RES CAP

WI-FI 6(802.11ax)2019년 8월을 중점으로 정식인증을 앞두고 있어 와이파이6에 대해서 내용을 정리합니다.

1. Wi-Fi6인증?

IEEE 802.11 무선랜 규격은 b->a=g->n->ac 로 분류됩니다.

b : 11Mbps/2.4Ghz/HR-DSSS

a/g : 54Mbps/ a=5Ghz, g=2.4Ghz/OFDM,DSSS

n : 600Mbps/ 2.4Ghz,5Ghz / OFDM

ac : 1Gbps/ 2.4Ghz, 5Ghz/ OFDM

현재 있는 이 규격에서 WI-FI6가 인증되면 802.11ax규격이 추가되는 것입니다.

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2. 기존 Wi-Fi들과 Wi-Fi6는 어떤면이 다를까?

당연한 말이지만 가장 큰 장점으로 보는 것은 9.6Gbps라는 속도 입니다.

하지만, 실제 우리가 느끼는 와이파이의 속도는 유선만큼 빠르지 않다고 느낀다는 것입니다.

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사용되는 기기, 사람이 많은 지역에서는 와이파이 속도가 급감하고 네트워크 연결이 힘든 경험은 대부분이 겪었던 현실이었습니다.

그래서 와이파이 6은 이론적인 최고 속도만 중점으로 두는 것이 아닌 OFDMA나 MU-MIMO와 같은 기술을 통해 효율 향상과 지연시간 감소를 구현하는 데 집중하고 사용자 체감 속도 개선을 목표로 하고 있습니다.

3. MU-MIMO?

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MU-MIMO란 'Multi-User Multiful Input & Multiple Output(다중 사용자, 다중입력 및 다중출력)의 약자입니다. MIMO는 802.11n 와이파이4에서 처음 도입 되었습니다.

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MU-MIMO, SU-MIMO

802.11n은 SU-MIMO, 802.11ac는 MU-MIMO를 사용했습니다. SU-MIMO는 접근 포인트가 한개 였다면 MU-MIMO는 접근 포인트가 4개의 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있습니다. 그렇다면 MIMO기술은 ac와ax가 같은게 아닌가?

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기존 802.11ac의 채널은 4개 였지만 802.11ax는 8개의 채널을 가지고 있습니다. 8x8 즉, 8개의 입력을 받아 8개의 출력으로 나갈 수 있습니다. 기존 ac보다 ax가 2배이상은 속도가 향상 될 수 있습니다.

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​4. OFDMA?

기존 자료에 OFDM에 대해서 설명을 했었는데, OFDMA는 그 뒤에 Access라는 단어가 추가 되었습니다. 즉, 주파수직교 다중분할 접근 방법이라는 뜻입니다.

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기존 OFDM은 클라이언트 하나당 한라인만 서브케리어를 전송하였습니다. 허나 OFDMA은 여러라인을 전부 효율적으로 모든 클라이언트들에게 공유할 수 있습니다. 즉, 단일 클라이언트에게 전송할 수도 있고 유연성을 가지고 빈라인을 사용할 수 있습니다.

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이제 WI-FI6규격 인증이 2019년말에 나온다고 하지만 WI-FI6기기 제품이 현재 출시되고 있습니다. 이는 2019년 말 마무리 지을 예정인 최종 802.11ax 표준을 완전히 준수하지 않는 것도 있을 수 있습니다.와이파이 6은 아직 준비되지 않았고, 표준화되지 않았지만, 많은 업체가 제품을 먼저 내놓으려고 합니다. 이러한 경쟁속에서 와이파이 6가 어떻게 시장을 변화시킬지 지켜볼 필요가 있어보입니다.

OSI 7계층이란?

ISO 국제 표준기구에서 통신이 일어나는 과정을 단계별로 표준화하여 그 효율성을 높이기 위해서 7단계로 나누어진 계층입니다. 즉, Data의 흐름을 한눈에 보기 쉽고, 네트워크에서 문제 해결하기 편리하게 하기위해서 만들어진 것입니다.

위 처럼 7계층으로 나누어져 있습니다.

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1. PHY(물리적 계층)

물리적 계층은 PHY단이라고 사용하기도 하며, OSI 7계층 중 최하위 계층을 말합니다.

- Data Unit : bit

- Protocol : DSL,USB,ISDN,DOCSIS, RS-232(이 외에도 더 있음)

이 처럼 물리계층은 네트워크 하드웨어 전송 기술을 말하며, 논리 데이터 구조를 기초로 하는 필수 계층입니다.

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2. 데이터 링크 계층

장치 간 신호를 전달하는 물리계층을 이용하여 네트워크 상의 주변 장치들 간 데이터를 전송합니다.

주요 기능

- 주소 할당 : 물리 계층으로부터 받은 신호들이 네트워크 상의 장치에 올바르게 안착할 수 있게 한다.

- 오류 감지 : 신호가 전달되는 동안 오류가 포함되는지를 감지한다. 오류가 감지되면 데이터 링크 계층은 해당 데이터를 폐기한다.

