무선 LAN

무선 LAN의 종류

국제표준위원회(IEEE)의 무선LAN/MAN 표준위원회(802)의 11번째 워킹그룹에서 지정하는 규격으로 이름에 IEEE 802.11로 시작하는 것이 일반적이며, 버전에 따라 a, b, g, n 등 알파벳이 붙는다.
무선 LAN 표준기구는 IEEE 802.11이 유일하기 때문에 다른 모든 무선 LAN 표준의 이름은 802.11으로 시작한다.

 

IEEE 802.11

IEEE 802에서 최초로 지정한 무선 LAN 규격이다. 2Mbps의 속도를 가지며, 2.4GHz 주파수를 사용하고, 여러 기기가 동시에 참여할 수 있도록 CSMA/CA 기술을 사용한다. 단, 초기버전이기 때문에 다양한 변수에 대응하지 못해서 호환성이 떨어졌고, 속도 또한 느려서 널리 사용되지는 못하고 다음 버전으로 넘어갔다.

 

IEEE 802.11.b

알파벳 순서와는 다르게 두번째로 지정된 규격이다. 초기버전의 낮은속도를 보완해서 최대 11Mbps의 속도를 내도록 지정되었지만 CSMA/CA 기술을 구현하는 과정에서 실제로는 5~7Mbps의 속도를 내는 것으로 밝혀졌다. 주파수는 동일하게 2.4GHz를 사용한다.
초기버전에 비해 다소 현실적인 속도로 인해 현재 와이파이라는 이름으로 가장 널리 사용되는 무선 LAN이 되었다.

 

IEEE 802.11.a

시간이 흐름에 따라 IEEE 802.11.b의 속도도 느리다고 느끼게 되었다. 이론상 11Mbps이지만 실제로는 5~7Mbps의 속도였으며, 전송하고자하는 컨텐츠의 용량은 더욱 커져만 갔기 때문에 더 빠른 속도의 무선 LAN 기술이 필요했다. 그렇게 등장한 IEEE 802.11.a는 OFDM 기술을 사용해 최고 54Mbps의 속도를 지원하도록 개발됐다. 이전 규격과는 달리 5GHz 주파수를 사용하기 때문에 다른 기기들과의 간섭은 줄어들었지만 주변환경의 간섭을 쉽게 받는다는 단점이 있어서 특정 상황에만 주로 사용되었다.

 

IEEE 802.11.g

IEEE 802.11.a와 같은 54Mbps의 속도를 지원하지만 2.4GHz 주파수를 사용하는 규격이다. 속도도 빠르며, 저주파수를 사용하기 때문에 주변 지형지물의 간섭을 적게 받는다.
속도는 20Mbps로 떨어지지만 같은 주파수를 사용하는 IEEE 802.11.b와 호환해서 사용할 수 있다는 장점이 있어서 IEEE 802.11.b를 대체해서 많이 사용되었다.

 

IEEE 802.11.n (Wi-Fi 4)

2.4GHz와 5GHz 주파수를 모두 사용하며 속도도 600Mbps까지 지원하는 등 당시 100Mbps를 지원하던 유선 LAN의 속도를 따라잡기 위해 개발된 표준이다.

 

IEEE 802.11.ac (Wi-Fi 5)

5GHz 주파수만 사용하여 433Mbps~3.7Gbps라는 빠른 속도를 지원한다. 우리나라에서는 기가 와이파이라는 이름으로 2010년대 초반에 알려졌다.

 

IEEE 802.11.ax (Wi-Fi 6)

IEEE.802.11.ac의 단점인 무선망 출력을 개선하고 넓은 범위에서 많은 기기가 통신할 수 있도록 최상의 QoS를 제공하기 위해 개발됐다.

위에서 소개한 표준들 외에 사물인터넷을 위해 개발된 IEEE.802.11.ah(900MHz의 저주파와 100Kbps의 낮은 속도로 작은 센서들의 통신에 사용되도록 지정되었다.), 차량환경에 최적회되어 개발된 IEEE.802.11.p(5.85~5.925GHz 주파수를 사용)

 

 

 



무선 LAN 기술

무선 통신을 하기위해서 필요한 기술들에 대해 알아보자.

• 주파수
  독일의 과학자이름을 따서 Hz(헤르츠)라는 단위로 불리는 이 수치는 전파가 1초에 진동하는 횟수를 뜻한다. 주파수가 높아지면 전파의 직진성은 높아지지만 주변환경에 간섭을 많이 받기 때문에 결과적으로 커버리지가 좁아진다. 2.4GHz를 사용하는 와이파이보다 5GHz를 사용하는 와이파이가 더 커버리지가 좁은 이유가 이때문이다.
• 안테나
  전자신호를 전파로, 전파를 다시 전자신호로 바꿔주는 장치
• 반송파
  안테나를 통해 송출된 전파

이 안테나와 주파수를 활용해서 더 빠르고 넓은, 더 많은 사용자들을 수용할 수 있도록 지속해서 새로운 기술이 개발되고있다.

