주파수 분할 쌍방향 전송

주파수 분할 쌍방향 전송의 핵심은 업링크와 다운링크 신호를 서로 다른 주파수 대역으로 분리하여 동시에 전송하는 것이다. 이를 위해 전체 사용 가능한 주파수 스펙트럼은 두 개의 독립적인 대역으로 나뉜다. 하나는 기지국에서 단말기로 데이터를 전송하는 다운링크 전용 대역이고, 다른 하나는 단말기에서 기지국으로 데이터를 전송하는 업링크 전용 대역이다.

두 대역 사이에는 보호 대역이라 불리는 미사용 주파수 영역이 설정된다. 이 영역은 필터의 불완전성으로 인해 발생할 수 있는 대역 간 신호 간섭을 방지하는 완충 역할을 한다. 보호 대역의 폭은 시스템 설계와 사용되는 필터의 성능에 따라 결정된다.

주파수 대역 분할의 주요 방식은 다음과 같이 구분할 수 있다.

이러한 분할은 물리적으로 분리된 주파수를 사용하기 때문에, 송신과 수신이 동시에 이루어져도 장치 내부에서의 신호 누화 문제가 크게 줄어든다. 결과적으로 전송 지연이 매우 짧고, 실시간 통신에 유리한 특성을 가진다.

주파수 분할 쌍방향 전송의 핵심은 서로 다른 두 개의 독립적인 주파수 대역을 사용하여 업링크와 다운링크 신호를 동시에 전송하는 구조에 있다. 하나의 통신 링크에서 송신과 수신이 별도의 주파수 채널을 통해 물리적으로 분리되어 동시에 이루어지므로, 전이중 통신을 실현한다. 이는 송수신을 시간적으로 번갈아 가며 수행하는 시분할 쌍방향 전송과 근본적으로 다른 접근 방식이다.

이 구조에서 업링크와 다운링크에 할당된 주파수 대역 사이에는 보호 대역이 설정된다. 이 미사용 주파수 영역은 양 채널 간의 간섭을 방지하는 역할을 한다. 송신기의 신호가 수신기 대역으로 누출되는 것을 막아, 시스템의 안정성을 보장하는 필수적인 요소이다. 따라서 FDD 시스템 설계에서는 대역폭 할당과 함께 적절한 보호 대역의 폭을 결정하는 것이 중요하다.

이 동시 전송 구조는 지연에 민감한 실시간 서비스에 유리한 특성을 보인다. 데이터 패킷이 양 방향으로 지속적으로 흐를 수 있어, 전송 지연이 짧고 예측 가능하다. 또한, 업링크와 다운링크의 트래픽 부하가 서로 독립적으로 관리될 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 다운링크에 비해 업링크 트래픽이 적은 비대칭 서비스 환경에서도 각 채널의 대역폭을 고정적으로 유지하며 운영할 수 있다.

주파수 분할기는 수신된 복합 신호에서 업링크와 다운링크 대역을 분리하는 필터링 장치이다. 일반적으로 대역 통과 필터로 구성되며, 사전에 할당된 특정 주파수 대역만을 선택적으로 통과시킨다. 이 과정에서 인접 채널 간의 간섭을 방지하기 위해 날카로운 차단 특성을 가진 필터가 요구된다[1]. 분리된 신호는 이후 각각의 수신기로 전달되어 복조 및 처리된다.

반대로, 주파수 합성기는 송신 경로에서 작동하여 업링크와 다운링크 신호를 하나의 안테나 시스템으로 결합한다. 이는 듀플렉서의 핵심 기능으로, 두 개의 별도 송신기가 단일 안테나를 공유할 수 있게 한다. 합성기는 신호 결합 시 발생할 수 있는 상호 간섭을 최소화해야 하며, 높은 격리도 특성을 유지하는 것이 중요하다.

주파수 분할기와 합성기의 성능은 시스템 전체의 효율성에 직접적인 영향을 미친다. 주요 성능 지표는 다음과 같다.

