와이파이 기술의 진화

2021-12-28 570

지난 20년 동안 802.11n, 802.11ac, 802.11ax(Wi-Fi 6)와 같은 새로운 프로토콜이 도입되면서 표준은 지속적으로 발전해 왔습니다.새로운 표준은 64 QAM, 256 QAM, 1024 QAM과 같은 고차 변조 방식을 지원합니다. 이러한 새로운 표준은 단일 클라이언트 또는 여러 클라이언트에 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있도록 지원하며, 최대 데이터 전송 속도를 높이는 것 외에도 시스템이 사용 가능한 스펙트럼을 얼마나 효율적으로 활용하는지를 나타내는 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위한 노력을 기울입니다. 네트워크 효율성과 용량을 개선하기 위해 MU-MIMO(다중 사용자 다중 입력 다중 출력) 및 OFDMA(직교 주파수 분할 다중 접속)와 같은 다중 사용자 기술이 도입되었습니다. Wi-Fi(802.11) 표준이 발표되고 구현되면서 시장이 개방되고 새로운 기술이 등장하면서 세상은 변화하기 시작했습니다. 각 새로운 표준은 속도와 안정성을 개선하여 이전 표준을 기반으로 구축됩니다.

Wi-Fi 표준

새로운 무선 네트워크 장치나 모바일 장치를 구매하려고 할 때, 수많은 선택지와 약어 때문에 혼란스러울 수 있습니다. Wi-Fi는 1997년 소비자에게 처음 출시된 이후 지속적으로 표준이 발전해 왔으며, 그 결과 더 빠른 속도와 향상된 네트워크/스펙트럼 효율성을 제공해 왔습니다. 초기 802.11 표준에 더 많은 기능이 추가됨에 따라, 그에 상응하는 보완 표준(802.11b, 802.11g 등)도 함께 알려지게 되었습니다. 표 1은 다양한 표준과 이러한 표준을 기반으로 달성할 수 있는 최대 이론 데이터 전송률을 보여줍니다. 실제 전송률은 거리에 따른 신호 감쇠, 변조율 및 순방향 오류 정정 코딩, 대역폭, MIMO 승수, 가드 인터벌, 일반적인 오류율 등 다양한 요인으로 인해 이론값보다 낮습니다. 802.11 제품군은 동일한 기본 프로토콜을 사용하는 반이중 무선 변조 기술 제품군입니다. 이 글에서는 각 Wi-Fi 표준의 기본 사항을 살펴보겠습니다.

표 1Wi-Fi 기록

>> 802.11-1997 standard

802.11-1997은 해당 제품군의 첫 번째 무선 표준으로 1997년에 발표되었지만 현재는 사용되지 않습니다. 이 표준은 충돌 방지 기능을 갖춘 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access Protocol) 근거리 통신망(LAN)에서 무선 데이터 통신 장비 간의 프로토콜 및 호환 가능한 상호 연결을 정의합니다. 이 프로토콜은 1Mbps로 작동하는 적외선, 1Mbps 및 선택적으로 2Mbps 데이터 속도를 지원하는 FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum), 그리고 1/2Mbps 데이터 속도를 지원하는 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) 등 세 가지 물리 계층 기술을 지원합니다. 하지만 상호 운용성 문제, 높은 비용, 그리고 충분하지 않은 처리량으로 인해 널리 사용되지는 않았습니다.

>> 802.11b standard

802.11b 제품은 1999년 중반에 출시되었습니다. 이론상 최대 데이터 전송 속도는 11Mbps이며, 기존 표준에서 정의된 CSMA/CA 미디어 액세스 방식을 사용합니다. 802.11b는 처리량의 획기적인 향상과 가격 인하로 인해 무선 기술로서 널리 보급되었습니다. 802.11b는 2.4~2.5GHz의 ISM 비면허 주파수 대역을 사용하며, DSSS의 직접적인 확장 버전이고, 변조 기술로는 CCK(상보 부호화) 방식을 사용합니다. 802.11b는 액세스 포인트가 액세스 포인트 범위 내에 있는 모바일 클라이언트와 통신하는 포인트-투-멀티포인트 구성에서 사용됩니다.

이 범위는 RF 환경, 출력 전력 및 수신기 감도에 따라 달라집니다. 802.11b는 22MHz 채널 대역폭을 가지며 11Mbps로 동작할 수 있지만, 오류로 인한 재전송률을 줄이기 위해 5.5Mbps, 2Mbps, 1Mbps(적응형 속도 선택)로 속도를 낮춥니다[1]. 802.11b 표준은 다른 무선 표준과 동일한 주파수 대역폭을 공유합니다. 따라서 전자레인지, 블루투스 장치, 무선 전화기와 같은 가정 내 무선 장치가 Wi-Fi에 간섭을 일으킬 수 있습니다.

