미래의 커넥티비티를 혁신하는 와이파이 7
2022년 08월 22일
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글/ 스캇 티앤(Scott Tan), 온세미(onsemi)


와이파이 6E에 이어 IEEE 802.11be 또는 와이파이 7(Wi-Fi 7)이라고 불리는 7세대 와이파이가 곧 발표될 예정이다. 이는 사상 가장 빠른 와이파이 기술로서, 일상에서의 네트워킹과 온라인 활동에 훨씬 더 나은 사용자 경험을 제공하는 게임 체인저가 될 것으로 기대된다. 또한 8K 비디오 스트리밍, 완전 몰입형 AR/VR, 게임, 클라우드 컴퓨팅과 같이 많은 전송 속도를 필요로 하는 애플리케이션들을 가능하게 하고 가속화시킬 것이다. 계속해서 802.11be Release 1에서 지원되는 주요 기능과 와이파이 7의 이점 그리고 와이파이 7이 어떻게 미래의 커넥티비티를 가능하게 하는지에 대해 알아보고자 한다.


와이파이 7의 주요 특징


320MHz 채널 대역폭

6GHz 대역이 와이파이 애플리케이션에 개방됨에 따라 와이파이 7은 6GHz 대역에서 최대 320MHz 채널 대역폭을 지원하며, 5GHz 및 6GHz 대역에서 20/40/80/160MHz 채널 대역폭과2.4GHz 대역에서 20/40MHz을 지원한다. 320MHz 채널 대역폭만으로도 와이파이 7의 최대 속도는 기존 와이파이 6/6E에 비해 두 배가 된다.


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그림 1. 320MHz 채널 대역폭



4096 (4K) QAM

직교 진폭 변조(QAM)는 와이파이에서 변조 방식으로 광범위하게 사용된다. 반송파상에서 진폭과 위상 변조를 동시에 하는 기술이다. 와이파이 6는 최대 1024 QAM을 지원한다. 아래 왼쪽 그림에 표시된 각 점들은 10비트 데이터(심볼)를 나타낸다. 와이파이 7은 4096 QAM을 지원한다. 아래 오른쪽 그림의 각 점들은 12비트 데이터(심볼)를 나타낸다. 즉, 와이파이 7에서 QAM으로 변조된 각 심볼은 와이파이 6보다 2비트의 정보를 더 전달할 수 있는 것이다. 이때 속도는 20% 증가한 것이 된다. 


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그림 2. 1024 QAM vs 4096 QAM



다중 링크 동작(MLO)

다중 링크 동작(MLO)은 와이파이 7에서 매우 중요하고 유용한 기능이다. 이는 여러 다른 대역과 채널에 걸쳐 디바이스가 동시에 송수신을 할 수 있게 한다. 유선(이더넷) 네트워크의 링크 결합이나 트렁킹(trunking) 기능보다 더욱 정교하고 유연하다. 서로 다른 대역과 채널에서 다중 링크(라디오)를 번들링 또는 본딩하여 연결 피어 간에 하나의 가상 링크로 동작할 수 있다. 개별 링크(라디오)는 다른 링크와 독립적으로 동시에 동작하거나 최적의 결합 속도, 지연 시간, 영역(서비스 영역) 또는 전력 절약을 위해 조정될 수 있다. 와이파이 7 MLO는 다중 링크를 동시에 사용하기 위한 MAC 계층 솔루션이며, 상위 계층 프로토콜 및 서비스에 대해 투명하다. MLO는 지연 시간 단축은 물론, 전송 속도, 링크 견고성, 로밍, 간섭 완화를 향상시킬 수 있다.


