입니다. 이를 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 기술이라고도 합니다. 안테나와 관련된 신호는 공간 스트림이라고 하며, 여러 공간 스트림을 지원하는 기능은 Wi-Fi 5, 6, 7의 기능이며 Wi-Fi 7은(는) 공간 스트림 수를 8에서 16까지 두 배로 증가시킵니다.
Wi-Fi를 개선하는 또 다른 기술은 직교 주파수 분할 다중 액세스(OFDMA)입니다. Wi-Fi 6에 도입된 OFDMA는 장치의 필요에 따라 대역폭을 보다 효율적으로 할당하고 동시에 여러 사용자를 수용하는 신호 체계입니다. 또한, 2.4GHZ 운영을 유지함으로써 Wi-Fi 6, 6E, 7는 저속 무선 IoT 센서에 대해 더 넓은 범위의 2.5GHz를 활용할 수 있으므로 이러한 장치가 5GHz 및 6GHz 비중첩 채널 내에서 대역폭을 느리게 하는 것을 방지할 수 있습니다.
일부 고급 WAP에는 성능을 개선하기 위한 추가 공급 업체별 기능도 있을 수 있습니다. 예를 들어, 일부 WAP는 채널 활동을 분석하여 특정 장치에 가장 적합한 채널 및 채널 폭을 선택하거나 지연에 민감한 애플리케이션을 수용하기 위해 장치별로 트래픽의 우선순위를 정할 수 있습니다.
셀룰러
Wi-Fi와 마찬가지로 셀룰러 통신은 300MHz~30GHz EHF 범위에서 작동하는 고대역 5G 셀룰러를 제외하고 전자기 스펙트럼의 30~300GHz UHF 범위에서 작동합니다. 그러나, 무선 인터넷은 허가되지 않은 대역 내에서 작동하는 Wi-Fi와 달리, 무선 액세스 네트워크(RAN) 및 유료 서비스 제공업체 플랜이 필요한, 라이선스를 부여받은 회사만 사용할 수 있는 허가된 대역 내에서 작동합니다. 예를 들어, AT&T 중대역 5G는 3.45~3.55GHz에서 작동하는 반면 Verizon은 3.7~3.98GHz에서 작동합니다. CBRS(Citizen’s Broadband Radio Service)는 미국 내 사설 모바일 네트워크용 FCC에서 구축한 3.55~3.7GHz의 면허 불필요 주파수 대역에서 작동하는 유일한 셀룰러 기반 기술입니다. CBRS는 푸시투토크, IoT, 기타 대규모 캠퍼스 환경 및 산업 현장을 위한 고유한 애플리케이션, 소외된 지역사회와 학교에 광대역 서비스를 제공하는 경우 일반적인 WAP보다 4배 더 많은 범위를 제공하며 기존 4G 또는 5G 서비스를 도입하는 것보다 비용이 저렴하기 때문입니다.
셀룰러는 Wi-Fi보다 더 넓은 주파수 범위에서 작동합니다. 4G는 600MHz~2.5GHz에서 작동하고, 4G LTE는 700MHz~2.7GHz에서 작동하며, 5G는 450MHz~40GHz에서 작동합니다. Wi-Fi와 마찬가지로 셀룰러 통신도 채널 결합을 활용하여 용량과 대역폭을 증가시킵니다. 5G는 6GHz 미만에서는 5~100MHz, 24GHz 이상에서는 50~400MHz의 채널 크기를 지원합니다. 넓은 작동 범위로 인해 5G는 낮은 주파수 대역, 중간 주파수 대역, 높은 주파수 대역으로 나뉩니다.
- • 저대역 5G는 1GHz 미만의 모든 것을 말합니다. 이 낮은 주파수에서는 전파와 범위가 상당히 우수하지만 대역폭이 제한됩니다. 저대역 5G는 고속도로와 외딴 지역 및 시골 지역에서 전국 포괄 범위에 이상적입니다.
- • 중간 대역 5G는 일반적으로 1~6GHz 사이에서 전송하여 커버리지와 속도의 균형을 맞춥니다. 이는 일반적으로 도시와 교외 지역 및 캠퍼스에서 5G 모바일 연결에 사용되며 초당 최대 약 2기가비트(Gb/s)의 속도를 지원합니다.
- • 고대역 5G는 24~47GHz에서 작동하여 짧은 거리에서 가장 빠른 데이터 속도와 가장 낮은 지연 시간을 제공합니다. 고대역 5G는 전파가 제한적이므로 나무, 건물, 그리고 비나 안개와 같은 대기 조건에서 간섭에 매우 취약하며, 이 주파수 범위에서 작동하는 장치가 더 적기 때문에 다른 장치의 간섭에 덜 취약합니다. 그러나 직접 가시선 고대역 5G 구축은 20Gb/s의 데이터 속도에 도달할 가능성이 있습니다. 자율주행 자동차, 산업 자동화, 증강 현실 및 가상 현실, 초고화질 비디오 스트리밍과 같은 애플리케이션을 위한 고밀도의 대상 영역과 초신뢰성의 저지연 통신에 이상적입니다.
