Introduction to 802.11ax High-Efficiency Wireless

개요

802.11ax, also called High-Efficiency Wireless (HEW), has the challenging goal of improving the average throughput per user by a factor of at least 4X in dense user environments. This new standard focuses on implementing mechanisms to serve more users a consistent and reliable stream of data (average throughput) in the presence of many other users. This paper will explore the new mechanisms that will give the popular 802.11ax standard the title of High-Efficiency Wireless.

Contents

개요

대표적인 자동차 제조업체인 Ferrari는 2015년에 엔트리 레벨 모델 Ferrari California T의 새로운 버전을 출시했습니다.  이 날렵한 스포츠카는 412 KW(553마력) 이상의 출력으로 제로백 (정지 상태에서 100km/h까지 도달하는 시간) 3.6초를 기록할 수 있는 3.9 리터 터보차지 V8 엔진을 보유하고 있습니다.  엔지니어링 기술이 낳은 걸작품과도 같은 이 자동차는 액셀을 끝까지 밟을 경우 최고 속도인 315km/h까지 단숨에 상승합니다. [1]

Ferrari 설계자들은 이 자동차가 맹렬한 속도에서 가장 정확한 핸들링, 유체 운동 및 성능을 제공하면서도 일상적인 주행에도 적합하도록 엔진, 차체 및 인테리어의 세세한 부분들을 고려했습니다.  이러한 자동차를 소유하고 있다면 매일 기분 좋게 출근할 수 있음은 물론 번개와도 같은 속도를 즐길 수 있습니다.  하지만 교통 체증이 수시로 일어나는 대도시의 혼잡한 거리에서라면 이 빨간색 Ferrari 컨버터블도 별다른 힘을 쓰지 못할 것입니다.

오늘날의 인터넷 환경에서는 많은 사람들이 이와 비슷한 상황에 처해 있습니다.  빠른 속도의 무선 인터넷은 이탈리아산 스포츠카처럼 호화로운 존재는 아니지만, 전광석화 같은 속도를 즐길 수 있다는 점에서는 공통점이 있습니다.  최초의 802.11b Wi-Fi 표준(1999년)은 최고 연결 속도가 11 Mbps였습니다.  당시에는 상당히 빠른 속도였지만, 유선 연결과 비교하면 훨씬 느렸습니다.  이후 몇 년 후에 802.11a/g 개정(2003년)에서는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술을 도입함으로써 속도를 54 Mbps로 높였습니다. 

이후에는 802.11n(2009년)이 최대 150 Mbps의 단일 스트림 링크를 사용자에게 제공함으로써 속도가 향상되었습니다.  이 표준의 802.11ac 개정(2013년)은 보다 방대한 채널(160 MHz)과 더 높은 변조 차수(256-QAM)로 단일 공간 스트림에서 약 866 Mbps의 연결 속도를 실현했습니다.  스포츠카와 마찬가지로 엔지니어링 기술이 낳은 걸작품인 이 표준은 지정된 최대 개수인 8개의 공간 스트림을 사용함으로써 이론상 최고 속도를 6.97 Gbps까지 끌어올렸습니다.  802.11ac를 사용하게 되면 자전거나 가정용 일반 자동차를 타다가 고출력 Ferrari 스포츠카로 바꾸는 것과 마찬가지의 경험을 선사합니다.

하지만 Ferrari의 최고 속도를 스포츠카 전용 레이싱 트랙 환경에서만 실현할 수 있는 것처럼, 7 Gbps에 가까운 속도는 RF 연구소와 같은 특수한 환경에서나 가능합니다.  현실에서는 혼잡한 공항 터미널에서 이메일 확인 작업조차도 제대로 되지 않을 정도로 턱없이 느린 속도의 공용 Wi-Fi 때문에 짜증을 내는 일이 빈번합니다.  IEEE 802.11 무선 LAN 표준의 새로운 개정인 802.11ax는 바로 이러한 상황을 해결하고자 합니다. 

HEW(High-Efficiency Wireless)라는 이름으로도 알려진 802.11ax는 밀집된 사용자 환경에서 사용자당 평균 스루풋을 최소 4배 이상으로 높이는 것을 목표로 합니다.  802.11ac의 원시 링크 속도를 뛰어넘고자 하는 이 새로운 표준은 밀집된 무선 환경에서 더 많은 사용자에게 안정적인 데이터 스루풋을 일관적으로 제공하기 위해 여러 가지 메커니즘을 구현합니다. 

 

주요 기능 및 어플리케이션

High-Efficiency Wireless의 주요 특징은 다음과 같습니다.

