정보통신기사, 정보통신학과, 통신직 등 정보통신일반 요점 정리 67. 무선 LAN의 전송 방식

67. 무선 LAN의 전송 방식

 

가. 물리 계층의 전송 방식
물리 계층에서 사용하는 전송매체에는 적외선과 라디오 주파수가 있는데, 적외선
은 벽과 같은 물체에 산란하는 특성이 있다. 따라서 눈으로 볼 수 없는 거리인 경우
통신하기 힘들어 가능한 거리는 25m로 제한되어 있으며, 빛에 의한 간섭의 영향도
크다. 이러한 특징으로 인하여 실제로 적외선을 전송매체로 사용하는 경우는 드물며
PDA나 노트북, 프린터, USB 등을 이용한 간단한 근거리 통신에만 사용되는 것이 일
반적이다.
반면, 라디오 주파수는 장애물을 투과할 수 있으므로 통신이 가능한 거리가 수 백
미터에 달하고 DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum), FHSS(Frequency-Hopping
Spread Spectrum), OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 변조
방식을 사용하면 간섭과 전파방해에도 강하므로 원활한 통신이 가능하다. 또한 이
들 변조 방식은 도청이 불가능하여 보안적인 측면에서도 우수한 특성을 보인다. 초
기의 IEEE 802.11에서는 DSSS와 FHSS를 모두 지원하였으나, 이후 IEEE 802.11b에
서는 DSSS방식만을 지원했고 IEEE 802.11a에서는 OFDM, IEEE 802.g에서는 DSSS
와 OFDM을 모두 지원하다가 차세대 초고속 무선 LAN 표준인 IEEE 802.11n에서는 OFDM만을 지원하는 방식으로 변화되어 왔다.

(1) 확산 스펙트럼(Spread Spectrum)
통신 시스템 설계자들은 시스템의 효율성을 논할 때, 주로 시스템이 신호의 에너지
와 대역폭을 이용하는 것에 대해 고려한다. 물론 대부분의 통신 시스템에 있어서 그
것은 중요한 이슈이다. 하지만 그 외에도 시스템이 외부적인 간섭 현상에 대항하고,
낮은 스펙트럼 에너지를 취급하며, 외부 제어 없이도 다중 접속 능력을 제공하고, 외
부에서 접근할 수 없는 비밀 채널도 제공해야 하는 상황이 있을 수가 있다. 여러 가지
무선 통신 기술 중에서 확산 스펙트럼 기술은 이러한 목적을 가장 잘 만족시키는 기
술이다. 확산 스펙트럼 기술은 안정되고 보안성이 뛰어난 무선 통신 환경을 제공하는
통신용 제품들에 주로 적용되고 있다. 확산 스펙트럼은 과거에 군사용 디지털 통신용
으로 사용되었지만, 현재에는 무선 LAN에 적용한 상업적 응용들도 다수 존재한다.
확산 스펙트럼 기술은 협대역(Narrowband) 방식과는 정반대로 전송하고 싶은 정보
를 필요한 최저한도의 대역폭으로 전송하는 것이 아니라 의도적으로 그것보다 더 확
실하게 넓은 주파수 대역폭을 사용하여 정보를 전송한다. 송신측에서는 위상 편이 변
조(PSK, Phase Shift Keying)와 주파수 편이 변조(FSK, Frequency Shift Keying) 방식
을 사용하여 1차 변조를 수행하고 변조된 파형의 대역폭을 넓히기 위해서 2차 변조를
행한다. 이 과정을 확산 변조라고 한다. 수신측에서는 확산 변조된 신호를 원래대로
복원하기 위해 역 과정을 거친다.
확산 스펙트럼은 광대역이며 잡음과 유사한 신호를 사용한다. 이러한 특성 때문에
신호를 다른 사람이 감지하기가 상당히 어렵다. 또한 확산 스펙트럼 신호는 가로채거
나 복조하기도 비교적 어렵다. 나아가서 협대역 신호에 비해 좀처럼 방해받지 않는다.
이러한 특성은 과거 오랫동안 군사용 사용된 확산 스펙트럼 방식의 유용성을 말해주는
것이다. 확산 스펙트럼의 통신 방식에는 DSSS와 FHSS 두 가지가 주로 사용되고 있다.

(2) DSSS(Direct-Sequence Spread Spectrum)
직접 확산 스펙트럼(DSSS) 변조 방식은 송신측에서 데이터 신호를 확산부호를 이
용하여 직접 변조하는 방식이다. 즉 대역이 좁은 신호를 넓은 대역의 신호로 변환하
여 주파수 전역으로 확산시켜 전송하면, 수신측에서는 송신측에서 사용한 것과 동일
한 확산부호를 사용해 원래의 데이터 신호를 얻는 방식이다. [그림 5-33]은 DSSS 방
식에서의 데이터 확산 과정을 나타내고 [그림 5-34]는 주파수 스펙트럼 관점에서 확
산 과정을 표현한 것이다.

