안테나가 여러 개면 무엇이 달라질까?

겹치면 커지고, 어긋나면 작아집니다

같은 주파수의 전파 두 개가 한 지점에서 만나면 서로 더해집니다. 마루와 마루가 만나면 커지고, 마루와 골이 만나면 서로 지워져 작아집니다. 어느 쪽이 될지는 두 파동의 위상 차이에 달려 있습니다. 위상은 한 번 출렁이는 주기 안에서 지금 어디쯤인지를 나타내는 값입니다. 박자가 맞으면 커지고, 반 주기 어긋나면 작아집니다.

두 안테나에서 원이까지의 거리가 조금 다르면 도착하는 파동의 위상도 달라집니다. 그래서 같은 두 안테나라도 어떤 자리에서는 강하고, 바로 옆 자리에서는 약할 수 있습니다. 한쪽 안테나 신호의 위상을 미리 조금 돌려 두면 강해지는 자리와 약해지는 자리가 옮겨 갑니다. 에너지가 새로 생기는 것이 아니라 겹치는 위치가 바뀌는 것입니다. [3]

영상에서는 신호의 주파수 폭이 좁다고 단순화해서 도착 시간의 작은 차이를 위상 차이로 바꿔 생각했습니다. 폭이 넓은 신호에서는 시간 지연과 위상을 구별해 다뤄야 합니다.

빔포밍: 같은 정보를 한 방향으로

안테나 네 개가 같은 정보를 함께 보냅니다. 안테나마다 위상을 일정한 간격으로 조금씩 다르게 주면 원이 쪽에서 네 신호의 박자가 맞습니다. 이렇게 하는 것을 빔포밍이라고 합니다. 원이 쪽에서는 신호가 맞춰 더해져 더 강해지고, 다른 방향에서는 서로 어긋나 약해집니다. 다만 완전히 사라지지는 않습니다. 옆으로 작은 봉우리들이 남고, 빔에도 폭이 있습니다. [3]

총 전력은 처음과 같습니다. 다른 방향에서 줄어든 몫이 원하는 방향에 모였을 뿐입니다. 영상의 빔은 세기가 퍼진 모양을 그린 것이지 레이저 광선이나 날아가는 알갱이가 아닙니다. 원이가 옆으로 걸어가면 안테나 사이의 위상 간격을 바꿔 강해지는 방향도 따라 움직이게 합니다. 다만 그러려면 원이 쪽으로 가는 길의 상태를 알고 있어야 합니다.

받는 쪽도 같은 원리를 씁니다. 여러 수신 안테나에 들어온 신호의 위상을 맞춰 더하면 원하는 신호는 함께 커집니다. 잡음은 안테나마다 제각각이라 그만큼 커지지 않습니다. 이 설명은 수신 잡음이 안테나마다 거의 독립적이라는 가정 위에 있습니다. [2]

더 읽기 1 · 안테나 네 개의 빔: 이득과 작은 봉우리

영상의 빔은 안테나 네 개를 반 파장 간격으로 나란히 놓고, 총 전력을 같게 둔 모형입니다. 이 모형에서 가장 센 방향의 세기는 안테나 한 개로 같은 총 전력을 보낼 때의 최대 네 배입니다. 안테나 수만큼 에너지가 늘어난 것이 아니라, 여러 방향에 흩어질 몫이 한 방향에 모인 결과입니다. 모든 방향의 평균 세기는 안테나 한 개일 때와 같습니다.

주 빔 옆의 작은 봉우리 중 가장 큰 것은 주 빔 세기보다 약 11.3데시벨 낮습니다. 0이 아니라는 점이 중요합니다. 이 숫자는 이 배열 모형의 값이며 실제 장치의 안테나 배치, 주변 반사, 보정 오차에 따라 달라집니다. [3]

수신 쪽의 위상 정렬은 신호 대 잡음비를 높이는 방법입니다. 잡음이 안테나마다 거의 독립적이라는 가정에서는 신호가 함께 더해지는 동안 잡음의 세기는 서로 더해지는 정도로 늘어납니다. 다른 안테나의 잡음이 서로 닮았거나 간섭이 한 방향에서 오면 이득은 달라집니다. [2]