- Unit : Frame

- Protocol : 이더넷, HDLC, ATM, 무선랜, Frame relay 등

- 주요소 : MAC주소(물리적 주소)

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3. 네트워크 계층

데이터 링크 계층은 매체 접근 제어,흐름 제어, 오류 검사 였다면 , 네트워크 계층은 중간 라우터를 통한 라우팅을 포함하여 패킷 포워딩을 담당한다.

주요기능

- 연결 모델 : 비연결 지향 통신

- 호스트 주소 할당 : 네트워크 내 모든 호스트는 고유 주소를 갖추어야 한다.

- 메시지 포워딩

- Unit : Packet

- Protocol : IP, ICMP, IPsec, ARP, RIP, BGP등

- 주요소 : IP 주소

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4. 전송 계층

컴퓨터 처리와 전자 통신에서, 전송 계층은 계층구조의 네트워크 구성요소와 프로토콜 내에서 송신자와 수신자를 연결하는 통신 서비스를 제공합니다. 전송 계층은 연결 지향 데이터 스트림지원, 신뢰성, 흐름 제어, 그리고 다중화와 같은 편리한 서비스를 제공

-Unit : Segment

-Protocol : TCP,UDP,RTP,SCTP등

- 주요소 : PORT번호(TCP 계층)

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5. 세션 계층

연결이 손실되는 경우 이 프로토콜은 연결 복구를 시도, 오랜 기간에 걸쳐 연결이 되지 않으면 세션 계층 프로토콜은 연결을 닫고 다시 연결을 재개한다.

주요기능 : 인증, 허가, 세션회복

- 계층 : 어플리케이션 계층

- Protocol : TLS,SSH, ISO8327,App Talk, NetBIOS등

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6. 표현 계층

운영 체제의 한 부분으로 입력 또는 출력되는 데이터를 하나의 표현 형태로 변환

필요한 번역을 수행하여 장치가 일관되게 전송데이터를 서로 이해 할 수 있도록 함

주요기능 : 데이터 변환, 문자 코드 번역, 압축, 암호화 및 암호 해제

- 계층 : 어플리케이션 계층

- Protocol : JPEG, MPEG, SMB

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7. 응용 계층

사용자가 네트워크에 접속 가능 하게 해주는 계층

사용자 인터페이스, 전자우편, 데이터베이스 관리 등의 서비스 제공

-Unit : data

-계층 : 어플리케이션 계층

-Protocol : HTTP,SMTP,SNMP,FTP,RTSP등

1.대역폭(Bandwith)

대역폭은 특정한 기능을 수행할 수 있는 주파수의 범위(단위 :hz)라고 말하지만, 한가지로 정확하게 정의하기는 힘듭니다.

정보통신기술용어해설에 의하면 대역폭은 대략 아래와 같이 나누어집니다.

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1). 주파수 대역폭(Spectral Bandwith)

- 신호가 차지하고 있는 주파수 범위/폭 즉, 정보를 실을 수 있는 능력이라고 봅니다.

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2). 파장 대역폭(Wavelaength Bandwith)

- 시간의 역수 T=1/F라고하는데 이거와는 좀 다른개념입니다. 공간 길이의 개념인 파장대여폭은

파장 = 속도/주파수로 정의 됩니다.

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3). 데이터 처리 대여폭

- 데이터 통신에서는 대여폭=처리능력이라고 표현합니다. 네트워크 또는 채널이 초당 처리 가능한 최대의 데이터 처리능력 즉, 더 넓은 주파수대역폭은 =>고속 데이터 전송이 가능하다 입니다.

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대역폭 예시

위 그림에서 보듯이 신호의 대역폭은 f1 = 최저주파수, f2= 최고주파수 이렇게 사이를 대역폭이라 정의합니다.

더 나아가서 설명드리면 저기 끝에 3dB라고 표시된 부분은 보통 3dB대역폭 즉, 반 전력 대역폭이라 합니다. 이는 최고 값 전력의 절반에 해당하는 대역폭 입니다.

그리고 최고 값 최저 값 끝으로가서 0점이 되는 대역폭을 영점 대 영점 대역폭이라 합니다.

나머지 더 벗어나게되면 부분 전력 대역폭, X dB대역폭, 절대 대역폭 등이 있습니다.

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4). PSpice 주파수 대역폭

간단 하게 LPF와 HPF로 BPF를 만들었습니다.

왼쪽 LPF, 오른쪽 HPF

LPF+HPF =BPF => 증폭 회로 추가

PSpice 관련자료는 저번에 올려 드렸지만 추가로 다시 사용법을 올려드립니다.

analysis type : AC Sweep/Noise 로 변경 해줍니다. AC Sweep type은 계산하신 차단 주파수의 보통은 시작주파수에 1/10 end주파수는 차단 주파수에 10배정도 정의합니다.

