Wi-Fi와 이더넷은 얼마간 같은 기본 틀과 필드 특성을 레이어2에서 공유하기는 하지만, 물리적 계층에서는 매우 다르다. 이더넷이 안내되고 보호받는 매체의 품 안에서 잘 자라온 반면, Wi-Fi는 안개 낀 공중파 안에서 운영된다. 이 곳은 폭풍과 눈보라로 수신이 엉망이 되는 경우가 잦은 곳이기도 하다.
무선 업체들은 Wi-Fi의 물리적 레이어 시그널링의 변덕스러움을 손쉬운 설치와 유연한 통합에 대한 약속으로 가리려고 시도해 왔다. 그러나 대형 무선 네트워크를 관리하기 위해서는 구조적 배선을 알아야 하는 것처럼 이더넷 랜을 효율적으로 관리하기 위해 RF 노하우가 필요하다.
RF 통신의 ABC
다이얼업이나 케이블 모뎀과 마찬가지로, Wi-Fi 네트워크는 컴퓨터에서 나오는 디지털 신호를 아날로그 RF 신호로 변환해주는 변조(modulation)란 기술을 사용한다. 데이터가 변조된 반송파에서 송신될 수 있는 속도는 사용 가능한 대역폭과 이용된 특정 변조 유형 등과 같은 많은 요소들에 따라 달라진다. 54Mbps 802.11 무선랜에서의 64 직교 진폭 변조(QAM) 등과 같이 복잡한 변조 방안들은 1Mbps 무선랜에서 이용되는 차동 이진 위상 편이 변조(DBPSK)와 같은 간단한 것보다 시간단위당 더 많은 비트를 전달한다. 복잡한 변조 방안이 고품질 RF 신호에 의해 지원되지 않는다면 에러가 발생하게 된다.
신호 품질은 RF 매체에서 감소하기 때문에 속도와 거리간에는 언제나 트레이드 오프가 있다. 공기를 통과하는 전파(radio waves)는 케이블 모뎀에 의해 파이버-동축 케이블을 통해 전달되는 RF 신호보다 빠른 속도로 감쇠된다.
Wi-Fi 네트워크는 RCC와 기타 비허가 사업자용 규정 기관들에서 부여해주는 무선 스펙트럼을 사용한다. 이러한 ‘사고, 설치해서, 돌리는’ 방식은 Wi-Fi의 큰 매력 중 하나다. 일반인이 Wi-Fi 시스템을 작동하는 데는 허가가 필요하지 않지만, 업체 제품들은 FCC 규정을 지키는지 여부를 반드시 인증받아야 한다.
스펙트럼 대역은 나아가 채널로 분할되는데, 보통 Wi-FI 시스템용으로는 22MHz 폭이다. FCC 인증 프로세스는 무선 시스템 설계자들의 자유를 제한하는데, 그럴 만한 이유는 충분하다. 즉, 공유되는 비허가 대역이 문제가 되기 때문에 제품들은 반드시 간섭을 최소화하도록 설계돼야 한다. 비허가 대역에서의 Wi-Fi 시스템 작동은 매우 낮은 전력 레벨로 신호를 방사하지만 다른 비허가 시스템으로부터 오는 보통 수준의 간섭들 속에서도 제대로 전달될 만큼 충분히 강하다.
기반이 되는 스프레드 스펙트럼 시그널링 방안은 시스템이 공존할 수 있게 해주는 마법의 무선이라고 할 수 있지만, 간섭과 연관된 성능 문제에 부닥치지 않고 멀티셀 엔터프라이즈스프레드 스펙트럼 Wi-Fi 시스템을 설계하기는 불가능에 가깝다는 사실을 알아야 한다. 이런 문제를 제대로 이해한다면 무선랜을 설계하고 지원하는 데 큰 도움이 될 것이다.