 

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoid)

데이터를 전송하기 전에 해당 경로를 다른 호스트가 사용중인지를 미리 검사하는 프로토콜을 말한다. 검사 후에는 CA(Collision Avoid) 또는 CD(Collision Detect) 즉, 회피하거나 감지만 하는 선택을 할 수 있다. CD는 유선 LAN에서 사용되는 프로토콜이기 때문에 CA만 알아보자.
무선 환경에서는 충돌을 감지하기가 힘들기 때문에 회피하는 방법을 사용한다. 전송 충돌을 회피하는 방법으로 전송경로의 유효성이 확인되더라도 즉시 전송하지 않고, 일정시간동안 대기한 후에 전송하는 방법을 사용한다.

 

FDMA (Frequency Division Multiple Access)

1세대 무선통신 기술로 사용하는 주파수대역을 분할해서 참여하는 단말에 할당하는 방식이다. 대역은 한정되어있고 단말은 많기 때문에 단말이 많아지면 각 단말이 사용할 수 있는 주파수 대역이 줄어들고, 따라서 노이즈에 취약해지는 단점이 있다.

 

TDMA (Time Division Multiple Access)

cpu의 시분할 시스템처럼 주파수를 시간대별로 단말에 모두 할당하는 방식이다. 대역폭이 넓기 때문에 오류제어에 좋지만 이 또한 사용자가 많아지면 시간을 그만큼 늦게 할당받게 되므로 속도에 한계가 있다.

 

CDMA (Code Division Multiple Access)

참여단말에게 모두 난수를 할당하고 단말은 할당받은 난수로 자신의 전파를 암호화해서 전송한다. 단말은 모두 같은 시간에 같은 주파수를 사용하지만 각 전파는 암호화되어있기 때문에 전달에 문제가 생기지 않는다. 또한 시간을 분할하거나 주파수를 분할하지 않기 때문에 사용자가 많아져도 전파를 전송하는데 부하가 없다는 장점이 있다.

 

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

안테나를 통해 전파를 전송할 때 다중 반송파를 사용해서 데이터를 인코딩하는 방식이다. 주파수를 분할하되 서로 간섭을 주지않는 최소한의 간격(직교)을 가지도록 분할하고, 전송하고자 하는 데이터 또한 분할한 갯수만큼 분할하여 병렬전송하는 방식이다. 주파수가 직교하기 때문에 간섭도 없고, 병렬로 전송하기 때문에 그만큼 속도도 빨라진다.

 

 

 



동작과정

무선 통신은 앞서말한 안테나를 통해 송출되는 반송파로 이루어진다. 안테나는 기본적으로 일정한 sin 파형을 방출하다가 송출하고싶은 데이터가 있을 때 정해진 규칙에 맞게 sin 파형을 변조시켜서 반송파를 만들어낸다. 수신측 안테나는 이렇게 변형된 반송파를 다시 복조하여 반송파에 담긴 데이터를 디지털화 한다.
안테나는 사용하는 주파수 대역을 스펙으로 가지고 있으며, 같은 주파수 대역을 사용하는 안테나끼리만 통신이 가능하다. 또한 안테나빔(antena beam)이라고 불리는 유효영역이 존재하는데 안테나는 안테나 빔 영역까지 반송파를 송출할 수 있으며, 자신의 안테나 빔 영역 안에있는 전파를 감지 할 수 있다.
이를 활용하여 통신을 하는데 과정은 다음과 같다.

 

1. 송신측과 수신측은 두 안테나의 안테나 빔 영역이 겹치는 구간이 존재하도록 적당한 거리로 떨어져있다.

 

2. 송신측은 주기적인 sin 파형을 송출하고있고, 안테나 빔 영역이 겹치는 수신측 안테나는 이 sin 파형을 감지하고 있다.

 

3. 보내고싶은 데이터가 있는 송신측 안테나에서 sin 파형에 데이터 정보를 담아서 즉, 변조하여 반송파를 송출한다.

 

4. 자신의 안테나빔 영역에서 파형이 변조된 것을 감지한 수신측 안테나는 다시 그 파형을 복조하여 그 속에 담긴 데이터를 읽어낸다.

 

위와같은 일련의 과정을 통해 선없이 연결된 디바이스끼리 통신이 가능하다. 두 수신국(안테나) 사이의 공간은 비어있을 수록 전달률이 좋지만 생활환경에서 두 안테나 사이에 아무것도 없다는 것이 보장되지 않기 때문에 정확한 송수신을 위해 주변환경의 간섭을 적게 받는 저주파를 사용하는 등 다양한 기술이 개발되고있다.

 

 

 

응용분야

무선 LAN은 유선 LAN에 비해 장소의 제한이 사라졌기 때문에 응용분야가 무궁무진한 기술이다. 특히 스마트폰, 웨어러블 디바이스, 자동차, 비행기 등 고정된 장소가 아니라 움직이는 단말이 많아진 현대에 굉장히 많이 사용될 수 있다.