 

DSSS 방식

DSSS 방식은 전달될 각 비트에 대해 여분의 비트 패턴을 발생시킨다. 이 비트 패턴
은 칩(chip)이나 “chipping code”라고 불린다. 칩이 크면 클수록, 원래의 데이터가 복
원될 가능성이 커진다. 칩 안에 있는 하나 혹은 그 이상의 비트가 전송될 동안 손상
을 입을 수 있지만, 무선 장치에 적용된 통계적인 기술로 신호를 재전송할 필요 없이
복원이 가능하다. DSSS 방식은 스펙트럼 확산을 위해 큰 대역폭의 채널을 필요로 하
고, 수신기 근처에 여러 송신기가 있을 경우 과도한 전력을 가진 송신기가 신호를 파
괴하는 문제점을 가지는 반면, 신호를 가로채기 힘들고 잡음 방지기능이 매우 우수
하다는 장점을 가진다.

 

(3) FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)
주파수 도약 확산 스펙트럼(FHSS) 방식은 DSSS와는 다르게 신호를 변조하는 것이
아니라 데이터전송 시 송신측 및 수신측이 프로그램 된 순서나 랜덤 시퀀스에 의해서
주파수를 변경하면서 데이터를 전송하는 방식이다. 즉, 송신기와 수신기 모두가 알
고 있는 패턴의 범위 내에서 주파수를 변화시키는 협대역의 반송파를 사용한다. 수신
기와 발신기 양측이 적절하게 동기화되면, 하나의 논리적인 채널로 유지되는 효과를
얻을 수 있다. 관계없는 수신기에 대해서는 FHSS는 지속성이 짧은 임펄스 노이즈로
인식한다. 다시 말해, FHSS 방식은 스펙트럼을 확산시켜야 할 신호의 반송파 주파수
를 어떤 특정한 패턴에 따라 시간적으로 전환해 감으로서 시간평균으로 협대역 신호
를 광대역 신호로 확산시킨다. 이를 통하여 DSSS의 문제점인 과도한 전력을 가진 송
신기가 신호를 파괴하는 문제를 해결하고 방대한 양의 확산을 제공하지만, 주파수 도
약(Hopping)을 위한 복잡한 주파수 합성기가 필요하다는 단점을 가진다. [그림 5-35]
는 FHSS 방식을 표현한 것이다.

 

(4) OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
직교 주파수분할 다중화(OFDM)은 무선 통신에 이용되는 디지털 변조방식의 하나
이다. [그림 5-36]과 같이 주파수 분할 다중화(FDM, Frequency Division Multiplexing)
는 고속의 데이터 신호를 저속의 협소한 주파수 범위의 데이터로 변환하여 주파수축
상에서 병렬로 전송하지만, OFDM은 직교(Orthogonal)하는 성질을 이용하여 주파수
축 상에서의 중첩을 허용한다. 즉, 여러 개의 반송파를 일부 중첩 시키면서도 서로 간
섭하지 않게 조밀하게 나열시킬 수 있다. 따라서 협소한 주파수 범위를 효율적으로 이
용하여 광대역 전송을 실현하고 있으며, 주파수의 이용효율도 높이고 있다.
OFDM 방식에서는 상호 직교하는 복수의 반송파를 사용하므로 주파수 이용효율이 높아지고, 송수신단에서 이러한 복수의 반송파를 변복조하는 과정은 각각
IDFT(Inverse Discrete Fourier Transform)와 DFT(Discrete Fourier Transform)를 수행
한 것과 같은 결과가 되어 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)와 FFT(Fast Fourier
Transform)를 사용하여 고속으로 구현할 수 있다. OFDM 방식은 고속 데이터 전송
에 적합하기 때문에 고속 무선 LAN, 광대역 무선 액세스(BWA: Broadband Wireless
Access), 디지털 오디오 방송(DAB: Digital Audio Broadcasting)과 디지털 지상 텔레
비전 방송(DTTB: Digital Terrestrial Television Broadcasting), ADSL과 VDSL의 표준
방식으로 채택되었다.

나. 데이터링크 계층의 전송방식
대표적인 데이터링크 계층의 전송방식에는 IEEE 802.11의 CSMA/CA(Carrier
Sense Multiple Access/Collision Avoidance)방식을 들 수 있다. 유선 LAN에서 사용
하는 CSMA/CD는 네트워크상의 충돌이 발생될 때 이를 감지하여 해결하는 반면에,
CSMA/CA는 미리 충돌이 일어나는 상황을 피할 수 있도록 하는 것이 다르다. 단말
기가 보내고 싶은 데이터가 있는 경우, CSMA/CA는 우선 채널의 상태를 점검하여
다른 단말기가 쓰고 있는지의 여부를 검사하여, 채널이 비어 있을 경우에는 자신의
데이터를 전송하고, 만약 다른 단말기가 채널을 사용하고 있을 경우에는 임의 시간
동안 기다렸다가 다시 시작함으로써 미리 충돌을 피하게 된다. 하지만 서로 다른 단
말기에서 동시에 특정 단말기로 데이터를 전송하는 경우 문제가 발생할 수 있으며,
[그림 5-37]은 이와 같은 현상을 표현한 것이다. 그림에서와 같이 노드 A와 노드 C는
서로 다른 전파영역에 있어 서로를 감지할 수 없다. 이 경우 노드 A와 C가 동시에 노 드 B에게 데이터를 전송하면 충돌이 발생하게 되며, 이와 같은 현상은 노드들끼리 서로 감지하지 못하면 발생할 수 있다.

CSMA/CA에서 충돌이 발생하는 경우