  • 802.11a/b/g/n/ac와 하위 호환됩니다.
  • 기차역, 공항, 경기장 등 밀집도가 높은 시나리오에서 사용자당 평균 스루풋을 4배 높입니다.
  • 새로운 변조 및 코딩 세트(MCS 10 및 11)와 1024-QAM을 제외하고는 데이터 속도와 채널 폭이 802.11ac와 비슷합니다.
  • MU-MIMO 및 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 기술을 통해 다운링크 및 업링크 다중 사용자 작업에 맞게 지정되었습니다.
  • 보다 큰 OFDM FFT 크기(4배 더 큼), 보다 좁은 부반송파 간격(밀집도 4배 높음), 보다 긴 심볼 기간(4배)으로 다중 경로 페이딩 환경 및 실외에서 견고함과 성능을 향상시킵니다.
  • 트래픽 흐름 및 채널 액세스가 개선되었습니다.
  • 보다 효과적인 전력 관리로 배터리 수명이 늘어납니다.

 

High-Efficiency Wireless는 다음과 같은 타겟 어플리케이션에서도 사용됩니다.

  • 셀룰러 데이터 오프로딩: 2020년경에는 매달 38.1 엑사바이트의 Wi-Fi 오프로드 트래픽이 발생하여 예상 월간 모바일/셀룰러 트래픽(30.6 엑사바이트)을 초과하게 될 것입니다. [2] 이는 네트워크를 통해 1분당 6,000개가 넘는 블루레이 영화를 전송하는 것이나 마찬가지입니다.
  • 액세스 포인트가 많고 이기종 기기를 사용하는 사용자의 밀집도가 높은 환경(공항 Wi-Fi ≠ 가정 Wi-Fi)
  • 실외/실외 혼합 환경

그림 1. 802.11ax를 배포하기에 알맞은 환경의 예. 사용자 밀집도가 높고 다양한 장비가 혼재되어 사용되는 경기장

 

밀집된 환경에서 Wi-Fi 스루풋에 대한 당면 과제

802.11 프로토콜은 무선 스테이션(STA)이 먼저 채널을 감지하고 채널이 유휴 상태일 때만 전송함으로써 충돌을 방지하는 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 방법을 사용합니다.  즉, 다른 802.11 신호가 감지되지 않을 때만 전송합니다.  STA가 다른 신호를 감지할 경우에는 해당 STA가 전송을 멈출 때까지 임의의 시간 동안 기다린 후에 채널이 비었는지를 다시 확인합니다.  전송할 수 있을 때가 되면 STA가 전체 패킷 데이터를 전송합니다.

Wi-Fi STA는 RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send)를 사용하여 공유 미디어에 대한 액세스를 중재할 수도 있습니다.  액세스 포인트(AP)는 한 번에 한 STA에만 CTS 패킷을 전송하며, 해당 STA는 전체 프레임을 AP로 전송합니다. 그런 다음에 STA는 AP로부터 패킷을 제대로 수신했음을 나타내는 수신확인 패킷(ACK)을 기다립니다. STA가 제때 ACK를 받지 못하면 패킷이 다른 전송과 충돌한 것으로 간주합니다. 그러면 STA가 2진 지수 백오프 기간으로 넘어갑니다.  백오프 카운터가 만료되면 미디어에 액세스하여 패킷의 재전송을 시도합니다.

 

그림 2. 최적 채널 평가 프로토콜

 

이 최적 채널 평가 및 충돌 방지 프로토콜은 충돌 도메인 내에서 모든 참가자들 간에 채널을 어느 정도 균등하게 나누지만, 참가자 수가 매우 크게 늘어나는 경우에는 효율성이 떨어집니다.   서비스 영역이 겹치는 AP가 많은 것도 네트워크의 효율성을 떨어뜨리는 또 하나의 요소입니다. 그림 3은 왼쪽에 있는 BSS(Basic Service Set, AP에 연결된 무선 클라이언트 세트)에 속하는 사용자(User 1)를 보여 줍니다.  User 1은 자체 BSS 내에서 미디어 액세스 권한을 다른 사용자들과 경합한 후에 AP와 데이터를 교환합니다.  하지만 이 사용자는 오른쪽에 있는 겹치는 BSS로부터의 트래픽은 계속 수신하게 됩니다.

 

그림 3. 겹치는 BSS로 인한 미디어 액세스 비효율성

 

이 경우, OBSS의 트래픽으로 인해 User 1의 백오프 절차가 트리거됩니다.  이러한 상황으로 인해 사용자가 자신의 전송 차례가 될 때까지 더 오랜 시간을 기다려야 하기 때문에 평균 데이터 스루풋이 대폭 하락합니다.

고려해야 할 세 번째 요소는 보다 넓은 채널의 공유 사용입니다.  예를 들어 북미에서 운영되는 802.11ac에는 160 MHz 채널이 하나이며, 유럽에도 2개가 있을 뿐입니다.

