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Wi-Fi 7은 무엇일까요? - Part 1
안녕하세요! 오늘은 IEEE의 새로운 Wi-Fi 규격인 Wi-Fi 7에 대해 알아보도록 하겠습니다.
IEEE 802.11 Working Group(이하 워킹 그룹)은 Wi-Fi 기술을 뒷받침하는 WLAN(Wireless Local Area Netwrok)에 대한 규격을 개발하고 있습니다. 802.11 a/b/g에 대한 규격을 만든 이후로 IEEE 802.11 MAC과 PHY 계층은 사용자 경험을 개선하고, 처리량을 늘리고, 리소스를 보다 효율적으로 활용하고, 새로운 사용 사례를 지원하기 위해 지속적으로 향상되었습니다. 이러한 향상된 기능은 기본 IEEE 802.11 표준에 대한 수정안이며 지난 25년 여간 많은 내용이 발표되었습니다.
가장 잘 알려진 개정안에서는 하기와 같은 주요 변화가 도입되었습니다.
- IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) : 2009년에 발표된 11n은 처리량을 높이기 위해 MIMO 및 Frame aggregation 기능을 제공
- IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) : 2013년에 발표된 11ac는 더 넓은 대역폭과 더 높은 처리량을 위해 MU-MIMO 기능을 제공
- IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) : 2021년에 발표된 11ax에서는 OFDMA 및 BSS Color 기능을 추가하여 스펙트럼 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 기능을 제공
Wi-Fi 7은 IEEE 802.11be 프로젝트로 EHT(Extremely High Throughput)으로도 알려져 있습니다. IEEE 802.11be에 정의된 EHT 목표에는 30Gbps (MAC 데이터 버시스 액세스 포인트에서 측정)를 지원하는 하나 이상의 작동 모드와 시간에 민감한 네트워크 지원을 위해 Latency와 Jitter를 개선하기 위한 하나 이상의 작동 모드가 포함됩니다. EHT는 1 ~ 7.125GHZ 사이의 비면허 대역에서 작동합니다. EHT는 HE PHY layer에서 사용되는 많은 개념과 기술을 재사용하지만 단일 사용자에게 여러 리소스 유닛 할당, 최대 320MHz의 대역폭 증가, 최대 16개 spatial stream 지원, 4096QAM 변조 지원을 통해 기능을 향상시킵니다. EHT는 스테이션(STA), 액세스 포인트(AP) 및 제한된 TWT 간의 다중 링크를 활성화하기 위해 Multilink Operation(MLO)과 같은 기능을 MAC layer에 도입하였습니다. 이를 통해 AP는 더 낮은 대기 시간과 더 높은 안정성으로 더 예측 가능한 트래픽을 위해 스테이션의 리소스를 절약할 수 있습니다.
지난 20년 동안 IEEE 802.11/Wi-Fi 네트워크는 본질적으로 2.4GHz 및 5GHz 비면허 대역으로 스펙트럼이 제한되었지만 동시에 Wi-Fi 사용량은 계속해서 증가하였습니다. 사용자 애플리케이션에는 더 빠른 속도, 더 높은 처리량 및 더 낮은 대기 시간을 필요로 하고 있습니다. 이에 지속적인 IEEE 802.11 표준의 효율성 향상에도 불구하고 추가적인 비면허 스텍트럼이 Wi-Fi 사용자에게 도움이 될 것이라는 점은 분명해졌습니다. 따라서 전 세계 규제 기관에서는 6GHz 대역의 일부 또는 전부를 무면허 대역으로 할당하고 있습니다. 6GHz 작동이 가능한 Wi-Fi Alliance 인증 Wi-Fi6(IEEE 802.11ax) 제품은 이미 출시되어 있고, Wi-Fi 7에 대한 IEEE 규정은 2021년 5월에 초안이 발표되었고, 2024년 중반에 Release될 예정입니다.
IEEE 802.11be의 주요 목표와 기능에 대해 살펴보도록 하겠습니다.
Wi-Fi는 다양한 환경에서 무선 데이터 서비스의 핵심 구성 요소였으며, 최근 집에서 일하는 사람들이 급증하면서 Wi-Fi가 얼마나 중요한지가 부각되고 있습니다. 사무실 네트워크에 대한 데이터 및 연결을 제공할 뿐만 아니라, 원격 작업자를 연결하고 대면 회의 및 대규모 회의를 대체하는 온라인 회의를 촉진하기 위한 화상 회의에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. VR/AR과 같은 애플리케이션이 널리 사용됨에 따라 비디오 트래픽의 사용은 앞으로도 계속 증가할 것입니다. 또한 WLAN 사용자는 안정적이고 실시간에 가까운 게임 및 클라우드 컴퓨팅 경험을 기대하고 있습니다
IEEE 802.11be는 이러한 애플리케이션에 대한 높은 처리량 및 낮은 대기 시간 요구 사항을 충족하는 MAC 및 PHY 기능을 지정하는 것을 목표로 하고 있습니다. IEEE 802.11be PHY는 매우 성공적으로 시장에 안착한 IEEE 802.11ax 표준에 정의된 PHY와 매유 유사합니다. 예를 들면, IEEE 802.11be는 MU-MIMO, OFDMA 및 더 긴 Symbol duration(즉, 더 작은 부반송파 간격)을 지원합니다. IEEE 802.11be PHY 개선 및 변경 사항에는 OFDMA 전송에서 단일 사용자에게 여러 리소스 유닛을 할당하는 기능과 아래 표에 나열된 320MHz 대역폭 및 4096QAM 변조 방식 지원이 포함됩니다.