이러한 구성 요소의 설계는 할당된 주파수 대역과 필요한 보호 대역의 크기에 따라 달라진다. 고주파 대역을 사용하는 현대 시스템에서는 마이크로스트립이나 공동 공진기를 이용한 소형화된 설계가 일반적이다.

업링크 변환기와 다운링크 변환기는 주파수 분할 쌍방향 전송 시스템에서 각 방향의 신호를 해당 주파수 대역으로 변조하거나 복조하는 핵심 장치입니다. 이들은 기지국 또는 단말기 내에 위치하여, 송신 경로와 수신 경로를 물리적으로 분리된 주파수 대역에 맞게 처리하는 역할을 담당합니다.

업링크 변환기는 단말기에서 기지국으로의 신호 전송을 담당합니다. 이 장치는 단말기가 생성한 저주파 기저대역 신호를, 사전에 할당된 높은 주파수 대역(예: 1920-1980 MHz)으로 변조하여 송신합니다. 반대로 다운링크 변환기는 기지국에서 단말기로의 신호를 처리합니다. 기지국이 보내는 신호는 다른 높은 주파수 대역(예: 2110-2170 MHz)으로 송신되며, 단말기의 다운링크 변환기는 이 신호를 수신하여 다시 저주파의 기저대역 신호로 복원합니다. 두 변환기의 핵심 구성 요소는 주파수 변환을 수행하는 믹서, 불필요한 주파수 성분을 제거하는 대역 통과 필터, 그리고 신호를 증폭하는 전력 증폭기(송신측) 또는 저잡음 증폭기(수신측)입니다.

이러한 변환기의 성능은 전체 시스템의 품질을 결정합니다. 주요 설계 고려사항은 다음과 같습니다.

이러한 변환기들은 주파수 분할기 및 주파수 합성기와 함께 동작하여, 하나의 안테나로 양방향 통신이 가능하도록 시스템을 완성합니다.

주파수 분할 쌍방향 전송 시스템에서 대역폭 할당은 업링크와 다운링크에 사용할 주파수 대역을 결정하고 분배하는 과정을 말한다. 이 할당은 시스템의 용량, 간섭, 그리고 서비스 품질에 직접적인 영향을 미친다. 일반적으로 업링크와 다운링크는 서로 다른 고정된 주파수 대역을 할당받으며, 이 두 대역 사이에는 보호 대역이 설정되어 서로의 신호가 간섭하지 않도록 한다.

대역폭 할당 방식은 크게 고정 할당과 동적 할당으로 나눌 수 있다. 고정 할당은 사전에 업링크와 다운링크의 대역폭 비율을 정해놓는 방식이다. 예를 들어, 전통적인 음성 통신 중심 시스템에서는 업링크와 다운링크에 대칭적인 대역폭을 할당하는 경우가 많았다. 반면, 동적 할당은 트래픽 패턴에 따라 업링크와 다운링크 간의 대역폭 비율을 유연하게 조정할 수 있다. 이는 스펙트럼 효율성을 높이기 위한 기술로, 표준에 따라 제한적으로 적용된다.

주요 통신 표준별 FDD 대역폭 할당 예시는 다음과 같다.

할당된 대역폭의 절대적 크기와 업/다운 링크 간의 비율은 제공하려는 서비스의 특성에 따라 결정된다. 예를 들어, 데이터 다운로드가 많은 서비스의 경우 다운링크에 더 넓은 대역폭을 할당하는 비대칭 구성을 고려할 수 있다. 또한, 인접 채널이나 인접 셀 간의 간섭 관리를 효과적으로 수행하기 위해 주파수 재사용 계획과 연계하여 대역폭 할당이 이루어진다.

