무지향성 안테나와 지향성 안테나 비교
소개
본 문서에서는 기본 안테나 정의를 소개하며 무지향성 안테나와 지향성 안테나의 장단점을 중심으로 안테나 개념을 살펴봅니다.
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기본 정의 및 안테나 개념
안테나는 무선 시스템에 3가지 기본적인 특성, 즉 게인, 방향 및 편파를 제공합니다. 게인은 전력의 증가를 측정한 것입니다. 게인은 안테나가 무선 주파수(RF) 신호에 추가하는 에너지의 증가량입니다. 방향은 전송 패턴의 모양입니다. 지향성 안테나의 게인이 증가하면 일반적으로 방사각이 감소합니다. 따라서 커버리지 거리는 증가하지만 커버리지 각도는 감소합니다. 커버리지 면적 또는 방사 패턴은 도 단위로 측정됩니다. 각도는 도 단위로 측정되며 빔 폭이라고 합니다.
안테나는 신호에 추가되는 전력을 제공하지 않는 패시브 디바이스입니다. 대신, 안테나는 송신기에서 수신되는 에너지를 단순 리디렉션합니다. 이 에너지의 리디렉션으로 인해 한 방향으로 제공되는 에너지가 증가하고 다른 모든 방향으로 제공되는 에너지가 감소합니다.
빔 폭은 수평 플레인과 수직 플레인으로 정의됩니다. 빔 폭은 모든 평면에서 안테나의 방사 패턴에서 절반의 전력 포인트(3dB 포인트) 간의 각도 분리입니다. 따라서 안테나에는 수평 빔 폭과 수직 빔 폭이 있습니다.
그림 1: 안테나의 빔 폭 
안테나는 등방성 또는 다이폴 안테나와 비교하여 등급이 부여됩니다. 등방성 안테나는 3차원 방사 패턴이 균일한 이론적인 안테나입니다(반사판이 없는 전구와 유사). 다시 말해, 이론적인 등방성 안테나는 완벽한 360도 수직 빔 폭과 수평 빔 폭 또는 구형 방사 패턴을 가지고 있습니다. 모든 방향으로 방사되며 1(0dB)의 게인(제로 게인 및 제로 손실)을 갖는 이상적인 안테나입니다. 특정 안테나의 전력 레벨을 이론적인 등방성 안테나와 비교하는 데 사용됩니다.
그림 2: 등방성 안테나의 방사 패턴 
안테나는 방향성에 따라 무지향성 안테나와 지향성 안테나로 크게 분류할 수 있습니다.
등방성 안테나와 달리 다이폴 안테나는 실제 안테나입니다. 다이폴 방사 패턴은 수평면에서 360도, 수직면에서 약 75도(다이폴 안테나가 수직으로 서 있다고 가정)이며 도넛 모양과 유사합니다. 빔이 약간 집중되어 있으므로 수평면에서 다이폴 안테나의 게인은 등방성 안테나보다 2.14dB 높습니다. 다이폴 안테나는 등방성 안테나와 비교하여 2.14dBi의 게인이 있다고 합니다. 안테나의 게인이 높을수록 수직 빔 폭은 더 작아집니다.
등방성 안테나의 방사 패턴이 안테나로부터 모든 방향으로 균일하게 부풀려지는 풍선과 같다고 가정해 보겠습니다. 이제 풍선의 위와 아래를 누른다고 상상해 보십시오. 이렇게 하면 풍선이 바깥 방향으로 확장되어 수평 패턴에서의 면적은 확장되지만 안테나 위와 아래의 커버리지 면적은 축소됩니다. 따라서 안테나의 커버리지가 더 크게 확장되는 것처럼 보이므로 게인이 증가합니다.
그림 3: 무지향성 안테나의 방사 패턴 
무지향성 안테나의 방사 패턴은 비슷합니다. 무지향성 안테나는 360도 수평 방사 패턴을 제공합니다. 수직 커버리지의 각도가 다양하여 안테나에서 모든 방향(수평 방향)의 커버리지가 필요할 때 사용됩니다. 분극성은 실제로 RF 에너지를 방출하는 안테나 요소의 물리적 방향입니다. 예를 들어 무지향성 안테나는 일반적으로 수직 분극 안테나입니다.