마이모: 다른 정보를 동시에

두 번째 일은 다릅니다. 서로 다른 정보 A와 B를 같은 시간, 같은 주파수에서 동시에 보내는 것을 공간 다중화라고 합니다. 영상에서는 송신 안테나 두 개, 수신 안테나 두 개로 봅니다. 송신과 수신에 여러 안테나를 쓰는 방식을 묶어 마이모, 영어로 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)라고 부릅니다. 앞에서 본 빔포밍도, 같은 정보를 여러 길로 보내 안정성을 높이는 방법도 마이모 안에서 함께 쓰일 수 있습니다. [1][2]

중요한 점은 안테나 하나가 전용 통로 하나를 갖는 것이 아니라는 사실입니다. 원이의 두 안테나는 각각 A와 B가 섞인 신호를 받습니다. 예를 들어 첫째 안테나에는 A가 그대로, B가 절반만 섞여 들어오고, 둘째 안테나에는 A가 절반, B가 그대로 들어온다고 합시다. 이 비율은 설명을 위한 예시이고 잡음은 일단 뺐습니다.

섞인 비율이 서로 다르니 두 식을 함께 풀면 A와 B를 각각 구할 수 있습니다. 두 안테나에 섞인 비율이 똑같다면 두 식은 사실 같은 식이라 A와 B를 나눌 수 없습니다. 그래서 길이 서로 충분히 다른 섞임을 만들어야 합니다. [1]

더 읽기 2 · 두 식으로 푸는 섞임과 풀리지 않는 경우

영상의 예시는 첫째 안테나가 A와 B를 1과 0.5의 비율로, 둘째 안테나가 0.5와 1의 비율로 받는 모형입니다. 이 두 식은 하나의 답으로 정해집니다. A가 +1, B가 -1이면 두 안테나는 각각 +0.5와 -0.5를 받고, 거꾸로 이 두 값으로부터 A와 B를 구할 수 있습니다.

두 식의 비율이 같아지면 이야기가 달라집니다. 같은 값을 받는 서로 다른 A와 B의 조합이 여러 개 생겨서 하나로 정할 수 없습니다. 수학에서는 이를 두 식이 서로 독립이 아니라고 말하고, 채널 행렬의 계수가 줄었다고 부릅니다. 계수가 2이면 두 줄기, 1이면 한 줄기만 나눌 수 있습니다.

비율이 거의 비슷한 경우도 문제가 됩니다. 같은 크기의 잡음이 들어올 때, 이 예시처럼 비율이 서로 충분히 다르면 풀어낸 값의 흔들림은 약 1.5배로 커집니다. 비율이 거의 같은 경우를 계산하면 약 7배까지 커집니다. 모두 영상 그림을 위해 계산한 설명용 숫자이며 실제 값은 장치와 환경마다 다릅니다. [1]

섞임을 알아내고 풀기

메이와 리브가 동시에 말하고, 다른 자리에 놓인 마이크 두 대가 둘 다 녹음한다고 해 봅시다. 마이크마다 두 목소리가 섞인 비율이 다르면 계산으로 둘을 나눠 볼 단서가 생깁니다. 그런데 그 비율은 어떻게 알까요? 보내는 쪽이 받는 쪽과 미리 약속한 신호를 보냅니다. 이것을 파일럿이라고 합니다. 예를 들어 첫째 안테나가 먼저, 둘째 안테나가 다음에 정해진 신호를 보냅니다.

받는 쪽은 원래 모양을 알고 있으니 받은 파일럿과 비교해 각 길에서 세기가 얼마나 변하고 위상이 얼마나 돌았는지 계산합니다. 이렇게 각 길의 상태, 곧 채널을 추정합니다. 그다음 실제 정보가 오면 추정한 채널을 이용해 섞임을 되돌리는 계산을 합니다. 파일럿은 섞임을 알려 주는 기준일 뿐입니다. 스스로 신호를 풀어 주거나 소리를 골라 듣는 뇌 같은 것은 아닙니다. [1]

실제로는 잡음이 있어서 추정에도 오차가 생깁니다. 두 비율이 거의 비슷하면 작은 잡음도 풀어낸 결과를 크게 흔듭니다. 섞임이 서로 충분히 달라야 여러 줄기를 안정적으로 나눌 수 있습니다.

