MU-MIMO 및 OFDMA로 사용자 속도 개선 체감 가능

[컴퓨터월드] 무선 인터넷의 대표 기술인 와이파이(Wireless Fidelity, WIFI)는 무선통신 규약 중 하나로 근거리에서 서로 무선으로 데이터를 주고받는 기술이다. 모바일 디바이스와 무선 기술의 발달로 와이파이 역시 고도화되고 있다. 지난해 ‘와이파이 6’이 출현해 보다 많은 디바이스 및 다양하고 복잡한 서비스 등의 사용자 경험을 개선할 수 있게 됐다. 와이파이의 버전별 특징, 사용자 체감 속도를 높여주는 기술인 MU-MIMO와 OFDMA, 와이파이 시장 전망 등에 대해 알아봤다.

와이파이는 무선통신 규약 가운데 하나로 근거리(100M 이내)에서 서로 무선으로 데이터를 주고 받을 수 있는 기술이다. 기본적으로 무선 공유기라 부르는 무선 라우터가 있어야 하며, 디바이스도 와이파이 규약을 지원해야 통신이 가능하다.

와이파이의 버전은 802.11 뒤에 붙는 알파벳으로 구분된다. 1997년에 802.11 출현 이후 1999년 802.11b, 2003년에는 802.11a/g, 2007년에는 802.11n, 2013년에는 802.11ac 등의 순서로 개발됐고. 지난해에는 차세대 무선 네트워크 혁명이라고 불리는 802.11ax가 공개됐다.

▲ 와이파이 변천사(출처: 링크시스)

와이파이가 고도화 되는 이유로 기술의 발달 이외에 모바일 디바이스의 보급을 들 수 있다. 와이파이 802.11b나 802.11a/g 시대에는 간단한 메일이나 텍스트 기반의 브라우징만 사용하면 됐으나, 동영상이나 모바일 디바이스 등이 보급되며 와이파이의 빠른 속도가 요구됐던 것이다. 특히 4차 산업혁명의 요람이라고 불리는 클라우드는 물론 사물인터넷(IoT), 5G 등이 보편화되면서 대부분의 디바이스에 인터넷이 탑재되고 있다. 이 때문에 속도와 효율성을 함께 고려해야 하는 ‘와이파이 6’의 필요성이 대두된 것이다.

▲ 다양한 곳에 활용되는 와이파이6(출처: 인텔)

최근 들어 와이파이는 많고 다양한 디바이스, 복잡한 서비스 등 무선 환경이 복잡해지면서 속도도 중요하지만 동시에 다양한 제품들을 편하게 사용할 수 있도록 해야만 했다. 이 같은 사용자 경험을 개선하기 위해 개발된 것이 바로 ‘와이파이 6(IEEE 802. 11ax)’다.

한편으로, 와이파이는 표기방식이 복잡해 많은 사람들이 이해하기 어렵다고 판단돼 2018년 10월 무선랜 규격 표준화 단체인 ‘와이파이 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)’가 와이파이 서비스 관련 명칭을 새롭게 만들었다. 바뀐 점은 새로운 무선랜 규격 세대마다 숫자를 붙이는 방법으로 쉽고 간단하게 와이파이 서비스에 대한 차이를 알 수 있도록 구분했다.


데이터 처리 속도 및 동시 연결성 높아져

1997년 1월 802.11 네트워크 표준이 배포되면서 와이파이의 시작을 알렸다. 각 네트워크 표준의 특징은 다음과 같다. 먼저 802.11은 최고속도가 2Mbps로, 적외선 신호나 2.4GHz 대역을 사용했으며 여러 기기가 함께 네트워크에 참여할 수 있는 ‘CSMA/CA’ 기술을 사용했다.

‘CSMA/CA’ 기술은 데이터를 보내고자 하는 송신자는 수신자가 이미 다른 송신자와 통신하고 있다는 것을 감지하게 되면, 즉시 통신을 중단하고 정체신호를 보내 불필요한 전송을 차단시켜 트래픽을 줄이는 기술이다. 하지만 802.11의 규격은 엄격하지 않아 서로 다른 회사에서 만들어진 제품 간의 호환성이 부족했고, 무엇보다 속도가 느려서 널리 사용되지 못했다.