보호 대역은 주파수 분할 쌍방향 전송 시스템에서 업링크와 다운링크 채널 사이에 설정되는 미사용 주파수 영역이다. 이 영역의 주요 목적은 인접 채널 간의 간섭을 방지하는 것이다. 송신기와 수신기가 동시에 작동하지만 서로 다른 주파수 대역을 사용하기 때문에, 필터의 불완전성으로 인해 한 채널의 신호가 다른 채널로 누설되는 현상이 발생할 수 있다. 보호 대역은 이러한 신호 누설을 감쇠시켜, 양방향 통신이 서로 간섭 없이 안정적으로 이루어지도록 보장한다.

보호 대역의 필요 폭은 시스템 설계에 따라 달라진다. 주요 결정 요소는 다음과 같다.

보호 대역을 적절히 설정하지 않으면 상호 변조 왜곡이나 인접 채널 간섭이 발생하여 시스템의 스펙트럼 효율성과 통신 품질이 저하된다. 반면, 지나치게 넓은 보호 대역은 제한된 주파수 자원의 낭비로 이어진다. 따라서 시스템 설계자는 필터 성능, 규제 요구사항, 경제성 등을 종합적으로 고려하여 최적의 보호 대역 폭을 결정한다. 많은 표준화 기구에서는 특정 서비스에 대해 권고되는 보호 대역 폭을 명시하고 있다[4].

주파수 분할 쌍방향 전송(FDD) 방식의 주요 장점은 업링크와 다운링크 신호가 서로 다른 주파수 대역에서 동시에 전송되기 때문에 발생하는 간섭이 적다는 점이다. 이로 인해 신호 간 충돌이 없어 안정적인 통신 품질을 유지할 수 있으며, 특히 실시간 음성 통화나 고속 이동 중 통신과 같이 낮은 전송 지연이 중요한 서비스에 유리하다. 또한, 양방향 데이터 흐름이 지속적으로 유지되므로 연결 설정 지연이 없고, 대칭적인 트래픽 패턴을 가진 응용에 효율적이다.

반면, FDD의 단점은 주파수 자원 활용의 유연성이 상대적으로 낮다는 것이다. 업링크와 다운링크에 고정된 주파수 대역을 할당하기 때문에 트래픽 수요가 비대칭적으로 변하는 환경에서는 자원이 낭비될 수 있다. 또한, 업/다운링크 사이에 보호 대역을 설정해야 하므로 전체 스펙트럼 사용 효율이 떨어질 수 있다. 시스템 구현 측면에서는 서로 다른 두 주파수 대역을 동시에 처리해야 하므로 단말기와 기지국 모두에서 별도의 주파수 분할기와 송수신기가 필요해 장비 복잡도와 비용이 증가하는 경향이 있다.

따라서 FDD는 트래픽 패턴이 예측 가능하고 대칭적이며, 지연에 민감한 서비스가 주를 이루는 전통적인 셀룰러 음성 통신이나 특정 위성 통신 시스템에 적합하다. 그러나 데이터 트래픽의 비대칭성이 두드러지고 유연한 자원 할당이 요구되는 현대의 모바일 브로드밴드 환경에서는 그 적용에 한계가 있다.

주파수 분할 쌍방향 전송(FDD)과 시분할 쌍방향 전송(TDD)은 각기 다른 네트워크 환경과 서비스 요구사항에 적합한 특성을 지니고 있어 적용 시나리오에 차이를 보인다.

FDD는 업링크와 다운링크에 독립적인 주파수 대역을 사용하기 때문에, 양방향 트래픽이 균형적이거나 실시간성이 중요한 환경에서 유리하다. 예를 들어, 전통적인 음성 통화나 실시간 비디오 콜 서비스는 업링크와 다운링크의 데이터 흐름이 대칭적이고 지연이 최소화되어야 하므로 FDD가 선호된다. 또한, 넓은 지리적 범위를 커버하는 광역 셀룰러 네트워크에서도 FDD가 효과적이다. 이는 FDD가 지속적인 전송을 가능하게 하여 핸드오버 시 연결 안정성을 높이고, 멀리 떨어진 단말기와의 통신에서도 안정적인 링크를 유지할 수 있기 때문이다.

