[네트워킹과 웹 성능 최적화 기법] 5장 무선 네트워크 소개

Ubiquitous Connectivity

 

사용자가 시간, 장소, 네트워크 종류에 구애받지 않고 언제 어디서든 자유롭게 네트워크에 접속하여 필요한
정보와 서비스를 이용할 수 있는 환경을 의미

 

무선 네트워크는 이러한 Ubiquitous Connectivity의 확장의 중심에 있다. 가장 광범위하게 무선 네트워크는 케이블로 연결되지 않은 모든 네트워크를 의미하며, 이는 사용자에게 원하는 편의성과 이동성을 제공한다.

 

다양한 사용 케이스와 Application으로 볼 때, 그만큼 많으 수요와 그만큼 많은 수요와 필요성에 부합하는 다양한 특징을가진 무선 기술들이 필요하게 된다.

현재 이미 광범위하게 사용되고 있는 무선 기술만 해도 열가지가 넘는다

WiFi, Bluetooth, ZigBee, NFC, WiMAX, LTE, HSPA, EV-DO, earlier 3G standards, satellite services

<참고>  기술 특징 비교

기술	기술특징
Bluetooth (블루투스)	케이블의 불편함 해소: 휴대폰, 헤드셋, 컴퓨터 등 다양한 기기 간의  무선으로 편리하게 통신하고자 하는 필요성에서 개발 개인 영역 네트워크 (PAN) 구축: 개인 주변의 기기들을 무선으로 연결하여 정보 공유 및 제어를 용이하게 하고자함
ZigBee (지그비)	저전력, 저비용 무선 통신: 스마트 홈, 산업 자동화 등 배터리 수명이 길고 저렴한 비용으로 다수의 기기를 연결할 수 있는 무선 통신 기술에 대한 필요성 메시 네트워크 구성: 넓은 영역에 걸쳐 다수의 센서나 장치를 연결하고 안정적인 통신을 유지하기 위해 메시 네트워크 구성이 가능한 기술이 요구
NFC (Near-Field Communication, 근거리 무선 통신)	비접촉식 데이터 교환: 짧은 거리에서 빠르고 안전하게 데이터를 교환하고 결제를 수행할 수 있는 편리한 기술에 대한 요구 간편한 기기 연결 및 정보 접근: 복잡한 설정 없이 터치만으로 기기를 연결하거나 태그를 통해 정보를 얻을 수 있는 직관적인 인터페이스에 대한 필요성
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)	광대역 무선 인터넷 제공: 유선 인터넷망 구축이 어렵거나 비용이 많이 드는 지역에 광대역 무선 인터넷 서비스를 제공 초기 이동통신 데이터 속도 한계 극복: 3G 이전의 이동통신 기술로는 고속 데이터 서비스를 제공하기 어려웠기 때문에 이를 보완할 기술이 필요
LTE (Long Term Evolution)	3G 기술의 데이터 속도 및 용량 한계 극복: 스마트폰 사용 증가와 함께 고화질 멀티미디어 콘텐츠 이용이 늘면서 기존 3G 네트워크의 속도와 용량으로는 사용자 요구를 충족하기 어려움 모바일 광대역 경험 제공: 언제 어디서든 빠르고 안정적인 무선 인터넷 접속을 통해 다양한 서비스를 이용하고자 하는 요구가 증가
HSPA (High Speed Packet Access)	3G 네트워크의 데이터 전송 속도 향상: 3G 사용자들의 데이터 사용량이 늘면서 기존 3G 속도보다 빠른 데이터 통신 기술에 대한 요구 모바일 인터넷 서비스 품질 향상: 웹 서핑, 스트리밍 등 모바일 인터넷 서비스의 품질을 개선
EV-DO (Evolution-Data Optimized)	CDMA 네트워크에서 고속 데이터 서비스 제공: CDMA 방식의 이동통신망에서도 고속 데이터 서비스를 제공 음성 통화와 데이터 통신 동시 지원: 기존 CDMA 네트워크의 한계를 극복하고 음성 통화 중에도 데이터 통신을 가능
Earlier 3G Standards (WCDMA, CDMA2000 등)	2세대 이동통신(2G)의 낮은 데이터 전송 속도 한계 극복 글로벌 로밍 및 다양한 멀티미디어 서비스 제공 기반 마련
Satellite Services (위성 통신)	넓은 지역 커버리지 확보: 지상 통신망 구축이 어렵거나 불가능한 외딴 지역, 해상, 상공 등에서도 통신 서비스를 제공 재난 상황 시 비상 통신망: 자연재해 등으로 지상 통신망이 마비되었을 때 대체 통신 수단을 확보 방송 및 데이터 전송: 넓은 지역에 동시에 방송 신호를 송출하거나 데이터를 전송

모든 Application은 어떠한 연결 방식을 쓰던 똑같이 동작해야 한다. 

