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2회 : 4세대 무선랜 특징 및 기술적 요구사항
차세대 무선랜
2007년 12월 20일 00:00:00 데이터넷
다기능·고밀도 지원으로 유선 버금가는 ‘안정성’ 보장
트래픽 최적화 구조로 진화 … 유비쿼터스 초석으로 자리매김


최근 무선랜은 유선에 버금가는 안정성을 확보하며 빠르게 시장이 확대되고 있다. 무선랜 표준 역시 지속적으로 발전해 최대 540Mbps의 속도를 지원하는 801.11n 표준도 내년이면 완료될 전망이다. 지난호 802.11n 네트워크의 특징 및 고려사항 검토에 이어 이번호에서는 4세대 무선랜의 특징 및 기술적 요구사항 점검을 통해 진화하고 있는 무선랜 기술을 살펴본다. <편집자>

연재순서
1회 : 802.11n 네트워크 특징 및 고려사항
2회 : 4세대 무선랜 특징 및 기술적 요구사항(이번호)

이광수 // 한국메루 컨설팅팀 이사
klee@merunetworks.com

무선랜은 그간 많은 진화를 해왔다. 가트너에서는 무선랜을 다음의 <그림 1>처럼 1세대부터 4세대까지 분류하고 각 세대별로의 특징을 구분하고 있다. 1세대는 802.11인 2Mbps 무선랜으로 무선랜의 태동기라고 할 수 있다. 2세대에 접어들면서 802.11a/b/g 등의 속도에 관한 표준이 정해지면서 일부 회의실 및 가정에서 단독형 무선랜을 사용하기 시작했다.
이어 3세대로 넘어서면서 보안과 관리에 초점에 맞춰진 무선랜 스위치 또는 무선 컨트롤러가 등장을 했고, 기업 무선랜에서 요구되는 다양한 기능인 L2/3 로밍 등 통합 무선RF 관리 등이 실현됐다. 현재 무선랜은 4세대까지 발전했으며 기존 유선을 대체하는 개념으로 유선에 버금가는 네트워크 서비스품질에 초점에 맞춰져 트래픽을 어떻게 최적화할지에 초점이 맞춰 졌다.
특히 4세대 무선랜은 다양한 무선 서비스 품질을 지원하며 향후 무선을 통한 음성 및 영상서비스가 핸드오프를 5ms 이하로 처리할 수 있어야 한다. 현재 무선랜은 사용하고 있는 고객은 2세대, 3세대, 4세대 무선랜 솔루션을 혼합해 사용하고 있는 상황이다.
  
4세대 무선랜 특징
4세대 무선랜은 다양한 트래픽(데이터, 음성, 영상)을 무선랜에 실어 유선에 버금가는 네트워크 서비스 품질을 보장해야 하기 때문에 최근 비즈니스 네트워크에서의 애플리케이션 서비스 품질을 유선뿐 아니라 무선구간에서도 보장해야 한다. 따라서 3세대에 비해 4세대 무선랜은 동시 무선단말 접속 수가 많아질 뿐 아니라 다양한 무선단말을 처리해야 한다. 또 서비스 지역도 대기업 망 전체나 서비스 사업자 망 등에 적용할 수 있는 규모로 발전해 왔다.


다양한 무선단말 동시 수용시 서비스 품질
4세대 무선랜은 다양한 트래픽(데이터, 음성, 영상)을 유선에 버금가는 네트워크 서비스 품질을 보장해야 한다. 이렇게 하려면 무선구간에서도 실재의 다양한 트래픽을 처리하는 다수의 무선단말에서 성능이 균일하게 보장돼야만 애플리케이션의 균일한 서비스 품질을 보장할 수 있다.
무선단말의 무선AP 점유시간을 에어타임(Airtime)이라고 하는데, 4세대 무선랜은 무선단말당 동일한 에어타임을 통한 해당 트래픽에 적합한 일정한 무선서비스 품질 보장(음성, 데이터, 이미지 등)을 균일한 서비스 품질을 보장할 수 있다. 예를 들어 음성트래픽은 지연(delay)에 매우 민감한데 서비스 품질을 일정하게 유지하려면 정해진 무선채널 점유시간이 균일하게 있으면서 음성의 우선순위를 더 높여 처리해야 한다.
하지만 3세대 무선랜은 다양한 무선단말간의 무선AP 점유시간을 확보하려는 쟁탈전에서 무선AP가 불규칙하게 무선단말의 할당시간을 할애함으로써 무선단말간 경합현상이 생기고, 이로 인한 충돌, 재전송 및 다시 무선AP 점유시간을 확보하기 위한 일정시간 쉬는 현상 등이 생긴다. 결과적으로 무선단말간 서로 간섭현상을 유발, 일정한 대역폭 할당을 받지 못해 무선단의 서비스 품질이 매우 불규칙적이게 돼 음성 서비스 품질이 매우 불안정하게 된다.