 

그림 4. 5 GHz 대역에서의 802.11ax 채널 할당 예

 

줄어든 채널 수로 고밀도 커버리지를 계획하기가 매우 어려워졌기 때문에, 네트워크 관리자들은 주변 셀에 있는 채널을 재사용할 수밖에 없습니다. 전력 관리를 신중하고 치밀하게 행하지 않으면 사용자들이 공동 채널 간섭을 경험하게 됩니다. 이러한 간섭은 성능을 저하시키고 보다 넓은 채널에서 얻을 수 있는 많은 이점을 활용할 수 없게 만듭니다. 신호 대 노이즈 비율이 낮을 가능성이 훨씬 더 높은 MCS 8, 9, 10 및 11의 최고 데이터 속도에서 이러한 현상이 특히 심합니다.  또한 현재 구현된 802.11 네트워크에서는 20 MHz 채널이 80 MHz 채널과 겹칠 경우 기본적으로 80 MHz 채널이 그다지 쓸모 없게 됩니다. 사용자가 보다 좁은 채널에서 전송하기 때문입니다. 고밀도 네트워크에서 802.11ac의 채널 공유를 구현하면, 20 MHz 채널에서 이루어지는 전송에 대해서는 80 MHz 채널의 이점이 저하됩니다.

 

고효율성을 위한 PHY 메커니즘

 

PHY 변경

802.11ax 스펙은 표준의 물리적 계층에 큰 변화를 가져옵니다. 하지만 802.11a/b/g/n 및 /ac 장비와의 하위 호환성이 유지되므로 802.11ax STA는 레거시 STA와 데이터를 주고받을 수 있습니다.  전체 802.11ax 패킷은 아니더라도, 레거시 클라이언트 역시 802.11ax 패킷 헤더를 복조하고 디코딩하여 802.11ax STA가 전송 중일 때 백오프될 수 있습니다.

다음 표는 이 개정된 표준과 현재 802.11ac 표준 사이의 가장 중요한 차이점을 보여 줍니다.

 

802.11ac

802.11ax

대역

5 GHz

2.4 GHz 및 5 GHz

채널 대역폭

20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 80+80 MHz & 160 MHz

20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 80+80 MHz & 160 MHz

FFT 크기

64, 128, 256, 512

256, 512, 1024, 2048

부반송파 간격

312.5 kHz

78.125 kHz

OFDM 심볼 기간

3.2 us + 0.8/0.4 us CP

12.8 us + 0.8/1.6/3.2 us CP

최고 변조

256-QAM

1024-QAM

데이터 속도

433 Mbps (80 MHz, 1 SS)

6933 Mbps (160 MHz, 8 SS)

600.4 Mbps (80 MHz, 1 SS)

9607.8 Mbps (160 MHz, 8 SS)

 

표 1. 802.11ac와 802.11ax의 비교

 

802.11ax 표준은 2.4 GHz 및 5 GHz 대역 모두에서 작동합니다. 이 스펙은 FFT가 4배 더 크므로 부반송파 수가 몇 배로 늘어납니다. 하지만 802.11ax의 중대한 변화 중 하나는 이전 802.11 개정에 비해 부반송파 간격이 1/4로 줄어들어 기존 채널 대역폭을 유지한다는 것입니다.

 

그림 5. 보다 좁은 부반송파 간격

 

OFDM 심볼 기간 및 cyclic prefix도 4배 늘어나면서 802.11ac와 동일한 원시 링크 데이터 속도를 유지하지만, 실내/실외 및 혼합 환경에서 효율성과 안정성을 향상시킵니다.  또한 이 표준은 실내 환경에 대해서는 1024-QAM 및 보다 작은 cyclic prefix 비율을 지정하지 않으므로 최대 데이터 속도를 높입니다.

 

빔포밍

802.11ax는 802.11ac와 비슷한 명시적인 빔포밍 절차를 채택합니다. 이 절차에 따라 빔포머가 널 데이터 패킷을 사용하여 채널 사운딩 절차를 시작합니다. 빔포미는 채널을 측정하고, 압축된 피드백 매트릭스를 포함하고 있는 빔포밍 피드백 프레임으로 응답합니다. 빔포머는 이 정보를 사용하여 채널 매트릭스, H를 연산합니다. 그런 다음에 이 채널 매트릭스를 사용하여 각 사용자에게 RF 에너지를 집중시킬 수 있습니다.

 

다중 사용자 작업: MU-MIMO 및 OFDMA

802.11ax 표준에는 두 가지 작업 모드가 있습니다.