각각의 Wi-Fi 장비는 이것이 PC 카드건, NIC이건 AP(Access Point)건 관계없이 무선 신호를 송수신하는 하나의 트랜시버로 작동한다. 모든 Wi-Fi 시스템은 고주파수 마이크로파 신호를 사용하기 때문에 신호는 급속히 감쇠된다. 고 주파수 5GHz 802.11a 신호는 2.4GHz 시스템보다 다소 큰 감쇠를 경험하는데, 이는 특히 바닥이나 벽과 같이 단단한 물체가 커버리지 영역 안에 있을 때 더욱 그러하다.
정상적인 신호 감쇠와 경합을 벌이는 것과는 별도로 수신기는 또한 주변의 잡음 소스를 처리해야 한다. 예를 들어 노트북 컴퓨터에 있는 고속 CPU는 RF 잡음의 소스가 되며, 홀에 있는 전자렌지도 마찬가지다. 그러나 지금의 무선은 아주 낮은 신호 대 잡음비로 계속 기능을 할 수 있다.
와트와 데시벨
RF 출력은 보통 와트로 표시된다. 예를 들어 서라운드 스테레오 시스템의 전체 출력이 500와트라면 마이크로파 기반의 RF 데이터 시스템은 훨씬 더 낮은 신호 레벨에서 작동한다. 아무리 강력한 Wi-Fi 무선이라 하더라도 출력은 200밀리와트, 즉 1와트의 1/5밖에 되지 않는다. 무선 시스템은 더 낮은 출력에서 작동하기 때문에 엔지니어는 데시벨(decibel)이라고 알려진 대수 변환(logarithmic transformation)을 사용해서 신호 레벨을 표시한다. 데시벨이 밀리와트와 관련된 전력 표시에 사용될 때는 ‘dBm’이란 약어를 사용한다. 1dBm의 신호 레벨은 1mW와 같다.
1mW 아래로 떨어지는 신호 레벨은 음수로 표시된다. 예를 들어 1칼로리의 802.11b Wi-Fi NIC은 최소 -90dBm의 수신 민감도가 있어야 2Mbps의 데이터 속도를 지원할 수 있다.
데시벨에는 실전에서의 두 가지 기본 원칙이 있다. 우선 신호를 3dB 만큼 높인다면 실제 신호는 배가 된다. 마찬가지로 신호를 3dB 만큼 감소시키면 출력은 절반이 된다. 둘째, 신호 레벨을 10dB 만큼 높이면 출력은 10배가 된다. 따라서 0dB이 1mW와 같다면 10dBm은 10mW가 되고 20dBm은 100mW가, 30dBm은 1,000mW, 즉 1와트가 된다. 이 두 가지 원칙을 합해 보면 23dBm이 200mW와 같다는 결론이 나온다. 이해가 되는가?
당신의 이득이 나의 손실
무선 송신기에는 보다 강력한 신호를 만들어 내기 위한 증폭기(amplifier)가 포함돼 있으며, 이러한 신호는 결과적으로 RF 이득(gain)이 된다. RF 기술 설계자는 규정 파라미터 범위 내에서 입력을 늘림으로써 이득을 높일 수 있다. 하지만 이는 곧 에너지 소모와 열 손실이 늘어난다는 것을 의미한다.
안테나는 커버리지 범위를 넓히고 특정 방향으로 신호를 집중시킴으로써 성능을 향상시킬 수 있다. 수신 쪽에서는 고 이득 안테나가 범위와 성능을 향상시켜줄 것이다.
무선 네트워크가 적절히 작동하기 위해서는 두 개의 노드들 간에 경로 손실(path loss)의 효과를 극복하기에 충분한 총 시스템 이득이 필요하다. 그렇지 않을 경우에는 집에서 먼 곳으로 갔을 때 선호하는 무선 기지국의 데이터에 해당하는 것이 줄어드는 현상을 경험하게 될 것이다. 열린 공기 중에서의 감쇠는 자유공간 손실(free-space loss)이라고 불린다.
건물 내에서 무선랜은 다른 종류의 손실, 즉 흡수(absorption: 벽, 바닥, 문), 분산(scattering: 불규칙한 표면에서 무작위로 반사), 회절(diffraction: 파장이 유리와 같은 물체를 통과할 때 굴절되는 현상) 등 다른 손실도 만나게 된다. 이러한 특성들은 주파수에 따라 달라진다.