그림 4: 안테나 편파 
지향성 안테나는 RF 에너지를 특정 방향으로 집중시킵니다. 지향성 안테나의 게인이 증가하면 커버리지 거리는 증가하지만 유효 커버리지 각도는 감소합니다. 지향성 안테나의 경우, 로브가 특정 방향으로 밀리며 안테나 후면에는 에너지가 거의 없습니다.
그림 5: 지향성 안테나의 방사 패턴 
안테나의 또 다른 중요한 측면은 전면 대 후면 비율입니다. 안테나의 지향성을 측정합니다. 안테나가 특정 방향으로 유도하는 에너지의 비율이며, 안테나 뒤에 남겨지거나 낭비되는 에너지에 대한 방사 패턴에 따라 달라집니다. 안테나의 게인이 높을수록 전면 대 후면 비율이 높아집니다. 양호한 안테나 전면 대 후면 비율은 일반적으로 20dB입니다.
그림 6: 로브가 보정된 지향성 안테나의 일반적인 방사 패턴 
안테나의 게인은 21dBi, 전면 대 후면 비율이 20dB 또는 전면 대 측면 비율이 15dB일 수 있습니다. 이는 역방향의 게인이 1dBi이고 측면의 게인이 6dBi임을 의미합니다. 무선 LAN의 전반적인 성능을 최적화하려면 적절한 안테나 선택 및 배치로 무선 커버리지를 최대화하는 방법을 이해하는 것이 중요합니다.
실내 효과
무선 전파는 특정 환경에서 반사, 굴절 또는 회절의 영향을 받을 수 있습니다. 회절은 모서리 주변의 파동이 구부러지는 현상입니다. RF 웨이브는 송신기와 수신기 간에 다중 경로를 사용할 수 있습니다. 다중 경로는 기본 신호와 반사, 굴절 또는 회절된 신호의 조합입니다. 따라서 수신기 측에서는 직접 신호에 반사된 신호가 결합되어 신호가 손상되거나 신호의 위상에 따라 신호 크기를 늘릴 수 있습니다. 직접 신호에 의해 이동한 거리가 반송된 신호보다 짧기 때문에 시차로 인해 두 신호가 수신됩니다.
이러한 신호는 중복되어 단일 신호로 결합됩니다. 실제로는 첫 번째 수신 신호와 마지막으로 반향된 신호 간의 시간을 지연 확산이라고 합니다. 지연 확산은 다중 경로를 나타내는 데 사용되는 매개변수입니다. 반사된 신호의 지연은 나노초 단위로 측정됩니다. 지연 확산의 양은 송신기와 수신기 사이에 존재하는 장애물 또는 인프라의 양에 따라 달라집니다. 따라서 지연 확산은 가정 환경과 비교할 때 금속 구조물이 많은 제조 현장에 더 적합합니다. 전반적으로 다중 경로는 데이터 속도를 제한하거나 성능을 저하시킵니다.
그림 7: 실내 환경에서의 다중 경로 효과 
실내 RF 전파는 실외와 동일하지 않습니다. 단단한 장애물, 천장, 바닥이 감쇠 및 다중 경로 신호 손실에 영향을 주기 때문입니다. 따라서 실내 환경에서는 다중 경로 또는 지연 확산이 더 많이 발생합니다. 지연 확산이 더 많을수록 간섭이 더 커지고 특정 데이터 속도에서 처리량이 낮아집니다.
실내 환경은 준 LOS(Line of Sight) 및 비 LOS로 분류할 수도 있습니다. 복도와 같이 액세스 포인트(AP)를 볼 수 있는 준 LOS 환경에서 다중 경로는 일반적으로 미미하며 쉽게 해결할 수 있습니다. 반향된 신호의 크기는 기본 신호의 크기보다 훨씬 작습니다. 그러나 기본 신호가 부분적으로 또는 완전히 차단되어 일반적으로 더 많은 다중 경로가 존재하기 때문에 비 LOS 조건에서는 반향되는 신호의 전력 레벨이 더 높을 수 있습니다.
다중 경로는 반고정 현상입니다. 그러나 개체 이동과 같은 다른 요인이 작용할 수 있습니다. 특정 다중 경로 조건이 한 샘플 기간에서 다음 기간으로 변경됩니다. 이를 시간 변동이라고 합니다.
