I.      서론

최근 인터넷의 보급과 멀티미디어 자료의 급격한 증가에 의해서 초고속 통신망에 대한 수요가 늘어가고 있다. 이중 LAN은 1980년대 후반부터 도입되어 초기에 1-4Mbps 정도였던 전송량이 현재는 100Mbps의 fast Ethernet이 일반적으로 사용되며, Gigabit Ethernet에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 휴대용 컴퓨터 및 PDA의 보급이 확산됨에 따라 장소에 상관없이 네트워크 망에 접속하고자 하는 요구가 늘어나면서 무선 LAN에 대한 관심이 급증하고 있다. 무선 LAN은 기존 유선 LAN에 비해서 데이터 전송률은 떨어지지만, 이동성 및 휴대성, 간편성 등의 이점을 가질 수 있기 때문에 응용분야가 확장되고 있다. 특히 4세대 이후의 무선 통신 시스템에서는 IMT-2000과 같은 시스템과 무선 LAN과의 연동을 생각하고 있기 때문에 많은 관심을 받고 있다.

데이터 전송량의 증가에 대한 요구와 무선 전송 기술의 발달로 인해서 초기 1-2Mbps인 IEEE 802.11 규격을 향상시켜 802.11b, 802.11a와 같은 규격을 확정하였으며, 현재 802.11g 규격을 표준화 회의를 통해 결정 중에 있다.[1]-[4] 특히 NII 밴드의 5GHz 대역에서 6-54Mbps의 전송률을 가지는 802.11a는 OFDM을 전송기술로 사용하고 있으며, OFDM 전송과 5GHz 대역의 사용에 대한 관심의 증가로 인해 다른 무선 LAN 규격에 비해 각광을 받고 있다.

본 글에서는 무선 LAN의 전망과 여러 가지 무선 LAN 표준안에 대하여 설명한 후, OFDM을 사용하는 IEEE 802.11a 시스템의 특징, 물리 계층에 대하여 기술한다. 마지막으로 차세대 무선 LAN 시스템에 대해 간략하게 설명한 후 결론을 맺도록 한다.

II.   무선 LAN의 응용 분야 및 전망

무선 LAN의 기반을 이루는 기술은 오래 전에 생겨났으나 무선 LAN이 상업적 개발의 타당성과 경쟁력을 갖게 된 것을 몇 년 사이에 일어난 일이다. 무선 LAN의 응용이 가능한 곳은 사무실, 학교, 병원, 산업체, 가정 등의 거의 모든 곳에서 사용 가능하다. 무선 LAN은 새로운 통신 방법이라기 보다는 현재 사용하고 있는 유선 LAN을 대체할 수단으로써, 유선 LAN으로 가능한 모든 것이 가능하며 케이블에 의한 제약이 없어지므로 보다 자유롭게 많은 곳에 사용할 수가 있다.[5],[6] 하지만 현재 무선 LAN은 학교나 국제 회의장 등의 제한적인 장소에서만 사용되고 있으며, 공중 무선 LAN은 거의 사용되고 있지 않다. 외국의 경우 현재 공중 무선 LAN 서비스는 호텔이나 공항, 커피숍 등의 사람이 많이 모여드는 장소에서 서비스 되고 있으나, 많은 문제로 인해 빠르게 확장되어가고 있지는 못하고 있다. 하지만 이동 전화 시스템이 초기에 겪었던 것과 같은 여러 문제가 시간이 흘러감에 따라 해결될 것이고, 그 이후로 활발하게 서비스가 이루어 질 것으로 예상하고 있다.

