Wifi

• physical layer : Modulation, coding techniques
• Data link layer : Medium access control

Wireless Channel 무선 채널

• 신호가 송신(transmit) 안테나(TX antenna)로부터 무선 채널로 전송됨
• 신호가 공기를 통해 전파되어 수신(receive) (RX) 안테나에서 수신됨

Signal Attenuation 신호 감쇠
신호가 공기를 통해 전파됨에 따라 그 전력이 감쇠됩니다.

→ 거리가 멀어질수록 signal power이 감소

Pathloss 패스로스 : 거리에 기반한 신호 감쇠

• 수신기(receiver, Pr)는 기본적으로 송신 전력(transmit power, Pt)과 송신기(transmitter)와 수신기(receiver) 사이의 거리(R)의 함수입니다.
• 패스로스 지수(pathloss exponent) : 환경에 따라 다릅니다.
• Friis propagation model(프리스 전파 모델) : 자유 공간(free space)에서 사용됩니다.
• Gt = 송신 안테나 이득(transmit antenna gain), Gr = 수신 안테나 이득(receive antenna gain), λ = 파장(wavelength)
  

Receiver Sensitivity 수신기 감도

• 수신 안테나는 수신기 감도보다 신호 전력이 강할 때에만 신호를 수신할 수 있습니다.

→ 신호 수신 : 신호 전력 > 수신기 감도

→ recieve the signal : signal power > receiver sensitivity

• 수신기 감도는 하드웨어에 따라 달라집니다.

SNR (신호 대 잡음 비율)

• 수신기 감도보다 신호가 강하게 수신되더라도(signal power > RX sensitivity), 수신기가 신호를 해독할 수 있는지는 SNR (신호 대 잡음 비율)에 따라 달라집니다. SNR = Psignal / Pnoise
  
• 때로는 SINR (신호 대 간섭 및 잡음 비율, Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)이라는 용어도 사용됩니다. SINR(x) = P/I+N
  

SNR and Signal Decoding SNR 및 신호 해독

• 신호 해독을 위해 필요한 최소 SNR(minimum SNR) 은 변조(modulation) 및 부호화(coding)에 따라 다릅니다.
• 높은 변조(higher modulation) 및 부호화 수준(coding level)은 더 높은 SNR을 요구합니다.

💡 signal power > receiver sensitivity 이면 신호를 수신할 수 있다. 하지만, 이는 SNR에 따라 달라진다. 신호 해독을 위해 필요한 최소 SNR은 변조와 부호화에 따라 달라지는데, 높은 변조와 부호화 수준은 더 높은 SNR을 요구한다.

수신된 신호 전력에 영향을 주는 요인들

• 패스로스 (Pathloss)
• 감쇠 (Fading)
• 감쇠 (Fading)
  • 신호에 영향을 주는 감쇠의 편차(deviation of attenuation)
• 감쇠의 종류
  • Slow fading 느린 감쇠 (대규모 감쇠, 그림자 효과) (large-scale fading, shadowing)
  • Fast fading 빠른 감쇠 (소규모 감쇠) (small-scale fading)

느린 감쇠(Slow Fading) VS 빠른 감쇠(Fast Fading)

• Slow fading (느린 대규모 감쇠)

  • large-scale fading, shadowing
  • 언덕이나 큰 건물과 같은 큰 장애물이 송신기와 수신기 사이의 주 신호 경로를 가리는 현상
  • 로그-정규 분포(log-normal distribution)를 사용하여 모델링됨

• Fast fading (빠른 소규모 감쇠)

  • small-scale fading
  • 다중경로 전파(multipath propagation) 에 의해 발생함
  • 채널에 의해 부과되는 진폭(amplitude)과 위상(phase)의 변화가 사용 기간 동안 상당히 다양함

Wi-Fi: Physical Layer Aspects

Physical Layer 물리 계층

• 비트로부터 신호 생성
• 수신된 신호로부터 비트 복구(Recovery of bits)
• 물리적인 매체(Physical medium)와 밀접하게 결합됨
• 변조 및 부호화 체계 (MCS, Modulation and Coding Scheme)

Modulation 변조

• 정보를 담고 있는 변조 신호로 수신 신호의 하나 이상의 특성을 변화시키는 과정
• Carrier Signal 캐리어 신호 : 변조 신호를 전송하는 데 사용되는 고주파 신호
  • 예: WLAN channels

- ASK

- FSK

- PSK

- QAM(Quadrature Amplitude Modulation) : PSK + ASK

Wi-Fi에서 사용되는 변조 방식(Modulation)

• BPSK (Binary PSK, 2분화 PSK): 1비트를 하나의 심볼로 인코딩 - 2개의 다른 신호 (2^1=2)
• QPSK (Quadrature PSK, 4분화 PSK): 2비트를 하나의 심볼로 인코딩 - 4개의 다른 신호(2^2=4)
• 16-QAM: 4비트를 하나의 심볼로 인코딩 - 16개의 다른 신호(2^4=16)
• 64-QAM: 6비트를 하나의 심볼로 인코딩 - 64개의 다른 신호(2^6=64)