단일 사용자: 본 문서에서 앞서 설명한 것처럼 이 순차적 모드에서는 무선 STA가 미디어에 안전하게 액세스한 후 한 번에 하나씩 데이터를 주고받습니다.

다중 사용자: 이 모드에서는 여러 개의 비AP STA를 동시에 운영할 수 있습니다. 표준에서 이 모드는 다운링크 및 업링크 다중 사용자로 더욱 세분화됩니다.

  • 다운링크 다중 사용자는 AP가 동시에 여러 개의 연결된 무선 STA에 제공하는 데이터를 의미합니다. 이 기능은 기존 802.11ac 표준에 이미 지정되어 있습니다.
  • 업링크 다중 사용자는 여러 STA에서 AP로 데이터를 동시에 전송하는 것입니다. 이것은 802.11ax 표준의 새로운 기능으로, 이전 버전의 Wi-Fi 표준에는 없었던 것입니다.

 

다중 사용자 작업 모드에서는 특정 영역 내에서 더 많은 사용자를 멀티플렉싱하기 위한 두 가지 방법도 표준에 지정되어 있습니다. 이를 다중 사용자 MIMO 그리고 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)라고 합니다. 두 방법 모두에 대해 AP는 다중 사용자 작업의 모든 측면에서 중앙 컨트롤러 역할을 합니다. 마치 LTE 셀룰러 기지국이 여러 사용자의 멀티플렉싱을 제어하는 것과 비슷합니다. 802.11ax AP는 MU-MIMO를 OFDMA 작업과 결합할 수도 있습니다.

 

다중 사용자 MIMO

802.11ac 구현과 마찬가지로 802.11ax 장비는 빔포밍 기술을 사용하여 공간적으로 분산된 사용자들에게 패킷을 동시에 전달합니다. 즉, AP는 각 사용자에 대한 채널 매트릭스를 계산하고 타겟 사용자 고유의 패킷이 들어 있는 각 빔을 서로 다른 사용자들에게 동시에 전달합니다. 802.11ax는 802.11ac의 4개보다 더 많은 8개의 다중 사용자 MIMO 전송을 동시에 보낼 수 있습니다. 또한 각 MU-MIMO 전송마다 자체적인 변조 및 코팅 세트(MCS)와 서로 다른 공간 스트림 개수가 존재하기도 합니다. 비유하자면 MU-MIMO 공간 멀티플렉싱을 사용할 때 AP는 충돌 도메인을 큰 컴퓨터 네트워크에서 단일 포트로 줄이는 이더넷 스위치와 비슷합니다.

MU-MIMO 업링크 방향의 새로운 기능으로, AP는 트리거 프레임을 통해 각 STA로부터의 동시 업링크 전송을 시작합니다. 여러 사용자가 본인 고유의 패킷을 사용하여 일제히 응답할 때, AP는 수신된 빔에 채널 매트릭스를 적용하고 각 업링크 빔에 포함된 정보를 분리합니다. 그림 7과 같이 AP가 업링크 다중 사용자 전송을 시작하여 모든 참가 STA로부터 빔포밍 피드백 정보를 받을 수도 있습니다.

 

그림 6. MU-MIMO 빔포밍을 사용하여 공간적으로 분산된 곳에 위치한 여러 사용자들을 지원하는 AP

 

 

그림 7. MU-MIMO 작업을 위한 채널 정보를 요청하는 빔포머(AP)

 

다중 사용자 OFDMA

802.11ax 표준은 4G 셀룰러 기술의 기술적 개선을 활용하여 같은 채널 대역폭에서 더 많은 사용자를 멀티플렉싱합니다. 이것을 OFDMA(Orthogonal Frequency-Division Multiple Access)라고 합니다. 802.11ac에서 이미 사용하고 있는 기존의 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 디지털 변조 방식을 바탕으로 802.11ax 표준은 개별 사용자에게 보다 구체적인 부반송파 집합을 할당합니다. 즉, 기존 802.11 채널(20, 40, 80 및 160 MHz 폭)을 미리 정의된 개수의 부반송파가 있는 보다 작은 서브채널로 나눕니다. 또한 최신 LTE 용어를 빌려 802.11ax 표준은 가장 작은 서브채널을 RU(Resource Unit)라고 부릅니다. RU의 최소 크기는 26개 부반송파입니다.

다중 사용자 트래픽 요구에 맞춰 AP는 채널을 어떻게 할당할 것인지 결정하고 항상 다운링크에서 사용 가능한 모든 RU를 할당합니다. 802.11ac에서는 현재의 방식대로 전체 채널을 한 번에 한 사용자에게만 할당할 수도 있고, 분할하여 여러 사용자를 동시에 지원할 수도 있습니다(그림 8 참조).