어떤 사람들은 공중 무선 LAN이 기존 이동통신 사업자의 데이터 통신 수입에 정면으로 대항하고 있다는 견해를 가지고 있다. 하지만 공중 무선 LAN은 3G 이동 전화 시스템과 공생 관계를 맺으면서 성장할 것으로 예상된다. 무선 LAN은 보다 큰 멀티미디어 데이터 위주의 애플리케이션을 3G 주파수 대역에서 무선 LAN 주파수 대역으로 이동시킴으로써, 상대적으로 부족한 3G 시스템의 밀집 현상을 경감시키고 데이터 속도를 증가시킬 수 있다. 특히 무선 LAN의 경우는 휴대전화가 아니라 케이블을 사용한 LAN을 대체하는 개념이기 때문에 3G 시스템 자체에는 영향을 주지 않을 것이다. 공주 무선 LAN은 커피숍이나 공항과 같은 선택된 영역에서의 데이터 트래픽만을 담당 할 것이다. 왜냐하면, 무선 LAN 서비스 사업자 대도시 지역에서의 끊김 없는 data 전송과 같은 서비스를 제공하고자 하지 않을 것이기 때문이다. 즉, 무선 LAN은 고정된 위치에서 보다 빠른 전송에 대한 요구를 충족시킬 수 있다. 표 1은 여러 무선 시스템의 차이를 보여주고 있다.

현재 많은 이동통신 장비 생산 업체들은 궁극적으로 휴대전화와 무선 LAN을 하나로 합치는 다양한 듀얼모드 이동 단말기를 계획하고 있다. Ericsson사는 Telenor Mobile와 팀을 이루었고, Intel 또한 British Telecom과 802.11b와 GPRS를 통합하는 방법을 연구하고 있으며, Texas Instruments사는 자사 제품의 상호 호환성에 대한 협력을 모색하고 있다. 표준화 단체 또한 이 분야에서 활발하게 움직이고 있는데. ETSI에서는 HiperLan/2와 3G의 상호 연동성을 허용하기 위한 표준을 연구하고 있다.

표 1. 여러 무선 시스템의 비교

III.  무선 LAN 표준안

무선 LAN의 표준안 중 가장 먼저 결정된 것은 IEEE 802.11이다. IEEE 802.11은 90년대 무선 LAN 사업자들을 중심으로 표준화 작업이 이루어져 1997년 최종 표준안이 제정되었다. IEEE 802.11은 2.4G 대역의 ISM 밴드를 사용하여 최대 2Mbps의 전송률을 지원한다. IEEE 802.1에서는 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance)의 MAC을 사용하고, 물리 계층에서는 전송 방식으로 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum), FHSS(Frequency Hopping Spread Spectrum)과 적외선 방식을 사용한다.

2Mbps의 최대 전송률을 가지는 IEEE 802.11은 케이블을 사용하는 유선 LAN에 비해서 전송률이 너무 떨어지는 이유로 전송률을 대폭적으로 향상시킨 표준안들이 제정되었다. 그 중에서 IEEE 802.11b는 IEEE 802.11과 같은 2.4GHz 대역에서 전송 기술을 DSSS 이외에도 CCK(Complementary Code Keying)를 사용하여 전송률을 10Mbps급으로 향상시켰다.

또한 1999년에는 고속 무선 데이터 전송을 위해 5GHz 대역의 U-NII(Unlicensed N-II) 밴드에 OFDM을 사용한 IEEE 802.11a 표준안을 발표하였다. IEEE 802.11a에서는 최대 54MBps의 전송률을 지원한다. 또한 유럽 지역에서는 IEEE 802.11a와 거의 같은 물리계층 구조를 가지는 HIPERLAN/2의 표준안을 제정하였다. HIPERLAN/2와 IEEE 802.11a의 차이점은 HIPERLAN의 MAC이 IEEE 802.11a의 CSMA/CA 방식과 달리 동적 시분할 및 이중화 방식(Dynamic Reservation TDAM/TDD)을 사용하여 다양한 QoS를 보장할 수 있는 것이다.[6]

