3. 제어부의 구성과 장치의 특성

자료집필/제공: 역메카트로닉스연구소
관련자료안내: 무선 LAN 시스템 설계와 측정

■ 제어부의 구성

본 장치의 무선부(변복조부, 고주파부, 안테나) 및 제어부의 아키텍처를 [그림 6]에 나타낸다. 본 장치는 IEEE 802.3의 Ethernet 호환, 그리고 네트워크 OS에는 의존하지 않도록 네트워크 기기인 브리지와 동등하게 MAC(Media Access Control) 층에서 중계하는 구성으로 했다. 유선측은 물리층으로 하고, 10BASE5/2/T 등의 커넥터를 통하여, 이더넷과 접속되어 있으며, 여기서, CSMA/CD의 신호를 수수하고 있다. 그리고 상위의 MAC 서브층에서 무선 브리지로서의 기능, 즉 무선 구간에 중계해야 할 것인지, 그 여부에 대한 판단인 필터링을 실시하고, 무선측의 논리 링크 제어층과 접속되어 신호가 중계된다.

무선측에서는 무선 구간의 신호를 수수하는 송수신부와 안테나를 갖는 물리 매체 서브층으로 무선 신호의 비트 동기나 논리 링크 제어층으로부터의 지령에 의해 안테나 전환이 이루어지고, 상위의 전송 변환 서브층에 신호가 중계된다. 전송 변환 서브층에서는 리얼타임 처리가 필요하게 되는 기능을 담당하고 있으며, TDD 프레임의 조립/분해 호출신호의 부호화 및 복호화, 프레임 동기 등이 이루어지며, 상위의 데이터링크 확립층에 중계된다. 데이터링크 확립층에서는 무선 구간의 신호와 유선 구간의 신호 간에서의 처리인 fragment 처리나 무선 구간의 오류 발생시의 재송 처리가 실시되고, 게다가 상위의 논리 링크 제어층에 중계된다. 논리 링크 제어층에서는 안테나 선택이 실시되고, 이 결과는 물리 매체 서브층의 안테나에 전송된다. 또한 무선 구간의 신호를 유선 구간에 송신해야 하는가를 판단하고, 무선 브리지로서의 기능인 필터링 등이 실시되며, 유선측의 MAC 서브층과 신호가 중계되고 있다.

본 장치 가운데서 무선부와 제어부의 분계점으로서, ① 논리 링크 제어층과 데이터링크 확립층 간, ② 데이터링크 확립층과 전송 변환 서브층 간으로 분리하는 두 가지 제안이 있지만, 제안 ①로 했을 경우 무선 구간의 신호 재송 처리나 fragment 처리는 고속처리로, 또한 복잡한 처리를 할 필요가 있기 때문에 무선부에도 CPU를 가질 필요가 있어 득책이 아니다. 따라서 제안 ②의 데이터링크 확립층과 전송 변환 서브층 간을 분계점으로 하고, 재송 처리는 제어부의 CPU 처리에 의해 실시하는 방법으로 했다.

데이터링크 확립층에서 실시하는 무선 구간의 신호 재송 처리나 fragment 처리 중에서, 엄격한 것은 1ms 이하의 TDD 프레임 주기에 있어서의 재송 처리이며, 무선부와 제어부와의 인터페이스를 고속의 신호 수수를 할 수 있도록 CPU의 버스 결합으로 하고, 데이터는 듀얼 포트 RAM(DPRAM: Dual-Port Random Access Memory)과 인터럽트 신호로 수수하는 방식으로 했다. 제어부와 무선부 간의 커맨드는 1워드(16bit/s)로 구성하는 것으로 하여 전송속도의 고속화를 꾀했다. 이 명령에 대해서는 상위 4bit/s로 명령 종별을 나타내고, 나머지 하위 12bit/s로 데이터를 나타내고 있으며, 다음에 언급하는 바와 같이 매크로화함으로써 설계 및 개발의 유연성을 확보했다.

일례로, 전원 투입시에 CM이 사용해야 할 무선 채널을 검색하는 방법을 설명한다. 이 처리는 CM이 전원 투입시에 주변에서 사용하고 있지 않는 주파수를 검색하여 자율적으로 접속하는 동작인데, 대상이 되는 방해파 등의 전파가 수십 μs의 송신시간이며, 그 dynamic range는 수십 dB나 된다. 따라서 고속 샘플링을 무선부가 하고, 주파수나 레벨 등의 조건에서 간섭의 판단을 제어부가 하는 기능 분담으로 했다. 즉, 제어부는 주파수와 판정 레벨을 매크로 명령으로 무선부에 보내고, 무선은 약 10μs의 타이밍으로 일정시간 A/D 변환, 판정 레벨을 상회한 시간율을 계측하여 그 결과를 매크로 명령의 응답으로 제어부에 전송한다. 제어부는 이러한 결과를 토대로 필요하면 주파수와 판정 레벨을 변경하여 재차 측정하여, 가장 간섭이 적은 주파수를 고속으로 선택할 수 있다.

■ 장치의 특성

이상, 무선 LAN 장치의 각부에 대하여 세부적으로 설계하여 완성한 장치의 각종 특성에 대해 평가했다. 다음에 각 특성에 대한 평가 결과를 언급한다.

변복조부의 C/N 대 BER 특성을 [그림 7]에, 주파수 오프셋과 등가 C/N 열화량의 관계를 [그림 8]에 나타낸다. 본 장치의 C/N 고정 열화량은 BER=1×10^-5점에서 0.4dB 이하로 양호한 특성을 얻고 있다. 또한 로컬의 주파수 변화에 의해 주파수 오프셋이 발생한 경우의 등가 C/N 열화량은 약 0.5dB로 추정대로의 결과가 얻어지고 있으며, 주파수 안정도가 10ppm인 경우에도 열화량은 약 1.2dB 이하로 양호한 특성이 얻어지고 있다는 것을 알 수 있다. 더구나, 고주파부와 조합한 경우의 레벨 대 BER 특성은 BER=1×10^-5로 되는 수신 레벨은 평균 -78dBm로 장치의 잡음지수 및 신호 대역으로부터 구한 이론값에 대하여 약 3dB 열화하고 있지만, 변복조기의 고정 열화, 고주파 전력 증폭기의 비선형 일그러짐, 장치 내부의 디지털 신호처리부로부터의 잡음 간섭 등에 의한 열화를 고려하면 충분한 특성이 얻어지고 있는 것으로 판단할 수 있다.

또한 throughput은 [그림 9]에 나타낸 바와 같이 최대 15.2Mbit/s로 Ethernet에 대응한 무선 LAN으로서는 세계 최고속을 실현했다. [그림 9]에서 Ethernet의 패킷 크기에 따라 throughput 특성에 차이가 발생하고 있는 것은 본 장치에서 패킷을 연결하고 있기 때문이다. 본 장치의 외관을 [사진 2]에 나타내었다.

[사진 2] 고속 무선LAN 장치의 외관

이상, 표준 규격에 준거한 무선 LAN 장치의 구성과 특성에 대하여 언급했다. 완성한 장치를 평가한 결과 CM-UM의 1링크에 있어서 throughput은 세계 최고속인 15.2Mbit/s를 실현했다. 이것은 Ethernet의 통신속도 10Mbit/s에 대하여 충분한 특성이며, 초기의 목표는 달성했다고 생각한다. 금후는 본 장치를 더욱 소형화, 저소비전력화하여 mobility를 높인 휴대형 무선 LAN 장치의 실현을 목포로 검토하고 있다.

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