사용자로서는 사용 중인 기본 기술에 신경 쓰지 않아도 되지만, 개발자로서는 수 많은 종류에 네트워크 차이점이 뭔지 알고, 그에 맞추어 우리의  Application을 설계해야 하기 때문에 다양한 유형의 네트워크 간의 차이점을 알고 한 발 앞서 내다 볼 수 있어야 한다. 

 

Types of Wireless Networks

네트워크란 서로 연결되어 있는 기기들의 그룹을 의미한다. 

무선 네트워크에 경우에는 연결 매체로서 보통 전파 통신(Radio Cmmunication)이 사용된다.

전파를 사용하는 그룹 중에서도 사용되는 범위나 , topologies, 사용 케이스에 따라 각각 다른 기술이 사용된다.

 

* Topologies : 네트워크를 구성하는 장치들(예: 컴퓨터, 스마트폰, 라우터, 서버 등)이 물리적으로 또는 논리적으로 어떻게 연결되어 배치되었는지를 나타내는 구조 또는 형태를 의미

 

기술에 차이를 지역적 범위에 따라 나누어 볼 수 있다.

High Performance Browser Networking

 

Performance Fundamentals of Wireless Networks

어떤한 무선 기술을 사용하던 관계 없이 모든 통신 방식은 같은 원리에 기반하여 최대의 채널 용량이 정해진다.

실제로 Claude E. Shannon 이란 수학자는 무선 기술에 상관 없이 채널 용량을 산정할 수 있는 정확한 공식을 찾아 냈다.

섀넌-하틀리 정리는 잡음이 있는 환경에서 통신 채널이 가질 수 있는 정보 전송 능력의 궁극적인 한계를 대역폭과 신호 대 잡음비라는 두 가지 핵심 요소로 명확하게 제시하는 매우 중요한 이론이다.

 

이 공식이 의미하는 바는 다음과 같다.

• 대역폭 증가 → 채널 용량 증가: 더 넓은 주파수 대역을 확보하면 이론적으로 더 많은 데이터를 전송할 수 있다.
• 신호 대 잡음비 증가 → 채널 용량 증가: 잡음이 적고 신호가 강할수록 정보를 더 효율적으로, 오류 없이 전송할 수 있다.
• 로그 함수의 의미: 채널 용량 증가는 신호 대 잡음비 증가에 비례하지 않고 로그 함수적으로 증가한다. 즉, 낮은 S/N 환경에서는 S/N을 조금만 높여도 채널 용량이 크게 증가하지만, 이미 S/N이 높은 환경에서는 S/N을 아무리 많이 높여도 채널 용량 증가폭은 점차 줄어든다.

대역폭(Bandwidth)

전파 통신은 본질적으로 전파 혹은 전자파라는 매체를 공유하게 되어있다 그므르로 송신자와 수신자는 통신 주파수와 범위를 미리 합의해야 한다.

• 주파수 범위 지정 및 배분: 각 국가의 정부 기관(미국의 연방통신 위원회 FCC)이 주파수 범위를 정하고 배분합니다. 따라서 동일한 무선 기술이라도 국가별로 다른 주파수 대역을 사용할 수 있습니다.
  • <참고> 한국의 주파수 범위 지정 및 배분의 최상위 책임 기관은 과학기술정보통신부이며, 실질적인 관리 및 집행은 중앙전파관리소를 중심으로 이루어진다고 볼 수 있다.
  • <참고> https://www.spectrum.or.kr/bbs/board.php?bo_table=frequency&sca=&sop=and&sfl=wr_subject%7C%7Cwr_content%7C%7Cwr_1&dis=&src_yn=Y&fre1=&fre2=&fre_unit=&stx=
• 주파수 대역폭(Frequency Bandwidth) 와 데이터 전송 용량(Data Transfer Capacity) 의미로 사용된다.
  • 주파수 대역폭(Frequency Bandwidth)
    
