19GHz 대역 고속 무선 LAN 시스템의 구성과 개발 핵심기술

동역메카트로닉스연구소

1. 고속 무선 LAN 방식의 개요와 실내 전달 특성


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

NTT에서 시험 검증을 마친 실용화된 19GHz대 무선LAN 장치의 초기 개발 제품의 내역을기술자료를 토대로 그 핵심기술을 소개한다. 이 장치는 CM(Control Module)과 UM(User Module)으로 구성되며, CM 1대로 10대까지의 UM과 통신이 가능하고, UM은 8 포트의 HUB 기능을 내장하고 있어, 최대 80대의 단말을 동시에 운용할 수 있다. 무선 LAN은 실내에서 사용되므로, 전파가 벽이나 집기 등에 의해 복잡하게 반사하여 발생하는 multipass로 통신품질이 열화하기 때문에 이것을 극복하는 기술의 개발이 과제이다. 그 때문에 CM은 무지향성, UM은 좁은 빔 12섹터 안테나를 사용함으로써 멀티패스에 의한 통신품질의 열화를 저감함과 동시에, 12섹터 안테나에 의한 각도 다이버시티를 채용하여 통신효율을 향상시켰다. 이 장치에서는 무선 구간에서 신호의 충돌을 피하기 위해, 통신을 CM에서 일원적으로 관리하는 GSMA 방식을 채용하고 있다. 또 Ethernet 패킷 길이는 64~1,518Byte로 가변길이이므로 이 장치에서는 패킷 길이를 검출하여 무선 패킷을 생성함으로써 최대 15.2Mbit/s의 throughput을 얻고 있다.

■ 무선 LAN 시스템의 개요

퍼스널컴퓨터의 보급과 함께, 기업, 연구기관, 대학 등에서 LAN의 도입이 빠른 속도로 진행되고 있다. LAN은 종래부터 유선으로 구축되고 있었는데, 그 규모가 커짐에 따라 사무실, 구내에서의 LAN용 기기의 증설, 이동의 기회가 많아지고 있다. 더구나 퍼스널컴퓨터의 다운사이징화에 따라 단말을 용이하게 운반할 수 있고, 자기 자리 뿐만 아니라 회의 장소 등의 이동처에서 자신의 단말에서 네트워크에 액세스하는 등의 요구가 높아지고 있다. 이와 같이 LAN 환경를 쉽게 변경할 수 있는 것이 요구되고, 게다가 단말의 이동성이 중요시되고 있으며, 점점 무선 LAN에 거는 기대가 고조되고 있다.

무선 LAN은 2.4GHz대와 19GHz대가 표준화되어 있으며, 적외선 LAN도 빠른 속도로 보급되고 있다. 이들 무선 LAN은 무선 구간에서의 통신속도는 1M~10Mbit/s로 Ethernet 인터페이스를 가지고 있다. 2.4GHz대의 무선 LAN은 1M~5Mbit/s의 전송속도로, 스펙트럼 확산 방식을 채용하고 있어, 동시에 많은 단말에서 액세스 가능하지만 비교적 저속의 데이터 통신에 적합하다. 또한 적외선 LAN은 전송속도 10Mbit/s의 제품이 시판되고 있지만, CM(Control Module)과 UM(User Module) 간은 가시거리 내에서 설치할 필요가 있다.

무선 LAN을 도입하는 경우, 무선 구간에서 Ethernet의 통신속도에 대하여 무선 LAN이 bottle neck으로 되지 않도록 고속의 통신속도가 필요하다. 더구나 금후 멀티미디어 통신이 보급됨에 따라 LAN을 경유하는 데이터량은 더욱 증가할 것을 예상되며, 점점 고속, 고능률의 통신이 가능한 무선 LAN 장치의 실현이 요망되고 있다. 이 요구에 대응하기 위해 NTT 멀티미디어 시스템부와 공동으로 19GHz대의 고속 무선 LAN 방식의 실현을 목표로, 방식 설계 및 장치 등을 설계하여, 이것에 대응한 장치를 개발했다. 19GHz대의 무선 LAN은 10Mbit/s 이상의 고속 통신을 대상으로 표준화되어 있지만, 반송파 주파수가 준밀리파대이므로 디바이스 기술, 장치 설계 기술 등의 어려움으로 실제로 실현한 예는 미국의 모토롤러사가 제품화한 것밖에 없다.

