'컴퓨터 네트워크' 시리즈
  1. [Network] Data and Signals
  2. [Network] Digital Transmission
  3. [Network] Analog Transmission
  4. [Network] Error Detection and Correction
  5. [Network] Framing / Error Control
  6. [Network] Medium Access Control
  7. [Network] Case Study: Wi-Fi
  8. [Network] Internet Addressing
  9. [Network] Internet Protocol (IP)
  10. [Network] Routing
  11. [Network] Other Network-Layer Related Protocols
  12. [Network] Scheduling and Traffic Shaping
  13. [Network] Transport Layer

✦ Wi-Fi의 역사

◆ IEEE 802.11

  • 국제 표준 → layer 1, 2 정의
  • 약 5년 마다 세대 발전
    • 802.11 (1997)
    • 802.11a / 802.11b (1999)
    • 802.11g (2003)
    • 802.11n (2009)
    • 802.11ac (2014)
    • 802.11ax (Wi-Fi 6, 2019)
    • 802.11be (Wi-Fi 7, 2024)
  • Main Stream 외의 other 기술
    • 802.11ad → 60GHz 에서 통신
    • 802.11bb (Li-Fi) : 가시광선 통신. 빠르지만 직진
    • 802.11bf (WLAN Sensing) : Wi-Fi 통해서 움직임 감지

✦ Wireless Channel

  • Wi-Fi 는 무선 Channel 사용
  • TX (tranmit) 안테나 → RX (receive) 안테나
    • 쏠 때 펴지기 때문에 파워 손실 ↑
  • 무선 전송 시 영향 미치는 요인들
    • Pathloss
    • Fading
    • SNR
    • Receiver Sensitivity

◆ Pathloss

  • 거리에 따라 감소하는 신호 양
  • 잃어버리는 양 modeling (send power & receiver power 관계)
  • Friis propagation model
$$ \frac{P_r}{P_t} = G_tG_R \left( \frac{\lambda}{4\pi R} \right)^2 $$
  • P : Power, 전력
  • G : 안테나 gain (기본적으로 1)
  • λ : 전파의 파장 (Wavelength)
  • R : sender - receiver 거리
  • General log-distance Pathloss model (일반화)
$$ P_r \propto \frac{1}{R^n} $$
  • 측정을 통해 n 결정
  • 안테나에서 신호 증폭 가능

◆ SNR

  • 신호 대 잡음 비율
  • 수신 세기 이외의 noise
$$ \text{SNR} = \frac{P_\text{signal}}{P_\text{noise}} $$
  • SNR 높으면 (신호 good) → 높은 MCS level 사용 가능
    • ex) BPSK, 64-QAM

◆ Receiver Sensitivity

  • 수신 감도
  • 조용할 때 얼마 정도의 세기까지 받을 수 있음?
$$ \text{Sensitivity (dBm) = Noise Floor (dBm) + Required SNR (dB)} $$

◆ Fading

  • Receive 할 때 영향 주는 요소
    1. Pathloss → 거리
    2. Fading
      1. Slow (large-scale) fading
        • 내 신호가 아파트와 같은 큰 건물 or 동산에 가려짐 → 감쇠 발생
      2. Fast (small-scale) fading
        • 신호가 반사되어 여러 경로로 옴
          • 속도 차이에 의해 위상 증폭 / 상쇄 가능
        • 작은 움직임에 의해 변화하는 신호

✦ Physical Layer Aspects

  • bit 로 signal 만들기
  • receive 한 signal 에서 bit 복구

◆ Modulation

  • Wi-Fi 한 Channel 당 20MHz 할당

  • Example : 2.4 GHz

    • Channel 1 → 2402 ~ 2422 MHz
    • Channel 6 → 2427 ~ 2447 MHz
    • 한 Channel 당 5 MHz 이동
      • 그러나 channel 2~5 는 channel 끼리 겹치거나 딱 붙는 곳 생김 → 간섭 발생
      • 1, 6, 11 사용
  • Modulation → QAM 사용
    • Wi-Fi 5 → 256 QAM
    • Wi-Fi 6 → 1024 QAM
    • Wi-Fi 7 → 4096 QAM
    • 빠르지만 SNR 낮으면 error 발생 확률 ↑

◆ Coding

  • Error Correcting Code (ECC)
    • 오류를 수정할 수 있는 코드

  • Coding rate : 일반 코드 / 전체 코드 비율 (ECC를 얼마나 넣음?)

    • Sender 가 32 개 중에 하나 선택해서 전송 (0 ~ 31)
      • SNR 높음 (송신 good) → 높은 index 선택
      • SNR 낮음 (송신 bad) → 낮은 index 선택
      • Rate Adaptation
    • Type : 몇 bit 수신
    • Coding rate : ECC 얼마나?
    • Spatial Streams : TX, RX 안테나 사용 갯수

◆ MIMO (Multiple Input Multiple Output)

  • 여러 TX 안테나 → 여러 RX 안테나

  • 안테나 사용 갯수에 따른 분류

  • MIMO 장점
    • Spatial multiplexing gain
      • TX 에서 서로 다른 데이터를 보냄

      • RX 가 서로 다른 데이터 보낸 TX 만큼 있으면 복원 가능

      • 안테나 갯수가 적은 쪽 만큼 spatial stream 가능

    • Diversity gain

      • RX 가 많으면 더 잘 수신 가능
        • 수신 상태 양호 사용 / 합쳐서 사용

    • Array gain (beamforming)

      • 안테나 전송 타이밍 & 세기 조절 → 한쪽으로만 세게 가도록 함

◆ OFDM

  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing
  • 화면을 격자처럼 나눔
    • subcarrier : 세로로 나누기
    • symbol : 가로로 나누기. guard interval 필요
  • 802.11n
    • 20MHz
      • subcarrier : 56개 (각 312.5 KHz, 총 17.5MHz)
        • 52개 → 데이터 전송에 사용
        • 4개 → pilot 전송에 사용
          • pilot : 송수신자 간 이미 알고 있는 데이터 → 근처 주파수 영역 보정
      • symbol : 3.2 μs
        • long Gi : 0.8 μs → 안좋은 환경
        • short Gi : 0.4 μs → 좋은 환경
    • 40MHz
      • 주변 채널을 몰아서 사용 → 속도 ↑
      • subcarrier : 114개 (2배보다 조금 더 큼)
        • 108개 → 데이터 전송에 사용
        • 8개 → pilot 전송에 사용
    • 40MHz 가 20MHz 보다 2배보다 살짝 더 많이 보냄
    • long 이 interval 이 더 기므로 short 가 더 많이 보냄

  • Example

    • 64QAM → 각 칸마다 6 bit 전송
    • Coding = \frac{5}{6} → 6 bit 중 5 bit 만 실제 데이터
    • 40MHz → channel 이 108 개
    • Short Guard Interval → 전송 3.2 μs + interval 0.4 μs 초당 277,777 번 전송
    • Data rate = 6 \times \frac{5}{6} \times 108 \times 277,777 = 150Mbps
    • 4 spatial multiplexing → 4배 → 최고 속도 600Mbps

◆ Wi-Fi 의 발전

  • 최대 채널 넓이 증가
  • Modulation 증가 : 한 칸당 더 많은 bit 전송
  • Sptial stream 증가 : 안테나 수 많아야 함

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