>> 802.11a standard

802.11a는 초기 표준과 동일한 핵심 프로토콜을 사용하며, 5GHz 대역에서 동작하고, 52개의 부반송파를 사용하는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 방식을 채택합니다. 이론상 최대 데이터 전송 속도는 54Mbps이지만, 실제 처리량은 20Mbps입니다. 지원하는 다른 데이터 전송 속도로는 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48Mbps가 있습니다. 802.11a와 802.11b는 서로 다른 비면허 ISM 대역에서 동작하기 때문에 상호 운용되지 않습니다. 2.4GHz 대역의 사용량이 점점 증가함에 따라 5GHz 대역은 802.11a에 상당한 이점을 제공하지만, 높은 반송파 주파수로 인해 전체 유효 범위는 802.11b/g보다 작습니다.

802.11a 제품은 초기에는 비용, 낮은 커버리지, 802.11b와의 호환성 문제로 인해 널리 보급되지 않았습니다. 52개의 OFDM 부반송파 중 48개는 데이터 전송에 사용되고 4개는 파일럿 부반송파이며, 반송파 간격은 312.5kHz입니다. 각 부반송파는 BPSK, QPSK, 16QAM 또는 64QAM 변조 방식을 사용할 수 있습니다. 채널 대역폭은 20MHz이고, 점유 대역폭은 16.6MHz입니다. 심볼 지속 시간은 4마이크로초이며, 여기에는 0.8마이크로초의 가드 인터벌이 포함됩니다. OFDM의 장점으로는 수신 시 다중경로 효과를 줄이고 스펙트럼 효율을 향상시키는 것이 있습니다[2]. 표 2는 11a에서 지원하는 다양한 변조 방식과 각각의 이론적 데이터 전송률을 보여줍니다.

표 220MHz 채널 간격에서의 802.11a 변조율 및 데이터 전송률

>> 802.11g standard

802.11g는 2003년 여름에 출시되었습니다. 802.11a와 동일한 OFDM 기술을 사용하며, 802.11a처럼 최대 이론 전송 속도는 54Mbps입니다. 하지만 802.11b와 마찬가지로 혼잡한 2.4GHz 대역에서 작동하므로 간섭 및 기타 요인에 취약합니다. 802.11g는 802.11b와 하위 호환됩니다(즉, 802.11b 장치는 802.11g 액세스 포인트에 연결할 수 있습니다). 802.11g는 802.11a와 802.11b/g를 모두 사용하는 듀얼 밴드 또는 듀얼 모드 액세스 포인트와 호환됩니다.

>> 802.11n standard

802.11n의 도입으로 Wi-Fi는 더욱 빠르고 안정적으로 작동하게 되었습니다. 이러한 발전은 물리 계층(PHY)에 MIMO와 40MHz 채널을 추가하고 MAC 계층에 프레임 집계를 도입함으로써 이루어졌습니다. MIMO는 다중 경로 전파를 활용하기 위해 여러 개의 송수신 안테나를 사용하여 무선 링크의 용량을 두 배로 늘리는 기술입니다. 이러한 안테나들은 공간적으로 분리되어야 하며, 각 송신 안테나에서 각 수신 안테나로 전달되는 신호가 서로 다른 공간적 특성을 가져야 합니다. 이를 통해 수신기는 각 신호 스트림을 병렬로 연결된 독립적인 채널로 분리할 수 있습니다.

40MHz 대역폭으로 동작하는 채널은 대역폭을 두 배로 늘려 단일 20MHz 채널에서 PHY 데이터 전송 속도를 두 배로 높일 수 있습니다. 802.11n 초안에서는 최대 4개의 공간 스트림을 지원하며, 이론상 최대 처리량은 600Mbps입니다.

20MHz 채널은 56개의 OFDM 서브캐리어(데이터용 52개, 파일럿용 4개)를 가지며, 캐리어 간격은 312.5kHz입니다. 각 서브캐리어는 BPSK, QPSK, 16QAM 또는 64QAM 변조 방식을 사용할 수 있습니다. 전체 심볼 지속 시간은 3.6 또는 4마이크로초이며, 여기에는 각각 0.4 또는 0.8마이크로초의 가드 인터벌이 포함됩니다. 표 3은 단일 데이터 스트림에 대한 다양한 변조 및 코딩 방식을 나열합니다(다중 데이터 스트림의 경우 데이터 전송률은 스트림 수의 배수입니다). 802.11n은 프레임 집계를 지원하며, 이를 통해 여러 MAC 서비스 데이터 단위(MSDU) 또는 MAC 프로토콜 데이터 단위(MPDU)를 함께 패킹하여 오버헤드를 줄이고 여러 프레임에 걸쳐 평균화함으로써 사용자 수준 데이터 전송률을 향상시킵니다. 또한 802.11n은 802.11g, 11b 및 11a와 하위 호환됩니다[3]. Qorvo는 전력 증폭기, 저잡음 증폭기, 스위치 및 통합 프런트엔드 모듈(FEM)을 포함한 802.11n 구성 요소의 주요 공급업체입니다.

