무선 네트워크는 주로 커버리지(적용 범위)나 용량을 고려하여 설계합니다.
WLAN 커버리지를 목적으로 설계할 때는 커버하고자 하는 영역의 넓이를 기반으로 해야 합니다. 모든 영역에서 100% 커버리지를 제공하는 커버리지 기반 설계를 구성한다면, 고전력을 사용하는 AP를 사용하는 편이 더 적은 수의 AP로 설계가 가능합니다.
반면에 용량 기반의 WLAN을 설계할 때는 사용자와 사용자가 사용하는 애플리케이션의 수, 애플리케이션이 사용하는 대역폭의 요구사항을 고려해야 합니다. 따라서 용량 기반의 설계를 위한 무선 네트워크는 일반적으로 보다 낮은 TX 전력으로 작동하는 AP를 많이 배치합니다.
이렇게 낮은 TX 전력으로 작동하게 되면 각 클라이언트가 더 높은 속도를 사용하도록 작은 셀 크기를 만들게 됩니다.
하지만, 커버리지 기반의 설계와 같이 큰 셀 크기로 구성하면, 넓은 공간에서 낮은 대역폭 장치를 사용하는 소수의 사용자만 있는 것과 같은 저밀도 환경에 적합합니다.
일반적인 오피스 환경에서는 각 셀에 적은 사용자만 사용하도록 작은 크기의 셀로 설계하는 것이 좋습니다.
채널 가용성 (Channel Availability)
채널 가용성은 변화하는 모든 RF 환경에서 무선 네트워크의 설계부터 트러블슈팅에 이르기까지 우리가 갖고 있는 숙제 중 하나입니다. 여타 다른 802.11 디바이스부터 전자레인지(Microwave)나 블루투스(Bluetooth) 디바이스 등과 같은 802.11 이외의 디바이스로부터 오는 RF 간섭 때문에 무선 신호나 성능 저하, 연결 끊김을 유발할 수 있습니다.
이러한 RF 간섭은 예측할 수도 없고, 회피할 수도 없습니다. 디바이스(전자레인지, 무선전화기)라든가 사용패턴(시간차), 위치 등에 따라 다릅니다.
안정적인 Wi-Fi 서비스를 제공하기 위해서는 이러한 RF를 제대로 관리할 수 있어야 합니다.
일반적으로 5Ghz는 사용 가능한 채널이 더 많고 동일 채널 간섭이 적을 뿐만 아니라 802.11 외의 간섭이 적기 때문에 깨끗한 무선 신호 환경입니다. 따라서 대부분의 간섭은 2.4Ghz 대역에서의 장치에서 발생합니다.
자, 이제 WLAN에서 낮은 성능을 유발하는 간섭이나 통신 불량을 일으키는 요인에 대해 알아보겠습니다.
무선 신호(주파수)의 문제
무선 네트워크에서 일반적인 문제는 느려진 처리속도(Throughput)입니다.
예를 들어, 사용자는 클라이언트 단말이 AP와 54Mbps의 데이터 속도로 연결되었지만, 실제로는 5Mbps 속도로 파일을 전송할 수 있습니다. 이런 경우의 가장 일반적인 원인은 노이즈(잡음)이 있는 RF 환경입니다.
다른 802.11 신호 또는 비 802.11(Non-802.11)에서 발생되는 노이즈로 인해 노이즈 플로어(Noise Floor)를 높이게 되면, 이 노이즈가 신호를 차단하기 때문에 RF 라디오에서 데이터를 더 자주 재전송해야 합니다.
좀 더 쉽게 예를 들어볼까요?
길에서 시끄러운 트럭이 지나갈 때 친구와 대화하는 것을 생각해보세요.
친구와 가까이 있어도 친구의 목소리 일부를 놓치는 경우가 있을 것입니다. 왜냐하면 바로 트럭의 데시벨(dB)이 친구의 목소리 데시벨(db)보다 더 크기 때문입니다. 내가 잘 못 들어서 다시 친구가 얘기한다면, 바로 무선 네트워크에서 데이터를 재전송 하는 것과 같습니다.
이러한 재전송은 결국 동일한 양의 데이터를 보내는 데 더 많은 시간이 걸리기 때문에 처리량(Throughput)이 줄어들게 됩니다.
동일 채널의 간섭은 AP가 다른 AP 신호를 간섭하는 것을 의미합니다.
여기서 802.11이 아닌 간섭 신호를 “노이즈“라고 합니다. 네트워크 설계 및 배포에 대한 Best Practice를 따르면 동일 채널의 간섭을 완화할 수 있습니다. 아니면, 노이즈를 발생하는 원인을 찾아 제거함으로써 노이즈를 완화할 수도 있습니다. 원인을 제거할 수 없다면, AP를 최대한 멀리 배치하고 컨트롤러나 AP에서 설정을 조정하여 간섭을 피하거나 간섭을 덜 민감하게 만들 수 있습니다.