Coding (부호화) - (Channel Coding, 채널 부호화)

• 메시지가 오류에 견딜 수 있도록 오류 수정 코드 (ECC, Error Correcting Code)를 삽입합니다
• 예: Hamming(7,4) 코드 : 7비트 메시지에서 1비트 오류를 수정합니다.
• Coding Rate 부호화 속도
  • 메시지의 데이터 비트 비율
  • 예: 3/4 coding rate : 데이터 75%, 오류 수정 코드 25%

MCS (Modulation and Coding Scheme 변조 및 부호화 체계)

• 변조 방식과 부호화 속도를 정의합니다.
  • 송신기는 수신기에게 어떤 MCS 레벨을 사용하고 있는지 알려야 합니다.
• MCS 레벨 선택은 링크 품질(link quality)에 따라 결정됩니다.
• 더 높은 MCS 레벨은 더 높은 SNR을 요구합니다.
• SNR은 시간에 따라 동적으로 변경될 수 있으므로, MCS 레벨은 적응적으로(adaptively) 변경됩니다.

MIMO (Multiple Input Multiple Output 다중 입력 다중 출력)

• 송신기와 수신기 양쪽에 여러 안테나(multiple antennas)를 사용하여 통신 성능을 향상시키는 기술입니다.

MIMO : advantages

• Array Gain : 스펙트럼 효율성(spectral efficiency)을 향상시킵니다.
  • 여러 안테나에서 서로 다른 데이터를 송신합니다.
  • M개의 송신 안테나와 N개의 수신 안테나
  • Array Gain: min(M, N)
  • 예시) 2개의 송신 안테나(TX antennas)와 4개의 수신 안테나(RX antennas) → SISO에 비해 2배의 송신률
• Diversity Gain : 링크 신뢰성(link reliability)을 향상시킵니다.
  • 공간-시간 부호화(space-time coding)를 사용하여 여러 안테나에서 동일한 데이터를 송신합니다.

Physical Layer 물리 계층 : OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

• 특수화된 FDM (Frequency Division Multiplexing 주파수 분할 다중화) 기술
• 서브 캐리어들은 서로 직교(orthogonal)하여 선택됩니다.
  • 서로간에 간섭이 발생하지 않습니다(no interference)

왜 OFDM을 사용하는가?

💡 → OFDM은 간섭에 강함!!

• 채널 조건에 쉽게 적응할 수 있습니다.
• 좁은 대역 공존 간섭(Narrow-Band Co-Channel Interference)에 대해 강건(robust)합니다.
• 다중경로 전파(Multipath propagation)로 인한 간섭 심벌 간 간섭(ISI, inter-symbol interference) 및 감쇠(fading)에 대해 강건(robust)합니다.
• 스프레드 스펙트럼(spread spectrum) 기술에 비해 높은 스펙트럼 효율성을 가집니다.

802.11n OFDM - 20MHz 채널

• 20MHz 채널을 56개의 서브캐리어(subcarrier)로 분할
  • 데이터(data)에는 52개의 서브캐리어 사용, 파일럿(pilot)에는 4개의 서브캐리어 사용 (56 = 52+4)
  • 각 서브캐리어: 312.5kHz, 신호 대역폭(signal bandwidth): 17.5MHz
  • 심볼 지속시간(symbol duration) : 3.6μs (guard interval : 0.4μs)
    

802.11n OFDM - 40MHz 채널

• 40MHz 채널을 114개의 서브캐리어로 분할
  - 데이터에는 108개의 서브캐리어 사용, 파일럿에는 6개의 서브캐리어 사용 (114 = 108+6)
  - 각 서브캐리어: 312.5kHz, 신호 대역폭: 35.625MHz
  - 심볼 지속시간: 3.2μs + guard interval
  

Achieving 600Mbps

• Modulation 변조: 64QAM = 6bit 부호화
  • 서브캐리어당 6비트를 부호화합니다.
• Coding 부호화: 5/6
  • 오류 정정(error correction)을 위한 16.6%의 중복 비트(redundant bits) → 1/6
• Data bits per OFDM symbol (40MHz)
  • 6 x (5/6) x 108 subcarriers = 540 bits
• 초당 OFDM 심볼 수 = 277,777
• data rate 데이터 속도: 540 x 277,777 = 150Mbps
• MIMO (다중 입력 다중 출력)
  • 최소 안테나 수로 선형적인 용량 증가
    • 4x4 MIMO → SISO에 비해 용량 4배 증가
  • 4x4 MIMO 사용: 150Mbps → 600Mbps! (150x4=600)