제로 해드오프(Zero Handoff)
4세대 무선랜은 모바일 무선단말에서 다양한 트래픽(데이터, 음성, 영상)를 무선랜에 실어 이동성이 매우 중요시된다. 이때 모바일 무선단말의 이동경로가 하나의 AP 접속에 머물지 않고 여러 개의 다른 무선AP에 로밍을 해야 한다. 로밍시에 지연에 민감한 음성 및 영상 트래픽은 서비스 품질이 매우 떨어질 수 있다. 만약 무선로밍시 접속이 해지됐다 다시 접속되는 시간은 10ms가 요구되는데 4세대 무선랜은 이러한 요구사항을 지원해야 한다.


RF 계획 불필요
일반적인 3세대 무선랜은 2.4GHz 대역에서 중첩이 안 돼는 독립채널인 1번채널(1ch), 6ch, 11ch을 번갈아 구성해 간섭의 현상을 배제하려고 노력했다. 그러나 다시 1ch, 6ch, 11ch을 모두 사용하면 그 다음 무선AP는 1ch을 다시 사용할 수밖에 없다.
따라서 동일채널간섭(co-channel interference)이 생기고, 고밀도 무선단말 환경에서 무선AP당 무선단말 수를 분산하려고 하기 때문에 무선AP의 출력을 줄여 커버리지를 좁게 한다. 결론적으로 더 많은 수의 무선AP가 필요로 한다. 이는 무선 셀을 줄였다는 의미에서 ‘마이크로셀(MicroCell) 무선랜’이라고 부른다.
일반적으로 무선랜은 평면층이 아닌 3차원 공간에 복수 층의 건물에 구현되기 때문에 실제로 1ch, 6ch, 11ch을 공간 층에 구현하는 것은 매우 어렵다. 따라서 다음 <그림 2>처럼 정확한 무선 사이트 서베이가 필요로 한다. 하지만 이는 관리적인 측면에서 매번 무선채널을 관리해야 하는 어려움이 따른다.
그러나 4세대 무선랜은 기존의 마이크로셀 무선랜의 멀티채널 설계를 하나의 싱글채널 무선랜 설계를 구현할 수 있게 동일채널간의 간섭현상을 기술적으로 제거했다. 싱글채널 무선랜 설계를 통한 무선AP의 출력을 줄이지 않아 하나의 무선AP 커버리지를 예상할 수 있어 마이크로셀 무선랜 설계와 같은 수준의 복잡한 사이트 서베이가 필요치 않다.
또한 무선AP의 장애시에도 마이크로셀 무선랜은 장애위치의 무선랜 채널을 직접 점검해 간섭이 조금이라도 완화되는 무선 채널을 구성해야 한다. 그러나 싱글채널 무선랜 설계는 기존에 사용했던 무선채널을 그대로 구성하므로 관리적인 측면에서 매우 편리하다.

