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IEEE802.11의 동향과 고속무선 LAN의 LSI 칩셋 개발
Trends in IEEE802.11 and LSI Chip Set under Development by Toshiba
 

자료집필: 국제테크노정보연구소
관련자료안내: 무선 LAN 시스템 설계와 측정

서 론

2.4GHz대에서 최대 11Mbps의 전송레이트를 실현하는 IEEE802.11b가 1999년에 표준 승인된 이래, IEEE802.11 무선LAN은 오피스를 비롯하여 가정과 공공 장소에까지 널리 확대되어 왔다. IEEE802.11b와 동시에 승인된 5GHz대에서 최고 54Mbps의 고속전송 레이트를 가진 IEEE802.11a도 널리 보급될 것으로 예상되고 있다. 통신분야에 있어서는 표준화 동향을 지켜보면서 제품을 개발하는 것이 중요하다. 서서히, 통신품질제어나 시큐리티 강화 등의 표준규격이 정해지고 있으며, 이에 따라 무선LAN의 적용분야가 한층 더 확대될 것으로 기대된다.
본고에서는 IEEE802.11 위원회의 개요와 현재도 진행되고 있는 표준사양의 확장에 대하여, 그리고 도시바사의 기술자료를 토대로 현재 개발하고 있는 IEEE802.11a 대응 칩셋의 사례를 들어 해설한다.

IEEE 802.11 워킹그룹

■ 개요와 경위
IEEE802 LAN/MAN Standards Committee(SC)는 컴퓨터 네트워크인 LAN 및 Metropolitan Area Network (MAN)의 OSI(Open System Interconnection) 모델 하위 2층(물리층 및 데이터링크층)을 다루는 미국의 표준화 단체이다.
IEEE802.11은, 그 중에서 무선 LAN을 취급하고 있는 워킹 그룹(WG)이다. 설립된지 7년후인 97년 7월에 IEEE 802.11 무선 LAN 규격이 승인되었다.
이 IEEE802.11 무선 LAN 규격은 2.4GHz 산업 과학 의료용(ISM: Industrial, Scientific and Medical)대를 이용하여 하나의 매체 액세스 제어층(MAC: Medium Access Contro layer)과 3가지 PHY(물리층) 기술(FH-SS: Frequency Hopping Spread Spectrum, DS-SS: Direct Sequence Spread Spectrum, 적외선)로 구성되어 있다. 전송속도는 최고 2Mbps이다.
그후 고속화에 대한 검토가 시작되어, 99년 9월에 5GHz대에서 최고 54Mbps의 고속전송 레이트를 실현하는 IEEE802.11a와, 2.4GHz대에서 11Mbps의 고속전송 레이트를 실현하는 IEEE802.11b로 2가지가 승인되었다. 특히 후자의 승인이 현재 전 세계에 무선 LAN을 보급하는데 이바지했다고 말할 수 있을 것이다.
이 외에, IEEE802.11과 다른 IEEE802 패밀리와의 브리징 방식에 관한 IEEE802.11c, 각국에서 공통 이용방식 검토에 관한 IEEE802.11d가 이미 승인되어 있지만, 2002년 6월 시점에서 다시 5그룹이 태스크 그룹(TG)으로 활동중이며, 또 신규 TG 활동도 하고 있다.

■ IEEE802.11e(QoS 강화)
TGe는 MAC에 있어서의 QoS(통신품질제어: Quality of Service) 강화를 다룬다. IEEE802.11의 액세스 기능으로서는 CSMA/CA(반송파 검지 다중 액세스/충돌회피) 방식을 이용하는 DCF(Distributed Coordination Function)와 폴링 방식의 PCF(Point Coordination Function)가 준비되어 있다.
그러나, Ethernet의 무선판에서 더 넓은 용도로 확대되고 있는 무선 LAN 시장에서, 다양한 QoS 요구를 만족시키기 위해 TGe가 등장했다.
TGe에서의 기본 프레임워크는 그림 1과 같이 되어 있으며, 트래픽 클래스에 따라 복수의 큐(Queue: Q)를 준비하고, 스케쥴러로 다음 송신 기회에 보내야 할 패킷을 선택한다. QoS는 우선제어를 하도록 DCF를 강화(“enhanced”)한 EDCF와 대역 보증을 하도록 PCF를 강화한 EPCF의 2가지 기능으로 나누어져 있다.
EDCF는 priority에 따라 배분된 각 큐에 송출의 우선도를 두고, 큐간에 가상적인 CSMA/CA 제어를 하는 것이다. EPCF에서는 폴링 방식으로 스케줄링 기능을 반영시킴으로써 트래픽마다 대역 보증을 실현한다. 그리고 TGe에서는 이들을 통합한 HCF(Hybrid Coordination Function)를 액세스 기능으로 정의하고 있다.
그 외에, AV 응용으로부터의 요구로, 오류정정의 추가, 재발송 제어의 효율화 등이 검토되고 있다.

