802.11ac

IEEE 802.11ac (이하 802.11ac, 또는 Wi-Fi 5)는 차세대 규격인 Wi-Fi 6 (802.11ax) 다음으로 IEEE 802.11 규격 중 가장 높은 속도를 제공하며, 802.11a와 더불어 5GHz 전용 규격이다. 802.11ac보다 훨씬 빠른 802.11ad(Wigig)도 있지만(1Tx-1Rx기준 7Gbps), 60GHz라는 초고역대를 사용해서 커버리지가 매우 좁다. 또한 처음부터 IEEE에서 만든 게 아니라 Wigig로 따로 개발되던 규격이고, 블루투스 등을 대체하는 초근거리 통신 기술로 개발된 거라 사용 목적도 많이 다르다.

802.11 규격은 단순히 무선 구간 규격뿐만 아니라 인증, 특수한 환경에서의 무선 인터페이스 등 다양한 규격을 포함하고 있고, 중간에 제안되었다가 안 쓰이는 규격들도 있어서 a, b, g, n도 보면 연속된 알파벳을 사용하지 않는다. 11ac가 나올 시점에는 z까지 한 바퀴를 돌았기 때문에 앞에 a를 붙여서 새로운 회전이 시작되었고, ab라고 쓰면 802.11a/802.11b 동시 지원 장비와 혼동될 수 있기 때문에 이 알파벳은 건너뛰었다.

2018년 10월, Wi-Fi 얼라이언스에서는 802.11ac에 Wi-Fi 5라는 네이밍을 병용하기로 하였다.

상용 무선랜으로 사용하는 주파수에는 2가지 대역이 존재한다. ISM 대역에 속하는 무선랜 용으로 할당해둔 2.4GHz 대역과 범용 대역은 아닌데 5725MHz ~ 5875MHz 구간이 ISM 대역에 포함되는 5.8GHz 대역이다. 실제로는 두 대역은 폭이 조금 다른데, 2.4GHz는 2412MHz ~ 2484MHz[1]이며 실제 반송파 대역폭 하한까지 계산해 보면 대충 100MHz의 전체 채널 대역폭이 나오는데, 5.8GHz 대역은 무려 4915MHz에서 시작하여 5825MHz까지 900MHz 정도 채널 대역폭이 나온다. 5.8GHz를 최초로 사용한 802.11 기술은 1999년에 나온 802.11a이며, 같은 시기에 발표된 802.11b가 최대 속도 11Mbps밖에 지원하지 못했지만 802.11a는 넓은 대역폭을 사용해서 최대 속도 54Mbps를 지원했다.

하지만 고주파를 다루기 어렵다는 사실은 예나 지금이나 변하지 않았기 때문에, 2.4GHz 기반에서 속도를 개선시킨 것이 2003년에 발표된 802.11g였고, 이 때 와서야 802.11a의 최고 속도를 따라 잡았다. 2000년대 초중반에 사용된 무선랜 장비는 대부분 2.4GHz 전용이었고, 802.11a는 발표 자체는 빠르게 되었지만 고주파를 다루기 힘들었던 이유 탓인지 많이 사용되지 않았다. 2.4GHz 대역의 좁은 채널 대역폭으로는 버틸 수가 없었기 때문에 2009년 9월 최종안이 발표된 802.11n에서는 2.4GHz와 더불어 5GHz 대역도 같이 지원하였다. 이때 최초로 도입된 MIMO[2] 기술이 발전하고, QAM 변조도 같이 도입되어서 802.11ac 규격으로 발전하였다.

이 무선랜이 802.11n Draft 2.0이 등장했을 때보다 더 열풍적인 반응을 이끌어내는 데엔 그만큼 대단한 기술적 발전과 성능의 향상이 존재하였기 때문일 것이다. 아래의 상세 항목에서 기술적인 스펙을 더 자세하게 살펴보자.

무선 장비의 디지털 전송 성능은 간단하게 전송 주파수 x 전송 대역폭으로 표현할 수 있다. 동일 주파수에서 대역폭이 넓어도, 동일 대역폭에서 고주파수로 가도 전송 속도는 증가한다. 즉, 대역폭을 증가시키는 것으로 속도는 드라마틱하게 증가할 수 있게 된다.

기존 802.11a, b, g 규격에서는 20MHz(실제로 고려해보면 16.6MHz 정도?)의 대역폭을 사용할 수 있었고, 802.11n부터는 40MHz 채널이 도입되기 시작했다. 802.11ac 규격부터는 최대 160MHz의 극도로 넓은 대역폭을 활용할 수 있게 되었다. 이러한 넓은 대역폭을 통해 더 높은 복잡도의 변조 기술의 이용이 가능해졌다.