    • 정의: 특정 통신 채널이나 시스템이 사용할 수 있는 주파수의 범위를 의미
    • 단위: 헤르츠(Hz)
    • 중요성: 넓은 주파수 대역폭은 더 많은 정보를 실어 나를 수 있는 잠재력을 제공
    • 낮은 주파수의 특징:
      • 장점: 넓은 범위로 멀리 도달, 회절성이 좋아 장애물을 잘 통과함.
      • 단점: 큰 안테나 필요, 많은 사용자로 인한 경쟁 심화 가능성.
    • 높은 주파수의 특징:
      • 장점: 한 번에 많은 데이터 전송 가능.
      • 단점: 짧은 도달 거리, 작은 커버리지 영역, 더 많은 인프라 필요.
  • 데이터 전송 용량(Data Transfer Capacity)
    • 정의: 일정 시간 동안 네트워크 연결을 통해 전송할 수 있는 데이터의 최대 양을 의미
    • 단위: 초당 비트 수 (bits per second, bps)로 표시하며, Kbps, Mbps, Gbps, Tbps 등의 단위를 사용
    • 중요성: 넓은 데이터 전송 용량은 더 빠른 인터넷 속도, 원활한 스트리밍, 빠른 파일 다운로드 등을 가능하게 한다.
• 사용처마다 각자에 유용한 주파수 범위가 있다.
  
  • • 넓은 지역 커버리지 및 안정적인 통신:
      
      • 사용처: 라디오 방송 (AM/FM), 재난/긴급 통신, 해상/항공 통신, 일부 저전력 광역(LPWA) IoT 기기
      • 유용한 주파수 범위: 낮은 주파수 대역 (수십 kHz ~ 수백 MHz)
      • 이유: 낮은 주파수는 파장이 길어 멀리까지 도달하고, 회절성이 좋아 장애물을 잘 통과. 넓은 지역에 안정적인 신호 전달이 필요한 경우에 유리
    •  고속 데이터 전송:
      
      • 사용처: 이동통신 (4G LTE, 5G), Wi-Fi, 고화질 영상 스트리밍, 대용량 파일 전송
      • 유용한 주파수 범위: 높은 주파수 대역 (수 GHz ~ 수십 GHz)
      • 이유: 높은 주파수는 넓은 대역폭 확보가 용이하여 한 번에 많은 양의 데이터를 빠르게 전송할 수 있습니다. 빠른 속도가 중요한 서비스에 적합
    • 짧은 거리 고용량 통신:
      
      • 사용처: 근거리 무선 통신 (Wi-Fi 6E/7의 6GHz 대역, 밀리미터파 5G), 초고속 데이터 전송이 필요한 특수 환경
      • 유용한 주파수 범위: 매우 높은 주파수 대역 (수십 GHz 이상)
      • 이유: 매우 넓은 대역폭을 활용하여 극도로 빠른 데이터 전송 속도를 제공할 수 있다. 다만, 도달 거리가 매우 짧고 장애물에 매우 취약하므로, 짧은 거리 내에서 고밀도 통신이 필요한 환경에 적합.

이러한 특성 때문에 각 국가의 통신 환경, 정책, 기술 발전 수준 등을 고려하여 주파수 대역을 효율적으로 관리하고 배분하는 것이 중요하다. 또한, 특정 기술이나 서비스에 적합한 주파수 대역을 선택하는 것 역시 통신 성능과 효율성을 높이는 데 중요한 요소이다.

 

신호 강도 (Signal Power)

모든 전파 통신은 이동 매체를 공유하기 때문에 다른 기기들의 방해 전파를 생성 할 수 밖에 없다. 

방해 신호가 존재하는 현실에서 원하는 데이터 전송 속도를 얻기 위해서는 신호의 강도를 높히거나, 송수신 기기 간의 거리를 좁히거나 하는 등의 방법으로 전송 전력을 높일 수있다.

 

아래 제약은 사용하는 기술이나 프로토콜에 관계없이 모든 전파 통신에서 공통적으로 나타난다.