현재는 IEEE 802.11b와 같은 대역에서 전송률을 높이기 위해 IEEE 802.11g가 표준화 작업 중에 있다. IEEE 802.11g는 IEEE 802.11b와 같은 2.4G대역에서 OFDM을 사용하여 전송률을 높이는 것을 목표로 하고 있다. 802.11g에서는 OFDM 이외에도 PBCC(Packet binary convolutional code)를 option 사용하려고 하고 있다. 무선 LAN의 표준안들을 정리하면 다음 표와 같다.[6]

표 2 무선 LAN 표준안 비교

현재 상품화 되어 나와있는 거의 모든 제품은 IEEE 802.11b에 기반한 제품들이며, 그 시장이 점점 넓어져 가는 추세이다. 하지만 2.4GHz 대역을 사용하는 IEEE 802.11b의 경우, 그 개발 가능성이 매우 제한된다고 평가 받고 있다. IEEE 802.11b의 2.4GHz 대역은 많은 나라에서 ISM 밴드로 지정하여 인가 없이 사용하도록 되어있다. 그런 이유로 많은 다른 장치들이 동일한 2.4GHz 대역을 공유한다. 이런 장치들에는 무선전화기, 전자레인지와 같은 전자 제품들뿐만이 아니라 블루투스(Bluetooth), HomeRF와 같은 무선 LAN과 비슷한 장치들도 있다. 이러한 장치들은 근접한 거리에서 무선 LAN의 데이터 전송에 간섭을 일으키게 된다. 또한 IEEE 802.11b은 로밍 및 11Mbps의 전송률이 현실적으로 불가능하여, 미래의 무선 LAN의 해결책은 아닌 것으로 평가 받고 있다.  따라서 IEEE 802.11b은 무선 LAN의 성장 가능성을 제대로 실현할 수 없을 것으로 예상되고 있다.

이런 이유로 5GHz 대역에서 작동하는 IEEE 802.11a 및 HIPERLAN/2가 많은 각광을 받고 있다. 5GHz 대역의 경우 비교적 높은 주파수인 관계로 다른 소형 무선 장치들이 주파수 경쟁을 하기에는 부적절하다. 이런 이유로 IEEE 802.11a은 IEEE 802.11b보다 다른 장치에 의한 간섭이 현격하게 줄어들 것으로 예상된다. 또한 OFDM의 특성으로 인해 높은 전송률의 전송이 가능하여, 이후 무선 LAN의 성장은 주로 5GHz 상품에 의해 주도될 것을 예측하고 있다. IDC는 5GHz 장비의 판매가 2005년 이후로는 2.4GHz 대역 장비를 대체할 것으로 추정하고 있다.

그림 1. 2001년과 2006년 2.4GHz와 5GHz 무선 LAN 판매 대수 비교 [출처 : IDC, 2002]

그림 2 세계 주파수 대역별 무선 랜 시장 전망 [출처 : IDC, 2002]

IV.   IEEE 802.11a 물리 계층

본 장에서는 5GHz대역을 사용하는 OFDM 방식의 고속 무선 LAN IEEE 802.11a의 물리 계층 및 송수신 절차에 대해 알아보도록 한다. 간단하게 IEEE 802.11a를 살펴보면, IEEE 802.11a는 5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz의 U-NII 밴드에서 20MHz의 대역폭을 사용하여 6-54Mbps의 전송률을 제공할 수 있게 되어 있다. 전송 방법으로는 52개의 부반송파를 사용하는 OFDM 방식을 채택하고 있으며, convolutional 코드를 사용하여 BPSK-64QAM 방식을 사용하여 전송을 하게 된다. IEEE 802.11a 무선 LAN의 주요 물리 계층 파라미터를 정리하면 표 3과 같다.

표 3 IEEE 802.11a 중요 물리계층 파라미터

1.      OFDM 물리 계층 구성

5GHz OFDM 물리 계층 구조는 그림 3에 나타나 있는 IEEE 802.11 권고안과 같이 구성된다. OFDM 물리 계층은 다음과 같은 3가지의 블록으로 구성되어 있다.

