프롤로그

기술적으로 적는 게 티스토리에서 여기로 넘어오는 게 처음이다.

옛날부터, 내 블로그를 새로 만들고 그 블로그에서 기술 블로그 적을려고 했는데, 그 꿈을 이제서야 처음 이룬 거 같다.

너드인의 밤

너드인의 밤

성밍쟁 공붕방

https://taesan-smj.tistory.com/

기존 글들은 해당 블로그에서 확인이 가능하다.

오늘은 Wifi 7 (IEEE 802.11be) 의 PHY 기술인 Puncturing 기술에 대해 알아보기 전에 미리 알아야 할 개념들인

OFDM, MIMO, MU-MIMO, OFDMA 까지 802.11부터 802.11ax 까지 데이터 전송 과정에 대해서 정리해보려고 한다.

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)은 하나의 넓은 주파수 대역을 여러 개의 직교(Orthogonal)하는 작은 부반송파(Subcarrier)로 나누어 데이터를 전송하는 기술이다.

IEEE 802.11a에서 도입된 기술인데, 특히 802.11n부터는 OFDM에 MIMO(Multiple Input Multiple Output)가 결합되면서 전송 속도가 크게 향상되었다.

여기서 a에서부터 OFDM이 도입되었고, 사용되어왔다.

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[WiFi] IEEE 802.11 WIFI의 PHY 계층에 대해서 알아보자

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https://taesan-smj.tistory.com/207

데이터를 1초 동안 전송한다고 가정해보자.

만약 1부터 10까지의 데이터를 보내야 한다면, 1초를 0.1초씩 나누어 순서대로 데이터를 전송할 수 있다. 더 많은 데이터를 보내고 싶다면 1초를 더욱 잘게 나누어 0.01초, 0.001초 단위로 전송하면 된다.

초기의 통신 기술은 이러한 방식으로 같은 시간 동안 더 많은 심볼(Symbol)을 전송하거나, BPSK, QPSK, QAM과 같은 변조 기법을 사용하여 하나의 심볼에 더 많은 비트를 담는 방향으로 발전해왔다.

하지만 데이터를 무한정 빠르게 전송할 수는 없다. 전송 속도가 빨라질수록 심볼 간 간섭(ISI)이나 채널 왜곡에 취약해지기 때문이다. 말을 빠르게만 말하면 뭐하나, 상대방이 알아듣지 못할 수도 있는데..

이러한 한계를 해결하기 위해 등장한 개념 중 하나가 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)이다.

OFDM을 쉽게 설명하면 피아노의 화음과 비슷하다.

기존에는 하나의 음인 “도”를 더 빠르게 반복해서 연주하려고 했다면, OFDM은 “도”, “미”, “솔”을 동시에 연주하여 더 많은 정보를 한 번에 전달하는 방식이라고 생각할 수 있다.

즉, 하나의 넓은 주파수 대역을 여러 개의 작은 부반송파(Subcarrier)로 나누고, 각 부반송파가 동시에 데이터를 전송하도록 만들어 전체 전송 효율을 높인 기술이 OFDM이다.

하지만 OFDM에도 한계가 존재한다.

OFDM에서는 하나의 사용자가 데이터를 전송하는 동안 전체 주파수 대역의 서브캐리어를 사용한다. 앞에서 설명한 피아노 비유를 다시 사용하면, "도", "미", "솔"로 구성된 모든 음을 한 명의 사용자를 위해 사용하는 것이다.

예를 들어 20MHz 채널에 52개의 데이터 서브캐리어가 존재한다면, 특정 사용자가 데이터를 전송하는 순간에는 이 서브캐리어들을 모두 해당 사용자가 사용하게 된다.

즉, 여러 사용자가 동시에 통신하더라도 같은 OFDM 심볼 내에서는 한 사용자가 전체 주파수 자원을 점유하는 구조이다. 따라서 사용자가 많아질수록 순서를 기다려야 하는 시간이 증가하고, 작은 데이터만 전송하는 사용자에게도 넓은 대역폭이 할당되는 비효율이 발생할 수 있다.

MIMO(Multiple Input Multiple Output)

OFDM은 여러 개의 서브캐리어를 이용하여 전송 효율을 높였지만, 여전히 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 사용하는 구조에서는 속도 향상에 한계가 존재했다.

이 문제를 해결하기 위해 IEEE 802.11n에서는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 기술이 도입되었다.

MIMO는 여러 개의 송신 안테나와 여러 개의 수신 안테나를 이용하여 동시에 여러 데이터 스트림을 전송하는 기술이다.