반면, TDD는 하나의 주파수 대역을 시간으로 나누어 업링크와 다운링크에 교대로 할당한다. 이 방식은 트래픽 패턴이 비대칭적이고 시간에 따라 변동이 심한 데이터 중심 서비스에 매우 효율적이다. 예를 들어, 인터넷 브라우징이나 파일 다운로드와 같이 다운링크 트래픽이 압도적으로 많은 서비스에서는 TDD가 유연하게 대역폭을 재분배할 수 있다. 또한, 제한된 주파수 자원을 효율적으로 활용해야 하는 경우나 비교적 작은 셀 반경을 가진 고밀도 도시 네트워크, 실내 커버리지 시스템에 TDD가 적합하게 적용된다.

다음 표는 두 방식의 주요 적용 시나리오 차이를 요약한다.

결론적으로, 네트워크 운영자는 서비스 목표, 트래픽 예측, 가용 주파수 대역, 그리고 네트워크 토폴로지와 같은 요소들을 종합적으로 고려하여 FDD와 TDD 중 적절한 방식을 선택한다. 현대의 5G와 같은 통신 시스템에서는 상황에 따라 두 방식을 혼합하거나 상황 인지 기술을 통해 동적으로 전환하는 하이브리드 방식을 도입하기도 한다.

주파수 분할 쌍방향 전송(FDD)은 LTE와 5G를 포함한 현대 셀룰러 통신 시스템의 핵심 이중 통신 방식 중 하나이다. FDD는 업링크와 다운링크에 서로 다른 고정된 주파수 대역을 할당하여 데이터의 양방향 동시 전송을 가능하게 한다. 이 방식은 특히 대역폭 요구사항이 높고 실시간성이 중요한 음성 통화나 대용량 데이터 스트리밍 서비스에 적합한 구조를 제공한다.

LTE 표준에서는 FDD가 주요 운용 모드로 채택되었다. LTE-FDD는 일반적으로 대칭적인 주파수 대역을 사용하며, 예를 들어 20MHz 대역폭을 가진 채널의 경우 10MHz를 업링크에, 나머지 10MHz를 다운링크에 각각 할당한다. 이는 지속적인 양방향 트래픽에 안정적인 대역폭을 보장한다. 5G NR(New Radio)에서도 FDD는 중요한 역할을 하며, 기존의 저주파 대역(Sub-6 GHz)을 활용한 광범위한 커버리지 구축에 주로 적용된다. 5G FDD는 LTE와의 공존을 위해 동적 스펙트럼 공유(DSS) 같은 기술을 도입하여 유연성을 높였다.

FDD의 적용은 네트워크 운영자에게 다음과 같은 이점을 제공한다. 첫째, 업링크와 다운링크 간의 신호 간섭을 물리적인 주파수 분리로 방지하여 안정적인 연결 품질을 유지한다. 둘째, 전송과 수신이 동시에 이루어지므로 지연 시간이 짧아 실시간 애플리케이션에 유리하다. 그러나 별도의 주파수 대역이 필요하기 때문에 스펙트럼 자원의 효율적인 활용 측면에서는 제약이 따를 수 있다. 이에 따라 많은 5G 네트워크에서는 상황에 따라 FDD와 시분할 쌍방향 전송(TDD)를 혼합 또는 선택적으로 사용하는 전략을 취한다.

위성 통신 시스템은 지상국과 위성 간의 신뢰할 수 있는 데이터 링크를 구축하기 위해 주파수 분할 쌍방향 전송을 광범위하게 채택한다. 이 방식은 지상국에서 위성으로의 업링크와 위성에서 지상국으로의 다운링크가 서로 다른 고정된 주파수 대역을 사용하여 동시에 전송되도록 한다. 이러한 분리는 강력한 송신 신호가 약한 수신 신호를 압도하는 현상인 근단 간섭을 효과적으로 방지하며, 특히 신호 전파 지연이 큰 위성 통신 환경에서 중요한 장점을 제공한다.