여기서 소개하는 무선 LAN 방식은 구내 무선국 19GHz대 데이터 전송용 무선설비 표준규격(RCR STD-34)에 준거하여 이더넷 인터페이스를 갖고 있다. 장치 구성은 CM과 UM으로 구성하고 있으며, CM 1대로 10대까지의 UM과 통신이 가능하고, UM은 8포트의 HUB 기능을 내장하여 최대 80대의 단말을 동시에 운용할 수 있다. 무선 LAN은 사무실 등 옥내에서 사용하는 경우가 많기 때문에 전파가 벽이나 서재 등의 집기에 부딪혀 복잡하게 반사하여 멀티패스가 발생한다. 이 multipass는 통신품질을 열화시켜 무선 LAN의 통신 효율이 대폭 저하하기 때문에, 멀티패스에 의한 열화를 극복하는 기술의 개발이 과제였다. 이 때문에 CM은 무지향성, UM은 좁은 빔 12섹터 안테나를 사용함으로써 멀티패스에 의한 통신품질의 열화를 저감함과 동시에 12섹터 안테나에 의한 각도 다이버시티를 채용하여 통신 효율의 향상을 실현했다. 더구나 이 장치에서는 무선 구간에서 신호끼리 충돌하는 것을 피하기 위해, 통신을 CM에서 일원적으로 관리하는 GSMA(Global Scheduling Multiple Access) 방식을 채용했다. 또한 Ethernet의 패킷 길이는 64~1,518Byte로 가변길이이므로 본 장치에서는 이더넷의 패킷 길이를 검출하여, 그에 따라 장단 2종류의 GSMA 프레임을 적응 선택하고 있다. 더구나 복수의 패킷을 연결하고, GSMA 프레임을 생성함으로써 처리량은 세계 최고속인 15.2Mbit/s를 얻었다.

본고에서는 먼저, 방식 개요에 대하여 언급하고, 다음에 고속 무선 LAN 장치를 실현하기 위한 안테나, 고주파부, 변복조부, 제어부에 대한 각부의 설계 및 구성에 대하여 언급한다. 마지막으로 완성한 무선 LAN 장치의 평가 결과에 대하여 언급한다.

■ 고속 무선 LAN 방식의 개요

현재 널리 보급되고 있는 표준적인 LAN 인터페이스는 Ethernet 및 IEEE 802.3 사양에 준거하고 있으며, 그 통신속도는 10Mbit/s이다. 근년에는 100Mbit/s를 넘는 고속 LAN 프로토콜도 있지만, 본 방식에서는 장치를 구성하는 하드웨어의 실현성을 고려하여 통신속도 10Mbit/s의 Ethernet 인터페이스에 대응하도록 했다. [표 1]에 이 방식의 주요 제원을 나타낸다. 다음에 본 방식의 개요에 대하여 언급한다.

[표 1] 고속 무선LAN 방식의 주요 제원

항  목

내   용

통식방식

TDD

신호속도

25Mbit/s

변조방식

QPSK

주파수 범위

19.495GHz~19.555GHz/7ch

정격송신전력

70mW

안테나

CM:
    수령면내 무지향성 이득=5dBi
UM:
    지향성(30°×12) 이득=15dBi

기본 서비스 에리어

CM을 중심으로 해서 15m

패킷 오류율

1×10-4 이하(1링크 평균)

오류정정

FEC: BCH 부호
ARQ: 무선 패킷 단위

액세스 방식

GSMA(장단비 3:1)

처리량

15.2Mbit/s(1링크)

접속가능 단말수

최대 80단말(최대 10UM/CM 최대 8단말/UM)

CM 물리 인터페이스

10BASE-T×2

UM 물리 인터페이스

10BASE-T×8

 

□ 에어 프로토콜
무선 LAN에서는 Ethernet의 패킷 선두에 비트 동기신호, 프레임 동기신호 식별신호의 각 신호를 부가하여 무선 패킷을 생성한다. 이들 신호는 무선장치의 동기 및 기기의 식별에 사용되므로, 이 부가 신호와 이더넷 패킷 길이의 비가 무선 LAN의 전송 효율에 영향을 미친다. Ethernet의 패킷 길이는 64~1,518Byte로 아주 넓게 분포하고 있다. 이 때문에 무선 구간에서 전송 효율이 좋은 frame format을 생성할 필요가 있다. 무선 LAN에서는 Ethernet 패킷 등을 연결하여 전송 효율의 향상을 꾀하고 있는데, 이 연결처리는 CPU에 의해 실시되기 때문에 CPU의 처리 능력을 고려할 필요가 있다. 더구나 무선 구간에서 신호끼리의 충돌은 전송 효율이 현저히 저하하기 때문에 충돌이 생기지 않도록 각 장치의 송신 타이밍을 관리할 필요가 있다. 이상으로 언급한 과제에 대하여 검토를 한 결과, 본 방식에서는 에어 프로토콜로 통신을 CM에서 일원적으로 관리하는 GSMA로 했다.

