28.31 전파 전파(Radio Propagation)의 대기 감쇠
전파 전파(radio propagation)는 무선 통신 신호가 대기 중에서 전파되는 과정을 의미하며, 대기의 다양한 구성 요소에 의해 흡수와 산란을 겪는다. 항공 로봇의 통신, 원격 측정, 원격 제어, 데이터 링크는 모두 전파 전파의 영향을 받으며, 대기 감쇠의 정확한 모델링은 통신 시스템 설계와 운용 신뢰성 평가에 필수적이다. 본 절에서는 전파 전파의 대기 감쇠에 대한 학술적 정의, 메커니즘, 모델, 그리고 항공 로봇 공학에서의 의의를 다룬다.
1. 대기 감쇠의 학술적 정의
전파 신호의 대기 감쇠는 신호의 전력이 대기를 통과하면서 흡수와 산란에 의해 감소하는 현상으로 정의된다. 감쇠는 일반적으로 dB 단위로 표현되며, 다음과 같이 정의된다.
A = 10 \log_{10}\left(\frac{P_t}{P_r}\right) \, [dB]
여기서 P_t는 송신 전력, P_r은 수신 전력이다. 단위 거리당 감쇠율은 dB/km 단위로 표현되며, 주파수, 대기 조건, 강수, 기상 현상에 따라 변화한다.
28.31.2 대기 감쇠의 학술적 분류
대기 감쇠는 발생 메커니즘에 따라 다음과 같이 분류된다.
28.31.2.1 분자 흡수
분자 흡수(molecular absorption)는 대기 분자(주로 산소와 수증기)가 특정 주파수의 전파를 흡수하는 현상이다. 산소는 약 60 GHz와 118.74 GHz에서 강한 흡수선을 가지며, 수증기는 약 22.235 GHz와 183.31 GHz에서 흡수선을 가진다.
28.31.2.2 강수에 의한 감쇠
강수(비, 눈, 우박)는 전파를 산란하고 흡수하여 감쇠를 유발한다. 일반적으로 주파수가 높을수록, 강수 강도가 클수록 감쇠가 크다. ITU-R P.838-3는 강우에 의한 감쇠 계수를 표준화하여 제공한다.
28.31.2.3 구름과 안개에 의한 감쇠
구름과 안개는 작은 액체 수적의 집합으로서, 강수보다는 약하지만 일정한 감쇠를 유발한다. ITU-R P.840-7은 구름에 의한 감쇠 모델을 제공한다.
28.31.2.4 황사와 먼지에 의한 감쇠
대기 중의 황사와 먼지는 전파를 산란하여 감쇠를 유발한다. 일반적으로 그 영향은 강수보다 작지만, 강한 모래 폭풍 환경에서는 무시할 수 없는 수준이 된다.
28.31.2.5 신틸레이션
대기 굴절률의 시공간적 변동에 의한 신틸레이션(scintillation)은 전파 신호의 진폭과 위상에 무작위 변동을 유발한다. 일반적으로 주파수가 높을수록 신틸레이션의 영향이 크다.
28.31.3 주파수 대역별 대기 감쇠
항공 로봇에 활용되는 주요 주파수 대역과 대기 감쇠의 특성은 다음과 같다.
| 주파수 대역 | 주파수 범위 | 대기 감쇠 특성 | 활용 |
|---|---|---|---|
| HF | 3 ~ 30 MHz | 매우 작음, 전리층 반사 | 장거리 통신 |
| VHF | 30 ~ 300 MHz | 작음 | 항공 통신 (118 ~ 137 MHz) |
| UHF | 300 MHz ~ 3 GHz | 작음 | 항공 통신, 무인기 데이터 링크 |
| L 대역 | 1 ~ 2 GHz | 작음 | GNSS, 통신 |
| S 대역 | 2 ~ 4 GHz | 작음 | 통신, 레이더 |
| C 대역 | 4 ~ 8 GHz | 보통 | 위성 통신 |
| X 대역 | 8 ~ 12 GHz | 보통 | 레이더, 위성 통신 |
| Ku 대역 | 12 ~ 18 GHz | 강수에 민감 | 위성 통신 |
| Ka 대역 | 26 ~ 40 GHz | 강수에 매우 민감 | 위성 통신, 5G |
| V 대역 | 40 ~ 75 GHz | 산소 흡수 강함 | 단거리 통신 |
| W 대역 | 75 ~ 110 GHz | 강한 감쇠 | 단거리 통신, 레이더 |
일반적으로 무인기의 원격 제어와 데이터 링크에는 UHF 대역(900 MHz, 2.4 GHz, 5.8 GHz)이 광범위하게 활용되며, 광대역 영상 전송에는 5 GHz 또는 더 높은 대역이 활용된다.
28.31.4 강우 감쇠
강우는 항공 로봇의 통신에 가장 큰 감쇠 요인의 하나이다. ITU-R P.838-3에 따른 강우 감쇠 모델은 다음과 같이 표현된다.