IEEE 802.11be는 또한 미래의 호환성도 염두에 두고 있습니다. IEEE 802.11 PHY는 항상 Legacy IEEE 802.11 세대와의 역호환성을 고려하지만 IEEE 802.11be는 상위 호환성 개념을 도입하고 있습니다. 예를 들면, IEEE 802.11be에는 IEEE 802.11be 및 향후 모든 IEEE 802.11 세대에서 사용될 U-SIG(Universal SIG)라는 새로운 Preamble field와 수신된 비트에 대한 보다 정확한 용어 및 규칙이 포함되어 있습니다. IEEE 802.11be MAC layer는 멀티링크 작동, 다중 AP 지원, 제한된 TWT(Targer Wake Time) 및 1024 비트 블록 ACK (1K BA)와 같은 중요한 변경 사항과 새로운 기능을 도입하여 지연 시간이 짧은 애플리케이션을 목표로 하고 있습니다. 아래 표에서 IEEE 802.11be 기능의 개요와 IEEE 802.11ax와 비교 시 장점을 확인해 보실 수 있습니다.
1. Achieve extremely high throughput and more
지금 부터는 Wi-Fi 7이 어떻게 더 높은 Throughput을 처리하는지 살펴보도록 하겠습니다. EHT Physical layer는 더 넓은 대역폭, 더 많은 spatial streams 및 더 높은 변조 방식을 지원하여 매우 높은 처리량을 달성합니다. Single physical link의 최대 처리량은 아래의 공식으로 계산할 수 있습니다.
320MHz 채널, 16x16 MIMO, 0.8의 짧은 guard interval, 5/6 코딩을 사용한 4096QAM 변조를 사용하는 링크는 이론상으로 46Gbps의 데이터 속도에 도달할 수 있고, 보다 일반적인 예로 2x2 MIMO를 사용하는 160MHz 채널, 3/4 코딩을 사용하는 1024QAM 조합으로는 최대 2.1Gbps의 속도를 달성할 수 있습니다.
1-1. Up to 320 MHz Channel Bandwidth
EHT는 20/40/80/160/320MHz 채널 대역폭을 지원합니다. 320MHz 대역폭은 IEEE 802.11be의 새로운 대역폭이며 현재 6GHz 대역에서 허가되지 않은 장치의 작동(지역 제한에 따라 상이)을 허용하는 많은 국가의 업데이트된 규정 덕분에 가능해졌습니다. 예를 들어 미국과 캐나다에서는 5925 ~ 7125MHz의 전체 스펙트럼을 사용할 수 있는 반면, 유럽에서는 5945 ~ 6425MHz의 하위 부분만 사용할 수 있습니다. 스펙트럼에 대한 규정은 다음 세 가지의 장치 범주로 분류됩니다.
- Low power indoor (LPI) devices : 전력(EIRP) 제한이 250mW인 장치
- Very low power (VLP) devices : 전력(EIRP) 제한이 25mW인 장치
- Standard power devices : Automatic Frequency Coordination (AFC / 자동주파수조정)을 적용한 AP를 탑재한 실내외 표준 전원 장치
IEEE 802.11은 새로 할당된 스펙트럼을 최대한 활용하기를 원하므로 EHT는 6GHz 대역에서 높은 처리량과 낮은 대기 시간 애플리케이션을 장려하고 있습니다. 세 가지 Operating bands에 대한 EHT 장치 대역폭의 추가 요구 사항은 다음과 같습니다.
1) IEEE 802.11be AP
- 6GHz 대역에서 160MHz 작동 채널 폭
- 5GHz 대역에서 80MHz 작동 채널 폭
- 2.4GHz 대역에서 20MHz 작동 채널 폭
2) IEEE 802.11be STA (non-AP)
- 5/6GHz 대역에서 80MHz 채널을 지원 (20MHz only device가 아닌 경우)
3) 20MHz only devices
- 2.4/5GHz 대역에서 작동 가능
아래 그림은 미국 FCC 규정에 따른 채널 규정을 보여주고 있는데, 160MHz 채널의 갯수가 홀수이기 때문에 EHT는 320MHz 채널의 경우 Overlapping을 포함합니다. 이는 각 160MHz가 320MHz 채널의 일부가 될 수 있으므로 스펙트럼을 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 제공합니다. 신호 전달을 용이하게 하고 STA가 겹치는 320MHz 채널을 쉽게 식별 할 수 있도록 하기 위해 IEEE 802.11be는 두 가지 유형의 320MHz 채널화를 정의하고 있고, 여기에는 320MHz-1과 320MHz-2가 포함됩니다.
