<테마특강> 고속 무선 LAN 모뎀 표준안 「IEEE 802.11a」

중앙대학교 전자전기공학부 조용수 교수

1978년 7월∼1984년 2월 중앙대학교 전자공학과, 공학사

1985년 9월∼1987년 8월 연세대학교 전자공학과, 공학석사

1987년 9월∼1991년 5월 텍사스주립대학(오스틴소재), 공학박사

1992년 3월∼현재 중앙대학교 전자전기공학과 부교수

케이블을 연결하지 않고도 어디서나 무선으로 컴퓨터망에 연결시킬 수 있는 무선 LAN은 유선 LAN의 설치가 어려운 환경까지도 LAN을 확장시킬 수 있는 이동성·유연성·휴대성·간편성 등의 이점으로 응용분야가 확산되고 있다.

그러나 기존의 IEEE 802.11 규격에 따르는 무선 LAN 제품은 2.4㎓대에서 1∼2Mbps의 낮은 전송속도를 내는 것이 대부분이어서 최근 증가하고 있는 인터넷과 멀티미디어 서비스 요구를 수용하는 데는 한계가 있다. 이에 지난해 9월 고속 무선 LAN의 표준안으로서 5㎓대에서 6∼54Mbps의 전송속도를 갖는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식의 IEEE 802.11a가 최종 확정되었다.

IEEE 802.11a는 유럽의 표준화기구인 ETSI BRAN의 하이퍼랜(HIPERLAN/2)과 일본의 MMAC-PC 등에서 고속 무선 LAN의 공통된 물리계층 표준안으로 채택됐다. 특히 ETSI BRAN에서는 IEEE 802.11a를 사용하여 IMT2000(UMTS)망, 비동기전송모드(ATM)망, 인터넷프로토콜(IP)망 등의 이동단말 및 유선 광대역 망과 연동 가능한 무선 LAN의 표준안을 준비중이므로 이에 대한 설계 기술 확보는 무선 멀티미디어 시대를 대비하는 데 필요할 것으로 예상된다.

4세대 혹은 3세대 이후의 이동통신 시스템에서는 2Mbps 이상의 고속 인터넷과 광대역 멀티미디어 서비스를 제공하는 것을 목표로 한다. 특히 4세대의 무선 액세스 망에서는 IMT2000망, ATM망, IP망 등의 이동 단말과 유선 광대역 망과 같은 공중망과 무선 LAN과 같은 지역망을 연동하여 사용할 계획이다.

최근 고속 무선 LAN의 표준안으로 IEEE 802.11a가 확정되고 이 표준안에 따르는 고속 무선 LAN을 사용하여 공중망과 연동하여 광대역 무선 서비스를 제공하려는 계획이 발표됨에 따라 많은 국제 표준화 기구와 국내외 기업, 연구소에서 이에 대한 연구 및 개발을 21세기 핵심기반사업으로 수행하고 있다.

또한 미국·유럽·일본 등에서 광대역 무선 전송을 위하여 5㎓ 대역을 허가없이 사용할 수 있는 대역으로 확정하고, 우리나라의 정보통신부에서도 전파법 시행령을 일부 개정하여 1999년 7월부터 확산 스펙트럼이 아닌 방식을 무선 LAN 제품에 사용할 수 있도록 함에 따라 5㎓를 사용한 고속 무선 통신시스템에 대한 연구 및 개발이 본격적으로 개막될 것으로 예상된다.

◇무선 LAN 표준화 동향=증가하는 광대역 무선 서비스의 수요에 부응하고, 제품들 사이의 호환성을 만족시키기 위하여 제정된 표준안은 크게 IEEE 802.11, ETSI BRAN(Broadband Radio Access Networks)의 하이퍼랜규격, 일본 MMAC-PC(Multimedia Mobile Access Communication Systems-Promotion Council)규격, ATM 포럼의 무선 ATM-WG 규격으로 분류할 수 있다.

기존의 IEEE 802.11은 인가없이 사용할 수 있는 ISM(Industrial, Scientific, and Medical)밴드의 2.4㎓를 사용하여 2Mbps까지 데이터를 전송할 수 있는 무선 LAN의 물리계층과 매체접근제어계층을 규정하고 있다. IEEE 802.11에서는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)의 매체접근제어 방식을 사용하고, 물리계층으로서는 확산 스펙트럼 방식과 적외선 방식을 사용한다.

고속의 데이터 전송을 위하여 IEEE 802.11 TGa(Task Group a)에서는 인가없이 사용할 수 있는 5㎓ 대역에서 6∼54Mbps의 전송속도가 가능한 OFDM 방식의 고속 무선 LAN의 표준안인 IEEE 802.11a을 제안했으며 1999년 9월에 확정됐다. 또한 2.4㎓ 대역에서 기존 IEEE 802.11 규격의 무선 LAN 변복조 기술을 일부 변경하여 전송속도를 11Mbps까지 고속화한 IEEE 802.11b 표준안이 확정됐으며, 이 규격에 따르는 제품이 최근 출시됐다.

ETSI BRAN은 5.2㎓와 17.1㎓ 주파수 대역을 사용하여 멀티미디어 정보를 위한 고속 무선망인 하이퍼랜의 기능을 표준화하는 것을 목표로 한다. 하이퍼랜은 응용 대상에 따라 4개의 형태로 분류된다.