1999년 9월에 배포된 802.11b 표준은 기존의 802.11 규격을 기반으로 발전시킨 기술로, 이론적으로 최고 전송속도는 11Mbps이나 실제로는 ‘CSMA/CA’ 기술의 구현 과정에서 6-7Mbps 정도의 효율을 보였다. 802.11b 표준이 확정되면서 시장에 다양한 제품이 등장했으며 이전 802.11 규격에 비해 현실적인 속도를 지원해 기업이나 가정 등에 유선 네트워크를 대체하기 위한 목적으로 폭넓게 보급되기 시작했다. 공공장소 등에서 유·무상 서비스를 제공하기 시작한 것도 이때부터다.

5GHz 대역의 전파를 사용한 802.11a는 여러 개의 광전송 신호를 묶어 하나의 고속 통신 회선으로 전송하는 방식인 ‘OFDM’ 기술을 사용해 전송 속도를 최고 54Mbps까지 지원했다. 5GHz 대역은 2.4GHz 대역에 비해 다른 통신기기(무선 전화기, 블루투스 기기 등)와의 간섭이 적고, 더 넓은 전파 대역을 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 신호의 특성상 장애물이나 도심 건물 등 주변 환경의 영향을 받는다는 단점이 있었다.

2009년 10월에 본격적으로 배포돼 널리 상용화 되고 있는 802.11n는 2.4GHz 대역과 5GHz 대역을 사용하며 최고 600Mbps 속도를 지원하고 있다. 처음 드래프트(Draft) 1.0이 확정됐을 때 국내에서는 기술규격 내 주파수점유대역폭 문제(2개의 채널점유)로 최대 150Mbps이하로 속도가 제한됐었다. 하지만 2009년 10월 17일 전파연구소의 기술기준고시로 300Mbps이상까지 사용할 수 있게 됐다.

▲ 와이파이 버전별 명칭 및 UI(출처: 와이파이 얼라이언스)

‘와이파이 4’로 명칭이 변경된 802.11n은 당초 예정보다 1년 늦은 2009년 9월에 표준안으로 제정됐다. 802.11n은 다른 규격보다 승인이 엄격하고 출력 규제가 심해 일부 회사에서는 이 규제를 지키지 않고 있다. 802.11n 표준은 최대 600Mbps까지 전송속도를 높일 수 있지만 단점은 연결된 디바이스가 늘어나면 속도가 느려진다는 점이다.

‘와이파이 5’로 알려진 802.11ac 규격이 2012년 12월에 발표됐다. 다중 단말의 무선랜 속도는 1Gbit/s로 최대 단일 링크 속도는 500Mbit/s까지 가능하며, 더 넓은 무선 주파수 대역폭, 더 많은 MIMO(다중 입출력) 공간적 스트림, 다중 사용자 MIMO, 그리고 높은 밀도의 변조 등 802.11n에서 받아들인 무선 인터페이스 개념이 보다 확장됐다.

802.11ac 규격 다음으로 배포된 802.11ad는 ‘빔포밍(Beamforming)’ 기술을 이용해 최대 7Gb/s의 속도를 제공하는 전송규격이다. ‘빔포밍’ 기술은 스마트 안테나의 한 방식으로 안테나의 빔이 해당 단말에게만 비추도록 하는 기술이다. 예를 들면 ‘빔포밍’은 무대 위의 배우에게 스포트라이트로 불빛을 비추는 것과 같은 효과를 주는 것과 같다. 무대 위 배우에게 비춰진 불빛은 분산되지 않아 빛의 세기가 강력해져 보다 주변으로의 시선 분산을 차단시켜 집중되는 효과를 준다.

‘빔포밍’ 기술을 이용한 802.11ad 규격은 기존의 2.4GHz/5GHz 외에도 60GHz 대역을 사용해 데이터를 전송하는 방식으로 대용량의 데이터나 무압축 HD 비디오 등 높은 비트레이트 동영상 스트리밍에 적합하다.