안테나 수와 속도는 같은 말이 아닙니다

길이 다양할수록 좋을까요? 벽과 가구에 반사된 여러 길은 섞임을 서로 다르게 만들어 도움이 될 수 있습니다. 하지만 신호가 너무 약해지거나 간섭과 잡음이 크면 그 도움은 줄어듭니다. 동시에 보낼 수 있는 줄기 수는 송신과 수신 안테나 중 적은 쪽을 넘지 못하고, 채널 상태에 따라 더 줄 수 있습니다. 줄기가 둘이 되면 총 전력을 나눠 쓰니 속도가 꼭 두 배가 되지는 않습니다. [1]

그래서 장치는 상황에 따라 같은 정보를 모아 또렷하게 보내기도 하고, 여러 줄기로 나눠 보내기도 하며, 둘을 함께 쓰기도 합니다. 지난 편의 링크 적응처럼 상태를 보고 고르는 것입니다. 원이가 움직이면 채널도 계속 바뀌니 파일럿으로 다시 확인하며 빔을 맞춰야 합니다. 안테나 개수만으로 속도를 알 수는 없고, 앱에서 보이는 속도는 앞 편에서 본 것처럼 다른 요인도 함께 받습니다.

더 읽기 3 · 줄기가 두 배여도 속도가 두 배는 아닌 이유

영상의 마지막 장면은 총 전력이 고정된 이상적인 예시를 보여 줍니다. 수신 쪽 신호 대 잡음비가 10인 줄기 하나로 보내면, 샤논의 용량 공식에서 주파수 한 단위당 보낼 수 있는 한계는 log2(1+10)로 약 3.46입니다. 같은 총 전력을 똑같이 나눠 서로 간섭하지 않는 두 줄기로 보내면 줄기마다 신호 대 잡음비는 5가 되고, 한계는 2×log2(1+5)로 약 5.17입니다. 비율은 약 1.49배이며 2배가 아닙니다.

이 계산은 두 길이 완전히 독립적이고 세기가 같다고 가정한 이상적인 예시입니다. 실제 장치의 성능은 채널 상태, 추정 오차, 간섭, 선택한 변조·부호화 방식, 재전송과 다른 기기를 기다리는 시간에 따라 달라집니다. 송신 안테나 네 개와 수신 안테나 두 개라면 나눌 수 있는 줄기는 최대 두 개이고, 길이 서로 닮아 있으면 한 개로 줄 수도 있습니다. [1]

이번 편의 핵심은 안테나를 여러 개 쓰면 같은 정보를 더 또렷하게 보내거나 서로 다른 정보를 동시에 보내는 방법이 생긴다는 것입니다. 안테나 수가 곧 속도 배수는 아닙니다. 휴대전화 기지국도 같은 원리를 쓰는데, 한 기지국의 영역을 벗어나면 어떻게 될까요? 다음에는 다른 기지국으로 끊김 없이 이어지는 과정을 이어갑니다.

참고 자료와 설명의 범위

이 글과 영상은 여러 안테나를 처음 접하는 사람을 위한 단순화한 모형입니다. 영상의 안테나 수, 섞임 비율, 신호 대 잡음비, 빔 모양은 이해를 위한 예시이며 특정 와이파이·이동통신 규격이나 제품의 성능을 나타내지 않습니다. 아래 자료는 용어와 원리를 확인하는 심화 읽기용이며, 이번 게시에서 전체 문서를 독립적으로 검토했다는 뜻은 아닙니다.

공간 다중화의 원리, 채널 추정과 줄기 수의 한계. MathWorks · Spatial Multiplexing.

MIMO 시스템 안에서의 빔포밍과 수신 결합. MathWorks · Beamforming for MIMO-OFDM Systems.

위상 배열의 간섭, 빔 조향, 어레이 팩터와 작은 봉우리. Analog Devices · Phased Array Antenna Patterns, Part 1.

이어서 읽기

• 6편 · 변조 방식과 부호율, 링크 적응
• 5편 · 기지국 자원 배정과 OFDMA