현재 Wi-Fi Alliance 및 IEEE 802.11에서 규정하는 무선 장치의 변조 방식은 다음과 같다. 여기서 잠시 디지털 무선에서 변조가 이루어지는 과정을 간단하게 보자면, 디지털 무선 장치는 주파수 안정도가 유지된다는 전제 하에서 들어오는 위상차에 따라 데이터를 판별하는 방식을 가진다. 물론 다른 아날로그 기반의 변조 방식도 많지만 실제로 가장 많이 쓰이는 방법이 위상 변조 방법이다. 위상 변조는 들어오는 전파의 위상과 내부에 동조된 주파수 소스와의 위상차를 통해 차이를 판단하고 데이터를 복호화하는데, 이에 따라 그 위상차에 따라 XY 평면도가 그려지게 된다. 이 위키에서도 해당 변조 파형과 평면도를 첨부해 두었다.

이때 QAM의 정밀도(진폭 제어의 수준과 위상차 제어의 수준)에 따라서 테이블의 양자점이 달라지는데, 이에 따라 QAM 수준이 달라지게 된다. 그리고 이 QAM 에서 한 번에 양자화 할 수 있는 비트의 수에 따라 전송 대역폭이 달라지게 된다.

802.11ac 규격은 기본적인 16 QAM의 2배인 256QAM을 지원하여 아주 높은 속도를 끌어올릴 수 있게 되었다. 2배 이상의 속도를 끌어올릴 수 있는 마법이 바로 이것이다.

QAM일 때 2비트, 16QAM일 때 4비트, 64QAM일 때 6비트, 256QAM일 때 8비트 데이터를 지원한다. 16에서 256간다고 10배가 아니다.

비인증 규격이지만 2.4GHz에서도 256QAM을 지원하는 칩셋이 있다. 이를 사용하면 256QAM 지원 장비 간에는 좀 더 높은 대역폭의 통신이 가능해진다.

일부 비표준 규격으로 만들어진 기기, 특히 브로드컴의 칩셋을 사용하는 경우 일부 브로드컴 칩셋에 내장된 기능을 통해 높은 신호 강도에서 더 나은 무선 대역폭을 뽑아낼 수 있다. 그 규격이 Nitro QAM으로, 전에 브로드컴이 자사 802.11n에다가 ac를 짬뽕시켜 만든 Turbo-QAM의 업그레이드 버전이다. 이 방법을 사용하여 원래 1스트림당 150Mbps가 나오는 (64QAM) 802.11n 2.4GHz 대역을 250Mbps까지 끌어올리며, 1스트림당 본래 433Mbps가 나오는 (256QAM) 802.11ac 5.8GHz 대역을 25%가 향상된 541Mbps까지 끌어올린다.

캐리어 어그리게이션이라는 단어를 들어보았을 것이다. 본래 캐리어 어그리게이션의 말을 풀어보면 반송파 조합이다. 무선에서는 반송파라는 것이 하나의 대역을 형성하게 되는데, 여러 개의 반송파를 묶어서 1개의 채널을 사용하는 것이 바로 캐리어 어그리게이션이다. 다중 안테나를 사용하는 무선 장비는 여러 개의 믹서를 통해 믹서 수만큼의 무선 채널을 사용할 수 있는데, 이 무선 채널의 수량만큼 사용할 수 있는 반송파 대역이 늘어나고 믹서와 연결된 칩셋은 각각의 무선 채널을 한꺼번에 합쳐(Bonding)서 1개의 채널로 사용하게 된다. 이를 통해 해당 채널 수만큼 거의 비례하여 속도가 증가한다.

기존 802.11a, b, g에서는 1x1, 802.11n에서는 최대 4x4였던 다중 입출력을 최대 8x8까지 지원하면서[4] 최상단 개관에서 설명한 미친듯이 넓은 5GHz 대역을 제대로 활용할 수 있도록 하였다.

이러한 기술들을 사용하여 802.11ac 규격은 다음 스펙을 가진다.

2020년 현재 가장 성능이 빠른 일반 소비자용 유무선 공유기는 160MHz 채널에 4안테나를 사용한 3.39Gbps 지원 제품이다. 그러면 이제 통신 속도가 아니라 통신 안정성과 고주파수 대역의 약점인 범위 제한을 어떻게 해결했는지 살펴보자.

빔포밍 기술은 이론적으로 능동 위상배열 레이더(AESA)와 동일한 방식으로 작동한다. 단지 AESA가 수백 개의 안테나를 사용하는 반면, 802.11ac의 빔포밍은 MIMO 구현에 사용된 안테나 수만큼을 사용하여 빔포밍을 구현하게 된다. 군사기술이 민간에 적용되는 또 하나의 훌륭한 예시이기도 하다.