WLAN 컨트롤러를 통해 자동으로 AP의 채널을 관리하는 것은 RF 노이즈에 대한 효과적인 방어입니다. 컨트롤러는 AP 채널을 노이즈가 많은 채널에서 거의 없는 조용한 채널로 자동으로 또는 동적으로 변경할 수 있습니다.
RF WLAN 간섭
CCTV 카메라나 무선전화기, 타사의 AP, 전자레인지, 블루투스와 같은 주파수 호핑(Frequency Hopping) 장비는 무선랜 간섭의 가장 일반적인 원인입니다. 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)는 잠재적인 간섭 원인을 식별하고 찾는데 아주 효과적인 도구입니다.
간섭을 일으키는 대부분의 장치는 5Ghz보다는 2.4Ghz에서 동작합니다.
주의해야 할 또 다른 요소는 장치 듀티 사이클(Duty Cycle)입니다.
혼잡한 고속도로 옆에서 시끄러운 트럭이 지나갈 때, 트럭 소음의 dB 레벨은 RF Power 또는 간섭의 세기를 나타내지만, 트럭 소음이 들리는 시간은 듀티 사이클입니다.
고속도로 옆에 서서 이야기를 하는 친구가 있다고 상상해보세요.
트럭 소음의 크기와 얼마나 오래 들었는지에 따라 친구가 말하는 것을 들을 수 있는 여부가 결정됩니다.즉, 같은 dB의 소음이라도, 매우 빠르게 움직이는 트럭의 소음은 느리게 움직이는 트럭보다 소음에 대한 영향이 적습니다.
동일한 예로, 많은 환경에서 여러 개의 블루투스 장치가 있지만, 블루투스는 일반적으로 낮은 듀티 사이클을 갖습니다. 따라서 이는 큰 문제가 아니고 WLAN에 대한 실제 영향도 적습니다.
반면에, 전자레인지가 켜져 있으면, 100%의 듀티 사이클을 갖고, 대부분의 2.4Ghz 무선 주파수를 간섭합니다. 보안 카메라 역시도 높은 듀티 사이클을 갖고 있으며, 높은 dB 수준으로 설정하면 WLAN에 큰 영향을 미칩니다.
Aruba Spectrum Analyzer
Aruba Spectrum Analyzer는 RF 환경을 “볼 수 있도록” 도와줍니다. 모든 Aruba AP는 스펙트럼 분석기로 동작하도록 구성할 수 있습니다.
안테나 기술
안테나는 무지향성과 지향성 두 가지 기능을 수행할 수 있습니다. AM/FM 라디오와 같은 장치는 RF 신호를 수신만 합니다. 하지만 AM/FM 방송국의 장치들은 RF 신호를 전송만 합니다.
무선 네트워크에서 사용하는 장치는 송수신을 모두 하기 때문에 안테나의 기능은 장치가 현재 수행하고 있는 작업에 따라 달라집니다.
장치가 데이터를 전송할 때 안테나는 송신기에서 진동하는 캐리어 신호(Oscillating Carrier Signal)를 수신하고, 안테나에서 RF 파동을 방사하거나 지향성으로 보냅니다. 장치가 데이터를 수신할 때 안테나는 RF 신호를 수신하고 진동하는 캐리어 신호(Oscillating Carrier Signal)를 수신기로 보냅니다.
AP의 방사 패턴
대부분의 제조사는 AP에 대해 수평 및 수직 커버리지 영역을 표시하는 방사 패턴을 제공합니다.
H-Plane은 수평적 커버리지에 대한 평면도이고, E-Plane은 측면도(입면도)입니다.
이렇게 하면 의도한 커버리지에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다. 클라이언트가 AP에서 신호를 수신하는 위치에 따라 물리적 장애물이나 RF 간섭이 변경될 수 있습니다.
방사 패턴은 안테나가 AP의 RF 신호를 형성하는 방식을 나타냅니다.
안테나 이득(Antenna Gain)
안테나는 패시브 이득(gain)을 사용하여 신호의 적용 범위를 형성합니다.
높은 이득 옴니(High Gain Omni)는 신호를 수평으로 넓게 밀지만, 수직으로는 커버리지를 잃습니다.
High Gain Omni 안테나는 건물의 한 층과 같이 넓은 공간을 커버해야 하는데 적합합니다.
AP/안테나 설치(Mounting) 옵션
Wi-Fi를 서비스하려는 영역의 유형이나 크기에 관계없이 안테나가 통합(내장)되어 있는 AP는 세 가지 방법으로 장착/설치할 수 있습니다.
오버헤드 커버리지를 사용하면 서비스를 제공하려는 사용자 바로 위의 천장, 좁은 통로, 지붕 또는 기타 표면에 AP를 장착해야 합니다.
- 측면 커버리지의 경우에 공간에 존재하는 벽이나 기둥, 기타 지지대에 AP를 장착할 수 있습니다.