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그림 3. 다중 링크 동작 



예를 들어, 트라이밴드(triband) (6GHz, 5GHz, 2.4GHz) 메시 노드 또는 액세스 포인트(APs)로 구성된 홈 메시 네트워크에서 MLO는 홈 네트워크를 위한 고속, 저지연 무선 백본(backbone)을 구성하고 메시 노드/AP에 연결된 디바이스에 백홀(backhaul)을 제공하는데 사용될 수 있다. 각 메시 노드가 4x4 트라이밴드 동시 구성을 지원하는 경우, 결합된(aggregate) 백홀(백본)은 최대 21.6Gbps 속도를 지원한다. MLO를 사용하면, 백홀(백본)도 더 견고하고 신뢰할 수 있다. 레이더(DFS)에 의해 5GHz 링크가 중단되는 경우, 서비스 중단이나 서비스 품질(QoS) 저하 없이 트래픽이 6GHz 및 2.4GHz 링크로 자동 전환될 수 있다. 와이파이 7 MLO 기반 백홀과 비교했을 때, 오늘날의 와이파이 6 및 6E 메시 솔루션은 4x4 라디오 중 하나를 사용하여 무선 백홀을 구성하며, 4.8Gbps 속도만 제공한다. 해당 링크에 간섭이나 방해가 발생하면 전체 백홀(백본)이 영향을 받거나 파손되어 서비스 품질(QoS) 저하 또는 중단(interrupt)이 발생한다.


스마트폰, 노트북 등과 같은 클라이언트 디바이스가 다중 라디오를 지원하는 경우, MLO는 디바이스 및 AP 간에 더 큰 파이프를 생성하여 더욱 빠른 속도, 더 낮은 지연 시간 및 높은 신뢰성을 제공할 뿐만 아니라 사용자의 끊김 없는 로밍을 향상시킨다.


다중 리소스 유닛(MRU)

와이파이 7은 새로운 리소스 유닛(RU, Resource Unit) 할당 메커니즘을 추가한다. AP가 각 STA에 단일 RU만 할당하는 와이파이 6에 비해, 와이파이 7은 하나의 스테이션(STA)에 다중 리소스 유닛(MRU)을 할당할 수 있다. MRU는 간섭을 완화하고 동일한 대역 또는 채널에서 작동하는 사용 중인 장비와의 공존을 향상시킬 뿐만 아니라, 스펙트럼 활용의 효율성을 더욱 향상시키고, 필요에 따라 STA당 대역폭(QoS) 조절에 대한 더 많은 유연성을 제공한다.


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그림 4. 320MHz OFDMA PPDU의 RU 및MRU



이러한 MRU 메커니즘은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 및 비OFDMA(즉, MU-MIMO) 모드를 모두 지원한다. OFDMA 모드에서는 소형 MRU와 대형 MRU를 지원하여 복잡한 MAC 및 스케줄러 설계없이 RU/MRU를 훨씬 더 유연하게 할당할 수 있다. 비OFDMA 모드에서는 가장 유연한 서브 채널 프리앰블 펑처링(preamble puncturing)을 제공한다. 


예를 들어 기본 채널을 제외한 모든 20MHz 서브 채널 또는 40/80MHz 채널을 320MHz 대역상에서 천공할 수 있다. 이는 간섭이 있을 때 전송이 채널의 스펙트럼의 활용을 극대화하고 채널의 특정 스펙트럼 부분에서 동작하는 기존 장치가 있는 경우 최상의 공존을 제공할 수 있게 한다.   


와이파이 7에는 많은 새로운 기능과 개선 사항이 있다. 이러한 기능에는 프리앰블 펑쳐링, 타깃 웨이크 타임(TWT), 제한 TWT(rTWT), 확장 영역(MCS 14 및 MCS 15) 등이 포함된다. 


다중 AP 조정(조정된 빔포밍, 조정된 OFDMA, 조정된 공간 재사용, 공동 전송), 16개의 공간 스트림, HARQ 등과 같은 기능들은 이 글에서 다루지는 않지만, Release 2에서 지원될 수 있다.