하지만 60GHz는 장애물 통과가 어려워 10m이내 같은 공간 내에서만 사용이 가능해 근거리에서 사용하는 기기에서만 이용이 가능했다. 이를 보완하기 위해 2.4/5GHz 대역 사이도 원활한 전환을 위해 ‘빠른 세션 전송’을 추가했고, 트라이 밴드(Tri-band) 네트워킹, 무선 도킹, 유선과 동등한 데이터 전송속도, 압축 스트리밍 비디오 지원 등이 이뤄졌다.

마지막으로 최근 발표된 ‘와이파이 6’로 불리는 802.11ax 규격이다. 이 규격은 산업, 과학, 의료용 기기에서 정부로부터 별도 허가 없이 사용가능한 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역인 1GHz~6GHz와 이미 할당 된 2.4GHz~5GHz 대역이 함께 작동 하도록 설계됐다.


‘MU-MIMO’ 및 ‘OFDMA’로 사용자 체감속도 개선

‘와이파이 6’의 가장 큰 특징은 바로 ‘MU-MIMO(다중 사용자, 다중 입출력)’ 및 ‘OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)’ 등 두 가지 기술을 탑재했다는 점이다. 이 두 가지 기술로 사용자가 체감할만큼 속도가 개선됐다.

MU-MIMO 기술은 802.11n 표준과 함께 14년 전 도입된 SU-MIMO(단일 사용자, 다중 입출력)에 토대를 두고 있으며 여러 단말이 동시 접속해도 속도 저하를 막아준다. 직접 신호를 지원하는 ‘빔포밍’을 이용해 전파를 원하는 곳에, 원하는 모양으로 만들어 전송하기 때문에 전파 간섭을 줄여 고객 체감 속도를 높여주고 기지국의 데이터 처리 용량도 증가하게 된다.

여러 개의 안테나 소자를 활용해 출력을 별도로 높이지 않아도 채널 용량을 배 이상 끌어올릴 수 있다는 것이다. 기지국 용량을 향상시키고 기지국 무선 범위 내 수용단말 수와 체감 속도를 늘릴 수 있다.

MU-MIMO 기술은 와이파이뿐만 아니라 최근 통신사들이 제공하기 시작한 5G에도 적극 반영되고 있다. 지난해 6월 LG유플러스는 MU-MIMO를 활용해 서울 여의도에서 13대 이상의 5G 단말로 동시 접속속도를 측정해 2.6Gbps 이상의 기지국(AAU) 속도를 구현했다고 밝히기도 했다. 이를 통해 다수의 사용자가 막힘없이 동시에 5G 초고화질 비디오 서비스를 이용할 수 있고, 네트워크 밀집지역에서도 5G 사용자의 속도 체감 품질을 보장할 수 있게 됐다고 밝혔다.

OFDMA는 직교 다중분할 접근 방법이라는 뜻으로 AP 한 대에 많은 수의 사람을 연결할 수 있게 해주는 기능이다. 실제로 OFDM 기능은 이전 와이파이 버전도 갖고 있었지만, 단일 전송용이라는 한계가 있었다. ‘와이파이 6’ AP는 하위 호환성을 제공해 OFDMA는 물론 OFDM도 지원한다.

OFDMA는 와이파이 채널을 RU(Resource Unit)란 더 작은 주파수로 나눈다. 이를 통해 AP는 클라이언트에 특정 RU를 할당해 여러 클라이언트와 교신할 수 있다. 또한 채널을 세분화해 비디오나 오디오 스트리밍처럼 작은 프레임을 사용하는 애플리케이션을 여러 엔드포인트에 동시에 전송할 수 있다. OFDMA는 유연성이 높아 트래픽에 따라 전체 채널을 단일 클라이언트에 할당하거나 세분할 수도 있다.

OFDMA 기능은 매우 혼잡한 영역에서 예측하기 어려운 사용자 경험 대부분을 완화해 준다. 한 공간에 적은 사람이 있고 점점 사람이 늘어난다고 가정해보면 한 사람은 와이파이에 연결해 넷플릭스를 시청하고 다른 사람은 메신저를 사용할 수도 있다. 시간이 지나면서 혼잡해지고 네트워크는 더는 사용할 수 없는 상태가 된다. 이때 문제가 되는 것은 대역폭이 아니라 너무 많은 사용자로 인한 혼잡이다. OFDMA는 더 많은 클라이언트를 AP 한 대에 동시에 연결해 이 문제를 해결한다.