가.   PLCP(Physical Layer Convergence Procedure)

PLCP 계층은 IEEE 802.11 MAC이 PMD와 최소한의 연관성을 가지기 위해서 정의한다. 즉, IEEE 802.11 MAC에서 발생된 서비스를 OFDM 물리계층으로 또는 OFDM 물리계층에서의 신호를 IEEE 802.11 MAC의 서비스에 맞는 신호로 바꾸어 주는 역할을 수행하는데, IEEE 802.11 MAC이 OFDM 물리계층과는 관계없이 독립적으로 동작할 수 있도록 하는 역할을 하는 블록이다.

나.   PMD(Physical Medium Dependent)

PMD 계층은 OFDM 물리 계층이 신호를 주고 받는 방법을 제공하는 계층이다. 즉, OFDM 물리계층과 밀접하게 관련되어서, IEEE 802.11 MAC에서의 서비스를 OFDM 물리계층 동작에 적합하도록 바꾸어 주는 역할을 한다.

다.   PLME(PHY Management Entitiy)

PLME 계층은 MAC management entity와 연동하여 물리 계층의 기능을 관리하는 역할을 수행한다.

그림 3. 802.11의 물리계층과 데이터 링크 계층

2.      OFDM 물리계층 서비스 파라미터

IEEE 802.11 MAC 구조는 물리 계층과 독립적으로 동작하는 것을 목표로 하여 정의되었다. 따라서 물리 계층을 구현하기 위해서는 PMD의 요구사항을 만족시키기 위한, MAC 계층에서 동작하는 medium management state machine이 필요하다. 이러한 물리 계층에 종속적인 state machine을 MLME(MAC sublayer management entity)라고 한다. MLME는 PLME와 연동하게 되는데, 이를 위해 물리 계층에서는 TXVECTOR와 RXVECTOR를 정의하여 PHY service primitive로 사용한다. OFDM 물리 계층을 위한 TXVECTOR와 RXVECTOR는 다음과 같은 파라미터를 가진다.

가.   TXVECTOR 파라미터

TXVECTOR의 파라미터를 정리하면 다음 표 2와 같다. 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. LENGTH는 현재 MAC이 물리 계층을 통해 전송하고자 하는 데이터 옥텟(octets)의 개수를 지시하며, 값은 1-4095의 범위를 가지게 된다. DATARATE 파라미터는 무선 LAN에서 전송하고자 하는 신호의 전송률을 의미한다. 이 값은 IEEE 802.11a에서 지원하는 전송률의 값을 가진다. SERVICE 필드는 스크램블러의 초기화를 위한 7개의 null bit와 차후에 사용될 것을 위해 남겨진 9개의 null bit로 이루어져 있다. TXPWR_LEVEL은 현재 전송에서 사용될 전송 신호의 파워를 결정하는데 사용되며, 1-8의 값을 가진다.

나.   RXVECTOR 파라미터

RXVECTOR의 파라미터를 정리하면 다음 표 3과 같다. 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. LENGTH는 수신된 PLCP header에서 LENGTH field가 가지고 있는 값을 이용하며, TXVECTOR와 마찬가지로 1-4095 사이의 값을 가진다. RSSI(Received signal strength indicator)는 현재 데이터를 수신하는 안테나로부터 관찰된 신호의 에너지를 검출하여 사용하며, PLCP preamble을 수신할 때 결정한다. DATARATE는 현재 수신된 데이터의 전송률을 의미하며, SERVICE는 null로 결정된다.