마이크로셀 무선랜 설계 문제점
무선랜은 기업, 금융권, 공장 등에서 많이 사용된다. 유비쿼터스의 근간이 되며, 모든 노트북PC 및 다양한 무선단말을 와이파이로 연결한다. 802.11g의 경우에는 54M의 연결성을 제공하며, 일반적인 무선랜 접속 표준으로 11M의 연결성을 제공하는 802.11b에 대해 역호환성을 제공한다. 또한 대규모 공중 무선랜이나 기업용 무선랜을 위해 여러 대의 무선AP가 필요하며, 중첩된 커버리지를 제공해야 끊임없는 네트워크 연결성을 제공할 수 있다.
무선단말이 한 지역에서 다른 지역으로 움직일 때 무선AP에 연결된 단말의 시그널 레벨이 점점 약해지는 것을 감지한다. 무선 시그널이 임계값(threshold)을 넘어서면 무선단말은 기존 무선AP의 연결을 끊고, 시그널 레벨이 강한 새로운 무선AP를 검색한다. 이것을 핸드오프라고 하며, 일반적으로 사용자한테 끊어지는 경고를 주지 않고 데이터 애플리케이션을 끊는다.
따라서 무선AP를 모바일 사용자가 끊임없는 지속적인 무선 네트워크 연결성을 보장하려면 중첩되게 무선AP의 위치를 설정해야만 한다. 그러나 이렇게 지속적인 무선 연결성을 보장할 수 있도록 설계하는 것은 단순한 작업이 아니고, 정확한 설계를 필요로 한다.


기업용 무선랜 고려사항
  
1) 데이터 속도 감소 대 무선 셀 크기
데이터속도(data rate)는 무선AP에서 무선단말이 떨어질수록 감소한다. 무선단말이 무선AP에 가까이 갈수록 최고 54M의 데이터속도 연결을 제공하고(802.11a 및 802.11g의 경우), 조금씩 떨어질수록 48M, 36M, 24M, 12M, 9M, 6M, 2M, 1M의 데이터속도를 제공한다. 무선단말의 경우 1M 속도로 일반적인 사무실환경에서 91m의 거리까지 지원한다. 따라서 높은 데이터속도를 구현하려면 무선AP가 촘촘히 위치해야 한다.

2) 한정적인 독립 무선채널
802.11g와 802.11b는 2.4GHz에서 동작한다. 2.4GHz대의 무선랜은 독립 무선채널을 3개만 지원한다. 모든 무선단말은 하나의 무선AP의 총 대역폭에서 각각을 공유한다. 예를 들면 802.11g 무선AP가 최고 24M의 실제 성능을 제공하고, 6개의 무선단말이 연결돼 있다면, 각각의 무선단말은 4M의 성능을 제공받는다. 만약 이런 환경에서 중첩이 되면서 다른 무선채널을 사용하는 무선AP가 있고, 기존 무선단말을 분산시킨다면 3개씩 분산되므로 각각의 무선단말은 8M의 성능을 제공받는다.
  
3) 충돌 및 간섭
무선단말이 물리적으로 같이 연결돼 있지 않으므로 무선단말 사이에는 다른 무선단말이 패킷을 보내려고 하는지를 감지 못한다. 결과적으로 여러 개의 무선단말이 한곳에서 동시에 패킷을 보내려고 하는 현상이 나타난다. 만약 이런 현상이 일어나면 무선단말은 재전송을 하기 전에, 약간의 시간을 기다리게 설정돼 있다.
이와 같이 기다리는 시간이 많아지면 각각의 충돌이 증가하게 되고, 시간격차가 커질수록 다른 무선단말이 동시에 패킷을 보내지 않을 것이라는 확률이 높아가게 된다. 결과적으로 충돌은 무선단말의 성능이 떨어지게 한다. 만약 무선단말이 54M의 무선 데이터속도 링크에 접속해 패킷을 보낼 때, 충돌을 고려해 기다리게 되고 결국 실제 전송 성능은 줄어들게 된다.

4) 무선AP간 핸드오프
무선단말이 무선AP간 로밍을 할 때, 첫 번째 무선AP 연결을 해지하고 두 번째 무선AP에 접속하는 시간이 ‘0’은 아니다. 이 로밍절차는 무선단말이 다음에 접속할 시그널이 가장 강한 무선AP를 주파수 검색에 의해 찾아야 하는 시간이 걸리기 때문이다. 어떤 무선단말은 이러한 로밍절차가 수초까지 이르는 경우도 있다.

고밀도 환경에서 마이크로셀 설계 문제점
가정, 편의점, 소호 등 규모가 작은 무선랜 환경에서는 앞서 언급했던 내용은 그리 중요하지 않을 수 있다. 왜냐면 무선AP의 개수가 1개 또는 2개고, 무선단말 개수 역시 적기 때문에 이러한 문제점은 적용이 안 될 수도 있다.
하지만 10개에서 수백 개에 이르는 무선AP가 설치된 기업용 무선랜은 보다 많고 다양한 무선단말을 동시에 처리할 수 있어야 한다. 대학이나 병원은 이런 기업용 무선랜의 고려사항이 첫 번째로 대두됐는데 마찬가지로 일반 기업도 이러한 고려사항을 충분히 검토해야 한다.
  