- 바닥 커버리지 설계는 커버리지 영역의 바닥 바로 아래 또는 바닥 위에 AP를 장착하여 피코셀을 생성합니다.
- 천장에 장착하는 것은 AP가 눈에 거슬리지 않고 천장에 설치하기 쉽기 때문에 사무실 공간이나 병원 등 일반적으로 많이 사용합니다.
천장이 너무 높거나 미학적인 이유로 장착을 배제하지 않는 한 천장에 마운트하는 것이 가장 첫 번째 선택입니다.
대부분의 실내 사무실 공간에서는 일반적으로 저 이득 옴니 안테나가 내장된 AP를 천장에 설치합니다.
스포츠 경기장과 같이 고밀도 환경에서는 바닥에 설치하기도 합니다.
천장이 너무 높거나 접근하기 어려운 경우에는 측면 장착이 필요할 수도 있습니다.
SISO (Single Input Single Output)
기존의 802.11 네트워크, 즉 무선 네트워크는 한 번에 하나의 안테나만 전송 또는 수신하도록 단일 입력/단일 출력(SISO) 기술을 사용합니다. 송신기는 무선 신호 처리를 위해 보내고 받는 양쪽 안테나 중 하나로 전송을 보냅니다.
무선 라디오는 수신이 가장 좋은 신호를 선택하고 다른 신호는 폐기합니다. 따라서 각 전송에 대해 하나의 데이터 스트림만 효과적으로 사용됩니다. 이러한 개념은 안테나의 다양성으로 알려져 있습니다.
이러한 기술은 우리가 두 개의 귀로 듣는 것과 비슷합니다.
소음이 들리면, 보통 양쪽 귀로 듣고 처리를 위해서 뇌로 보내집니다. 두 개의 귀를 갖는 것은 한 쪽 방향에서 들려 오는 소리를 더 잘 들을 수 있도록 도와줍니다. 또한, 신호의 방향을 감지할 수도 있습니다.
이런 식으로, 누군가 말하는 방향으로 돌아서서 그들이 나의 목소리를 더 잘 들을 수 있도록 그들을 향해 직접 말할 수도 있습니다. 안테나의 다양성은 가장 강한 신호를 마지막으로 수신한 안테나가 신호를 다시 전송하는데 사용된다는 점에서 비슷합니다.
다중 경로 전파(Multipath Propagation) 시나리오
RF 전송의 문제는 신호가 손상되거나 자체 간섭을 일으켜 전송상의 손실이 발생되는 다중 경로 전파입니다.
신호가 주변의 물리적 반사 물체에서 튕겨 나올 때 다중 경로 전파를 일으킵니다.
또한 수신 안테나가 다른 안테나와 약간 위상을 벗어나 여러 신호를 수신하게 되면 다중 경로 전파를 일으킬 수도 있습니다. 신호가 너무 많은 수신 라디오에서 다중 경로 왜곡이 발생하기 때문에 신호를 수신하지 못할 수도 있습니다.
이로 인해 결국, 재전송과 낮은 WLAN 데이터 처리량(Throughput)이 발생합니다.
MIMO (Multiple Input Multiple Output)
하지만, SISO 안테나 시스템의 다중 경로 손상 이슈를 MIMO 기술을 사용하여 이점으로 전환할 수 있습니다.
802.11n와 802.11ac는 MIMO 안테나 기술을 사용하여 서로 다른 안테나에서 전송되는 두 개 이상의 데이터 스트림을 생성합니다. 이러한 데이터 스트림을 공간 스트림(Spatial Stream)이라고 하며, 단일 공간 스트림 기술에 비해 훨씬 빠른 처리량을 제공합니다.
다중 사용자 MIMO (MU-MIMO)를 통해 AP는 다양한 공간 스트림을 따라 서로 다른 사용자의 데이터를 전송할 수 있으며, 최대 8개의 경로를 통해 동시에 공중에서 튕길 수 있습니다.
이제 여러 개의 와이파이 클라이언트가 더 큰 스트림과 안테나 풀을 공유할 수 있게 됩니다.
MU-MIMO는 802.11ac 표준 Phase 2에서 함께 사용할 수 있습니다.
Tx와 Rx 안테나의 개수로 MIMO가 지정되며, N x M 매트릭스로 표현할 수 있습니다.
- N: Tx 안테나의 개수
- M: Rx 안테나의 개수
- 802.11n에서 최대는 4×4
- 802.11ac에서 최대는 8×8
이번 포스팅에서는 RF에 대한 기본 지식을 알아보았습니다.
RF 신호는 무선랜(WLAN)을 알기 위해 가장 기본적인 부분이기 때문에 RF 신호와 노이즈, 간섭, 안테나까지 잘 알아두어야 합니다.
다음 포스팅에서는 RF 전송 세기와 로밍에 대해 알아보겠습니다.