 

IOT (Internet of Things)

사물에 인터넷이 있다는 뜻으로 일상생활에서 사용하는 사물에 무선 네트워크를 할 수 있는 하드웨어를 장착하여 사물이 가진 정보를 취득할 수 있도록 하는 기술이다. IOT 기술이 적용된 사물은 각자 센서를 가지고 있어서 필요한 정보를 수집하고 이 정보는 무선 LAN 기술로 인터넷에 전송되어 사용자가 사물에 직접 접근하지 않고도 정보를 얻을 수 있기 때문에 인간생활의 질을 향상시킬 수 있다.

사례

1. 우산꽂이에 사물인터넷 기술을 적용시킨다면 우산꽂이가 무선 LAN을 통해 인터넷에 접속하여 오늘의 날씨를 미리 검색하고, 비가온다면 우산꽂이에 있는 led 램프를 초록색으로 표시하여 우산을 챙길 수 있도록 한다.
2. 최근 여러 회사에서 출시되고있는 스마트 스피커가 대표적인 IOT 기술의 사용으로 볼 수 있다. 스피커는 무선 LAN 기술을 활용해서 인터넷에 접속하여있고, 사용자의 요구에 따라 인터넷에서 정보를 수집하여 다시 제공하고 더 나아가서 미리 인터넷에서 정보를 취득해서 사용자에게 알려주는 등 여러가지 분야로 활용되고있다.

한계

• 생활에 더욱 밀접한 기술이므로 해킹에 대한 보안기술이 필수이다. 최근 등장한 5G 기술은 보안기술이 더욱 향상되었기 때문에 IOT에 적용하여 발전을 기대할 수 있다.
• e-waste라고 하는 환경파괴 문제가 대두되고 있다. 작은 전자기기들이 무수히 많이 만들어지고 저렴한 가격으로 쉽게 버려지는데 이는 일반적인 쓰레기보다 더욱 환경에 악영향을 주기 때문에 이를 해소할 수 있는 해결책이 필요하다.

 

 

자율주행자동차

IOT의 한 분야로 볼 수 있지만 무인자동차 분야 또한 무선 LAN이 활용되는 큰 카테고리이다. 자동차의 특성상 유선으로 인터넷에 연결할 수 없기 때문에 무선 LAN 기술이 필수인 분야라고 할 수 있다. 운전이라는 기능을 수행하는 것은 모터와 센서지만 주행은 문제가 다르다. 목적지까지 경로를 검색해야하며, 공사나 사고 등 변하는 도로사정을 알아야 한다. 또한 현재 경로에 자동차가 얼마나 있는지, 교통체증은 어느정도 되는지를 분석하여 최대한 효율적인 경로를 찾아야하기 때문에 무선 LAN 기술은 이것을 위해 필요하다.
기존에는 자동차의 로컬 센서가 감지한 값을 자동차 내부 하드웨어가 계산하여 모터를 동작시켰기 때문에 연산에 사용될 하드웨어가 추가적으로 필요했다. 즉 cpu가 필요해서 비용이 많이 들었지만 고속으로 움직이는 자동차에서 센서값을 인터넷으로 전송하고, 다시 계산값을 전송받아서 모터를 동작시키기에는 그동안 무선 LAN 기술의 속도가 부족했기 때문에 사용되지 않았지만 5G 기술이 상용화되면서 로컬계산과 네트워크 통신의 속도차이가 현저히 줄어들었고, 자동차에는 센서만 장착하고 연산은 중앙제어소에서 할 수 있게 되었다.

한계

법률적으로 무인자동차의 교통사고에 대한 규정이 필요하다.

 

 

무인물류시스템

무선 네트워크는 드론이나 로봇에 적용해서 물류시스템이나 공장을 더욱 효율적으로 가동할 수 있다. 거대한 창고를 관리할 때 사람이 관리하면 재고관리나 물건의 위치를 찾는 것이 힘들지만 무선 네트워크 장치가 장착된 로봇이 창고의 물건을 관리한다면 사람은 네트워크에 접속해서 어떤 물건이 어디에 있는지 알 수 있게되고, 더 나아가서 재고관리와 추가발주 등을 효율적으로 할 수 있다. 창고 관리 뿐 아니라 창고에서 물건을 배송할 때도 무선 네트워크 기능을 활용해서 배송지를 무선으로 입력하고, 실시간으로 업데이트되는 경로로 드론 또는 무인자동차를 보내서 물건을 배송할 수 있다.

장점

현실적으로 가장 빠르게 적용가능한 분야이며, 오류가 발생해도 다른 기술에 비해 피해가 적다. 대량의 물건을 운반하고 정보를 수집하는 것만 무선 LAN을 활용하고 그 정보는 결국 사람이 관리하기 때문에 오류를 발견하기도 쉽고 바로 오류를 복구할 수 있다.

한계

다른 무선 LAN 기술과 동일하게 해킹에 취약하며, 로봇으로 물류관리를 하기 때문에 사람의 일자리를 뺏는다는 저항을 받을 수 있다.