TTA 29번 정리중

와이파이(Wi-Fi)는 근거리 무선 통신 기술로, 2000
년 초반 인터넷 활성화와 함께 노트북을 중심으로 사
용이 확대되어 왔다. 2010년부터 시작된 스마트폰 시장
의 급속한 확대는, 와이파이 응용 기술을 단순 웹 서
비스에서 VoIP, 고화질 비디오 전송 등 다양한 형태로
발전시켰다.

2. 와이파이 아키텍처

IEEE 802.11에서는 와이파이 무선 접속 기술에 해
당하는 매체 접속 제어(MAC), 물리 계층(PHY) 프로
토콜을 개발하고 있다. 다양한 응용 기술을 지원하기
위해 와이파이 무선 접속 기술 역시 많은 변화가 있었
으며


[그림 2] IEEE 802.11 Infrastructure Model


[그림 2]는 IEEE 802.11에서 개발한 와이파이 무선 접속 기술의 전체적인 아키텍처를 보여주고 있다. AP(Access Point)들은, DS(Distribution System)를 통해 서로 연결되며 IEEE 802 계열이 아닌 다른 네트워크 간에는 포털 서비스를 통해 연동이 이뤄진다. [그림 1]에서 설명했듯, AP와 STA 간 통신은 MAC Sublayer, PLCP Sublayer, PMD Sublayer 간에 Layered Protocol을 통해 이뤄진다.

3. 와이파이 매체 접속 제어 프로토콜

표준별 지원 채널 표 :
IEEE 802.11n 표준이 제정되기 전까지 와이파이는 20MHz 채널만 지원하였다. 하지만 IEEE 802.11n 표준부터는 40MHz 채널을 지원하기 시작했고, IEEE 802.11ac부터는 80MHz, 160MHz 채널을 지원할 예정이다.



사용 가능한 채널 대역폭이 20MHz에서 160MHz까지 다양해짐에 따라 송수신 단말 간에 적절한 채널 대역폭을 결정하는 것이 와이파이 성능을 결정하는데 중요한 요인이 되었다. 이를 위해 IEEE 802.11ac부터는 RTS/CTS 컨트롤 프레임을 통한 동적 채널 대역폭 설정 프로토콜이 개발되었다.



IEEE 802.11ac에서부터 지원되는 동적 채널 대역폭 설정 프로토콜을 보면, 송신 단말이 RTS 컨트롤 프레임을 광대역으로 전송하고, 목적 단말은 현재 자신이 사용 가능한 채널 대역폭에 맞춰 CTS 컨트롤 프레임을 응답하는 것이다. 예를 들어 송신 단말이 160MHz 채널 대역폭을 사용하길 원하는 경우, RTS 컨트롤 프레임을 160MHz 채널 대역폭으로 전송하게 된다. 목적 단말에서 현재 사용 가능한 채널 대역폭이 80MHz인 경우, 목적 단말은 80MHz 채널 대역폭으로 CTS 컨트롤 프레임을 전송하게 된다. 80MHz 채널 대역폭으로 CTS 컨트롤 프레임을 수신받게 되면, 송신 단말이 이후에 전송하는 데이터 프레임은 80MHz 채널 대역폭보다 작거나 같아야 한다.


4. 와이파이 물리 계층 프로토콜
와이파이에서 물리 계층은, 기본적으로 One-to-Many 통신을 위해 디자인되었다. 송신 단말을 제외한 모든 단말들이 수신 가능하도록 설계되었고, 실제로 모든 단말들이 목적 단말과 관계없이 모든 전파 신호를 디코딩한다.
이러한 물리 계층의 디자인 방향은 IEEE 802.11ac에서부터 조금씩 변화되었다. 대표적으로 IEEE 802.11
ac 물리 계층의 PLCP 헤더는 Partial AID(Association
ID)라 하여 목적 단말을 나타내는 로컬 식별자 정보를 포함한다. 수신한 프레임의 Partial AID와 자신의 Partial AID가 같은 경우에만 단말은 PSDU를 디코딩하게 된다. 그렇지 않은 경우, 해당 프레임의 PSDU을 디코딩하지 않는 방식으로 단말의 전력 소모를 줄이게 된다.

[그림 4]는 IEEE 802.11ac 물리 계층 프레임 포맷을 보여주고 있다. Legacy 단말과의 호환성을 위해 L-STF, L-LTF, L-SIG 필드들이 전송되며, VHT SIGA는 IEEE 802.11ac에 특징적인 물리 계층 파라미터에 대한 시그널링 정보를 포함한다. 예를 들어, 목적 단말의 로컬 식별자 정보를 지시하는 Partial AID는 VHT SIGA 필드에 포함된다.


IEEE 802.11ac부터 하향 링크 데이터에 한해, AP 가 동일한 주파수를 사용해 복수의 단말로 서로 다른 메시지를 동시에 전송하는 것이 가능해졌다

IEEE 802.11ac처럼 AP가 복수의 단말로 서로 다른 메시지를 동시 전송하게 되면, aggregated throughput이 올라가는 효과를 얻게 된다.

와이파이 물리 계층에서 전송 속도를 높이기 위한 다른 접근 방식은 High Order Modulation을 사용하는 것이다. IEEE 802.11ac 물리 계층에서는 IEEE 802.11b/g/n에서 지원하지 않았던 256QAM을 지원해 1Gbps 이상의 높은 throughput을 제공하고 있다.


IEEE 802.11ac는 5GHz 주파수 대역에서 80MHz, 160MHz 채널 대역폭 사용해 1Gbps 이상의 throughput을 지원하기 위한 기술 규격이다. 160MHz 채널 대역폭을 사용하게 되면 높은 throughput을 제공하기 수월하지만, 5GHz에서 연속적으로 사용 가능한 160MHz 채널이 있을 때만 활용될 수 있다는 제약 조건이 따른다. 5GHz



[그림 5]는 IEEE 802.11ac 물리 계층에서 지원하는 비연속 채널 결합 전송 기법에 대한 block diagram을 보여 준다. 송신 단말은 서로 인접하지 않은 2개의 80MHz 채널을 하나의 160MHz 채널로 간주하여 전송하게 된다.





향후 방향

점차 다양한 서비스에 와이파이가 활용됨에 따라 요구하는 기능이 점점 많아졌고, 그 결과 와이파이 매체 접속 제어 프로토콜, 물리 계층 프로토콜 모두 복잡도가 증가하고 있는 추세이다. IEEE 802.11에서는 지속해서 와이파이 통신 프로토콜의 효율성을 높이기 위한 기술 개선 작업이 진행 중이다.
그동안 와이파이가 매체 접속 제어 프로토콜, 물리 계층 프로토콜을 중심으로 개선이 이뤄져왔다면, 앞으로 와이파이는 상위 레이어에서 지원되는 응용 표준 기술이 미래 와이파이 산업의 성장을 위한 매우 중요한 역할을 차지할 것으로 기대된다.