쉽게 설명하면 기존에는 하나의 사람이 하나의 도로를 이용해 목적지까지 이동했다면, MIMO는 여러 개의 도로를 동시에 이용하여 여러 사람이 함께 이동하는 것과 비슷하다.

예를 들어 1x1 환경에서는 하나의 데이터 스트림만 전송할 수 있지만,

• 2x2 MIMO는 2개의 데이터 스트림
• 4x4 MIMO는 4개의 데이터 스트림

을 동시에 전송할 수 있다.

즉, 동일한 주파수 대역폭을 사용하더라도 안테나 수를 늘려 전송량을 증가시킬 수 있다.

피아노 비유로 설명하면 OFDM이 “도·미·솔”이라는 화음을 이용하여 데이터를 보내는 기술이었다면, MIMO는 여러 명의 연주자가 각각 도·미·솔 화음을 동시에 연주하는 것과 비슷하다.

위 그림이 실제 MIMO의 모든 동작을 정확하게 표현한 것은 아니지만, 여러 송신 안테나와 수신 안테나를 활용하여 동시에 여러 데이터 스트림을 전송한다는 개념을 이해하기에는 충분하다.

예를 들어 2x2 MIMO 환경에서는 두 개의 Spatial Stream을 동시에 전송할 수 있다. 따라서 같은 시간 동안 더 많은 데이터를 전달할 수 있으며, 채널 환경이 충분히 좋다면 전송 속도를 크게 향상시킬 수 있다.

즉, MIMO는 새로운 주파수를 사용하는 것이 아니라 공간(Spatial Domain)을 활용하여 전송 효율을 높이는 기술이라고 볼 수 있다.

다만 중요한 점은 MIMO가 여러 안테나를 사용하더라도 기본적으로는 한 명의 사용자를 위한 기술이라는 것이다. 예를 들어 AP가 4개의 안테나를 가지고 있더라도, 여러 사용자에게 동시에 데이터를 보내는 것이 아니라 특정 사용자 한 명에게 여러 데이터 스트림을 전송하여 속도를 높이는 데 초점이 맞춰져 있다.

MU-MIMO

앞서 살펴본 MIMO는 여러 개의 안테나를 이용하여 전송 속도를 높이는 기술이었다. 하지만 MIMO에도 한 가지 한계가 존재했다.

바로 여러 개의 안테나를 사용하더라도 특정 사용자 한 명에게만 데이터 스트림을 전송한다는 점이다.

예를 들어 AP가 4개의 안테나를 가지고 있다고 가정해보자.

기존 MIMO에서는 4개의 안테나를 모두 활용하여 한 명의 사용자에게 4개의 데이터 스트림을 전송할 수 있다. 해당 사용자는 매우 빠른 속도로 데이터를 받을 수 있지만, 다른 사용자들은 자신의 차례를 기다려야 한다.

즉, MIMO는 “한 사람을 매우 빠르게 보내는 기술”이라고 볼 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 IEEE 802.11ac에서는 MU-MIMO(Multi User MIMO)가 도입되었다.

MU-MIMO는 AP의 여러 안테나를 이용하여 여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송하는 기술이다.

예를 들어 AP가 4개의 안테나를 가지고 있다면,

• User A에게 1개 스트림
• User B에게 1개 스트림
• User C에게 1개 스트림
• User D에게 1개 스트림

을 동시에 전송할 수 있다.

기존 MIMO가 한 명의 사용자에게 모든 도로를 몰아주는 방식이었다면, MU-MIMO는 여러 개의 도로를 여러 사용자에게 나누어 주는 방식이라고 생각하면 된다.

피아노 비유로 설명하면 MIMO는 여러 명의 연주자가 한 명의 청중만을 위해 화음을 연주하는 것과 같았다. 반면 MU-MIMO는 여러 연주자가 여러 명의 청중에게 동시에 각자의 화음을 들려주는 것과 비슷하다.

다만 MU-MIMO도 여전히 하나의 사용자가 전체 주파수 대역을 사용한다는 점은 OFDM과 동일하다.

즉, 공간(Spatial Domain)은 여러 사용자에게 나누어 줄 수 있게 되었지만, 주파수(Frequency Domain)는 여전히 하나의 사용자가 점유하는 구조였다.

OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

앞서 살펴본 MU-MIMO는 여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송할 수 있도록 만들어 주었다.

하지만 여전히 한 가지 문제가 남아 있었다.

바로 주파수 자원의 사용 방식이다.