이득과 손실에 따라 종종 무선랜으로 접속을 할 수 있는지 없는지를 결정되기도 하지만, 건물 내에서 전파에 영향을 미치는 또 다른 요소는 전파가 딱딱한 표면에서 튕겨질 때 발생하는 간섭의 형태인 다중경로(multipath)다. 그 결과로 수신기에 도달하는 여러 신호들은 약간씩 다른 시간대로 도착이 된다.
엔지니어들은 계속해서 다중경로 간섭을 극복한 시스템을 설계하기 위한 방안을 모색하고 있다. 예를 들어 오늘날 나오고 있는 대부분의 Wi-Fi 시스템에는 이중 다이버시티 안테나가 있는데, 이것은 가끔씩 도움이 되기도 한다. 대부분의 경우 이것은 다중경로를 처리하는 데 있어서의 강력함을 파악하는 무선 수신기에 대한 설계다.
테스트 방법
송신 장비의 출력과 수신 장비의 민감도 사이의 수치적 차이를 경로 손실, 혹은 링크 버짓(link budget)이라고 한다. 예를 들어 시스코 에어로넷 802.11b NIC(Cisco Aironet 802.11b NIC)의 최대 출력은 20dBm인 반면 시스코 1200의 수신 민감도는 11Mbps 데이터 속도에서 -85dBm의 수신 민감도를 갖고 있다. 이는 곧 총 링크 버짓이 105dB이라는 의미다.
RF 신호 품질이 감소되면 Wi-Fi 시스템은 에러와 재시도로 인한 성능 감소를 경험한다. 이를 보충하기 위해 Wi-Fi 시스템은 신호 레벨의 감소에 따라 자신들의 데이터 속도를 자동으로 떨어뜨린다. 보다 엄밀하게 말하자면 이들은 덜 효율적인 변조 방식으로 전환을 하며, 이렇게 되면 데이터 속도는 떨어진다. 802.11b 시스템의 경우 데이터 속도는 11Mbps에서 5.5Mbps로, 그리고 2Mbps로, 마지막으로 1Mbps까지 떨어진다. 신호 레벨이 1Mbps의 데이터 속도를 지원하는 데 충분치 못하다면 접속이 끊어진다.
美 네트워크컴퓨팅紙의 시러큐스 대학 리얼월드 랩에서는 아찌무스 시스템즈(Azimuth Systems)의 테스트 장비를 이용해 RF 고립 환경에서의 감쇠 레벨을 프로그램으로 조정함으로써 속도 대 범위 테스트를 수행해 보았다. <속도 대 범위>에서는 시스코 1200 802.11b AP로 계속 데이터를 업로딩하도록 구성된 시스코 1200 802.11a/b/g NIC의 속도 대 범위를 보여주고 있다. 오버헤드는 Wi-Fi 시스템을 데이터 속도의 50%가 약간 넘는 수준으로까지 Wi-Fi 시스템의 작업처리량을 제한하기 때문에, 시스코 NIC은 80dB의 감쇠로 약 5.7Mbps의 작업처리량에서 시작된다.
작업처리량은 약 100dB의 감쇠로 비교적 안정적인 상태로 유지된다. 그런 다음 신호 성능저하는 에러와 11Mbps 데이터 속도에서의 재시도를 시작하여 작업처리량을 떨어뜨린다. 약 103dB의 감쇠에서는 NIC 데이터 속도가 5.5Mbps가 된다. 성능이 더 떨어지는 데는 그리 오랜 시간이 필요치 않으며, 약 109dB에서 또 한 번의 속도 변화가 발생한다. 111dB에서는 신호 레벨이 1Mbps의 데이터 속도도 지원하지 못할 정도로 부족하며, NIC과 AP 사이의 네트워크 접속(802.11 연합)이 유실된다.