■ 2.3 IEEE802.11f(IAPP: 기지국간 프로토콜)
IEEE802.11은 복수의 기지국(AP)간을 DS(Distribution System)라고 하는 네트워크로 상호접속하고, 단말이 AP간을 자유로이 이동할 수 있는 확장 서비스 세트(ESS)를 정의하고 있다. 그러나, 자유도를 중요시하여 DS의 구체적인 사양을 정하지 않았기 때문에 다른 벤더의 AP간 상호접속성의 확보가 불충분했다. TGf는 DS가 IP(Internet Protocol)망이라는 것을 전제로 하고, 단말이 이동했을 경우 등에 필요한 AP간의 프로토콜(IAPP: Inter Access Point Protocol)를 규정하는 것을 목적으로 하고 있다.

■ 2.4 IEEE802.11g(20Mbps 이상의 2.4GHz대 고속화)
2.4GHz대를 대상으로 하며, IEEE802.11b가 규정하는 11Mbps를 넘어, 적어도 20Mbps 이상으로 데이터 레이트를 향상시키는 물리층을 규정하는 것을 목적으로 하고 있다. 여러 방식이 제안되어 있지만, 5GHz대의 물리층을 규정하고, IEEE802.11a에서 채용된 OFDM(직교주파수 분할다중)를 이용하여 IEEE802.11a와 같은 최대 54Mbps를 달성하는 제안이 유력하다. IEEE802.11b 옵션의 DS-SS with PBCC(Packet Binary Convolutional Coding) 방식을 고속화하는 제안과, IEEE802.11b에 채용된 CCK(Complementary Code Keying)와 OFDM를 조합한 CCK-OFDM 방식의 제안도 있다.

■ 2.5 IEEE802.11h(유럽 5GHz대 규제 대응)
IEEE802.11a의 유럽 대응을 위해 발족한 그룹이다. ERC/DEC(European Radio communications Committee/DECision)/(99)23을 만족시키는 것이 조건이며, 구체적으로는 MAC 기술의 동적 주파수 선택(DFS: Dynamic Frequency Selection), 송신전력제어(TPC: Transmitter Power Control)의 2가지 기술을 포함시키는 것이다. 이것은 레이더 시스템에 대한 방해를 억제하고, 유럽의 무선 LAN 규격인 HIPERLAN/2(HIgh PErformance RadioLAN type 2) 등과의 공존을 꾀하기 위해서이다. 유럽의 표준화 단체이며, HIPERLAN/2의 사양을 내고 있는 ETSI/BRAN(European Telecommunication Standards Institute/Broadband Radio Access Networks)와 깊이 관여하여 활동을 하고 있다.

■ 2.6 IEEE802.11i(시큐리티 강화)
무선은 유선에 비해 제삼자에 의한 감청이나 침입이 용이하기 때문에, IEEE802.11은 유선과 같은 수준의 통신 데이터 은닉 및 단말의 액세스 인증을 보장할 목적으로, WEP(Wired Equivalent Privacy)라고 하는 방식을 당초부터 정하고 있다.
그러나, 단말과 기지국에 대한 비밀열쇠 설정 방법의 규정이 없으며, 대규모화가 곤란하다. 열쇠의 해독 등, WEP의 암호를 파괴하는 몇가지 방법이 앝려져 있다고 하는 문제가 있다.
이러한 과제를 해결할 목적으로, TGi는 시큐리티 강화의 사양 작성 작업을 진행하고 있다(그림 2). 그 특징을 다음에 언급한다.