위 filter의 값을 수식으로 나타내면

fc=1/2 πRC => 1/ 2X3.14X10^3X10^-7 = 1592.356hz ≒ 1.6khz입니다.

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PSpice Simulation 결과

PSpice를 실행시키면 위와 같은 결과를 확인 할 수 있습니다.

이걸 보시고 이런생각을 하신분도 있을거라 생각합니다. 그렇다면, 차단주파수영역을 넘어가면 주파수가 안나와야 되는거 아닌가? 그 기준은 무엇인가? 그래서 설명을 추가 하겠습니다.

차단주파수(cutoff frequency)는 신호가 통과하는 주파수 대역과 통과하지 못하는 주파수 대역의 경계점 이다. 밴드 패스 필터에서는 두 차단 주파수 사이가 통과 대역이 되며 신호가 통과한다. 라는게 기본적인 개념입니다. 하지만, 실제 필터에서는 그 기준이 애매모호 합니다. 그래서 실제 필터에서는 전달함수의 크기가 3dB = 20log0.707이되는곳으로 정합니다. 이를 70.7%라고 합니다.

즉, 저기에서는 5v기준70%구간인 3.5v가 차단 주파수로 보는 영역입니다.

위 계산식으로 보면 fc=1.59khz였습니다.

fc영역 확대

즉, 3.5V(70%)구간이 1.59Khz가되고 이 구간이 fc(차단주파수)가 되는 것입니다.

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2. 2.4Ghz,5Ghz

현재 무선공유기에서 사용하는 주파수는 2.4Ghz,5Ghz 2가지입니다.

위 시뮬레이션 내용은 주파수 대역폭에 관련된 내용이라고 한다면, 2.4Ghz,5Ghz는 데이터 처리 대역폭에 관련 되어 있습니다.

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1) 2.4Ghz,5Ghz 차이점

이 두 2주파수 대한 장단점 먼저 살펴보겠습니다.

2.4Ghz

장점 : 장애물을 피하는 굴절 능력이 좋아 간섭에 대한 영향을 덜 받는다.

단점 : 대다수의 공유기 , 무선전화, 블루투스등 대대분의 무선 네트워크에 사용되기 때문에 신호 간섭이 많다.

5Ghz

장점 : 사용하는 기기가 적어 간섭에 영향이적고, 데이터 전송속도가 빠르다.

단점 : 파장이 짧기 때문에 주변 사물,장애물에 영향을 많이 받는다.

IEEE 802.11 규격

위 사진은 IEEE 802.11 규격입니다. 위에서 설명드린 것처럼 대역폭이 클 수록 데이터 속도가 빨라집니다.

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왼쪽 2.4Ghz 오른쪽 5Ghz

위 사진 처럼 2.4Ghz는 사용빈도가 높기 때문에 신호 간섭이 심하고, 반대로 5Ghz는 사용빈도가 적기때문에 간섭도 적고 넓은 대역폭으로 처리속도도 빠릅니다. 하지만, 장애물에 대한 간섭이 높다는 단점도 있습니다.

굳이 속도가 많이 필요없다면 2.4Ghz도 좋지만, 다른장치들로 인해서 간섭의 영향을 많이 받는다면 5Ghz대역을 사용해보는게 좋을 것으로 보입니다.

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1.OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

- 직교 주파수 분할 다중 방식으로 기존 FDM은 대여폭을 최대한 활용할 수 없는 단점이 있었습니다.

FDM

Sub carrier마다 서로 간섭이 생기지 않도로록 guard-band를 넣어줘야 하기 때문에 최대로 활용할 수 없는 것입니다.

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반면 OFDM은

서로 sub-carrier끼리 겹쳐 있습니다. 빨강,초록,파랑,보라 4가지를 자세히보시면 빨강이 최대 값 일때 초록색은 최소0값 입니다. 한마디로 최대한 붙여서 대여폭의 효율을 높게가져 갈 수 있습니다.

이러한 장점으로 현재 무선기술로 가장 효율적인 방식으로 많이 쓰이고 있습니다.

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2. SNR(Signal to noise ratio)

신호대 잡음 비율을 나타내는 말로 신호에 잡음이 얼마나 들어가있는지를 말합니다.

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수식은 SNR = Ps/Pn, Ps=전력신호,Pn=전력노이즈 입니다. 즉, SNR이 높을 수록 노이즈가 적다는 것입니다.

단위는, dB로 쓰입니다.

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3.dB, dBm

dB는 10*logx에 대한 결과 값을 표시한 것입니다.

ex)

10= 10*log10 = 10dB

100= 10*log100 = 20dB

1000= 10*log10000 = 30dB

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dBm은 전력량 1mW(0dBm)를 기준으로 전력량이 10mW씩 곱 해질 때 마다 10dBm씩 증가하는 절대적 수치 입니다. 즉, 10mW이면 10dBm입니다.

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log는 상대적 스케일의 값을 표현한 것이고 범위가 너무넓고 데이터 처리가 힘든 방식을 표현하기위해서 dB라는 개념이 도입되 었습니다.

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