주파수 대역 할당은 국제적으로 협의된 규정에 따라 이루어진다. 일반적으로 업링크에는 더 높은 주파수 대역(예: Ku 대역에서 14 GHz, Ka 대역에서 30 GHz 근처)이, 다운링크에는 상대적으로 낮은 주파수 대역(예: Ku 대역에서 12 GHz, Ka 대역에서 20 GHz 근처)이 할당된다[8]. 이렇게 분리된 대역은 보호 대역으로 분리되어, 대역 필터를 통해 업링크와 다운링크 신호 간의 간섭을 최소화한다.

위성 통신에서 FDD의 적용은 정지 궤도 통신 위성, 중계기, VSAT 네트워크 등 다양한 시스템에서 확인할 수 있다. 시스템 설계 시 주요 고려사항은 다음과 같다.

이 구조는 연속적인 양방향 데이터 흐름이 요구되는 실시간 비디오 회의, 원격 센싱 데이터 전송, 해상 및 항공 통신과 같은 응용 분야에 특히 적합하다. 그러나 고정된 주파수 대역 할당은 트래픽 수요가 시간에 따라 변동하는 경우 자원 활용의 유연성이 부족할 수 있다는 한계를 동시에 가진다.

스펙트럼 효율성은 주어진 대역폭을 통해 얼마나 많은 데이터를 전송할 수 있는지를 나타내는 척도이다. 단위는 일반적으로 bps/Hz(초당 비트 수 퍼 헤르츠)로 표시된다. 주파수 분할 쌍방향 전송에서 스펙트럼 효율성은 업링크와 다운링크에 할당된 고정된 주파수 대역의 활용도를 평가하는 핵심 지표이다.

FDD의 스펙트럼 효율성은 주로 할당된 각 주파수 대역 내에서의 변조 방식[9], 채널 코딩 기법, 그리고 다중 접속 방식에 의해 결정된다. 고정된 대역 할당은 트래픽의 비대칭성이 심한 경우 비효율을 초래할 수 있다. 예를 들어, 다운링크 트래픽이 업링크보다 훨씬 많을 때, 업링크 대역은 상대적으로 낮은 활용도를 보이게 되어 전체 스펙트럼 효율성이 저하된다.

따라서 FDD 시스템의 설계에서는 예상 트래픽 패턴을 분석하여 업링크와 다운링크 간의 대역폭 할당 비율을 최적화하는 것이 중요하다. 또한, 주파수 재사용 계획과 결합하여 동일 주파수를 다른 셀에서 얼마나 가깝게 재사용할 수 있는지도 전체 네트워크의 스펙트럼 효율성에 영향을 미친다.

주파수 분할 쌍방향 전송의 전송 지연은 주로 신호 처리 과정과 물리적 전송 경로에 의해 결정된다. FDD는 업링크와 다운링크가 서로 다른 고정된 주파수 대역을 사용하여 동시에 전송하므로, TDD와 같은 전송 방향 전환을 위한 시간 슬롯 대기가 필요하지 않다. 이로 인해 방향 전환에 따른 절대적인 지연이 발생하지 않아, 실시간 양방향 통신에 유리한 특성을 보인다.

그러나 전송 지연은 대역폭, 변조 방식, 코딩 방식, 그리고 프로토콜 처리 지연 등 여러 요소의 영향을 받는다. FDD 시스템에서도 신호가 주파수 분할기와 합성기를 통과할 때 발생하는 필터링 지연, 변조/복조 과정의 처리 지연은 존재한다. 특히, 넓은 보호 대역을 설정하여 간섭을 줄이는 경우, 사용 가능한 대역폭이 상대적으로 줄어들어 데이터 전송률에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 간접적으로 패킷 전송 지연에 영향을 줄 수 있다.

FDD의 지연 특성을 다른 방식과 비교하면 다음과 같은 표로 정리할 수 있다.