\gamma_R = k R^\alpha \, [dB/km]
여기서 \gamma_R은 단위 거리당 감쇠, R은 강우 강도(mm/h), k와 \alpha는 주파수와 편파에 따른 매개변수이다.
| 주파수 | k (수평 편파) | \alpha (수평 편파) |
|---|---|---|
| 1 GHz | 0.0000259 | 0.9691 |
| 5 GHz | 0.00224 | 1.452 |
| 10 GHz | 0.0101 | 1.276 |
| 20 GHz | 0.0751 | 1.099 |
| 30 GHz | 0.187 | 1.021 |
| 40 GHz | 0.350 | 0.939 |
일반적으로 10 GHz 이상의 주파수에서는 강한 강우(50 mm/h)에서 dB/km 수준의 감쇠가 발생할 수 있다. 5 GHz 이하에서는 강우 감쇠가 비교적 작다.
2. 항공 로봇 통신 시스템에 대한 영향
전파 전파의 대기 감쇠는 항공 로봇 통신 시스템에 다음과 같은 영향을 미친다.
2.1 통신 거리의 제한
대기 감쇠는 통신 가능 거리를 직접 제한한다. 송신 전력, 안테나 이득, 수신기 감도가 일정한 경우, 대기 감쇠가 클수록 통신 가능 거리가 감소한다.
2.2 데이터 전송 속도의 변동
대기 감쇠로 인한 신호 대 잡음비의 감소는 데이터 전송 속도에 영향을 미친다. 적응형 변조 코딩(adaptive modulation and coding, AMC)은 환경 변화에 따라 데이터 전송 속도를 동적으로 조정한다.
2.3 통신 가용성
강한 강수, 안개, 황사 등의 환경에서는 통신 신뢰성이 저하될 수 있으며, 안전 중심 응용에서의 가용성 평가가 중요하다.
2.4 다중 경로 전파
대기 굴절과 다중 경로 전파(multipath propagation)도 통신 신호의 품질에 영향을 미친다. 이는 후속 절에서 상세히 다루어진다.
3. 학술적 모델과 표준
전파 전파의 대기 감쇠에 관한 학술적 모델과 표준은 다음과 같다.
ITU-R P.676-13 Attenuation by atmospheric gases and related effects은 분자 흡수에 의한 감쇠 모델을 제공한다.
ITU-R P.838-3 Specific attenuation model for rain for use in prediction methods은 강우에 의한 감쇠 모델을 제공한다.
ITU-R P.840-9 Attenuation due to clouds and fog은 구름과 안개에 의한 감쇠 모델을 제공한다.
ITU-R P.530-18 Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems은 가시선 전파 시스템 설계의 종합적 권고를 제공한다.
ITU-R P.531 Ionospheric propagation data and prediction methods required for the design of satellite services and systems은 전리층 전파 모델을 제공한다.
ITU-R P.834-9 Effects of tropospheric refraction on radiowave propagation은 대류권 굴절에 의한 영향을 제공한다.
4. 항공 로봇 공학에서의 활용
전파 전파의 대기 감쇠는 항공 로봇 공학에서 다음과 같은 영역에 활용된다.
첫째, 통신 시스템의 설계와 링크 예산(link budget) 산출에 활용된다. 송신 전력, 안테나 이득, 수신기 감도, 마진 산정에 직접 활용된다.
둘째, 통신 가능 거리와 가용성의 평가에 활용된다. 운용 환경의 평균 감쇠와 극한 감쇠를 산정하여 운용 한계를 결정한다.
셋째, 통신 시스템의 성능 시뮬레이션과 검증에 활용된다.
넷째, 도심 항공 모빌리티(UAM)와 군집 비행에서 다수 무인기와 지상 통제 시스템 사이의 통신 신뢰성 평가에 활용된다.
다섯째, 인증 절차에서 통신 시스템의 환경 적합성 평가에 활용된다.
5. 학술적 발전 방향
전파 전파와 대기 감쇠에 관한 학술적 발전 방향은 다음과 같다.
첫째, 5G와 6G의 새로운 주파수 대역(밀리파, 테라파)에서의 대기 감쇠 정량화. 둘째, 5G/6G 기반 무인기 통신 시스템의 학술적 평가. 셋째, 인공지능 기반의 통신 채널 예측과 적응형 통신 제어. 넷째, 군집 비행에서의 분산 통신 네트워크 최적화. 다섯째, 도심 환경의 비가시선(non-line-of-sight, NLOS) 통신 기법.
6. 출처
- International Telecommunication Union (ITU), Recommendation ITU-R P.676-13: Attenuation by atmospheric gases and related effects, 2022.
- International Telecommunication Union (ITU), Recommendation ITU-R P.838-3: Specific attenuation model for rain for use in prediction methods, 2005.
- International Telecommunication Union (ITU), Recommendation ITU-R P.840-9: Attenuation due to clouds and fog, 2023.
- International Telecommunication Union (ITU), Recommendation ITU-R P.530-18: Propagation data and prediction methods required for the design of terrestrial line-of-sight systems, 2021.
- Crane, R. K., Electromagnetic Wave Propagation Through Rain, Wiley, 1996.
- Rappaport, T. S., Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd edition, Prentice Hall, 2002.
- Saunders, S. R. and Aragón-Zavala, A., Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, 2nd edition, Wiley, 2007.
- Pratt, T., Bostian, C. W., and Allnutt, J. E., Satellite Communications, 3rd edition, Wiley, 2019.
7. 버전
- 문서 버전: 1.0
- 작성일: 2026-04-18