1) 고밀도 무선단말에서 마이크로셀 무선랜 설계
고밀도 무선단말 환경이 요구되면서 기존 무선랜 설계 입장에서는 더욱 많은 무선AP를 촘촘히 위치시킴으로써 무선단말당 예견되는 무선 대역폭을 줄일 수 있다고 생각해 왔다. 802.11b 무선AP는 실제 최고 6M의 성능을 제공한다. 만약 무선랜이 적용돼야할 공간이 정해지면 무선단말당 무선성능을 높이려고 하나의 무선AP가 지원하는 커버리지를 줄여 결국은 더욱 많은 무선AP를 필요하게 된다.  

2) 간섭과 충돌 증가로 문제 발생
마이크로셀 무선랜 설계는 간섭과 충돌현상을 심화시켜 무선랜 성능을 약화시킨다. 왜냐면 무선셀은 무선AP의 출력을 감소시켜 커버리지가 줄어들었으나 무선AP의 11M 접속속도는 그대로 유지하면서 같은 공간에 더 많은 무선AP가 설치돼야 한다.
결과적으로 동일 무선채널간 간섭이 증가하게 된다. 표면적으로는 무선AP간 거리가 줄어들어 더욱 많은 무선단말을 수용할 것이라고 생각할 수 있다. 예를 들어 24M 무선링크를 기준으로 무선AP의 위치를 결정하게 무선AP 커버리지를 줄여 무선AP 수를 증가시키면 12M, 6M, 2M, 1M의 중첩되는 구간이 더욱 많이 생겨나 결국 동일채널에 의한 간섭이 더욱 많이 발생한다.
결국 아무리 2.4GHz에서 무선채널을 제대로 설계하더라도 독립 무선채널 3개만 구성이 가능하므로 기존 무선채널을 다시 사용할 수밖에 없다. 따라서 동일 무선채널간의 간섭 문제를 피할 수 없다. 이런 현상이 일어나면 결국 무선랜의 성능을 떨어뜨리는 요인으로 작용한다.
왜냐면 802.11 무선랜은 공유 매체(shared medium)를 사용하고, 동일채널에 의한 간섭현상은 무선단말의 충돌 및 왜곡된 패킷을 증가시키고, 결국 패킷 재전송을 유발하기 때문이다. 또 무선단말은 상대적으로 많은 수의 무선AP 시그널을 받고, 이것은 무선단말의 충돌과 재전송은 더욱 많은 수의 전송지연을 유발해 무선랜의 성능을 저하시킨다. 이처럼 마이크로셀 무선랜 설계는 한계점을 지니고, 결과적으로는 고밀도 무선단말 환경에서는 무선랜의 성능을 향상시키지 못하게 된다.
  
3) 무선랜 설치비용 증가
마이크로셀 무선랜 설계는 다음의 이유로 설치비용을 증가시킨다. 우선 더욱 많은 수의 무선AP로 인해 다수의 무선채널 선택 및 무선AP의 출력조정을 통해 동일채널간의 간섭을 줄이는 등 더욱 더 주의 깊은사이트 서베이가 필요하기 때문이다.
뿐만 아니라 많은 수의 무선AP는 이에 상응하는 이더넷 포트가 필요하며, 부족시에는 새로운 이더넷스위치를 설치해야 한다. 또 많은 수의 무선AP는 이에 상응하는 UPT 케이블 포설도 필요로 한다.


고밀도 환경 지원 ‘필수’
4세대 무선랜은 다양한 무선단말이 혼재된 고밀도 환경을 지원할 수 있어야 한다. 지금까지 살펴본 것처럼 4세대 무선랜은 다양한 기능 및 고밀도의 성능을 요구하기 때문이다. 무선랜이 기업망에서 첫 번째 네트워크 연결성을 제공해 기업에서 사용하는 다양한 애플리케이을 처리하는 시점이 머지 않았다. 미래에는 단순한 무선랜이 아니라 솔루션과 연동해 유비쿼터스에 초석이 되는 중요한 부분을 담당할 전망이다.
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