Special Theme 무선융합시대의와이파이비전 Special Report 1 와이파이표준핵심기술 석용호 LG 전자차세대통신연구소 WTS 팀책임연구원 1. 머리말와이파이 (Wi-Fi) 는근거리무선통신기술로, 2000 년초반인터넷활성화와함께노트북을중심으로사용이확대되어왔다. 2010 년부터시작된스마트폰시장의급속한확대는, 와이파이응용기술을단순웹서비스에서 VoIP, 고화질비디오전송등다양한형태로발전시켰다. IEEE 802.11 에서는와이파이무선접속기술에해당하는매체접속제어 (M), 물리계층 (PHY) 프로토콜을개발하고있다. 다양한응용기술을지원하기위해와이파이무선접속기술역시많은변화가있었으며, 본고에서는와이파이표준핵심기술과그진화에대해살펴본다. 2. 와이파이아키텍처 [ 그림 1] 은 IEEE 802.11 에서개발한와이파이무선접속기술에관한참고모델을보여준다. M Sublayer는매체접속제어를담당하며, M_ SP 인터페이스를통해상위계층인 802.1X Port Filtering으로부터패킷들을전달받고 IEEE 802.11 M 프레임으로구성해물리계층으로전달하는역할을한다. PLP Sublayer는 에서구성된 IEEE 802.11 M 프레임을 PLP 프레임으로구성하는역할을한다. PLP 프레임은다시 PM Sublayer 을통해상대단말로전송된다. 와이파이무선접속을관리하는각종관리프레임 (management frame) 들은, 802.1X 상위계층에서전달되지않는다. 이러한관리프레임들은각단말내부에위치한 Station 상호간에요청과응답으로전송이이뤄진다. 예를들어 P 가 BSS(Basic Service Set) 를구성하길원하는경우, P는 MLME_SP 인터페이스, 곧 MLME-STRT. reques, MLME-STRT.confirm primitives를통해비콘전송을지시하게된다. ST 가해당 P와 ssociation을맺길원하는경우, ST는 MLME- SSOITE.request, MLME-SSOITE. 028 05/06 2013
ata Link 802.1X Port Filtering(Optional) M_SP PHY_SP response, MLME-SSOITE.confirm, MLME- SSOITE.indication primitives를통해 ssociation Request/Response frame의전송을지시하게된다. 한편물리계층에관련된운영인자값을설정하길원한다면, Station 는 PLP_ SP 인터페이스를통해각종물리계층인자값들을설정할수있다. [ 그림 2] 는 IEEE 802.11 에서개발한와이파이무선접속기술의전체적인아키텍처를보여주고있다. P(ccess Point) 들은, S(istribution System) 를통해서로연결되며 IEEE 802 계열이아닌다른 MLME- PLME SP MSGF_SP M State Generic onvergence Function MLME_SP MSGF_SME_SP 802.1X uthenticator /Supplicant RSN Key Physical PLP Sublayer PM_SP PM Sublayer PHY Sublayer PLME_SP Station [ 그림 1] IEEE 802.11 Reference Model Relay istribution System Portal Other 802 Network ata Link 802.1X Port Filtering(Optional) 802.1X Port Filtering(Optional) Physical PLP Sublayer PM Sublayer PLP Sublayer PM Sublayer Non-P ST Non-P ST Non-P ST [ 그림 2] IEEE 802.11 Infrastructure Model 네트워크간에는포털서비스를통해연동이이뤄진다. [ 그림 1] 에서설명했듯, P와 ST 간통신은 M Sublayer, PLP Sublayer, PM Sublayer 간에 ed Protocol 을통해이뤄진다. 3. 와이파이매체접속제어프로토콜와이파이매체접속제어프로토콜은 SM/ (arrier Sense Multiple ccess/ollision voidance) 기반의경쟁프로토콜을사용한다. IEEE 802.11 표준에서는이를 F(istributed oordination Function), E(Enhanced TT Journal Vol.147 029
