링크버짓(Link Budget)

무선 통신 시스템의 링크 설계에서 송수신이 완벽히 구성되도록 규격을 정하거나 조정하는 작업 또는 그 계산 결과로, 통신 자원을 할당하기 위한 유용한 도구의 하나이다. 무선 전파 거리 방정식(radio range equation)을 이용하여 구하며 무선 전파 거리 방정식은 무선 링크에 영향을 미치는 다양한 이득 및 손실 요인들의 간단한 대수합으로 나타낸다. 송신단의 각종 요소들과 전송 매체, 그리고 수신단의 감도, 이득, 잡음 지수, 마진 등을 예측하고 계산하여 전체적으로 목표치 이내의 안정된 회선 품질을 얻을 수 있도록 설계하는 모든 작업을 의미한다. 또한 무선 채널에서 겪을 모든 이득과 손실을 고려하여, 수신될 신호의 세기가 요구하는 전력 여유(margin)를 만족할 지 여부를 예측할 수 있게 해준다.

수신 전력(dBm) = 송신 전력(dBm) + 이득(dB) - 손실(dB)

💡 자유공간 수신 전력

Friis 공식에 의함 (거리의 제곱에 반비례, 파장의 제곱에 비례)
. PR: 송수신간 거리 d에 따른 수신 전력
. PT: 송신 전력
. G : 안테나 이득 (GT: 송신. GR: 수신)
. d: 송수신간 거리
. λ: 파장
. 위 식에서, 비례계수 (λ/4πd)2은 자유공간 경로손실(FSPL)이라고 불림

• 경로 손실과 페이딩은 링크 버짓에서 고려하는 요소 중에서 가장 중요한 두가지 요소다

Path Loss 계산

경로 손실(path loss)이란 송신기(transmitter)와 수신기(receiver) 사이의 통신 경로(communication path) 상에서 신호의 전력(signal's power)이 감소(reduction)하는 것을 말한다. 오늘날 산업 현장에서 쓰이는 수많은 모델들이 있으나, 이들 중에서 가장 공통적으로 쓰이는 경로 손실 요소 세 가지를 뽑으면 다음과 같다.

• 자유 공간(free space)
• 하타(Hata) 모델
• 리(Lee) 모델

이중 자유 공간(free space)에 대해서 자세히 살펴보겠다.

📌 Free Space Path Loss (자유공간 경로 손실)

자유공간 경로 손실(FSPL)은 자유공간에서 통신 시 전자기파 신호의 손실이다. 모든 경로 손실 모델의 기본 모델이고, 여기에 각각의 환경 변수를 고려함에 따라 자유 공간 모델에서 다른 모델을 적용하게 되는 것이다. 통신 시스템이 사용하는 주파수(또는 파장)와 통신 거리를 알면 신호의 손실이 얼마나 되는지 알 수 있다. 하지만, 이것은 단지 이론상 수치일 뿐이다.

• 자유공간(Free Space)은 물리학에서는 진공상태 또는 아무 물질이 없는 공간을 말한다. 일반적으로 전자공학에서는 공기 중을 말한다. 따라서 전파된 신호 전력이 무한정 같은 세기를 유지하는 것이 아니라 점차적으로 손실이 일어나게 된다. 이 모델은 point-to-point 의 경로 손실을 예측하며 다음과 같은 수식으로 표현된다.

  💡 Free Space Path Loss (FSPL) 계산

  
  · λ : 신호의 파장 (meters)
  · f : 신호의 주파수 (herz)
  · d : 통신 거리 (meters)
  · c : 빛의 속도 ( 3* 10^8 m/s)
  이것을 dB 단위로 표현하면 아래와 같다.

  💡 FSPL 계산 예시

  · 통신 방식 : WiFi
  · 주파수(f) : 2.4GHz 대역 (여기서는 채널1 : 2412 MHz로 계산)
  · 통신거리(d) : 100 미터위 계산에서 알 수 있듯이 100미터 떨어진 곳에서 WiFi 신호가 약 80dB 감쇄가 일어난다는 것을 알 수 있다. 물론 이론상 수치일 뿐이다.