• Near-far probleam (근거리/원거리 문제)
  • 강한 신호가 약한 신호를 밀어내 수신자가 상대적으로 약한 신호를 받지 못하는 현상
  • 예시 1)
    • 상황 :한 이동통신 기지국이 여러 명의 휴대폰과 통신하고 있습니다. A라는 휴대폰은 기지국 바로 옆에 있고, B라는 휴대폰은 기지국에서 멀리 떨어진 곳에 있다
    • 문제: A 휴대폰이 데이터를 전송할 때, 기지국에 매우 강한 신호를 보낸다.  동시에 B 휴대폰도 데이터를 전송하려고 하지만, A 휴대폰의 강한 신호가 B 휴대폰의 약한 신호를 간섭하여 기지국이 B 휴대폰의 신호를 제대로 수신하지 못할 수 있다.
  • 예시 2)
    • 상황: 사무실에 하나의 Wi-Fi 공유기(액세스 포인트)가 설치되어 있고, 여러 대의 노트북이 연결되어 있다. C 노트북은 공유기 바로 옆에서 파일을 다운로드하고 있고, D 노트북은 사무실 구석 먼 곳에서 웹 서핑을 하고 있다.
    • 문제: C 노트북이 공유기에 강력한 신호를 보내 데이터를 수신하는 동안, D 노트북도 공유기에 데이터를 보내려고 시도한다. C 노트북의 강한 신호가 D 노트북의 약한 신호를 간섭하여 공유기가 D 노트북의 요청을 제대로 처리하지 못하거나 응답 속도가 느려질 수 있다.
  • 수신기를 기준으로 신호의 송신 거리가 크게 차이나는 상황에서 발생하며, 강한 신호가 약한 신호의 수신을 방해하는 것이 핵심적인 문제이다. 이를 해결하기 위해서는 각 송신기의 전송 전력을 적절하게 조절하여 수신기에서 비슷한 수준의 신호 강도를 유지하는 전력 제어(Power Control) 기술이 필수적이다.
• Cell-breathing (셀 호흡)
  • 누적된 잡음이나 방해 신호의 강도에 따라 통신 기능 구역, 혹은 신호 범위가 늘거나 주는 현상
  • 예시 1)
    • 상황: 평소에는 비교적 적은 수의 사용자가 접속해 있는 도심 지역의 한 기지국이 있다. 하지만 점심시간이 되자 주변 사무실에서 많은 사람들이 나와 스마트폰을 사용하기 시작한다.
    • 문제: 갑자기 많은 사용자가 몰려들어 트래픽 부하가 증가하면, 기지국은 각 사용자에게 할당할 수 있는 무선 자원(주파수, 시간 슬롯, 전력 등)이 제한된다. 또한, 간섭 수준이 높아질 수 있습니다. 이러한 상황에서 기지국은 서비스 품질을 유지하기 위해 셀의 커버리지 영역을 일시적으로 축소시킬 수 있다. 이는 기지국이 송신 전력을 줄이거나, 더 많은 자원을 현재 접속한 사용자들에게 집중하는 방식으로 이루어질 수 있다. 그러므로 점심시간 동안 해당 셀의 가장자리 지역에서는 신호가 약해지거나 끊기는 현상이 발생할 수 있다.
  • 예시 2)
    • 상황: 대규모 콘서트가 끝난 후, 수많은 관람객들이 동시에 스마트폰을 사용하여 집으로 돌아가기 위한 교통 정보를 검색하거나 SNS에 후기를 올린다. 경기장 주변의 기지국은 순간적으로 폭발적인 트래픽 증가를 경험한다.
    • 문제: 기지국은 급증한 트래픽을 처리하기 위해 셀 커버리지를 줄여 현재 접속한 사용자들에게 집중적인 서비스를 제공하려고 한다. 이는 각 사용자에게 더 많은 자원을 할당하고, 간섭을 관리하기 위한 전략다. 경기장 바로 앞에서는 비교적 원활한 통신이 가능할 수 있지만, 경기장에서 조금만 벗어난 지역에서는 네트워크 접속이 어렵거나 데이터 전송 속도가 매우 느려질 수 있다.

결론적으로, 전파 통신은 공유 매체의 특성상 신호 간의 간섭이라는 근본적인 제약을 가지며, Near-Far Problem과 Cell Breathing은 이러한 제약이 실제 시스템 운영 환경에서 어떻게 나타나는지를 보여주는 대표적인 사례이다. 효과적인 전송 전력 제어, 간섭 관리, 자원 할당 기술 등을 통해 이러한 제약들을 극복하고 원하는 통신 성능을 확보하는 것이 무선 통신 시스템 설계 및 운영의 중요한 목표이다.

변조 (Modulation)

주어진 대역폭과 신호 대 잡은비(NNR) 은 모든 무선 채널의 용량을 산정하는 근복적인 요소인다. 하지만 신호가 어떤 알고리즘으로 인코딩 되었느냐 또한 중요한 영향을 끼친다.