802.11ac에서 무선 믹서는 서로간에 출력단이 STAR 형식으로 2차 믹서가 연결되어 있다. BPSK나 QAM 등 실질적으로 IF 대역으로부터 RF 대역으로 데이터를 변조하는 믹서의 출력은 각 안테나별 믹서 입력으로 연결되는 것이다. 이를 통해 6x6 MIMO 구성의 경우 각 믹서는 6개의 출력 믹서에 연결된다. 출력 믹서는 각 6개의 변조 믹서로부터 온 RF 파형을 기반으로 각 RF 캐리어에 맞게 무선 출력을 합치고 지연 동작을 수행한다.

이에 따라 무선랜에서는 빔이 특정 지향성을 가지고 나오게 되며, 특정 방향으로 집중시킨 전파덕에 장거리에서 전파를 송신할 수 있다. 또한 선택적 전파 수집을 통하여 원거리에서 온 미약한 전파도 더 높은 SNR비로 받아 믹서로 넘겨줄 수 있게 되었다.

다만 이 빔포밍 기능은 MIMO가 많이 대중화됨에 따라 등장한 신기술이기 때문에 구세대 장비들이 대부분 제대로 지원하지 않는 단점이 있다. 신규 장비의 경우 클라이언트에서도 안테나간의 측량을 통해 AP의 위치를 파악하는 기능과 이를 통한 빔포밍 기능이 존재하나, 통상적으로 쓰는 802.11n 및 그 이하 통신규약의 장비들은 이를 지원하지 않으므로 호환성 문제가 발생할 가능성이 존재한다.

802.11ac 규격에서는 이에 따라 선정적(공격적) 빔포밍과 은연중 빔포밍 2가지 세팅을 지원하며, 후자의 경우 일반적인 장비에서도 약간의 성능 향상을 볼 수 있다.

빔포밍은 특성상 안테나수와 동시 입출력 스트림수가 많을수록 더 효율적으로 작동하며 높은 성능을 보장한다.

기존 802.11b, g, n과는 달리 802.11ac는 2.4GHz 대역을 아예 사용하지 않는다. 고주파수 대역을 사용함으로서 발생하는 이슈가 약간 있다.

복잡한 변조 방법과 다양한 기능들로 인해서 PA의 신뢰성이 정말 적극적으로 요구되는 데다가 고주파수 대역이기까지 해서 PA를 구현하는데 상당히 까다롭다. 이는 용량과 직결되는 문제이며 고출력 PA를 제작하지 못하게 되는 요인으로 작용하게 된다.

실제 2014년도 1/4분기에 출시한 802.11ac 플래그쉽 공유기 6종에 탑재되는 스카이웍스 사의 5.8GHz 대역 RF 증폭기의 최대 출력은 80mW이며 동일 장비들에 탑재되는 2.4GHz 대역에 탑재된 최대 800mW 출력의 앰프에 비해 안습하게 낮은 출력을 가진다.

또한 대형 장비로 가도 802.11a 장비를 지원하는 양방향 무선 증폭모듈은 널려 있지만 802.11ac를 지원하는 양방향 무선 증폭모듈은 씨가 말라 보이지 않는다.

참고로 땅덩어리 넓은 미국의 경우 일부 제조사에서 2-Stage 이상의 다단 증폭을 사용해 5GHz 대역 출력을 올리는 방법을 사용하는데 2개의 안테나에 출력을 나누기 위하려 무려 6개의 RF 앰프 칩을 사용한 증폭을 한다. 돈을 퍼부어서 출력을 올리는 것. 당연히 전력 소모는 극심하다. 하지만 그 결과는 8000ft 이상의 거리에서도 통신이 가능한 마법이다.

QAM의 특성상 잡음에 상당히 취약한데, 상호 무선 출력이 확보되지 않은 상태에서 장거리 통신은 100% 복호화 실패를 야기하며 결국 아래 단계의 변조 기술인 16 QAM/QPSK/BPSK나 802.11n/a의 구형 규격으로 통신하게 된다. 출력이 낮은 것과 맞물려 이는 실제 속도를 볼 수 있는 거리가 매우 짧다는 문제가 있다.

듀얼밴드 지원 인터넷 공유기에 5GHz로 연결해 보면, 연결한 곳으로부터 거리를 수십cm 떨어트려도 최대 표기 속도가 적지 않게 떨어지는 것도 이 때문이다.

해당 문제점은 Wi-Fi 6에서 해결될 것으로 보인다.