다중 경로 간섭으로 인해 안테나의 RF 에너지가 매우 높아지지만 데이터를 복구할 수 없습니다. 분석을 전력 레벨로만 제한해서는 안됩니다. RF 신호가 낮다고 해서 통신 품질이 낮아지는 것은 아니지만 신호 품질이 낮으면 통신 품질이 낮아집니다. 신호 품질과 Rx 레벨을 나란히 분석해야 합니다. Rx 레벨이 높고 신호 품질이 낮으면 간섭이 많이 발생합니다. 이러한 시나리오에서는 채널 주파수 계획을 다시 분석해야 합니다. Rx 레벨이 낮고 신호 품질이 낮으면 차단이 많이 발생합니다.
실내 웨이브 전파는 건축 자재의 영향도 받습니다. 건물 공사에 사용된 자재의 밀도에 따라 RF 신호가 통과하며 적정한 커버리지를 유지할 수 있는 벽의 수가 결정됩니다. 종이와 플라스틱은 신호 침투에 거의 영향을 주지 않습니다. 단단한 벽, 단단한 바닥, 프리캐스트 콘크리트 벽은 커버리지를 저하시키지 않으면서 신호 침투를 벽 1~2개로 제한합니다. 이는 콘크리트 내 철근에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 콘크리트 및 콘크리트 블록 벽면은 신호 침투를 벽 3~4개로 제한할 수 있습니다. 목재 또는 건식 벽체의 경우 일반적으로 벽 5~6개에 적정한 침투가 가능합니다. 두꺼운 금속 벽은 신호를 반사하여 침투가 저하됩니다. 철근 콘크리트 바닥재는 층 간 커버리지를 1~2층으로 제한합니다.
주파수가 높을수록 파장이 짧아집니다. 파장이 짧을수록 건축 자재에 흡수되어 왜곡될 가능성이 높아집니다. 따라서 더 높은 주파수 대역에서 작동하는 802.11a는 건축 자재의 영향을 더 많이 받습니다.
RF에 미치는 실제 영향은 현장에서 테스트해야 합니다. 따라서 현장 조사가 필요합니다. 현장 조사를 통해 벽면 반대쪽에서 수신되는 신호 레벨을 확인해야 합니다. 안테나 유형과 안테나 위치를 변경하여 다중 경로 간섭을 제거할 수 있습니다.
무지향성 안테나의 장단점
무지향성 안테나는 설치가 매우 쉽습니다. 360도 수평 패턴이므로 실내 환경의 천장에서 거꾸로 설치할 수도 있습니다. 또한 제품에 매우 편리하게 연결할 수 있는 형태입니다. 예를 들어 Rubber Duck 안테나를 무선 AP에 연결할 수 있습니다. 등방성 안테나에서 무지향성 게인을 얻으려면 에너지 로브를 상단과 하단에서 밀어 넣고 도넛형 패턴으로 확장합니다. 풍선의 양끝을 계속 누르면(등방성 안테나 패턴) 팬케이크 효과로 인해 수직 빔 폭이 매우 좁아지지만 수평 커버리지가 확대됩니다. 이러한 유형의 안테나 설계는 매우 긴 통신 거리를 제공할 수 있지만, 안테나 아래의 커버리지가 저하된다는 단점이 있습니다.
그림 8: 안테나 아래에 커버리지가 없는 무지향성 안테나 
높은 지점의 영역을 커버하려고 하면 안테나 아래에 커버되지 않는 커다란 구멍이 생깁니다.
이 문제는 다운틸트라는 설계를 통해 부분적으로 해결할 수 있습니다. 다운틸트를 사용하면 안테나 위쪽보다 안테나 아래쪽에 더 많은 커버리지를 제공하도록 빔 폭이 조정됩니다. 무지향성 안테나에는 방사 패턴의 특성으로 인해 이러한 다운틸트 솔루션을 사용할 수 없습니다.
무지향성 안테나는 일반적으로 수직 분극 안테나이므로 교차 분극을 사용하여 간섭을 방지할 수 없습니다.