최종 사용자를 위한 와이파이 7의 혜택


매우 높은 전송 속도

와이파이 7은 번개처럼 빠른 속도를 지원한다. 이전 버전인 와이파이 6(802.11ax)을 기반으로 구축된 와이파이 7은 표준 사양에서 정의된 16개의 공간 스트림과 최대 46Gbps의 원시 데이터 전송 속도로 매우 높은 데이터 속도(EHT)를 지원한다. 이는 Cat 6/6a/7 케이블에서 동작하는 10Gbps 이더넷보다 훨씬 빠르다. 가장 가까운 액세스 및 연결 기술은 40Gbps 이상의 최대 원시 데이터 속도를 제공하는 Thunderbolt 3/4, USB 4, HDMI 2.1이다.  


앞서 언급했듯이, 와이파이 7은 와이파이 6의 두 배인 320MHz 채널 대역폭을 지원한다. 또한 와이파이 7은 1024(1K)에서 4096(4K)로 QAM 세분성을 향상시켜 와이파이 6/6E 또는 와이파이 5 웨이브 3에 비해 속도를 20% 증가시킨다. 와이파이 7은 안테나 수를 8개에서 16로 교환 가능한 방법을 통해 최대 공간 스트림의 수를 두 배로 증가시킨다. 따라서 와이파이 6/6E는 8개의 공간 스트림에 대해 최대 9.6Gbps를 지원하는데 와이파이 7은 16개의 공간 스트림으로 최대 46Gbps(9.6Gbps x2 (2배 대역폭) x1.2 (QAM 향상) x2 (공간 스트림)를 지원한다.


이처럼 초고속으로 스마트폰, 노트북 등 와이파이 안테나 2개(2개 공간 스트림)를 주로 탑재하는 디바이스의 경우 초당 최대 멀티기가비트(5.8Gbps)의 속도를 얻을 수 있다. 전력 또는 폼 팩터 제약으로 인해 하나의 안테나를 사용하는 많은 디바이스도 최대 2.9Gbps의 데이터 속도를 지원할 수 있다. 전력 증폭기나 프런트 엔드 모듈을 추가할 필요가 없어서, 추가적인 안테나 비용이나 전기 요금없이 2배 이상의 속도를 낼 수 있다. 이는 향후 많은 애플리케이션에 대한 패러다임 전환이 될 것이다.


초저지연

지연 시간(latency)은 서비스 품질(QoS) 및 사용자 만족에 대한 또 다른 핵심 요소이다. 이는 실시간 애플리케이션에서 특히 중요하다. 고해상도 실시간 비디오 스트리밍, 가상 현실, 증강 현실, 클라우드 게임 및 실시간 프로그래밍과 같은 많은 멀티미디어 애플리케이션은 20ms 미만의 지연 시간이 필요하다.  무선 환경에서 이러한 짧은 지연 시간을 달성하는 것은 쉽지 않다. 클라우드 사용의 경우, 광섬유 접속을 위한 WAN 측의 지연 시간(약 10ms 이상)도 고려해야 한다. 즉, WAN 모뎀과 엔드 포인트 클라이언트 디바이스 사이의 여유 지연 시간은 사용자에게 큰 만족을 주기가 쉽지 않다. 10-20ms 지연 시간은 와이파이 6을 통해 달성할 수 있다. 그리고 보다 짧은 지연 시간은 사용자가 훨씬 적은 환경에서 와이파이 6E로 달성할 수 있다. 와이파이 7은 802.11be 표준의 다양한 수단을 활용하여 하위 -10ms 그리고 궁극적으로는 결정론적 경계를 가진 하위 1ms 영역까지 지연 시간을 줄이는데 도움이 된다. 이러한 수단에는 MLO, TWT 및 rTWT, 향상된 트리거 전송, 그리고 궁극적으로 시간 민감성 네트워크(TSN) 기능의 통합이 포함된다.