 

그림 8. 한 사용자가 채널을 사용하는 경우와 OFDMA를 사용하여 같은 채널에서 다양한 사용자를 멀티플렉싱하는 경우

 

일상적인 밀집된 환경에서 사용자가 자신의 채널 사용 차례를 얻기 위해 비효율적으로 경합하는 경우에 비해서, 이 OFDMA 메커니즘은 이제 보다 작은 전용 서브채널을 통해 동시에 사용자들을 지원함으로써 사용자당 평균 스루풋을 향상시킵니다. 그림 9에서는 802.11ax 시스템이 서로 다른 RU 크기를 사용하여 채널을 멀티플렉싱할 수 있는 방법을 보여줍니다. 가장 작은 채널 집합은 20 MHz의 대역폭마다 최대 9명의 사용자를 수용할 수 있습니다. [4]

 

그림 9. 다양한 Resource Unit 크기를 사용하여 Wi-Fi 채널 분할

 

다음 표는 이제 802.11ax AP 및 STA가 MU-OFDMA 작업을 조율할 때 주파수 멀티플렉스된 액세스 권한을 얻을 수 있는 사용자 수를 보여 줍니다.

RU 유형

CBW20

CBW40

CBW80

CBW160 및 CBW80+80

26-부반송파 RU

9

18

37

74

52-부반송파 RU

4

8

16

32

106-부반송파 RU

2

4

8

16

242-부반송파 RU

1-SU/MU-MIMO

2

4

8

484-부반송파 RU

해당사항 없음

1-SU/MU-MIMO

2

4

996-부반송파 RU

해당사항 없음

해당사항 없음

1-SU/MU-MIMO

2

2x996 부반송파 RU

해당사항 없음

해당사항 없음

해당사항 없음

1-SU/MU-MIMO

 

표 2. 채널 대역폭별 총 RU 수

 

다중 사용자 업링크 작업

업링크 MU-MIMO 또는 업링크 OFDMA 전송을 조율하기 위해 AP는 모든 사용자에게 트리거 프레임을 보냅니다. 이 프레임은 각 사용자의 공간 스트림 수 및/또는 OFDMA 할당(주파수 및 RU 크기)을 나타냅니다. AP가 모든 업링크 사용자로부터 받는 파워를 균등화하고 더 멀리 있는 노드로부터의 프레임 수신을 개선할 수 있도록 개별 사용자가 전송 파워를 높이거나 낮출 수 있게 해주는 파워 제어 정보도 포함되어 있습니다. AP는 모든 사용자에게 전송을 시작하고 중지할 시점을 지시하기도 합니다. 그림 10에서 알 수 있듯이, AP는 모두가 전송을 시작해야 하는 정확한 순간을 알려 주는 다중 사용자 업링크 트리거 프레임과 정확한 프레임 지속 시간을 모든 사용자에게 보냄으로써 모두가 동시에 전송을 마칠 수 있도록 합니다. AP는 모든 사용자로부터 프레임을 받은 후 블록 ACK를 다시 보냄으로써 작업을 마무리합니다.

 

그림 10. 업링크 다중 사용자 작업 조율

 

802.11ax의 주요 목표 중 하나는 밀집된 사용자 환경에서 4배 더 높은 사용자당 평균 스루풋을 지원하는 것입니다. 이 목표를 염두에 두고 표준 설계자들은 802.11ax 장비가 다운링크 및 업링크 MU-MIMO 작업, MU-OFDMA 작업을 지원함은 물론, 동시 사용자가 더 많을 경우 이 두 가지를 모두 지원하도록 규정하였습니다.

 

고효율성을 위한 MAC 메커니즘

 

색상 코드를 통한 공간 재사용

밀집된 배포 시나리오에서 시스템 레벨 성능과 스펙트럼 리소스의 효율적인 사용을 개선하기 위해 802.11ax 표준은 공간 재사용 기술을 구현합니다. STA는 겹치는 BSS(Basic Service Set)로부터의 신호를 식별하고, 이 정보를 바탕으로 미디어 경합 및 간섭 관리에 대한 결정을 내릴 수 있습니다.

미디어로부터 수신 중인 STA가 802.11ax 프레임을 감지할 경우에는 MAC 헤더에서 BSS 색상 비트 또는 MAC 주소를 확인합니다. 감지된 PPDU에 있는 BSS 색상이 연결된 AP에서 이미 공개된 색상과 동일할 경우, STA는 해당 프레임을 인트라-BSS 프레임으로 간주합니다.

하지만 감지된 프레임의 BSS 색상이 다를 경우 STA는 해당 프레임을 겹치는 BSS로부터 온 인터-BSS 프레임으로 간주합니다. 그런 다음에 STA는 STA가 인터-BSS 프레임인지를 확인하는 데 걸리는 시간 동안만 미디어를 BUSY로 처리합니다. 하지만 이 시간은 프레임의 페이로드 길이로 지정된 시간보다 더 길 수는 없습니다.