또한, GSMA 프레임 길이는 장단비 3:1의 두 종류의 구성으로 하고, 이더넷 패킷 길이에 따라 장(長) 또는 단(短)의 GSMA 프레임을 적응 선택하고, 게다가 복수의 패킷을 연결하여 GSMA 프레임을 생성함으로써 전송 효율의 향상을 꾀했다. 본 방식의 GSMA 프레임 구성을 [그림 1]에 나타낸다.

□ 통신속도
Ethernet상에서는 전체 패킷이 비충돌일 때 8.4M~9.9Mbit/s의 통신속도가 얻어지지만, 통신을 하는 단말간에서의 통신처리 등을 고려하면 실제의 통신속도는 그 이하로 된다. 네트워크에 무선 LAN을 도입하는 경우 CM-UM의 무선 구간이 bottle neck으로 되지 않는 통신속도를 계산에 의해 구하면 GSMA 프레임의 구성에 의존하지만, 11M~16Mbit/s가 필요하다. 본 방식에서는 앞에서도 언급했듯이 Ethernet의 패킷에 비트 동기신호, 프레임 동기신호, 식별신호를 부가하여 GSMA 프레임을 생성하고 있다. 더구나 GSMA 프레임 간에는 guard time을 설치하기 위해, 무선 LAN 장치의 전송속도를 더욱 고속화할 필요가 있다. 본 방식의 무선 구간에 있어서 전송속도는 GSMA 프레임의 구성 및 프레임 효율을 고려하여 25Mbit/s로 했다.

■ 실내 전달 특성

본 방식은 사무실 등 옥내에서의 운용을 전제로, CM은 천장 설치, UM은 CM을 중심으로 한 기본 서비스 에리어내(BSA)의 탁상에 설치하는 것을 표준으로 여러 면에서 검토를 했다. 장치에서 송신된 전파는 벽, 서재 등의 집기에 의해 복잡하게 반사하여 통신품질에 영향을 주기 때문에, 실내에서의 전달특성을 분명하게 할 필요가 있다. 고정 통신에서는 대기 굴절률의 영향을 받아 페이딩이 발생하고, 이동 통신에서는 휴대기의 이동에 따라 페이딩이 발생하여 그에 따라 지연분산도 변화한다. 이에 대해 본 시스템과 같이 실내에서의 전달특성은 고정통신과 이동통신의 중간적인 특성을 갖는 것으로 생각할 수 있으므로 실내에서의 fading 발생 요인 및 발생 확률을 분명하게 할 필요가 있다. 따라서 사내의 대표적인 사무실을 여러 개소를 선정하여, floor 면적, 사무실내의 사람수, 사람의 이동 등과 페이딩의 발생에 대하여 조사 및 검토를 했다.

그 결과, 대표적인 사무실에 있어서, ① fading이 발생하는 요인은 전달로를 사람이 통과함에 따른 샤드윙에 의한 차단성 페이딩이 지배적이고, ② 차단성 페이딩이 발생하는 확률은 사무실내, 사람수와 깊은 관계가 있다는 사실 등이 분명해졌다. 이 결과는 일반적인 오피스에도 적용 가능할 것으로 생각된다 한편, 벽, 집기 등으로부터 복잡하게 반사하여, 다양한 패스를 통과한 반사파의 fading 발생 확률은 거의 상관없다고 알려져 있다. 이 때문에 좁은 beam antenna를 사용함으로써 이 반사파를 수신하여 통신 가능한 패스를 확보할 수 있고, 이것을 이용한 각도 다이버시티에 의해 통신 효율의 대폭적인 개선을 기대할 수 있다. 게다가 좁은 beam antenna를 사용함으로써 multipass에 기인하는 통신품질의 열화를 경감할 수 있다. 이 때문에 본 방식에서는 CM은 무지향성, UM은 좁은 빔 12섹터 안테나를 사용하기로 했다. 본 방식의 안테나 구성에 있어서 통신 가능한 패스수 및 차단성 페이딩이 계속되는 시간 등을 파라미터로 시뮬레이션을 한 결과, 통신 가능한 패스가 하나 증가하면 순간차단율을 약 1/10로 개선할 수 있다는 것을 알았다. 따라서 통신 가능한 패스가 3 이상 존재하면 안정한 통신을 확보할 수 있다.

 
  Home

전자통신기술정보

         Copyright ©2001 Int'l Technology Information Institute - All Rights Reserved.