중심 주파수는 IEEE 802.11 표준 방적식을 사용하여 하기와 같이 결정됩니다.
IEEE 802.11be Non-contiguouse(e.g. 80+80 MHz) 동작은 부분적으로 IEEE 802에 정의된 80+80MHz 비연속 채널화가 발견되었기 때문에 사용되지 않으며, IEEE 802.11be MLO MAC 기능을 사용하면 비연속 PHY 채널과 동일한 결과를 얻을 수 있습니다.
매우 높은 Throughput을 달성하기 위해 IEEE 802.11be는 DL/UL MU-MIMO 및 SU-MIMO에 대해 모든 스테이션에서 최대 8개의 Spatial Streams(공간 스트림)를 지원합니다. EHT MU-MIMO 전송의 경우 STA당 최대 공간 스트림 수는 4개이며, 최대 8명의 사용자까지 지원합니다.
1-2. Multilink Operation (MLO)
EHT에는 MLO라는 새로운 MAC 기능이 도입되었습니다. MLO 장치 (MLD : MLO device)는 그림 7에 표시된 것과 같이 다른 MLD를 사용하여 서로 다른 채널에서 여러 링크를 설정할 수 있습니다. 두 가지 사용 사례(Link Aggregation 및 Load Balancing)는 이 기능의 이점을 누릴 수 있게합니다. Aggregation은 데이터 전송을 위해 두 개 이상의 링크를 사용하므로 하나의 링크만 사용하는 경우보다 더 높은 처리량을 달성합니다. 로드 밸런싱에서는 MLO를 사용하면 사용자 수가 적은 채널 링크로 빠르게 전환할 수 있습니다. 매체의 사용자 수가 적다는 것은 채널 액세스 경합/재시도로 인한 대기 시간이 줄어든다는 것을 의미합니다. MLO는 여러 개의 링크를 사용하지만 AP와 Non-AP간의 설정/연결이 단일 링크를 통해 이루어지므로 기존 작업에 비해 오버헤드가 줄어듭니다.
두 개 이상의 무선 장치가 있는 MLO 장치는 동시에 서로 다른 링크에서 전송하고 수신할 수 있으며 이를 동시 전송 및 수신(STR : Simultaneous Transmit and Receive)이라고 합니다. 그림 8은 5GHz 대역 채널의 링크 하나와 6GHz 대역 채널의 다른 링크로 구성된 링크 쌍을 보여주고 있습니다. 이 예에서는 5GHz 대역의 AP1이 5GHz 대역의 STA1로 데이터를 전송하고 동시에 STA2가 AP2로 데이터를 전송하고 있습니다.
모든 MLD가 항상 STR을 지원하는 것은 아닙니다. MLD는 다른 링크에서 전송이 있을 때 링크 중 하나에서 수신할 수 있어야 합니다. 두 채널의 주파수가 너무 가까운 경우 장치는 다른 링크에서 전송하는 IEEE 802.11be 수신기 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다. 설정된 다중 링크를 통해 STA는 MLD 기능 필드를 통해 STR 링크로 작동하는 데 필요한 주파수 분리 정도를 나타냅니다.
1-3. Multi-AP Operation
IEEE 802.11be에서는 인접한 액세스 포인트의 운영 효율성을 향상시키는 기능도 포함하며, 이를 통해 스펙트럼 자원을 보다 효율적으로 사용하고 throughput을 향상시킵니다. 예를 들어 Coordinated Transmission(협력 전송)은 공유 AP와 하나 이상의 공유 AP 사이의 시간 또는 주파수 영역에서 스텍트럼 자원 공유를 허용합니다.
이와 더불어 주변에 있는 연관되지 않은 STA에 공간 방사 널 빔(Spatial radiation nulls beams)을 형성하여 인접한 AP 간의 빔 형성을 조정하는 것도 가치가 있을 수 있습니다. 이를 통해 동일한 주파수 자원에서 동시 전송이 가능합니다. 아마도 현조 논의 중인 가장 복잡한 기능은 여러 AP가 분산 MIMO 방식에서 동일한 주파수를 사용하여 하나 또는 여러 스테이션과 송수신하는 Joint transmission일 것입니다.
지금까지 IEEE의 새로운 규격인 IEEE 802.11 be에 대한 주요 특징들에 대해 살펴보았습니다. 다음 시간에는 IEEE 802.11be의 Physical Layer에 대해 살펴볼 예정이니 Physical Layer에 대해 관심 있는 분들께서는 다음 블로그를 기대해 주시길 부탁드립니다.
작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀
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