[‘와이파이 6’ 구축사례]

시스코, 미래에셋생명 전 지점에 ‘와이파이6’ 무선인터넷 구축
통합 관리 및 즉각적 장애 대응 통해 안정적 무선 네트워크 환경 조성

미래에셋생명은 사용자 증가 및 액세스 포인트(AP)의 네트워크 트래픽 급증에 따라 지점의 무선 인프라 재정비를 추진해왔다. 또한 여러 벤더의 솔루션을 병합한 기존 네트워크 환경에서는 통합 관리 및 갑작스러운 장애에 즉각적인 대응이 어려워 네트워크 관리 및 안정성 개선이 필요했다.

와이파이6는 기존 대비 4배 이상 확대된 접속 무선 범위 및 한층 개선된 저지연성을 바탕으로 실시간에 가까운 사용자 경험을 제공한다. 시스코의 와이파이6 기술은 네트워크 환경 변화에 따라 최적의 무선채널과 출력 파워를 자동으로 설정해 AP 장애에 따른 무선 범위 홀(coverage hole)에 효과적으로 대응하며, AP 당 접속 단말 수를 파악해 트래픽 집중 현상을 방지한다.

시스코는 와이파이6의 일관된 네트워크 연결성과 대용량 데이터 처리 능력을 기반으로 수많은 기기가 연결된 지점의 업무 환경을 최적화했다. 따라서 보험설계사가 사무실에서 고객 혹은 상품 정보 조회, 시스템 업로드 등 업무를 신속하게 처리하는 한편, 방문 고객에게 보다 빠르면서도 안정적으로 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

이에 더해 향후 무선 설비를 단계별로 적용할 수 있도록 설계돼 투자보호는 물론, 확장성까지 높였다. 또한 기존 단독형 AP 구성에서 컨트롤러형으로 변경함으로써 운영 및 로밍 부분에서의 서비스 효율성이 향상됐다.


버전 높아질수록 보안성도 향상

와이파이의 버전이 높아질수록 보안성도 함께 향상됐다. 태생적으로 와이파이는 유선에 비해 보안에 취약할 수밖에 없다. 무선보안이 필수적인 이유이다. 보안 방법에는 WEP, WPA, WPA2, WPA3 등이 있는데 숫자가 높을수록 더 강력한 방법으로 패킷을 암호화하기 때문에 보안성이 뛰어나다.

WPA는 무선 랜 보안 표준으로 WEP(Wired Equivalent Privacy) 키 암호화를 보완하는 TKIP(Temporal Key Integrity Protocol)라는 802.11i 표준을 기반으로 하고 있다. 인증 부문에서도 802.1x 및 EAP(Extensible Authenticition Protocol)를 도입해 보안 성능을 높였다. 특히 패킷당 키 할당, 키 값 재설정 등 다양한 기능이 있고, 네트워크에 접근 시 인증 절차를 요구하기 때문에 해킹이 어렵다는 장점이 있다.

지난 2018년 당시 보안 표준인 WPA2의 구조적 보안 결함인 크랙(KRACK)이 보고된 이후 업계의 대응과 함께 새로운 보안 표준을 요구하는 목소리가 있었다. 이에 와이파이 연합에서 새로운 WPA3 보안 표준을 공식 발표했다.

와이파이 얼라이언스는 WPA3에 대해 보다 간편하면서도 개인과 엔터프라이즈 네트워크에 대한 향상된 보호 기능을 제공하며, 데이터에 민감한 사용자들을 위해 강화된 인증과 암호화 기능을 제공할 것이라 전했다.

WPA3 보안은 개인과 엔터프라이즈를 위한 별도의 모드로 동작하며, 보안 위협에 노출되기 쉬운 구형 레거시 프로토콜을 허용치 않는 것이 특징으로, 미션 크리티컬 네트워크에서는 PMF(Protected Management Frames) 사용이 요구된다. WPA3는 두 가지 모드로 나뉘는데, 개인화 모드(WPA3-Personal)의 경우 엔터프라이즈 모드 대비 탄력적으로 동작하는 패스워드 기반 인증, SAE(Simultaneous Authentication of Equals), 제 3자의 암호 추측 시도를 방지하기 위한 장치간 보안 키 설정 프로토콜을 지원한다.

