이동통신 중계소 전파의 통달거리 전자파 크기, 셀룰러 이해

도로 주변에 혹은 건물 옥상에 이동통신사 중계소(안테나)를 쉽게 발견할 수 있습니다.

스마트폰 보급률이 높아지면서 이동통신사의 중계소도 늘어 날 수밖에 없습니다.  더군다나 도로 주변에는 거대한 철탑이 세워져 있습니다.
그럼 여기(중계소 안테나)에서 발생한 전파는 얼마나 멀리까지 갈까?
크고 높으니까 멀리 아주 멀리(수 Km 정도?)라고 생각하시는 분들이 많습니다.
정말 그럴까요?
그러나 정답은 "NO"입니다.
그렇게 먼 거리까지 전파를 보낼 필요도 없지만 거리가 멀어지면 휴대전화의 전파를 수신할 수 없게 됩니다. 또 통달거리가 길어지면 다른 중계소와 간섭을 일으키게 됩니다.
그래서 이동통신의 통신 방식을 이해할 필요가 있습니다.
휴대전화의 통신 방식을 '셀룰러(Cellular)'라고 합니다.
셀 이란, 통화 반경을 말하며 넓은 지역을 다수의 셀로 나눈 뒤 각각의 셀에 중계소를 설치하는 것으로 이 중계소가 셀 이 됩니다.
과거 이동 통신 초창기만 해도 중계소를 촘촘히 배치하지 않아도 되었습니다. 그러나 가입자가 폭발적으로 늘어나면서 하나의 중계소가 처리할 수 있는 능력은 한계에 부딪혔습니다. 그래서 중계소를 촘촘히 배치하게 됩니다. 그리고 중계소의 전파 출력을 약하게 합니다.
왜?
1. 기술이 좋아졌다.
2. 가입자와 데이터 수요가 폭발적으로 늘었다.

과거에 비해 전파의 세기를 세밀하게 조절하는 기술이 향상되었고 안테나와 필터 기술이 향상되어 소형화가 가능 해졌습니다.
하나의 주파수를 잘게 나누어 여러 개의 채널로 만들고 이 채널을 여러 중계소에서 사용할 수 있게 됩니다.
아울러 도시화와 함께 많은 가입자가 특정 지역에 집중되기 때문에 중계소의 거리가 멀고 출력이 강력한 것보다 중계소를 촘촘히 배치하여 가입자의 데이터를 분산 처리해야 했습니다.

셀룰러 통신에는 중계소의 거리, 즉 중계소 하나가 담당하는 통신 반경에 따라 다음과 같이 4개로 분류합니다.
1. 이동통신의 통화 반경에 따른 Cell의 분류는 다음과 같습니다.
가) Mega Cell : 통신 반경은 100~500Km 정도로 인공위성이 기지국 역할을 하는 것으로 매우 넓은 사용범위를 갖습니다. 
나) Macro Cell : 통신 반경이 최대 20~30Km 정도로 넓으며 과거 카폰이라고 하여 큰 안테나를 달고 다니던 시대에 사용했습니다.
다) Micro Cell : 반경 ~1km 정도로 안테나가 눈에 보이는 거리(가시거리)가 통화 거리가 됩니다. 주로 중소 규모의 도심지와 고속도로 등에 많이 설치합니다.
라) Pico Cell : 통신 반경 50m 이내이며 복잡한 도심지에 사용합니다.

2. 그럼 통신사는 Cell이라는 개념을 사용할까?
가) 자원(전파:주파수)가 한정되어 있다.
나) 자원을 효율적으로 사용한다.
위 사진 셀룰러 개념에서 육각형은 중계소를 말하고 F1, F2, F3, F4는 각각의 주파수를 말합니다.
그래서 동일한 주파수를 인접 Cell에 배치하지 않고 건너뛰어 베치 하는 것이다. 이렇게 배치함으로써 몇 개의 주파수만 가지고도 전국에 촘촘히 중계소를 사용할 수 있는 것입니다.
다시 말해 동일한 주파수의 전파를 서로 교차하여 사용할 수 있게 함으로써 전파의 효율적인 사용은 물론 낭비도 없애는 것이죠.
다음은 각 통신사별 주파수 보유 현황으로 통신 3사의 LTE 주파수의 범위는 40Mhz에 불과하고 LTE의 기본 채널 간격은 10Mhz입니다.

결국 통신사는 이 한정된 주파수로 많은 가입자를 수용하고 폭발적으로 늘어난 데이터 폭주로 잡아야 합니다.
그래서 중계소를 촘촘히 배치하고 출력을 낮게 하게 됩니다.

3. 왜 Micro 또는 Pico Cell을 사용할까?
가) 단말기의 출력이 낮아졌다.
나) 많은 가입자를 수용하기 위해 중계소를 많이 설치하여야 하기 때문이다.
전파는 출력이 강할수록 멀리까지 전달됩니다. 그리고 지향성 안테나를 사용하면 보다 효율적으로 전파를 전달 가능합니다.
그러나 중계소의 전파의 출력은 얼마든지 크게 할 수 있지만 단말기의 전파 출력을 증가시키기 어렵습니다. 
왜?
"배터리 소모가 커지기 때문입니다."
현재 스마트폰의 무선 출력은 최고 0.5w입니다. 그러나 출력을 키워 사용거리를 늘리고자 한다면 배터리의 소비도 크게 증가하게 될 것입니다. 그래서 중계소의 출력을 키우는 것보다 중계소를 많이 두어 단말기와의 거리를 가깝게 하고 중계소의 수신 감도를 크게 하여 폰에서 출력되는 전파가 잘 수신되게 하는 것이 더 좋은 방법이 됩니다.
그래서 현재 휴대 전화기는 중계소와의 거리에 따라 무선 출력을 조절하는 기능이 있는데  휴대전화기의 중계소의 거리가 변화하더라도 중계소 안테나에는 일정한 크기의 전파가 수신되도록 하고 나아가 휴대전화의 배터리 소모를 줄여주는 역할도 하는 것입니다.
※ 실제 산에서는 휴대폰 배터리가 더 빨리 소모됩니다.

정리하면 이렇습니다.
1. 중계소의 안테나 크기가 매우 크긴 하지만 전파의 출력이 강력하기 때문이 아니라 효율적인 방사와 그 이득의 수신을 위해 그 이득의 지향성 안테나를 사용하기 때문입니다.
2. 무선통신은 교신하는 쌍방의 출력이 같아야만 사용거리가 길어집니다. 그러나 현실적으로 휴대전화기의 충력은 낮기 때문이 중계소의 출력을 크게 할 필요는 없게 됩니다. 먼 거리에서 중계소의 전파를 수신할 수 있다고 해도 핸드폰의 전파를 중계소에서 수진하지 못하면 연결이 안 되는 것입니다. 따라서 중계소의 출력은 크게 할 필요가 없게 되며 Cell 내의 단말기와 통신할 수 있는 전력이면 충분한 것입니다.

전자파가 염려되며?
핸드폰을 귀에 붙여 통화하지 않은다.
  ※ 스피커폰 기능이나 이어폰을 사용한다.

일반적으로 핸드폰 사용자의 위치에서 살펴보면 중계소의 전파보다 핸드폰에서 출력되는 전파의 크기가 훨씬 더 크다는 것입니다.