더욱 강력한 연결

위에서 언급한 바와 같이, MLO는 다중 링크 간의 연결을 적응시키는 동적 메커니즘을 제공한다. 두 링크 피어(예를 들면, AP 및 클라이언트 장치) 간의 연결에 대한 전송 로드는 성능 및 견고성에 대한 링크 품질, 즉 로드 밸런싱과 같은 메트릭을 기반으로 동적으로 밸런싱 될 수 있다. 링크 중 하나에 간섭이나 링크 손실(예를 들면, 범위로 인한)이 있을 경우, 연결은 여전히 나머지 링크에서 작동할 수 있으며 전송은 문제가 발생한 링크에서 양호한 링크로 즉 빠른 페일오버로 원활하게 전환할 수 있다. MRU/RU 및 프리앰블 펑처링(preamble puncturing)도 연결 견고성을 촉진한다. 예를 들어, 운영 채널의 특정 서브 채널 또는 스펙트럼의 특정 부분에서 간섭이 발생할 경우, AP는 간섭된 서브 채널 또는 RU/MRU의 사용을 피하고 현재 환경 상황과 채널 상태에 기초하여 전송을 최적화할 수 있다. 또한, 신호 SNR을 증가시키도록 정의된 MCS 14 및 MCS 15는 링크 피어 간의 거리가 확장될 때 연결의 견고성도 개선한다.


간섭 완화 및 공존 개선

와이파이 6 및 와이파이 6E는 와이파이 5에서 간섭 완화 및 기존 장비와의 공존을 위한 많은 기능을 이미 강화했다. 와이파이 6는 보다 유연한 서브채널 펑처링 패턴을 제공하며, OFDMA 모드에서 RU를 활용하여 2MHz(26톤으로 가장 작은 RU)와 같은 세부 수준에서 간섭을 방지할 수 있다. 와이파이 6E는 기존 장비와의 공존을 위한 자동 주파수 조정(AFC)을 지원한다. MRU와 OFDMA 및 비 OFDMA(MU-MIMO) 모드에서 가능한 모든 하위 채널 및 고해상도 펑처링 패턴을 지원하는 프리앰블 펑처링 기능의 최고의 유연성을 갖춘 와이파이 7은 다양한 유형의 서비스에 대한 최적의 QoS를 통해 훨씬 더 나은 간섭 완화를 제공한다.


로밍 사용자 환경 개선

MLO는 또한 사용자에게 보다 향상된 원활한 로밍 경험을 제공한다. 802.11be 표준에 정의된 내장된 로밍 향상 기능을 제공한다. 예를 들어 디바이스가 AP에서 더 멀리 이동하면 MLO는 AP와 디바이스 사이의 ML(multi-link) 연결을 유지하고 대역을 전환할 필요 없이 2.4GHz 대역에서 자동으로 동작할 수 있다. 반대로 디바이스가 AP에 더 가까이 이동하면 MLO가 5GHz 및 6GHz 대역에서 자동으로 동적으로 동작하여 성능을 높일 수 있다. 이와 비해 오늘날의 와이파이 6 및 6E AP는 클라이언트를 다른 대역으로 강제적으로 유도하기 위해 애플리케이션 계층에서 밴드 스티어링 또는 클라이언트 스티어링 기능에 의존해야 한다. AP가 클라이언트 디바이스를 제어할 수 없고 클라이언트 장치가 대역 전환 여부를 결정하기 때문에 항상 예상대로 동작하지는 않는다. 게다가 벤더 간의 호환성은 원활한 로밍을 위한 또 다른 뛰어넘어야 할 큰 과제이다.


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그림 5. MLO를 이용한 원활한 로밍 경험



더욱 높은 스펙트럼 효율성

주파수 이용 효율의 관점에서 보면, 와이파이 7은 와이파이 6/6E보다 훨씬 더 높은 효율성을 제공한다. 추가적인 효율성은 여러 와이파이 7 기능들, MRU, 프리앰블 펑처링, MLO, 4096 QAM 및 향후 16개의 공간 스트림과 조정된 빔포밍, 조정된 OFDMA 및 공동 전송 등과 같은 조정된 멀티 AP 기능의 이점을 얻을 수 있다.