결론적으로, FDD는 구조적으로 방향 전환 지연이 없어 지연에 민감한 실시간 서비스에 적합하지만, 시스템 구현 시 발생하는 신호 처리 지연과 네트워크 혼잡도 등 다른 요인들을 종합적으로 고려해야 한다.

주파수 분할 쌍방향 전송 시스템에서 간섭 관리는 시스템 성능과 안정성을 보장하는 핵심 설계 요소이다. 주요 간섭 원인은 업링크와 다운링크 신호가 서로 다른 주파수 대역을 사용함에도 불구하고 발생하는 인접 채널 간섭과 공간적 간섭이다. 특히 기지국 송신기와 수신기가 물리적으로 가까이 위치할 때, 강력한 다운링크 신호가 약한 업링크 신호를 압도하는 현상이 발생할 수 있다[10]. 이를 방지하기 위해 송수신 안테나 사이에 충분한 격리도를 확보하거나, 고성능 대역 통과 필터를 사용하여 원치 않는 대역의 신호를 차단한다.

시스템 간 간섭도 중요한 관리 대상이다. 인접한 셀룰러 네트워크 셀이 동일하거나 인접한 주파수 대역을 사용할 경우 동일 채널 간섭이나 인접 채널 간섭이 발생한다. 이를 완화하기 위해 네트워크 운영자는 주파수 재사용 계획을 세밀하게 수립하고, 셀 경계 지역에서는 적절한 전력 제어를 적용한다. 또한 업링크와 다운링크 사이에 설정된 보호 대역의 폭은 간섭을 차단하는 데 결정적인 역할을 하며, 필요한 격리 수준과 대역폭 효율성 사이의 균형을 고려하여 설계된다.

효과적인 간섭 관리를 위해서는 지속적인 주파수 모니터링과 동적 주파수 할당 기법이 활용될 수 있다. 이를 통해 시간과 공간에 따라 변화하는 간섭 환경에 적응하여 스펙트럼 효율성과 링크 신뢰성을 동시에 최적화할 수 있다.

주파수 분할 쌍방향 전송 시스템의 설계는 장비의 복잡도와 이에 따른 비용 증가를 주요 고려사항으로 삼아야 한다. 시스템의 핵심 구성 요소인 주파수 분할기와 주파수 합성기는 업링크와 다운링크 신호를 정확하게 분리하고 합성하기 위해 매우 높은 성능의 대역 통과 필터를 요구한다. 이러한 필터는 원하지 않는 주파수 대역의 신호를 효과적으로 차단해야 하며, 특히 인접한 업링크와 다운링크 대역 사이의 보호 대역이 좁을수록 필터의 설계 난이도와 제조 비용은 급격히 상승한다. 또한, 양방향 통신을 위해 송신기와 수신기가 별도로 구성되어야 하므로, 시간 분할 쌍방향 전송 방식에 비해 일반적으로 더 많은 하드웨어 구성 요소가 필요하다.

비용 측면에서는 초기 장비 투자비와 운영 유지비가 모두 중요하게 평가된다. 고성능의 아날로그 필터 및 듀플렉서는 부품 단가가 높으며, 시스템을 구성하는 RF 프론트엔드 모듈의 수가 증가하면 전체 장비의 크기, 무게, 전력 소비도 함께 증가한다. 이는 특히 기지국과 같은 인프라 장비의 설치 및 운영 비용에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 주파수 대역이 고정적으로 할당되기 때문에 네트워크 트래픽의 비대칭성이 심한 환경에서는 사용되지 않는 대역폭이 발생하여 스펙트럼 자원 활용 측면에서의 기회 비용이 발생할 수 있다.

결론적으로, FDD 방식은 안정적인 품질의 동시 양방향 통신을 제공하는 대가로 상대적으로 높은 하드웨어 복잡도와 비용을 수반한다. 따라서 시스템 설계자는 목표하는 서비스 품질, 가용 주파수 자원, 그리고 경제적 타당성을 종합적으로 고려하여 FDD의 적용 여부를 결정해야 한다.