  1. 단말과 네트워크간의 상호인증과, 인증된 단말에 동적으로 생성된 열쇠를 배포하기 위해 IEEE802.1X를 채용한다. 인증 서버로 단말의 인증정보를 집중 관리함으로써 대규모화가 용이해진다. 종래의 WEP는 MAC층에서 인증을 실시하는데 대하여, TGi 작성의 드래프트 사양은 IEEE802.1X의 프레임워크에 따라 EAP(Extensible Authentication Protocol), Radius, TLS(Transport Layer Security) 등(EAP 이외는 임의) 상위층의 인터넷 프로토콜을 이용한다.
  2. 통신 데이터의 은닉과 변경 방지 등을 실현하기 위해, TKIP(Temporal Key Integrity Protocol) 및 AES Privacy라고 하는 2가지 방식을 도입한다. TKIP는 기존의 많은 실장에 있어서, 펌웨어 등 소프트웨어의 변경만으로 대응할 수 있도록 설계되어 있다. AES Privacy는 미국 상무성의 최신 암호표준 AES(Advanced Encryption Standard)에 근거한 것으로, TKIP보다 강력한 시큐리티를 실현할 수 있지만, 새로운 하드웨어가 필요하다.

■ 2.7 AVSG(AV 스터디 그룹)
IEEE802.11e하에서 AV 전송을 만족시키는 QoS 검토를 하기 위해 만들어진 스터디 그룹(SG)이며, AV 전송에 이용을 생각하고 있는 TGe의 멤버가 중심으로 되어 있다.
특히 IEEE1394를 IEEE802.11로 전송할 수 있도록 하기 위한 요구조건 등이 논의되어 그 활동은 주목받고 있었지만, 현재는 IEEE1394의 무선 워킹그룹(WWG)으로 활동 장소가 이행하고 있는 것 같다.

■ 2 .8 WNGSC(Wireless Next Generation Standing Committee)
차세대 IEEE802.11 무선 LAN의 테마를 검토하는 어드바이저적인 그룹이다. 여기서의 논의에 근거하여, IEEE802.11 WG는 다음과 같은 두 SG를 만들기로 결정했다.

(1) Radio Resource Measurement SG
확대한 IEEE802.11 규격에 준거한 무선 LAN에 대한 전반적인 관리를 용이하게 하기 위한 규격을 작성하는 TG의 설립 준비를 한다.

(2) High Throughput SG
IEEE802.11a 및 표준화 작업중인 IEEE802.11g보다 throughput를 향상시킨 표준사양을 작성하는 WG 설립을 목적으로 한다. 5GHz대만으로 할 것인지, 또는 2.4GHz대도 대상으로 할 것인지, 물리층만을 확장할 것인지, 오버헤드를 줄이기 위해 MAC에도 변경을 할 것인지, 등 TG의 표준화 작업 범위를 정해 나간다.

Wi-Fi Alliance

IEEE802 위원회에서 결정된 표준에 준거하여 제품을 개발해도 각사에 따라 그 실장방식이 다르기 때문에, 이대로는 회사간 제품의 상호접속성이 유지되지 않는다. 그래서, 무선 LAN의 상호접속에 관한 임의 단체로서 WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance)가 99년에 설립되었다(현재, 단체명칭은 WECA에서 Wi-Fi Alliance로 변경되었다). WECA에 의해 정해진 상호접속성의 시험에 합격한 것은, “Wi-Fi”(Wireless Fidelity라는 뜻)의 사용이 인정된다. 2.4GHz대 무선 LAN(IEEE802.11b)에 대해서는 이미 Wi-Fi 대응의 제품이 많이 출하되었다. 당초, 인증 테스트를 실시하는 테스트사이트는 미국 샌노제뿐이었지만, 무선 LAN의 세계적 확산과 함께 2001년 12월 영국, 2002년 7월에는 일본, 싱가포르에 테스트사이트가 설립되었다.