 

변조(Modulation)는 정보를 담고 있는 신호(기저대역 신호 또는 변조 신호)를 전송에 적합한 형태의 신호(반송파 또는 캐리어 신호)에 실어 보내기 위해 그 특성을 변화시키는 과정이다. 쉽게 말해, 우리가 전달하고자 하는 메시지(음성, 데이터 등)를 라디오 전파와 같은 특정 주파수 대역의 신호에 "포장"해서 보내는 기술이라고 할 수 있다.

 

변조가 필요한 이유

• 효율적인 전파: 기저대역 신호(예: 음성 신호의 낮은 주파수)는 장거리로 효율적으로 전파되지 못한다. 높은 주파수의 반송파를 사용하면 안테나의 크기를 줄이고, 에너지를 멀리까지 효과적으로 전달할 수 있다.
• 주파수 다중화: 여러 개의 기저대역 신호를 서로 다른 주파수의 반송파에 실어 동시에 전송할 수 있다. 이를 통해 제한된 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있다. (예: 여러 라디오 방송국이 서로 다른 주파수를 사용하는 것)
• 간섭 감소: 변조를 통해 특정 주파수 대역으로 신호를 이동시켜 다른 신호와의 간섭을 줄일 수 있다.
• 수신 용이성: 수신기에서는 특정 주파수의 반송파 신호만 선택적으로 수신하여 원하는 정보 신호를 추출할 수 있다.

다양한 변조 방식이 존재하며 알고리즘 선택은 여러 요인에 의해 결정된다.

• 송신자와 수신자의 탑재된 기술 및 컴퓨팅 파워
• 신호 대 잡음비 (SNR): 고차 변조 방식은 잡음과 간섭에 더 취약하다. SNR이 낮은 환경에서는 낮은 차수의 변조 방식을 사용하여 안정성을 확보하는 것이 유리하다. SNR이 높으면 고차 변조를 통해 더 높은 데이터 전송 속도를 얻을 수 있다.
• 요구되는 데이터 전송 속도: 더 높은 데이터 전송 속도가 필요하다면, 일반적으로 더 높은 차수의 변조 방식을 고려해야 한다.
• 대역폭 효율성: 특정 대역폭 내에서 더 많은 데이터를 전송하기 위해서는 대역폭 효율성이 높은 변조 방식을 선택해야 한다.

 

결론적으로 변조는 무선 통신의 핵심 기술이며, 송수신 환경과 요구 사항에 맞춰 적절한 변조 방식을 선택하는 것이 효율적이고 안정적인 통신 시스템 구축에 매우 중요하다.

실제 무선 통신 성능 측정하기

전파 통신은 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

• 통신매체를 공유한다 (전파)
• 법으로 특정 주파수 범위를 사용하도록 정해져 있다
• 법으로 특정한 전송 전력을 사용하도록 정해져 있다.
• 잡음과 방해 신호에 영향을 받는다.
• 특정한 무선 기술을 사용한다면 그 기술의 제약 조건에 의존적이게 된다.
• 통신에 쓰이는 기기의 전력이나 폼 팩터(기기의 외형적인 규격과 형태) 의 제약을 받는다.

모든 통신 기술은 수용할 수 있는 최대 데이터 전송 속도가 존재하지만, 이러한 속도는 이상적인 환경에서만 측정 가능하며 이러한 스펙상의 수치와 우리가 실생활에서 경험 할 수 있는 수치는 매우 다를 수 밖에 없다.

*이상적인 환경 : 대역폭을 최대로 할당 받고, 주바수 범위를 독점하며 배경 잡음도 거의 존재하지 않고 처리량이 가장 높은 변조 알파벳을 사용해서 복수의 전파 스트림(multiple-input and multiiple-output, MIMO)을 병렬로 전송하는 것

 

무선 네트워크 성능에 영향을 주는 요소들은 아래와 같다.

• 송신자와 수신자와의 거리
• 현재 위치의 배경 잡음의 강도
• 같은 네트워크 간 사용자들에게서 오는 방해신호
• 주변의 다른 네트워크 간 사용자들에게서 오는 방해신호
• 송신자와 수신자에게 주어진 전송 전력
• 사용하는 변조 스키마의 처리 능력

무선 통신의 성능을 측정하는 것은 까다로운 일이며 무선 통신의 성능은 본질적으로 변화무쌍하다.