아찌무스 테스트 시스템은 클라이언트의 속도 대 범위 성능에 대해 가장 체계적인 분석을 제공하기 때문에 테스트 랩과 장비 제조업체들에서 널리 배치될 것이다. 그러나 아찌무스 시스템 테스트 환경은 가장 중요한 RF 행동(감쇠)에 대해 정확하고 통제되며 재생산이 가능한 성능 테스트 데이터를 확보하는 데는 효과적이지만, 다중경로 간섭의 효과를 시뮬레이팅해주지는 못한다.
이더넷에서는 케이블 스캐너를 이용해 UTP와 파이버 케이블링 시스템을 인증할 수 있다. 시스템이 적절히 설치 및 종료될 경우 이런 인증은 언제나 일상이며, 일단 인증된 시스템은 바뀌는 경우가 좀체로 없다. 하지만 무선은 보다 유동적이며, 문이 열리고 사람들이 이동할 때마다 매체는 계속해서 변화한다. RF 시스템이 어떻게 작동하는지를 안다면 인기있는 RF 사이트 서베이 및 장애관리 툴에서 더 많은 것을 얻어냄으로써 Wi-Fi 네트워크의 플래닝과 지원을 모두 더 잘 할 수 있게 될 것이다.
RF 변조 속도
디지털 데이터 네트워크의 속도(그 비트 속도)는 초당 비트 수, 즉 bps로 표시한다. 아날로그 시그널링에서 또 한가지 단위는 보드 속도(baud rate)인데, 이것은 초당 전송되는 각각의 ‘심볼(symbol)’들의 수를 말한다.
RF 시스템에서 사용되는 가장 간단한 심볼에는 두 가지 가능한 상태가 있기 때문에, 정보의 한 비트(1 혹은 0)가 각각의 심볼로 전송될 수 있으며, 비트 속도는 보드 속도와 같다.
RF 변조 기술은 세 가지 고유의 무선 신호 특성(증폭, 위상, 주파수)을 사용해서 디지털 정보를 인코딩할 수 있다. 예를 들어 300보드 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조 방안은 초당 신호 300회의 위상을 나타낸다. 정상적인 무선 신호는 디지털 1이며, 위상에서 180도 벗어난 신호는 디지털 0다.
복잡한 변조 방식에는 비트 속도를 늘리기 위해 다양한 무선 신호 특성들이 통합돼 있다. 예를 들어, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)는 네 가지 다른 상태가 있는 심볼들을 지원하며, 따라서 2비트의 정보(00, 01, 10, 11)를 전달할 수 있다. QAM(Quadrature Amplitude Modulation)은 증폭과 위상의 독특한 조합을 결합함으로써 비트 속도를 훨씬 더 높였다. 예를 들어 QAM 16은 심볼당 16개의 고유 상태를 지원한다. 이것을 바이너리로 번역하면 QAM 16 신호는 심볼당 4비트를 전달하는 셈이다. 고유의 심볼 상태들 수를 배가할 때마다 전달 가능한 비트 수는 1씩 늘어난다.
256 QAM 변조가 오늘날 유선 RF 시스템에서 사용되고 있긴 하지만, 현재 Wi-FI 시스템(802.11a와 802.11g)가 달성할 수 있는 최상은 64 QAM으로, 이것은 심볼당 6비트를 지원한다.
증폭기와 수신기는 이 복잡한 심볼 아키텍처에 포함된 디지털 정보를 디코딩할 만큼 잘 만들어져야 한다. 그리고 잡음 대 신호비가 매우 높아야 한다. 이러한 필요조건들과 거리가 멀어질수록 감쇠되는 RF 신호의 경향으로 인해 최고 속도로 데이터가 지원되기 위해서는 보통 물리적으로 근접한 곳에 송신기와 수신기가 있어야 한다.
11a와 11g 시스템에서 QAM 16은 24 및 36Mbps 데이터 속도로 이용되며, QPSK는 12 및 18Mbps에서, 그리고 BPSK는 6 및 9Mbps 속도에서 이용된다. 