칩셋 개발 상황

5GHz 무선 LAN용 칩셋은 미국을 중심으로, 유럽, 일본의 여러 기업이 개발을 하고 있다. 그 사례로 도시바사의 카드용 칩셋의 기능 구성을 그림 3에 나타낸다. 칩은 전용선 접속 시스템 LSI, IF(Intermediate Frequency) IC, RF(Radio Frequency) IC, PA/SW(전력증폭기/스위치)로 구성된다.
베이스밴드 LSI에는 카드 버스 인터페이스, MAC층, 변복조부를 포함한 PHY층, 아날로그 디지털 변환부(양자화 비트 수십 비트, 표본화 주파수 40MHz)로 구성된다. LSI 내부에 RISC(축소명령세트 컴퓨터) 칩을 탑재하고 있으므로, 외부 CPU 상태에 의존하지 않고 전송속도의 고속성을 유지할 수 있다. 프로세스는 0.18μm의 CMOS(상보형 금속산화막 반도체)를 사용하고 있으며, 0.13μm로의 미세화도 검토하고 있다. IF IC는 Si 바이폴러 기술을 이용하고 있으며, 직교변복조부, 가변이득증폭기로 구성된다. RF IC는 업컨버터, 다운컨버터, 주파수 신디사이저, 저잡음 증폭기로 구성된다. 사용 프로세스는 SiGe HBT(헤테로접합 바이폴러 트랜지스터)이다. RF IC에서 사용되는 프로세스는 개발 기업에 따라 CMOS, SiGe HBT로 나누어지고 있다. 최종적으로는 1칩 CMOS가 매력적이지만, 현시점의 CMOS 기술로 RF부를 실현하려고 하면 충분한 성능이 실현되지 못하고, 오히려 외부부가 부품이 많이 필요하게 된다. 이 때문에 도시바사의 경우는 SiGeHBT 프로세스를 선택하고 있다. 최종단의 전력증폭기는 RF부에서 가장 전력을 많이 소비하므로, 효율 향상에 유리한 GaAsHBT를 채용했다.
표준화 대응에 대해서는 우선, IEEE802.11a에 준거한 IC를 베이스로 IEEE802.11b를 합친 듀얼 모드 칩, 그 연장선상의 IEEE802.11g(2.4GHz의 고속판)로 대응해 나간다. 또, 유럽 대응뿐만 아니라 대역의 유효 이용, 단말의 소비전력 저감에 유효한 IEEE802.11h, 게다가 AV 용도에 중요한 IEEE802.11e(대역보증)에 순차적으로 대응해 나갈 것으로 생각된다. 한편, 시큐리티에 대해서는 대응하는 IEEE802.11i의 표준화 작업에 시간이 걸리고 있지만, 유저로부터 조기 시큐리티 강화의 요구가 강하기 때문에 Wi-Fi Alliance의 동향에도 주목하면서 향후 주류가 될 TKIP, AES라고 하는 방식을 순차적으로 실장하고, 인증 방식으로서는 IEEE802.1X를 지원해 나갈 것이다.
표준화 이외의 기능 실장으로서는 2003년 이후에 스마트안테나 기능을 탑재한 칩셋을 개발해 나갈 것으로 생각되며, 스마트안테나는 공간의 전파로를 적응 제어하는 기술인데, 간섭 회피, 멀티패스 대책에 유효하다. 무선 LAN 보급에 있어서, 혼신 문제나 throughput 저하가 표면화되었을 때에는 매우 유용한 기술이라고 생각된다.

종론

IEEE802.11 위원회에 의한 표준화를 중심으로 한 무선 LAN의 동향과 도시바사의 IEEE802.11 무선 LAN 칩셋을 예로 들어 개발상황에 대해 언급했다. 향후도 표준화 동향을 주시하면서 시장의 수요에 따른 차세대 IEEE802.11 칩셋 개발에 박차가 가해질 것이다.

■ 참고문헌

(1) "Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications," ISO/IEC 8802-11: 1999(E), IEEE Std 802.11-1999, 1999.
(2) "Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications-Amendment 1: High-Speed Physical Layer in the 5GHz Band," ISO/IEC 8802-11/Amd 1: 2000(E), IEEE Std 802.11a-1999, 1999.
(3) "Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4GHz Band," ISO/IEC 8802-11/Sup: 1999(E), IEEE Std 802.11b-1999, 1999.
(4) ERC/DEC/(99) 23, ERC Decision of 29 November 1999 on the harmonized frequency bands to be designated for the introduction of High Performance Radio Local Area Networks(HIPERLANs), 1999.
(5) Fluhrer,S.,et al., "Weakness in the Key Scheduling Algorithm of RC4". 8th Annual Workshop on Selected Areas of Cryptography, Aug. 2001.
(6) "Port-Based Network Access Control". IEEE Std 802.1X-2001, 2001.
(7) "Advanced Encryption Standard(AES)". Federal Information Processing Standard(FIPS).197, Nov.26, 2001.
 

 

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