이 중 하이퍼랜/2는 200m 내의 범위에서 5.2㎓의 비허가 대역을 사용하여 IMT2000망, ATM망, IP망 등의 이동단말과 유선 광대역망의 접속이 가능한 고속 무선 전송 시스템으로서 전송방식으로는 IEEE 802.11a 고속 무선 LAN의 전송방식인 OFDM 방식을 채택했으며, 매체접근제어 방식으로는 중앙집중방식의 동적 예약식 TDMA/TDD를 사용하여 ATM 및 IP 네트워크에서 요구하는 다양한 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있도록 했다.

일본의 경우에는 이동 멀티미디어 서비스에 적합한 광대역 무선접속시스템을 개발하기 위하여 이동 멀티미디어 접속통신시스템 진흥협회 MMAC-PC를 결성하였으며, ATM 포럼간의 상호협력을 통하여 현재 ATM 포럼의 무선 ATM-WG에서 논의되고 있는 것들과 상당 부분 일치된 표준안을 제안하고 있다. 즉 MMAC-PC와 ETSI BRAN의 하이퍼랜/2 등에서는 IEEE 802.11a와 공통된 물리계층 표준안을 사용하고 있다.

◇무선 LAN 전송 기술-OFDM 방식=무선채널에서 데이터를 고속으로 전송할 경우 페이딩·심벌간섭·주파수 재사용·다중경로 등의 영향으로 인해 높은 에러율을 갖게 되어 무선채널에 적합한 무선접속방식이 요구된다.

무선 LAN의 접속방식으로는 대역확산 변조방식·협대역 마이크로웨이브·적외선 등을 사용한 제품들이 현재까지 무선 LAN의 주류를 이루고 있다. 이 중 DS-CDMA 방식은 고속의 데이터 전송시 칩 부품간 간섭이 증가함에 따라 하드웨어 복잡도가 급속히 증가하고, 다중사용자 간섭에 의해 수용할 수 있는 사용자의 용량에 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 또한 DS-CDMA 방식에서는 거리문제 해결을 위해 송신전력의 중앙제어가 요구되는데 ad-hoc 방식에서는 거의 불가능하게 된다. 따라서 수 Mbps 정도의 비교적 낮은 전송속도에서는 용량 증가 및 소프트 핸드오프 등의 이점으로 인해 DS-CDMA가 당분간 사용될 것으로 보이나, 10Mbps 이상의 고속 전송으로는 적합하지 않다.

주파수 도약 방식은 다중경로 문제를 해결할 수 있고 실행 가능한 방식으로 알려져 있으나, 고속 데이터 전송시 동기 추출이 어렵다는 단점이 있다. 적외선 방식은 주로 LOS를 통해 점대점간 통신이 이루어지므로 다중경로 문제가 없어 고속전송이 가능하나 LOS 전송이 요구되므로 다중 액세스를 요구하는 옥내외 환경에 적합하지 않다. 특히 적외선 방식을 옥외에서 사용할 경우 높은 태양 복사강도 때문에 수신각도를 크게 제한받게 되므로 좁은 범위내 또는 전파의 간섭 영향이 문제가 되는 장소 등 제한된 목적으로 이용될 수 있다.

한편, 최근 유무선 채널에서 고속 데이터 전송에 적합한 방식으로 다중반송파(Multi-Carrier)를 사용한 OFDM 방식이 활발히 연구되고 있다. 다중경로 페이딩을 갖는 무선통신채널에서 심벌주기가 짧은 고속 데이터 전송시 단일반송파(Single Carrier) 방식을 사용하게 되면 심벌간 간섭이 더욱 심해지기 때문에 수신단의 복잡도가 크게 증가하는 반면, 다중반송파 방식의 경우에는 데이터 전송속도를 그대로 유지하면서 각 부반송파에서의 심벌주기를 부반송파의 수만큼 확장시킬 수 있기 때문에 하나의 탭을 갖는 간단한 등화기로 다중경로에 의한 심각한 주파수 선택적 페이딩 채널을 잘 대처할 수 있다.

OFDM 방식에서는 상호 직교성을 갖는 복수의 반송파를 사용하므로 주파수 이용효율이 높아지고 송수신단에서 이러한 복수의 반송파를 변복조하는 과정은 각각 IDFT와 DFT를 수행한 것과 같은 결과가 되어 IFFT와 FFT를 사용하여 고속으로 구현할 수 있다.

최근 유럽에서는 디지털 오디오 방송(DAB)과 디지털 지상 텔레비전 방송(DVB)의 전송방식으로 OFDM 방식이, IEEE 802.11a 무선 LAN에서도 OFDM 방식이 채택됐다. 또한 ADSL 및 VDSL(Zipper 방식)에서도 이와 유사한 DMT 방식이 표준으로 채택됐다.

◇IEEE 802.11a 기본 사양=IEEE 802.11a에서는 5㎓대를 사용하는 OFDM 방식의 고속 무선 LAN의 물리계층 및 PLCP(Physical Layer Convergence Procedure)를 규정하고 있다.

이 표준안은 5.15∼5.24, 5.25∼5.35, 5.725∼5.825㎓의 U-NⅡ 밴드를 사용하고, 여러 다른 변조방식과 부호율을 결합하여 6∼54Mbps의 다양한 전송률을 제공한다. 부반송파 52개에 데이터가 변조되어 송신되며 나머지 12개는 인접채널의 간섭을 방지하기 위한 가상반송파로 사용되므로 64point FFT가 사용된다. OFDM 심벌주기는 4㎲이며, 이 심벌주기 내에 보호구간 0.8㎲와 부반송파의 심벌주기 3.2㎲가 포함된다. 이 경우 부채널간의 간격은 0.3125㎒가 되므로 전체 대역폭은 20㎒가 된다.

IEEE 802.11a 무선모뎀의 매체접근제어 방식은 IEEE 802.11에 규정된 CSMA/CA를 사용한다.