[WLAN] Wi-Fi protocol (2) - Band Protocol

오늘은 Wi-Fi 프로토콜 중 데이터가 실리는 채널 밴드의 프로토콜에 대한 내용을 다루겠다.

 

Wi-Fi는 데이터를 라디오파를 이용하여 전송하는데,

 

라디오파의 주파수를 어떻게 설정하냐에 따라 Band값이 달라진다.

 

2.4GHz 대역과 5GHz 대역, 6GHz 대역이 현재까지 발전되어 사용해왔고

 

한 밴드 채널을 여러 기기가 많이 사용하면 혼잡도때문에 속도가 느려져서 새로운 밴드를 계속 발전시키고 있다.

 

현재 가장 최근에 나온 대역폭은 6GHz로 주파수가 가장 높은데

 

주파수가 높다고 무조건 좋은 것이 아니라

장단점이 있기 때문에 단점을 보완하는 기술도 함께 등장하곤 한다.

 

이와 관련된 내용들을 다뤄보겠다.

 

 

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1. 802.11b

 

프로토콜도 이전에 암호화 인증 방식을 살펴본 것과 같이 시대순으로 발전 과정을 살펴보겠다.

 

먼저 802.11b 프로토콜이다.

 

2.4GHz의 주파수 대역을 사용하며, 최대 11 Mbps 의 속도를 제공하는데

실제로는 매체 접근 제어 프로토콜인 CSMA/CA의 오버헤드가 있어서 실제 처리량은 더 적다고 한다.

 

통신 기술은 기존 802.11 프로토콜의 DSSS 방식을 사용하다가 CCK 방식으로 발전했다.

 

DSS는 1개 비트를 8비트로 확산하여 데이터 전송률을 높이기 위한 방식인데,

이에 CCK 기술을 얹어 신호간의 간섭을 상보하는 특정 비트 패턴으로 전송하여 전송속도를 개선했다.

 

이 b 프로토콜은 2.4GHz의 다른 제품과의 신호 간섭문제로 인해 당시 불만이 많아 이 문제를 해결하려는 노력이 지속됬다.

 

 

2. 802.11a

 

따라서 5G의 주파수 대역을 사용하는 a 프로토콜이 등장했다.

 

아예 다른 주파수 대역을 사용하기 때문에 신호 간섭 문제를 해결했고,

OFDM이라는 새로운 기술을 통해 주파수 대역을 효율적으로 사용하여 전송속도를 최대 54Mbps까지 높였다.

 

여기서 별거 아니지만 궁금했던 점이 b 프로토콜보다 밴드위쓰가 2MHz 낮아졌는데

이는 OFDM의 서브캐리어간의 신호 간섭을 방지하기 위한 빈 공간에 의해 생기는 차이라고 한다.

 

이 a 프로토콜은 당시 2.4GHz 대역과의 호환성 부족과 통신 사거리가 좁은 한계가 있었다.

 

3. 802.11g

 

세번째는 OFDM 통신기술을 2.4GHZ 대역으로 가져온 g 프로토콜이다.

 

A 프로토콜의 한계인 2.4GHz와의 호환성 문제와 좁은 전송 범위 문제는 개선했지만,

여전히 2.4GHz의 신호 간섭문제로 인해 최대 데이터 전송 속도의 스펙을 온전히 사용할 수 없었다.

 

게다가 추가적으로 b 프로토콜 장치와 함께 사용하면 성능이 저하되는 문제도 발생했다.

 

 

4. 802.11n

 

다음은 n 프로토콜 이다.

 

N 프로토콜은 2.4G와 5G의 주파수 대역을 모두 사용하는 듀얼 밴드 프로토콜인데,

주목할만한 지표는 갑자기 600Mbps로 최대 데이터 전송 속도가 급격히 발전했다.

 

그 이유는 위 자료의 기술들을 활용하여 속도를 끌어올린 결과인데,

기존의 OFDM 기술에 추가하여 MIMO , 채널 본딩, 쇼트 가드 인터벌 기술들을 활용했다.

 

 

위 그림은 앞서 말한 새로운 기술들을 통한 성능 향상을 나타낸 그림이다.

 

MIMO는 멀티 인풋 멀티 아웃풋의 약자로,

말그대로 입출력의 안테나를 여러 쌍으로 두어 병렬로 처리하여 그만큼 배로 전송량을 향상시키는 기술이다.

 

또한 숏 가드 인터벌은 데이터를 연속적으로 보낼 때의 신호 간 민감한 영향을 줄이기 위해 명시적으로 두는 대기시간이 있는데,

이를 800나노 세컨트에서 400 나노 세컨트로 두배 줄이면서 그만큼 서브 캐리어를 더 많이 전송하는 기술이다.

 

채널 본딩은 두개의 채널을 합쳐서 사용하여 채널 경계에 비워놓은 구분 영역을 데이터 전송 공간으로 활용하여 데이터 전송량을 향상시키는 기술이다.

 

최종적으로 이와 같은 기술을 모두 사용하여 총 54 Mbps에서 무려 최대 600Mbps까지 속도를 끌어올릴 수 있었지만,

가장 큰 성능 변화 기술인 MIMO는 안테나가 그만큼 배로 필요하기에 비용적인 측면의 고려사항이 있다.

 

 

5. 802.11ac

 

다음은 11ac 프로토콜이다.

 

해당 프로토콜은 최대 6.93GBps이며 5GHz의 대역폭을 사용한다.

 

처음으로 GBps 단위를 사용하여 기가 WIFI를 이끈 프로토콜이다.

 

채널본딩과 OFDM 기술에 추가하여 세가지 기술을 더 적용하였는데,

멀티유저 MIMO 기술은 여러 사용자에게 동시에 전송하여 전송량을 높이고, 최대 8쌍의 안테나까지도 지원할 수 있도록 발전했다.

 

빔포밍 기술은 벡터를 계산하여 특정 사용자쪽의 방향으로 신호를 집중시키도록 하는 기술이다.

이를 통해 짧은 사거리 범위를 보완하고 신호의 안정성을 높였다.

 

마지막으로 256-QAM 은 기존n 프로토콜에서 사용한 64-QAM을 개선한 것이다.

 

직교로 전송하는 데이터의 단위인 심볼에 기존에는 6비트만 실어 전송했지만,

256-QAM은 데이터를 실는 양을 8비트로 늘려 전송량을 늘린 기술이다.

 

 

6. 802.11ax

 

전송 프로토콜의 가장 최신 기술인 ax 프로토콜이다.

 

최대 데이터 전송 속도는 9.6Gbps이고 주파수 대역은 2.4 , 5G 외에도 6GHz 대역을 처음 사용했다.

 

새로운 기술로 도입된 OFDMA는 OFDM의 발전된 기술인데,

고정된 주파수 대역을 한 사용자가 배정받아 사용하던 기존 방식에서

주파수 대역을 여러 사용자가 동시에 사용할 수 있게 하는 방식으로 변화시켰다.

 

이 주파수 대역은 여러 사용자가 동적으로 배정되어 사용하게 되서,

결과적으로 여러 사용자가 사용하는 네트워크의 효율성을 높일 수 있다.

 

그 외에도 네트워크 지역성을 구분시켜 다른 AP의 간섭을 줄이는 기술인 BSS Coloring과

스테이션의 디바이스의 유휴 시간을 제어하여 배터리 소모량을 줄이는 기술인 TWT,

256 QAM에서 2개 비트 전송량을 늘린 1024 QAM 등의 기술들을 통해 발전을 이루었다.