기업형 모드(WPA3-Enterprise)는 네트워크를 통해 전송 데이터 보호를 위한 192비트 급의 추가적인 암호화를 비롯해 보안 해쉬 알고리즘(HMAC-SHA384)을 이용한 384비트 해쉬드 메시지 인증 모드(HMAC) 등을 지원한다.

이러한 WPA3 보안은 기존 WPA2와 상호 운용성을 갖췄고, 와이파이 연합은 보안 결함이 발견된 WPA2의 보안성 강화를 위해 올해 초 PMF의 필수화 및 검증 강화 등의 내용을 발표하기도 했다.

링크시스 관계자는 “비밀번호를 설정하지 않을 경우 상대가 내 와이파이를 사용하게 되는 것이 문제가 아니라 내 정보가 빠져나가는 것이 문제다. 무선 비밀번호 뿐 아니라 관리자 아이디나 비밀번호를 바꾸는 것도 중요하다”며 “대부분의 사람들이 초기 설정을 그대로 쓰는데 이러면 해커들에게 내 집안 네트워크가 와이드 오픈된다. 해커들은 이를 통해 내 공유기 비밀번호나 관리자 아이디 등도 변경하고 은행 등 개인정보를 악용할 수 있으니 각별히 유의해야 한다. 공유기의 펌웨어도 주기적으로 업데이트 해줘야 하며, 펌웨어 자동 업데이트 기능을 지원하는 공유기를 구비하는 것도 좋은 방안이다”라고 강조했다.


“와이파이 6 및 메시 와이파이가 시장 견인할 것”

무선인터넷 시장은 IT 기술 발전과 모바일 디바이스의 보급 증가와 함께 성장하고 있다. 업계 관계자들은 2020년 와이파이 시장의 화두는 ‘메시 와이파이’와 ‘와이파이 6’라고 단언하고 있다. 개인당 사용하는 무선 디바이스들이 늘어나고 있으며 그 종류와 서비스 방식 역시 다양해지고 있다. 이에 따라 무선 전체의 트래픽을 효율적으로 관리하면서 속도나 지연성을 개선하려는 연구들이 지속적으로 이뤄지고 있다

‘메시 와이파이’는 일반 공유기와 달리 와이파이 무선 범위를 자유롭게 확장할 수 있으며, 어디서든 빠른 속도를 낼 수 있는 점이 특징이다. 와이파이를 사용하는 곳에 와이파이 기지국을 설치하는 것과 비슷한 개념이다.

이에 대해 링크시스 관계자는 “‘메시 와이파이’는 새로운 기술이 아니라 시장을 재편하는 패러다임이다. 2017년부터 가정용 ‘메시 와이파이’가 개발돼 빠르게 보급되고 있으며, 영국에서는 이미 기존 와이파이 공유기 시장의 50% 이상을 ‘메시 와이파이’가 차지할 정도로 빠른 보급률을 보이고 있다”며 “국내 역시 지난해부터 여러 제조사가 ‘메시 와이파이’ 솔루션을 선보이고 있으며 2020년에는 대중화가 될 것”이라고 전망했다.

▲ 메시 와이파이 시장 전망(출처: 링크시스 프로잭션)

‘와이파이 6’ 역시 무선 인터넷 시장에서 큰 비중을 차지할 것으로 예측되고 있다. 업계 관계자는 “‘와이파이 6’는 많은 무선기기들을 효율적으로 관리할 수 있도록 만들어진 최신 표준이며, 2019년부터 도입되기 시작해 2020년부터는 빠른 보급률을 보일 것으로 예상된다”며 “현재는 ‘와이파이 6’ 공유기의 가격이 비싼 편이지만, 시간이 지날수록 보급형 모델들이 나올 것이고, 그렇게 되면 2021년에는 전체 시장에서 ‘메시 와이파이’와 함께 가장 큰 비중을 차지할 것”이라고 예측했다.

▲ 와이파이6 시장전망(출처: IDC)

실제 ‘메시 와이파이’와 ‘와이파이 6’ 제품들이 최근 잇달아 공개되고 있다. 링크시스는 ‘벨롭’이라는 ‘메시 와이파이’ 제품군을 출시했고, 와이파이의 라우터를 통해 사람의 동작을 인식할 수 있는 서비스인 ‘링크시스 어웨어’도 선보였다.