겹치는 BSS로부터의 트래픽을 무시하기 위한 몇 가지 메커니즘은 앞으로 정의되어야 합니다. 여기에는 인트라-BSS 트래픽의 임계점을 낮게 유지하면서 인터-BSS 프레임을 위한 최적 채널 평가 신호 감지(SD) 임계점을 높이는 작업 등이 포함될 수 있습니다(그림 11 참조). 이렇게 하면 인접한 BSS로부터의 트래픽이 불필요한 채널 액세스 경합을 일으키지 않게 됩니다.

그림 11. 최적 채널 평가를 위해 색상 코드 사용

 

802.11ax STA가 색상 코드 기반 CCA 규칙을 사용할 때 OBSS 신호 감지 임계점을 조정하고 전송 파워를 제어할 수도 있습니다. 이 조정 덕분에 시스템 레벨 성능과 스펙트럼 리소스 사용을 개선할 수 있습니다. 더구나 802.11ax STA는 에너지 감지 레벨 및 신호 감지 레벨 같은 CCA 파라미터를 조정할 수 있습니다.

CCA를 사용하여 미디어가 현재 프레임에 대해 유휴 상태인지 아니면 사용 중인지를 확인하는 것 외에도 802.11 표준은 STA에 대한 NAV(Network Allocation Vector, 미래 트래픽을 계속적으로 예측하는 타이머 메커니즘)를 도입하여 현재 프레임 직후의 프레임에 필요한 시간을 표시합니다. NAV는 제어 프레임과 RTS/CTS 교환 이후의 데이터 및 ACK 등 802.11 프로토콜 운영에 매우 중요한 프레임을 위해 미디어를 예약하는 버추얼 반송파 감지 역할을 합니다.

그림 12. MU PPDU 교환 및 NAV 설정의 예

 

High-Efficiency Wireless를 연구하고 있는 802.11 태스크 그룹이 한 가지가 아닌 두 가지의 NAV 필드를 802.11ax 표준에 넣을 가능성도 충분합니다. 인트라-BSS NAV 및 인터-BSS NAV가 있으면 STA가 자체 BSS 내 트래픽을 예측할 수 있으며 겹치는 트래픽의 상태를 알 때 자유롭게 전송할 수 있습니다.

 

Target Wake Time을 통한 절전

802.11ax AP는 TWT(Target Wake Time) 기능을 사용하여 개별 스테이션이 미디어에 액세스할 특정 시간이나 시간대를 정의할 것인지 여부를 참가 STA와 협상할 수 있습니다. STA 및 AP는 예상되는 작업 기간을 비롯한 여러 가지 정보를 교환합니다. 이러한 방식으로 AP는 미디어에 액세스해야 하는 STA 간에 경합 수준과 겹침 현상을 줄입니다. 802.11ax STA는 TWT를 사용하여 에너지 소비를 줄임으로써 TWT가 될 때까지 유휴 상태에 들어갈 수도 있습니다. 더구나 AP와 STA 간의 개별적인 TWT 합의 없이도 AP가 추가적인 일정을 수립하고 TWT 값을 STA에 제공할 수 있습니다. 이 절차를 Broadcast TWT 작업이라고 합니다(그림 13 참조).

 

그림 13. Target Wake Time Broadcast 작업의 예

 

802.11ax 테스트 관련 도전과제

 

보다 엄격한 EVM 요구 사항

802.11ax 표준에서는 1024-QAM 지원이 필수적입니다. 또한 부반송파 사이의 간격은 78.125 KHz에 불과합니다. 즉, 802.11ax 장비는 위상 노이즈 성능이 향상된 오실레이터와 선형성이 보다 우수한 RF 프런트엔드를 필요로 합니다. 또한 DUT 동작을 측정하는 테스트 장비는 EVM 노이즈 플로어가 DUT 노이즈 플로어보다 훨씬 낮아야 합니다.

다음 표는 802.11ax 규격 장비가 준수해야 하는 예상 EVM 레벨을 보여줍니다.

 

16-QAM

64-QAM

256-QAM

1024-QAM

802.11ax EVM 요구 사항

-19 dB

-27 dB

-32 dB

-35 dB

 

표 3. 802.11ax EVM 요구 사항

 

NI WLAN 테스트 시스템은 RF 벡터 신호 트랜시버(VST)와 NI WLAN Measurement Suite를 결합하여 802.11ax 신호의 발신과 분석을 지원합니다. 이 소프트웨어는 BPSK(MCS0)부터 1024-QAM(MCS10 및 MCS11)까지의 웨이브폼을 지원합니다. 또한 NI의 VST 하드웨어는 RF 특성화 및 생산 요구에 맞는 동급 최고의 EVM 플로어 측정 기능을 계속 제공하고 있습니다.