게인이 낮은 무지향성 안테나는 실내 환경에 완벽한 커버리지를 제공합니다. 다중 경로 환경에서 신호를 수신할 가능성을 높이기 위해 AP 또는 무선 디바이스 근처의 더 넓은 영역을 커버합니다.
참고: 대규모 배포에 사용할 수 있는 Cisco Aironet 안테나 외에도 시스코에서는 소규모 사무실 환경을 위해 게인이 높은 무지향성 안테나인 HGA9N 및 HGA7S를 지원합니다.
지향성 안테나의 장단점
지향성 안테나를 사용하면 특정 방향의 RF 에너지를 더 먼 거리까지 전환할 수 있습니다. 따라서 장거리를 커버할 수는 있지만 유효 빔 폭은 감소합니다. 이 유형의 안테나는 복도, 긴 회랑, 구조물 간에 공간이 있는 경우와 같은 준 LOS 커버리지에 적합합니다. 그러나 각도 커버리지가 작으므로 넓은 영역을 커버할 수 없습니다. 일반적으로 실내에서는 AP 주변의 더 넓은 각도 영역을 커버해야 하기 때문에 단점이 됩니다.
안테나 어레이는 커버리지가 필요한 방향을 향해야 하므로 설치가 어려울 수 있습니다.
간섭
802.11 디바이스는 라이선스가 없는 대역에서 작동하므로 누구나 사용할 수 있습니다. WLAN 간섭은 전자레인지, 무선 전화기, 인근 공항의 레이더 신호와 같은 기타 유사한 디바이스 및 기타 소스에서 발생합니다. 간섭은 Bluetooth 또는 보안 디바이스와 동일한 대역을 사용하는 다른 기술에서도 발견됩니다. 라이선스가 없는 2.4GHz 환경에서는 간섭을 피하기 위해 사용할 수 있는 채널이 제한적이며, 중첩되지 않은 3개의 채널만 사용 가능합니다.
간섭과 다중 경로로 인해 특정 주파수에서 수신 신호에 변동이 발생합니다. 이러한 신호의 변형을 페이딩이라고 합니다. 감쇠가 주파수에 따라 달라지므로, 페이딩 또한 주파수에 따라 달라집니다. 채널은 빠른 페이딩 채널 또는 느린 페이딩 채널로 분류할 수 있습니다. 이는 전송되는 기본 대역 신호가 얼마나 빠르게 변경되는지에 따라 달라집니다. 실내 환경을 통과하는 모바일 수신기는 반파장 간격으로 직접 신호의 추가 및 취소로 인한 빠른 신호 변동을 수신할 수 있습니다.
간섭이 발생하면 특정 데이터 전송률에 대해 필요한 신호 대 잡음비(SNR)가 높아집니다. 간섭 또는 다중 경로가 매우 높은 영역에서 패킷 재시도 횟수가 증가합니다. 안테나 유형과 안테나 위치를 변경하여 다중 경로 간섭을 제거할 수 있습니다. 안테나 게인은 다음과 같이 시스템 게인을 더하고 신호 및 SINR(Interference-Noise ration) 요구 사항을 개선합니다.
그림 9: 노이즈 플로어 및 신호, 간섭 대 노이즈 비율 
지향성 안테나를 통해 특정 방향으로 에너지를 집중시켜 페이딩 및 다중 경로 문제를 해결할 수 있지만, 다중 경로로 인해 지향성 안테나의 집중 정도가 낮아집니다. AP로부터 먼 거리에서 사용자가 볼 수 있는 다중 경로의 양은 훨씬 더 많을 수 있습니다.
실내용으로 사용되는 지향성 안테나는 일반적으로 게인이 낮으며, 따라서 전면 대 후면 및 전면 대 측면 로브 비율이 낮습니다. 이로 인해 기본 로브 영역 외부의 방향에서 수신되는 간섭 신호를 거부하거나 줄이기가 어려워집니다.
결론
지향성 안테나는 특정 실내 용도에 매우 유용할 수 있지만, 대부분의 실내 설치에서는 이 문서에 언급된 이유로 무지향성 안테나를 사용합니다. 지향성 또는 무지향성 안테나의 선택은 정확하고 적절한 현장 조사를 통해 주의 깊게 결정해야 합니다.
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