OFDM에서는 하나의 사용자가 데이터를 전송하는 동안 전체 서브캐리어를 사용한다. MU-MIMO 역시 여러 사용자에게 동시에 데이터를 전송할 수는 있었지만, 기본적으로는 전체 주파수 대역을 활용하는 방식 자체는 변하지 않았다.

예를 들어 20MHz 채널에 52개의 데이터 서브캐리어가 존재한다고 가정해보자.

사용자 A는 단순히 메신저 알림 하나를 받아야 하고, 사용자 B는 4K 영상을 시청하고 있다고 하더라도, OFDM 환경에서는 두 사용자 모두 동일한 주파수 자원을 사용하게 된다.

즉, 적은 데이터를 전송하는 사용자에게도 불필요하게 넓은 대역폭이 할당되는 비효율이 발생할 수 있다.

이를 해결하기 위해 IEEE 802.11ax(Wi-Fi 6)에서는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)가 도입되었다.

OFDMA는 하나의 채널을 여러 개의 Resource Unit(RU)으로 나누고, 각 RU를 서로 다른 사용자에게 할당하는 기술이다.

쉽게 설명하면 기존 OFDM이 하나의 고속도로를 한 대의 차량이 독점적으로 사용하는 구조였다면, OFDMA는 고속도로의 차선을 여러 차량이 동시에 나누어 사용하는 구조라고 볼 수 있다.

피아노 비유로 설명하면 OFDM에서는 “도·미·솔” 전체 화음을 한 명의 사용자를 위해 사용했다면, OFDMA에서는 “도”는 사용자 A, “미”는 사용자 B, “솔”은 사용자 C가 사용하는 방식이다.

즉, 여러 사용자가 하나의 채널을 동시에 공유할 수 있게 된 것이다.

이를 통해 많은 사용자가 동시에 접속하는 환경에서도 지연 시간을 줄이고 주파수 자원을 더욱 효율적으로 활용할 수 있게 되었다.

Resource Unit(RU)

그렇다면 OFDMA는 채널을 어떻게 나누는 것일까?

Wi-Fi 6에서는 채널을 여러 개의 RU(Resource Unit)로 분할하여 사용자들에게 할당한다.

RU는 쉽게 말해 OFDMA 환경에서 사용자에게 할당되는 주파수 자원의 최소 단위라고 볼 수 있다.

예를 들어 20MHz 채널이 있다고 가정해보자.

기존 OFDM에서는 전체 채널을 한 사용자가 사용했다.

반면 OFDMA에서는 채널을 여러 개의 RU로 분할하여 사용할 수 있다.

위 그림에서 노란색은 RU1, 파란색은 RU2, 남색은 RU3, 주황색은 RU4라고 볼 수 있다. 이렇게 하나의 채널을 여러 RU로 나누고, 각 RU를 서로 다른 사용자에게 할당하면 사용자 A, B, C, D가 같은 시간 구간에서 통신할 수 있다.

Wi-Fi 6에서는 다양한 크기의 RU가 정의되어 있으며 대표적으로 26-tone, 52-tone, 106-tone, 242-tone RU 등이 사용된다.

데이터를 많이 전송해야 하는 사용자는 큰 RU를 할당받고, 단순한 센서 데이터나 짧은 메시지를 전송하는 사용자는 작은 RU를 할당받을 수 있다.

즉, OFDMA와 RU를 이용하면 사용자의 트래픽 특성에 맞게 주파수 자원을 효율적으로 배분할 수 있게 된다.

여기서 tone은 OFDMA에서 사용하는 서브캐리어 단위라고 이해하면 된다.

기존 OFDM 기반 Wi-Fi에서는 20MHz 채널을 64개의 서브캐리어로 나누고, 그중 일부를 데이터 전송에 사용했다. 예를 들어 802.11a/g/n/ac 계열의 20MHz OFDM에서는 전체 64개 서브캐리어 중 약 52개가 실제 전송에 사용되었다.

반면 Wi-Fi 6(802.11ax)에서는 20MHz 채널을 더 촘촘하게 나누기 위해 256 FFT 구조를 사용한다. 이로 인해 20MHz 안에서 사용할 수 있는 tone 수가 증가했고, 26-tone, 52-tone, 106-tone, 242-tone과 같은 다양한 크기의 RU(Resource Unit)를 구성할 수 있게 되었다.

즉, OFDMA는 채널을 단순히 여러 조각으로 나누는 것이 아니라, 더 세밀하게 나눈 서브캐리어 묶음인 RU를 사용자별로 할당하여 주파수 자원을 효율적으로 사용하는 기술이다.

에필로그

간단간단하게 적었다.

다음은 802.11be에서의 핵심 인 puncturing을 다뤄보자.