표 4. TXVECTOR 파라미터

표 5. RXVECTOR 파라미터

3.      OFDM PLCP 계층

그림 4은 IEEE 802.11a의 PPDU(PLCP protocol data unit)의 프레임 구조를 보여주고 있다. PPDU 프레임은 크게 PLCP preamble, SIGNAL, Data의 3부분으로 나누어 진다. 이중 PLCP preamble은 신호 검파, 시간 및 주파수 동기, 채널 추정 등을 위해 사용되며, SIGNAL은 TXVECTOR의 내용이 전송된다. Data는 주로 PSDU(PHY sublayer service data units)가 전송되며, TXVECTOR의 파라미터에 따라 코딩 및 변조 방식이 바뀌어 전송되게 된다.

가.   PLCP preamble

PLCP preamble은 OFDM 물리 계층의 동기화 및 채널 추정을 위한 신호이다. PLCP preamble은 10개의 짧은 훈련신호와 2개의 긴 훈련신호로 이루어져 있다. 그림 5는 IEEE 802.11a에서 사용되는 OFDM 훈련신호 구조를 보여주고 있다. PLCP preamble 중 짧은 10개의 훈련신호는 신호 검파, AGC, diversity selection, 미세 시간 동기 및 정수배 주파수 오차 추정에 사용되며, 긴 훈련신호는 채널 추정과 소수배 주파수 오차 추정에 사용된다. IEEE 802.11a 시스템에서는 preamble을 이용하여 동기 및 채널 추정을 수행하여 한 프레임동안 계속 사용하기 때문에, 빠르면서도 정확한 추정을 수행을 수행하는 것이 전체 시스템 성능에 크게 영향을 주게 된다.[8]

그림 4.  PPDU 프레임 구조

그림 5. PLCP preamble 구조

나.   SIGNAL

SIGNAL은 전송률을 나타내는 RATE와 PPDU의 길이를 나타내는 LENGTH field를 중심으로 예약된 1bit와 패러티 체크를 위한 1bit, 6bit의 tail bit을 포함하고 있다. SIGNAL은 부호율을 1/2을 사용하는 convolutional 부호화에 의해 부호화되고 BPSK를 통해 전송된다. RATE에 따른 전송률을 살펴보면 표 5와 같다.

표 6. IEEE 802.11a 전송률 관련 사항 정리

다.   DATA

DATA field는 PSDU와 SERVICE, TAIL bits, PAD bit로 이루어져 있다. TAIL bit는 convolutional 부호화기를 초기 상태로 만들어주기 위해 사용하며, PAD bit는 총 data bit가 하나의 OFDM 심볼의 부호화된 bit의 정수배가 되지 않을 경우, 정수배가 되도록 추가하는 bit이다. DATA field에 있는 모든 bit들은 스크램블링 된 후에 SIGNAL에서 정의한 RATE에 따라서 convolutional 부호화되고, interleaving을 거쳐 RATE에서 정의한 변조기법을 통해 전송된다. Convolutional 부호화는 puncturing을 통해 이루어지며, OFDM 변조는 IFFT를 통해 이루어진다.

4.      OFDM PLCP 송,수신 절차

그림 5는 PLCP 전송 절차를 보여준다. 데이터를 전송하기 위해 MAC에서 PHY-TXSTART.request를 보내면 물리 계층은 전송 모드가 되며, 적당한 주파수로 송신하기 위해 준비된다. 채널이 사용되고 있지 않은 상태라면, PHY-TXSTART.request(TXVECTOR) primitive를 전달 받는 것에 의해서 PPDU를 전송하게 된다. PLCP는 PMD_TXPWRLVL과 PMD_RATE를 통해 물리 계층을 준비시킨 후, PMD_TXSTART.request를 통해 PLCP preamble부터 전송을 시작한다. 일단 PLCP preamble의 전송이 시작되면, 스크램블러와 부호화기를 초기화 시켜 데이터에 스크램블링과 부호화를 시작한다. 이후 물리 계층은 PLCP header 와 MAC으로부터 전송된 데이터들을 스크램블링과 부호화를 거쳐 계속 전송하게 된다. OFDM PHY LENGTH field에 따라 마지막 bit가 전송되게 되면, 전송은 정상적으로 종료된다. 하지만 전송 도중 MAC으로부터의 PHY-TXEND.request에 의해 종료될 수도 있다. 일단 패킷의 전송이 종료되면 물리 계층은 수신 상태로 전환한다.