istributed hannel ccess) 프로토콜이라부른다. F를사용하는단말들은프레임을전송하기전에 IFS(istributed Inter-Frame Space) 시간동안기다린후채널상태를확인한다. 채널이다른단말에의해사용중인경우 Back-off 절차를수행한다. Back-off 절차란, 복수의단말들이동시에전송하는것을피하고자단말들의매체접속시간을임의의시간동안지연시키는것을말한다. E는단말이전송하는프레임의 Priority별로각각의경쟁프로토콜을사용하는것이다. QoS (Quality of Service) 를보장하기위한방법으로 Voice, Video, Best-effort, Background 트래픽으로나눠동작한다. IFS+backoff Primary hannel Secondary hannel PIFS Tertiary hannel PIFS T Quaternary hannel PIFS SIFS [ 그림 3] 와이파이에서의광대역매체접속제어기술 IEEE 802.11n 표준이제정되기전까지와이파이는 20MHz 채널만지원하였다. 하지만 IEEE 802.11n 표준부터는 40MHz 채널을지원하기시작했고, IEEE 802.11ac 부터는 80MHz, 160MHz 채널을지원할예정이다. [ 그림 3] 은 IEEE 802.11ac부터지원예정인 80MHz 채널에서매체접속제어기술을보여주고있다. 기존 IEEE 802.11b/g/n 과의공존을위해, 20MHz 채널에서 F, E 프로토콜을사용해매체접속을하게된다 (F, E 프로토콜이동작하는채널을 Primary 채널이라함 ). 40MHz 채널, 80MHz 채널에서프레임전송을하기위해서는, Primary 채널외 에다른채널들의상태를체크할필요가있다. 따라서 Backoff 시간이경과된단말은 Primary 채널외에 Secondary 채널, Tertiary 채널, Quaternary 채널들의상태를확인한후프레임전송에사용할채널대역폭을정한다. 사용가능한채널대역폭이 20MHz에서 160MHz 까지다양해짐에따라송수신단말간에적절한채널대역폭을결정하는것이와이파이성능을결정하는데중요한요인이되었다. 이를위해 IEEE 802.11ac 부터는 RTS/TS 컨트롤프레임을통한동적채널대역폭설정프로토콜이개발되었다. 초기 RTS/TS 컨트롤프레임은은닉노드 (Hidden Node) 문제, 데이터프레임충돌오버헤드를줄이기위해고안된것으로, 송신단말이데이터프레임을전송하기전에수신단말로 RTS 컨트롤프레임을전송한다. RTS 컨트롤프레임을수신한목적단말은 TS 컨트롤프레임으로송신단말에응답한다. RTS/TS 컨트롤프레임을수신한제 3의단말들은이후에전송될데이터프레임을보호하기위해매체접속을일정시간지연하게된다. IEEE 802.11ac에서부터지원되는동적채널대역폭설정프로토콜을보면, 송신단말이 RTS 컨트롤프레임을광대역으로전송하고, 목적단말은현재자신이사용가능한채널대역폭에맞춰 TS 컨트롤프레임을응답하는것이다. 예를들어송신단말이 160MHz 채널대역폭을사용하길원하는경우, RTS 컨트롤프레임을 160MHz 채널대역폭으로전송하게된다. 목적단말에서현재사용가능한채널대역폭이 80MHz인경우, 목적단말은 80MHz 채널대역폭으로 TS 컨트롤프레임을전송하게된다. 80MHz 채널대역폭으로 TS 컨트롤프레임을수신받게되면, 송신단말이이후에전송하는데이터프레임은 80MHz 채널대역폭보다작거나같아야한다. 030 05/06 2013
Rate= 6Mbps Length determined by T 2 symbols 1 symbol L-STF L-LTF L-SIG VHTSIG VHT-STF VHT-LTFs VHTSIGB VHTata T [ 그림 4] IEEE 802.11ac 물리계층프레임포맷 4. 와이파이물리계층프로토콜와이파이에서물리계층은, 기본적으로 One-to- Many 통신을위해디자인되었다. 송신단말을제외한모든단말들이수신가능하도록설계되었고, 실제로모든단말들이목적단말과관계없이모든전파신호를디코딩한다. 이러한물리계층의디자인방향은 IEEE 802.11ac 에서부터조금씩변화되었다. 대표적으로 IEEE 802.11 ac 물리계층의 PLP 헤더는 Partial I(ssociation I) 라하여목적단말을나타내는로컬식별자정보를포함한다. 수신한프레임의 Partial I와자신의 Partial I가같은경우에만단말은 PSU 를디코딩하게된다. 그렇지않은경우, 해당프레임의 PSU 을디코딩하지않는방식으로단말의전력소모를줄이게된다. [ 그림 4] 는 IEEE 802.11ac 물리계층프레임포맷을보여주고있다. Legacy 단말과의호환성을위해 L-STF, L-LTF, L-SIG 필드들이전송되며, VHT SIG는 IEEE 802.11ac 에특징적인물리계층파라미터에대한시그널링정보를포함한다. 예를들어, 목적단말의로컬식별자정보를지시하는 Partial I 는 VHT SIG 필드에포함된다. 이어서 VHT-STF, VHT-LTF, VHT-SIG, VHT T 가전송되며, 해당필드의전파신호는 IEEE 802.11ac 단말별채널상태를반영해가변되어전송될수있다. IEEE 802.11ac 부터하향링크데이터에한해, P 가동일한주파수를사용해복수의단말로서로다른메시지를동시에전송하는것이가능해졌다. IEEE 802.11ac 이전까지와이파이는하나의송신단말이하나의메시지를하나의수신단말로전송하거나, IEEE 802.11n 의 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 기술을사용해하나의송신단말이복수의메시지를하나의수신단말로전송하는방식을사용하였다. 