표 3802.11n 변조 및 단일 데이터 스트림의 데이터 전송률

>> 802.11ac standard

802.11ac는 802.11n의 개념을 확장하여 더 넓은 대역폭(최대 160MHz), 더 많은 MIMO 공간 스트림(최대 8개), 다운링크 다중 사용자 MIMO(최대 4개 클라이언트), 고밀도 변조(최대 256 QAM)를 포함함으로써 초당 기가비트의 속도를 제공하여 Wi-Fi 속도를 향상시킵니다. 802.11ac는 3/4, 5/6 코드율(MCS8/9)에서 256 QAM을 지원하며, 이를 위해서는 더욱 엄격한 6dB 시스템 레벨 EVM(-34dB) 요구 사항이 필요합니다. Qorvo의 11ac 구성 요소는 이러한 EVM 요구 사항을 손쉽게 충족합니다. 802.11ac는 5GHz 대역에서만 작동하므로 듀얼 밴드 액세스 포인트와 클라이언트는 2.4GHz 대역의 802.11n을 계속 사용합니다. 2013년에 출시된 최초의 802.11ac는 80MHz 채널과 최대 3개의 공간 스트림만 지원하여 물리 계층에서 최대 1300Mbps의 속도를 제공했습니다. 2015년에 출시된 두 번째 제품군(802.11ac Wave 2)은 채널 본딩, 공간 스트림 및 MU-MIMO를 지원합니다. MU-MIMO는 802.11ac에 비해 크게 발전된 기술로, MIMO가 여러 스트림을 단일 사용자에게 전송하는 반면, MU-MIMO는 공간 스트림을 여러 클라이언트에 동시에 전송하여 네트워크 효율성을 향상시킵니다. 또한 802.11ac는 빔포밍이라는 기술을 사용합니다. 빔포밍은 안테나가 특정 장치로 무선 신호를 집중적으로 전송하는 기술입니다. 802.11ac 라우터는 802.11b, 11g, 11a 및 11n과 하위 호환되므로 모든 기존 클라이언트가 802.11ac 라우터에서 올바르게 작동합니다[4].

>>Wi-Fi (은) 6 或 802.11ax 표준

802.11ax는 802.11ac의 장점을 기반으로 향상된 무선 용량과 안정성을 제공하는 6세대 Wi-Fi 기술입니다. 802.11ax는 더 조밀한 변조 방식(1024 QAM, OFDMA), 축소된 서브캐리어 간격(78.125kHz), 그리고 스케줄링 기반 리소스 할당을 통해 이러한 장점을 구현합니다. 802.11ac와 달리 802.11ax는 2.4GHz와 5GHz의 듀얼 밴드 기술이며, 802.11a/g/n/ac 클라이언트와 효율적으로 공존할 수 있도록 최대 호환성을 고려하여 설계되었습니다. 802.11ax는 OFDMA를 사용하여 리소스 단위(RU)가 클라이언트의 요구에 따라 대역폭을 분할하고 여러 사용자에게 더 빠른 속도로 동일한 환경을 제공할 수 있도록 합니다. 802.11ac에서 각 PLCP 프로토콜 데이터 단위(PPDU)의 캐리어 상의 특정 지점에서 Wi-Fi 채널은 더 작은 OFDM 서브채널 집합으로 분할됩니다. 하지만 OFDMA(802.11ax)로 인해 각 서브캐리어 그룹은 PPDU 단위로 클라이언트에 리소스 단위로 할당됩니다(그림 2).

图 2 OFDM과 OFDMA 자원 할당 비교

초기 802.11 표준의 CSMA/CA 방식에서는 무선 클라이언트가 먼저 채널을 감지하고 채널이 유휴 상태일 때만 전송하여 충돌을 방지하려고 했습니다. 이러한 명확한 충돌 평가 및 회피 방법은 유용하지만 클라이언트 수가 매우 많아지면 비효율적이 됩니다. 802.11ax 프로토콜은 OFDMA와 스케줄링 기반 리소스 할당을 통해 이 문제를 해결합니다[5]. 802.11ax 액세스 포인트는 장치의 작동 시점을 결정하므로 클라이언트를 더욱 효율적으로 처리할 수 있습니다. 리소스 스케줄링은 또한 절전 모드 동안 전력 소비를 크게 줄여 클라이언트 배터리 수명을 향상시킬 수 있습니다. 표 4는 802.11ac와 802.11ax 프로토콜의 차이점을 보여줍니다. Qorvo의 광범위한 802.11ax 제품 포트폴리오에는 2.4GHz 및 5GHz(FEM) 필터와 벌크 음향파(BAW) 필터가 포함됩니다. 포트폴리오에 포함된 에너지 효율적인 FEM은 Wi-Fi 장치의 MIMO 지원과 관련된 열 부담을 완화하여 제조업체가 제품 크기와 비용을 줄일 수 있도록 합니다. Qorvo의 edgeBoost™(밴드 에지) 및 coexBoost™(공존) BAW 필터는 Wi-Fi 서비스 품질을 향상시키고 인접한 LTE 주파수와의 간섭을 방지합니다.

표 4802.11ac vs. 802.11ax

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