링크시스 관계자는 “최신 ‘와이파이 6’ 기반의 ‘메시 와이파이’ 라우터 ‘MX5300’를 조만간 국내에 출시할 예정이다”라며 “기존 ‘와이파이 5’ 대비 4배가량 향상된 기능과 넓어진 무선 범위, 효율성 관리 등을 통해 보다 나은 사용자 경험을 제공할 수 있다”고 말했다.

이 외에 아루바의 ‘센트럴’, ‘인스턴트 온’, 티피링크의 ‘아처 AX50’, 넷기어의 ‘새틀라이트 SRC60’, 시스코의 ‘카탈리스트 시리즈’ 및 ‘머라키 시리즈’ 등이 있다.

[‘와이파이 6’ 구축사례]

아루바, 대진대에 와이파이 6 네트워크 환경 구축
캠퍼스 환경에 유연하게 대처할 수 있는 통합 네트워크 솔루션 제공

대진대는 강의실을 비롯해 캠퍼스 어느 곳에서나 제한 없이 무선 서비스를 이용할 수 있도록 와이파이 6 네트워크 환경을 구축했다.

대진대학은 시스템 구축 전 초고속 IT 환경을 감당할 수 있는 무선 인프라의 부재와 기존 통신사 AP(Access Point)들이 제공하는 저속 및 저품질의 무선 네트워크 환경 등 여러 문제점을 안고 있었다. 또한 무분별한 무선 공유기 사용으로 인한 네트워크 장애가 수시로 발생했으며 다양한 IoT 및 유무선 네트워크를 모니터링할 시스템도 필요했다.

아루바는 이러한 대진대학교의 네트워크 요구 사항을 충족하기 위해 3S(Smart, Secure, Stable) 신념을 바탕으로 차세대 무선 네트워크 표준인 와이파이 6 네트워크 환경 조성을 위한 통합 솔루션을 제공했다.

와이파이 6 통합 네트워크 솔루션은 직교다분할전송(OFDMA, Orthogonal Frequency Division Multiple Access)이라 불리는 향상된 다중 사용자 미모(Multi-user MIMO) 기술을 통해 각각의 AP 단말기가 동시에 데이터를 병렬로 전송함으로써 한 사람이 여러 디바이스를 사용하는 캠퍼스 환경에서도 무리 없이 대처할 수 있다.

아루바의 와이파이 6 네트워크 인프라는 기존에 무분별하게 사용되고 있던 통신사 AP 대신 효율적으로 무선 주파수를 할당하는 RF셀(Radio Frequency Cell)을 설계해 데이터 음영 지역을 해소했다.

모바일 기기 및 앱 사용을 고려해 네트워크 성능을 최적화할 수 있는 아루바 에어웨이브(AirWave)를 통해 SNS, 미디어 스트리밍 등 대용량 트래픽에 대한 대비책을 갖췄다. 또한 아루바 클리어패스(ClearPass) 보안 솔루션은 롤(Role) 기반 통합 엑세스로 네트워크 시스템을 간소화해 트래픽을 최적화하고, 네트워크 정책 관리에 대한 효율성과 운영 편의성을 증대시킨다.

마지막으로 버스 정류장 등 옥외 학생 밀집 구역에 미세먼지, 온/습도 센서를 함께 도입해 해당 센서의 정보가 아루바 WLAN 인프라를 통해 중앙 서버로 수집되고 모니터링될 수 있도록 설계했다.

대진대학교 정보전산원관계자는 “IT 환경이 변화함에 따라 향상된 무선 네트워크 서비스에 대한 학생들의 요구가 증가하면서 캠퍼스 전역에 초고속 유무선 통합 네트워크 시스템이 절대적으로 필요한 시점이었다”며, “우리의 요구 사항에 부합하는 스마트하고 안정적인 최적의 네트워크 솔루션을 제공해준 아루바와의 협업을 통해 학생들이 캠퍼스 어느 곳에서나 무선 네트워크 서비스에 대한 걱정 없이 학업 능률을 높일 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

 

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