 

절대 및 상대 주파수 에러

OFDMA 시스템은 주파수 및 클럭 오프셋에 매우 민감합니다. 따라서 802.11ax 다중 사용자 OFDMA의 성능을 높이기 위해서는 매우 정확한 주파수 동기화와 클럭 오프셋 보정이 필요합니다. 그러면 모든 STA가 할당된 서브채널 내에서 최소한의 스펙트럼 누출로 정확하게 작동합니다. 또한 엄격한 타이밍 요구사항 때문에 모든 STA가 AP의 MU 트리거 프레임에 맞춰 동시에 전송할 수 있도록 보장합니다.

4G LTE 시스템의 경우, 기지국에서 GPS 기반 클럭을 활용하여 모든 연결된 장비를 동기화할 수 있습니다. 하지만 802.11ax AP에는 그런 기능이 없기 때문에 자체적인 내장 오실레이터를 참조하여 시스템 동기화를 유지해야 합니다. 그 다음에는 STA가 AP로부터 받는 트리거 프레임에서 오프셋 정보를 추출하여 내부 클럭 및 주파수 참조를 조정합니다.

802.11ax 장비의 주파수 및 클럭 오프셋 테스트에는 다음 테스트가 포함됩니다.

  • 절대 주파수 에러: DUT가 802.11ax 프레임을 보내고 테스트 장비가 표준 참조와 비교하여 주파수 및 클럭 오프셋을 측정합니다. 이것은 현재 802.11ac 스펙이 나타내는 것과 비슷하며, 오차 한계는 약 ±20ppm입니다.

 

그림 14. 절대 주파수 에러 측정을 위한 간단한 설정

 

  • 상대 주파수 에러: 업링크 다중 사용자 전송에 참가하는 비AP STA가 AP의 주파수에 맞출 수 있는 능력을 테스트합니다. 테스트 절차는 두 단계로 이루어집니다. 첫째, 테스트 장비가 트리거 프레임을 DUT에 보냅니다. DUT는 트리거 프레임으로부터 추출한 주파수 및 클럭 정보에 맞춰 조정합니다. 그런 다음에 DUT가 주파수 보정된 프레임을 회신합니다. 테스트 장비가 해당 프레임의 주파수 에러를 측정합니다. 반송파 주파수 오프셋 및 타이밍 보정 후, 오차 한계는 약 350 Hz 미만, 그리고 AP의 트리거 프레임과 비교했을 때 ±0.4 µs 이내로 매우 엄격하게 유지됩니다.

 

그림 15. 상대 주파수 에러 측정을 위한 설정

 

STA 파워 제어

주파수 및 클럭 에러를 줄여야 하는 것과 마찬가지로, AP가 업링크 다중 사용자 전송 중에 받는 파워도 전체 사용자 간에 큰 편차가 있어서는 안 됩니다. 그러기 위해서는 AP가 각 개별 STA의 전송 파워를 제어해야 합니다. AP는 각 STA에 대한 전송 파워 정보가 들어 있는 트리거 프레임을 사용할 수도 있습니다. 개발자들은 주파수 에러 테스트와 비슷한 방법으로 이 기능을 두 가지 단계로 테스트할 수 있습니다.

 

액세스 포인트 리시버 민감도

AP가 클럭 및 주파수 참조 역할을 한다는 점을 감안하면, 802.11ax AP의 리시버 민감도 테스트에는 해결해야 할 문제가 추가됩니다. 따라서 테스트 장비는 패킷 에러율 민감도 테스트를 위해 패킷을 AP에 보내기 전에 AP에 맞춰 고정되어야 합니다.

AP가 트리거 프레임을 보내면서 테스트를 시작할 때, 테스트 장비는 주파수 및 클럭을 AP에 맞게 조정한 후에 예정된 구성의 패킷을 미리 정한 개수만큼 AP DUT에 응답합니다.

여기에서 문제는 802.11ax의 엄격한 상대 주파수 에러 한계와 관련되어 있습니다. 테스트 장비는 AP가 보내는 트리거 프레임에서 매우 정밀한 주파수 및 클럭 정보를 추출해야 합니다. 정확한 주파수 및 클럭 동기화를 보장하기 위해 여러 트리거 프레임에 걸쳐 이 계산을 수행해야 할 수도 있습니다. 따라서 이 절차 때문에 테스트 자체가 크게 지연될 수 있습니다.