셀룰러는 건물 안으로 들어갈 때와 건물을 통과할 때 전파가 약하기 때문에 종종 분산 안테나 시스템(DAS)을 통해 실내 기업 공간에 서비스를 제공해야 합니다. DAS에는 셀룰러 범위를 향상시키기 위해 건물 전체에 걸쳐 배치된 안테나 노드가 포함되며, 다중 주파수(즉, 3G, 4G , LTE, 5G)를 지원할 수 있어, 여러 캐리어에 의해 공유되고 비상 통신에 사용될 수 있습니다. 작은 셀은 실내 무선 범위를 위한 또 다른 옵션이지만 단일 캐리어에 대해 정의된 단일 주파수만 지원합니다. DAS는 학생 센터, 공항, 쇼핑몰, 경기장, 컨벤션 센터와 같이 특히 인구가 많은 공공 장소에서 여러 사용자와 통신사를 지원해야 하는 대규모 시설에 더 확장 가능하고 더 나은 선택으로 간주됩니다.
DAS용 배선은 시스템 유형과 구성에 따라 광케이블, 동축, 카테고리 배선의 조합을 사용합니다. 헤드엔드에서, 건물 내 셀룰러 리피터는 수동 시스템의 동축 케이블 또는 활성 시스템의 광케이블 및/또는 구리 케이블을 통해 노드에 셀룰러 신호를 배포합니다. 수동 동축 시스템은 동축 케이블이 안테나로 작동하는 소규모 설치에 사용되지만 가장 강한 신호를 제공하지는 않습니다. 활성 시스템은 대형 건물에 이상적이며 Wi-Fi 구축과 같은 리피터와 활성 노드 사이에 광케이블 및 구리 케이블로 카테고리 케이블을 사용합니다. 또한 DAS는 원격 무선 장치(RRU)에 연결되는 광케이블을 가진 두 개의 하이브리드일 수 있으며, 동축 케이블을 통해 수동 안테나에 신호를 분배합니다.
저속 무선
Wi-Fi 및 셀룰러 DAS는 기업 공간에서 사용되는 유일한 실내 무선 기술은 아닙니다. 다양한 애플리케이션에서 다양한 단거리, 저속 무선 기술이 사용됩니다. 2.4GHz 범위에서 작동하는 블루투스 기술은 스마트폰, 무선 헤드셋, 스피커, 마우스, 키보드와 같은 주변 기기와 같은 일상적인 기기 간 통신에 사용됩니다. 액세스 제어, 게임 콘솔, IoT 센서 및 실시간 위치 추적 시스템에도 사용됩니다. 블루투스는 등급 1, 등급 2, 등급 3 장치로 제공됩니다. 등급 1은 100mW로 전송하여 100미터에 도달하고, 등급 2은(는) 2.5mW로 전송하여 10미터에 도달하고, 등급 3은(는) 1mW로 전송하여 10미터에 도달하는데, 속도는 초당 700킬로바이트(Kb/s)~초당 50메가바이트(Mb/s)입니다.
유사한 단거리 저속 기술에는 2.4GHz 주파수에서 약 20 미터 및 최대 250Kb/s의 속도로 전송하는 Zigbee와 간섭을 줄이고 약 100미터의 더 확장된 범위를 위해 800~900MHz 범위에서 작동하지만 속도만 100Kb/s인 Z-Wave가 포함됩니다. Zigbee와 Z-Wave 모두 중앙 집중식 허브를 사용하며 여러 장치 간의 홉을 지원할 수 있습니다. 이 두 기술은 주로 스마트 미터링, 빌딩 자동화, 연기 감지기 및 기타 스마트 IoT 센서에 사용되지만 Zigbee는 광범위한 장치에서 보다 쉽게 사용할 수 있습니다. 기업에서 점유율 및 공기 품질부터 밀집 제어 및 누출 감지에 이르기까지 모든 것을 위해 더 많은 IoT 센서를 배포함에 따라, 더 많은 공급 업체가 통합 Zigbee 기술을 갖춘 WAP를 제공합니다. 또한 RFID 기술은 저주파수(30~300KHz), 고주파수(3~30MHz) 및 초고주파수(300MHz~3GHz)에서 작동하는 단거리, 저속 무선 기술로 간주됩니다. RFID는 주로 소매 재고 관리, 자산 추적, 액세스 제어 및 모바일 결제에 사용됩니다.
장거리, 저전력 무선 기술을 사용하여 매우 낮은 속도의 배터리 작동식 IoT 장치 및 센서에서 훨씬 더 먼 거리에서 데이터를 수집할 수도 있습니다. 이러한 기술은 일반적으로 매우 낮은 주파수에서 작동하며 우수한 전파 및 최대 약 1Mb/s의 지원 속도를 제공합니다. LoRa는 미국에서는 915MHz로, 유럽에서는 868MHz로 작동하는 그러한 한 가지 기술입니다. 매우 낮은 속도에서 가시선 배치가 훨씬 더 먼 거리에 도달했을지라도, 도시 지역에서는 최대 4.8km(3마일), 시골 지역에서는 최대 16km(10마일)의 거리에 도달할 수 있습니다. LoRa는 스마트 캠퍼스 및 도시 애플리케이션, 스마트 농업, 건강 웨어러블 및 차량 모니터링과 같은 대규모 IoT 배포에 이상적입니다. 무선으로 데이터를 수신한 다음 기존 유선 네트워크를 통해 전달하는 게이트웨이를 사용합니다. 또한 유사한 IoT 사용 사례를 지원하도록 설계된 NB-IoT(협대역 IoT) 및 LTE-M과 같은 셀룰러 기반 장거리 저전력 무선 기술도 있지만, 이 기술은 백홀로 셀룰러 서비스를 사용합니다.