그림 6는 PLCP 수신 절차를 보여준다. 데이터를 수신하기 위해서는 PHY-TXSTART.request가 disabled되어야 한다. PLCP preamble을 수신하기 시작하면, 수신 신호의 level을 PMD_RSSI.indicate를 통해 MAC에 전달하고, MAC에서는 PHY_CCA.indicate(BUSY)를 통해 한 프레임동안 정확한 수신이 가능하도록 한다. 그 이후에 물리계층은 훈련신호를 수신하고, 전송된 데이터의 길이, 복조 방식 및 복호 방식의 결정을 위해 SIGNAL을 찾는다. 일단 SIGNAL이 패러티에 의해 에러 없이 수신되었다고 하면, Viterbi 복호기에 의해 복호가 이루어지며, 이 복호된 신호는 ITU-T CRC-32에 의해 검사된다. 만일 CRC-32 검사가 실패할 경우, 물리 계층은 Idle 상태로 돌아간다. PLCP header의 수신이 아무 문제 없이 없다면, PHY-RXSTART.indicate(RXVECTOR)에 의해 RXVECTOR가 전송된다. 수신된 PSDU는 octet으로 변환되고 복호된 후 MAC에 전달된다. 마지막 데이터 비트를 수신한 후에는 수신단은 RX IDLE 상태로 돌아가고, PHY-RXEND.indicate(NoError)가 발생된다.

그림 6 PLCP 전송 과정

그림 7 PLCP 수신 과정

V.      결 론

본 글에서는 무선 LAN의 응용분야 및 무선 LAN의 전망에 대해 알아보고, 최근 많은 관심을 받고 있는 OFDM 방식의 무선 LAN IEEE 802.11a 물리계층에 대하여 소개하였다. IEEE 802.11a는 유럽의 HIPERLAN/2와 물리 계층 표준안이 거의 비슷하고, 5GHz 대역의 무선 LAN 시장이 계속하여 확대되어갈 전망이므로 이에 대한 설계 및 구현에 대한 기술 확보는 무선 통신 기술 발전에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 특히 시스템의 전송률 높이는 것이 중요한 이슈가 되어가고 있는 요즘, 무선 LAN과 다중 안테나를 결합하는 것에 대한 연구는 중요한 연구분야가 될 것으로 예상된다.

참고 문헌

[1] ANSI/IEEE Std 802.11, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and physical Layer(PHY)

    Specifications, 1999

[2] IEEE Std 802.11b, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and physical Layer(PHY)

    Specifications : Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, 1999

[3] IEEE Std 802.11a, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and physical Layer(PHY)

    Specifications : High-speed Physical Layer in the 5 GHz Band, 1999

[4] IEEE Std 802.11g/D2.1, Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)       

    specifications: Further Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band, 2002

[5] K.Pahlavan, A. Zahedi and P. Krishnamurthy, “Wideband local access : Wireless LAN and Wireless

    ATM,” IEEE Communication Magazine, vol. 35, pp. 34-40, Nov. 1997

[6] J. Mikkonen, C. Corrado and M. Progler, “Emerging Wireless Broadband networks,” IEEE

    Communication Magazine, vol. 36, pp. 112-117, Feb. 1997

[7] ETSI TS 101 475, Broadband Radio Access Networks (BRAN) HIPERLAN Type 2 Physical (PHY) layer,   

    2000

[8] Richard Van Nee, Ramjee Prasad, OFDM for wireless multimedia communications, Artech house

    publishers, 2000

[9] Hyunsoo Cheon and Daesik Hong, “Effect of channel estimation error in OFDM-based WLAN”, IEEE

    Communications Letters, vol. 6, May 2002

전자통신기술정보