전력 효율성 향상 및 전력 절감 효과 향상

더 넓은 320MHz 채널 대역폭, 4096 QAM, 더 낮은 지연 시간 덕분에 더욱 더 빨라진 속도로 와이파이 7은 훨씬 더 높은 전력 효율로 데이터를 전달한다. 와이파이 6 절전 기능을 기반으로 구축된 와이파이 7은 최적의 절전 기능을 위해 여러 가지 방식으로 이러한 기능들을 향상 시킨다.  


MLO를 사용하면 클라이언트 디바이스는 모든 DTIM(delivery traffic indication map) 비콘 프레임을 수신할 필요가 없으며, 그룹 시간 키/무결성, 그룹 시간 키/비콘 무결성, 그룹 시간 키(GTK/IGTK/BIGTK) 업데이트를 수행하지 않는다. 클라이언트는 DTIM 비콘 업데이트, 트래픽 표시 및 BSS 중요 업데이트를 위해 하나의 링크를 유지하고 DTIM 비콘 업데이트를 위해 정기적인 웨이크업 없이 다른 링크들을 완전 절전 모드로 둘 수 있다.


와이파이 6의 가장 유망한 절전 기능인 TWT 외에도, 와이파이 7은 추가적인 절전을 위해 이른바 트리거 전송 기회(TXOP) 공유 기능을 지원한다. AP는 다음 서비스 기간(SP)에 웨이크업할 필요가 없도록 확보된 TXOP내 일부 시간을 연결된 클라이언트 장치에 할당할 수 있다.


또한 온세미는 실제 응용 프로그램, 실시간 처리량 및 환경(예를 들면, 온도) 요구 사항을 기반으로 하는 많은 독점적인 동적 적응형 절전 기능을 지원하고 있다.


더 많은 새로운 와이파이 센싱 애플리케이션


최근 몇 년 동안 와이파이 채널 상태 정보(CSI) 및 미세 시간 측정/왕복 시간(FTM/RTT)에 기반한 모션 감지, 포지셔닝(특히 실내용)과 같은 와이파이 센싱 애플리케이션은 서비스 제공업체 및 최종 사용자로부터 많은 관심을 끌고 있다. 


와이파이 채널은 간섭에 취약하며, 매우 역동적이며 주파수 선택적이다. 오염된 CSI는 동작 감지 정확도를 크게 저하시킬 수 있다. 와이파이 7은 320 MHz 채널 대역폭 덕분에 총 3,984 tone을 위한 훨씬 더 풍부한 CSI 데이터를 지원한다. CSI 데이터가 풍부할수록 동작 감지 정확도가 향상된다. 320 MHz 전송에서 많은 CSI 데이터를 캡처할 수 있기 때문에 동작 감지에 선택 및 사용될 수 있는 충분한 비 간섭 CSI 데이터들이 있는 반면, 노이즈가 많은 CSI 데이터는 피할 수 있다. 


2배 또는 4배 오버샘플링(oversampling) 및 업샘플링(upsampling) 기술을 사용하면, 320MHz 신호의 경우 RTT 타임스탬프 및 측정의 정확도는 나노초 이하의 해상도가 될 수 있다. 즉, 와이파이 7은 거리 측정 및 실내 위치 지정의 경우 서브미터(즉, 30cm)의 정확도를 지원한다. 이는 흥미롭고 새로운 와이파이 센싱 애플리케이션을 가능하게 할 것이다.


결론


와이파이 7은 경제적으로 더 효율적일 뿐만 아니라 여러 면에서 사용자 경험을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.  클라우드 게임, 몰입형 AR/VR, 8K 비디오 스트리밍, 인더스트리 4.0 등과 같은 데이터 요구가 많은 애플리케이션들을 활성화하고 향상시킬 수 있다. 사용자는 기존 와이파이 6/6E가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 더 빠른 속도, 더 낮은 지연 시간, 더 강력한 와이파이 7을 기대할 수 있다.

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