하지만 IEEE 802.11ac처럼 P가복수의단말로서로다른메시지를동시전송하게되면, aggregated throughput이올라가는효과를얻게된다. 와이파이물리계층에서전송속도를높이기위한다른접근방식은 High Order Modulation 을사용하는것이다. IEEE 802.11ac 물리계층에서는 IEEE 802.11b/g/n 에서지원하지않았던 256QM 을지원해 1Gbps 이상의높은 throughput을제공하고있다. 와이파이를통해스마트그리드, IoT(Internet of Things), M2M(Machine to Machine) 과같은새로운응용서비스를지원하기위해서와이파이의서비스범위확대가요구된다. 이를위해 1GHz 이하에서동작하는와이파이물리계층개발이필요하며현재 IEEE 802.11af/ah 에서표준화가진행중이다. IEEE 802.11af/ah 에서논의중인와이파이물리계층은기본적으로 IEEE 802.11ac 물리계층을 1/n down clocking하여사용하는것으로, IEEE 802.11ac 에서지원되는기능대부분을함께지원할수있다는장점을가진다. 902~928MHz 비면허대역에서 ( 북미기 TT Journal Vol.147 031
준 ) 1/2/4/8/16MHz 채널대역폭을지원하는 IEEE 802.11ah 물리계층의경우, IEEE 802.11ac 물리계층 을 1/10 down clocking 하여 2/4/8/16MHz 채널대 역폭을지원한다. 1MHz 채널대역폭물리계층은서 비스범위를더욱확대하기위한목적으로만들어졌으 며 32FFT 를기반으로하고있다. IEEE 802.11ac 는 5GHz 주파수대역에서 80MHz, 160MHz 채널대역폭사용해 1Gbps 이 상의 throughput 을지원하기위한기술규격이 다. 160MHz 채널대역폭을사용하게되면높은 throughput 을제공하기수월하지만, 5GHz 에서연 속적으로사용가능한 160MHz 채널이있을때만활 용될수있다는제약조건이따른다. 5GHz 주파수대 역은 FS(ynamic Frequency Selection) 대역 에해당하며, 레이더장비와공존을위해레이더신호 를검출하고레이더신호가존재하는채널에대해서는 비면허동작이허용되지않는대역이다. 따라서임의의 160MHz 채널중간에레이더신호가존재하게되면, 해당 160MHz 채널은 160MHz 물리계층프레임전 송으로사용될수없다. 이러한문제를해결하기위해, IEEE 802.11ac 물리계층에서는비연속채널결합전 송기법을지원하고있다. [ 그림 5] 는 IEEE 802.11ac 물리계층에서지원하는 비연속채널결합전송기법에대한 block diagram 을보여준다. 송신단말은서로인접하지않은 2 개의 Non-ontiguous TX Ref. Osc. 160MHz Segment 0 Segment 1 The non-contiguous TX placed its two frequency segments next to each other to communicate with contiguous RX ontiguous RX Ref. Osc. [ 그림 5] IEEE 802.11ac 물리계층비연속채널결합전송기법 80MHz 채널을하나의 160MHz 채널로간주하여전송하게된다. 비연속채널결합전송기법은 IEEE 802.11af 물리계층에서도활용되고있다. IEEE 802.11af 가사용하는 TV 유휴주파수대역은, 방송신호가존재하는채널에대해비면허사용이허용되지않는다. 따라서높은 throughput을제공하는데있어, 5GHz 주파수대역처럼연속적으로사용가능한채널을찾기어렵다는제약조건을가진다. 이러한제약조건을해결하고자비연속채널결합전송기법이 TV 유휴주파수대역에서도활용된다. 5. 맺음말초기와이파이는다양한환경에서원활한네트워크연결을제공하기위한목적으로디자인되었다. 따라서무선자원의효율적이용보다는구현이용이하면서쉽게확장될수있도록통신프로토콜이개발되었다. 하지만점차다양한서비스에와이파이가활용됨에따라요구하는기능이점점많아졌고, 그결과와이파이매체접속제어프로토콜, 물리계층프로토콜모두복잡도가증가하고있는추세이다. IEEE 802.11 에서는지속해서와이파이통신프로토콜의효율성을높이기위한기술개선작업이진행중이다. 그동안와이파이가매체접속제어프로토콜, 물리계층프로토콜을중심으로개선이이뤄져왔다면, 앞으로와이파이는상위레이어에서지원되는응용표준기술이미래와이파이산업의성장을위한매우중요한역할을차지할것으로기대된다. [ 참고문헌 ] [1] http://mentor.ieee.org/802.11/dcn/13/11-13-0479-01- 00ak-portal-diagram-with-ds-using-bridged-network. docx 032 05/06 2013