테스트 절차의 속도를 높일 수 있는 한 가지 방법은 AP에서 클럭 참조를 내보내고 테스트 장비의 클럭을 그에 맞춰 고정하는 것입니다. 그러면 트리거 프레임을 기반으로 하는 초기 동기화 절차를 방지하고 AP 리시버 민감도 테스트 시간을 단축할 수 있습니다.

 

업링크 대역 내 방출

STA가 MU-OFDMA 모드로 작동할 때는 AP가 결정한 RU 할당을 사용하여 AP에 전송합니다. 즉, STA가 채널의 일부만 사용하는 것입니다. 802.11ax 표준은 트랜스미터가 주파수 할당의 일부분만 사용할 때 발생하는 방출을 특성화하고 측정하기 위한 업링크 대역 내 방출 테스트를 지정할 수도 있습니다.

 

그림 16. 잠재적인 업링크 대역 내 방출 테스트 마스크

 

다중 사용자 및 고차(Higher Order) MIMO

MIMO 작업에서 최대 8개의 안테나가 있는 802.11ax 장비를 테스트할 때 각 신호 체인을 개별적이고 순차적으로 테스트할 때와 전혀 다른 결과가 나타날 수 있습니다. 예를 들어, 각 안테나의 신호가 상호 간에 크게 해를 가하는 방식으로 간섭하여 전력 및 EVM 성능에 영향을 미침으로써 스루풋에 눈에 띌 정도의 막대한 악영향을 끼칠 수도 있습니다.

여러 채널에서 정확한 위상 정렬 및 MIMO 성능을 보장하기 위해, 테스트 장비는 각 신호 체인에 대해 로컬 오실레이터의 나노초 미만 동기화를 지원해야 합니다. NI VST를 기반으로 하는 NI의 테스트 장비는 특허받은 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 사용하여 8개, 16개 또는 심지어 64개의 동기화된 채널까지 유연한 Massive MIMO 구성을 지원합니다.

 

결론

802.11ax는 밀집된 환경에서 사용자당 평균 데이터 스루풋을 4배 높이는 것을 목표로 합니다.  이처럼 효율성을 높일 수 있는 가장 큰 동력 중 하나는 MU-MIMO 및 MU-OFDMA의 형태로 제공되는 다중 사용자 기술입니다.  밀집된 환경에서 스펙트럼 사용을 향상시키는 이 기술 덕분에 802.11ax는 시장에 보급될 것입니다.  하지만 이 기술을 현실화하여 기능을 구현하려면 과학자, 엔지니어, 기술자들이 새로운 여러 가지 과제들을 해결해야 합니다.

NI의 유연한 모듈형 플랫폼은 4배 더 밀집된 부반송파 간격의 1024-QAM 측정을 지원하기 위해 클린 오실레이터와 낮은 EVM 플로어를 갖춘 고성능 하드웨어를 제공합니다.  WLAN Measurement Suite는 최신 802.11ax 표준의 개발 속도에 맞춰 802.11ax 장비를 설계, 특성화, 검증 및 테스트하고 다중 사용자 혁명에 대비할 수 있도록 도와줄 것입니다.

 

NI 및 802.11ax 표준 정보

NI는 엔지니어 및 과학자들에게 현존하는 가장 까다로운 엔지니어링 문제를 해결할 수 있는 플랫폼 기반 시스템을 제공합니다.  NI는 표준 단체 및 선도적인 반도체 기업들과 함께 IEEE 802.11ax(드래프트 0.1) High-Efficiency Wireless 표준안 등 최신 무선 통신 표준을 설계, 특성화, 검증 및 테스트하기 위한 시스템과 툴을 개발하고 있습니다.

 

그림 17. WLAN Measurement Suite 및 VST가 포함된 NI 802.11 테스트 시스템

 

NI의 WLAN Measurement Suite 및 PXI RF VST를 결합하면 802.11ax 장비를 위한 강력한 모듈형 테스트 솔루션이 완성됩니다. WLAN Measurement Suite는 연구원, 엔지니어, 기술자가 802.11a/b/g/n/j/p/ac/ah/af를 비롯한 다양한 종류의 802.11 웨이브폼을 생성 및 분석할 수 있는 성능과 유연성을 갖추고 있습니다. 이제 802.11ax를 대상으로 한 측정 제품의 최신 업데이트를 통해 802.11ax 장비를 이용한 개발 작업의 속도를 더욱 높일 수 있게 되었습니다. 이 소프트웨어는 보다 좁은 부반송파 간격, 1024-QAM 및 다중 사용자 OFDMA를 포함한 802.11ax의 핵심 기능을 지원합니다. 또한, 업데이트된 측정 제품에는 LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어 예제 코드가 포함되어 엔지니어가 빠르고 쉽게 자동으로 WLAN을 측정할 수 있도록 돕습니다.

 

참조 문헌