[Tech Report] IoT 시장의 새로운 대안으로 부상하고 있는 와이파이 6 리비전 2

[노르딕세미컨덕터=최수철] IEEE 802.11ax는 불과 3년 전에 채택돼, ‘와이파이 6(Wi-Fi 6)’로 판매되고 있다. 이 새로운 버전의 와이파이는 IoT 애플리케이션의 무선 기술을 향상시키기 위해 설계됐다. 와이파이 6는 전력 소모를 개선한 것은 물론이고, 쇼핑몰이나 도서관과 같은 장소에서 고밀도 IoT 네트워크 구축에 따른 문제 해결을 위한 개선사항도 포함됐다.

와이파이 6는 이를 전송속도와 스펙트럼 효율성 향상을 통해 문제를 해결했다. 이는 컨슈머 분야는 물론, 와이파이 IoT 센서 구축을 원하는 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 공장 운영자들에게도 상담한 이점을 제공한다.

와이파이 6가 발표된 이듬해 발생한 팬데믹의 영향으로 와이파이 6는 리비전 2(Revision 2)라 불리는 업그레이드 버전이 개발됐으며, CES 2022(Consumer Electronics Show 2022)에서 공개됐다.

팬데믹 이후 많은 사람들이 재택근무를 하게 되면서 업링크 트래픽과 다운링크 트래픽 간의 비율에 상당한 변화가 발생했다. 다운링크 데이터는 클라우드에서 사용자 컴퓨터로 이동한 정보를, 업링크 데이터는 사용자 컴퓨터에서 클라우드로 이동한 데이터를 뜻한다. 팬데믹 이전에는 다운링크와 업링크가 비율은 10:1 이었다. 하지만, 팬데믹 이후 다운링크와 업링크의 비율은 6:1로 변화했다. 재택근무가 증가하면서 업링크 데이터가 증가한 탓이다. 와이파이 얼라이언스(Wi-Fi Alliance)는 향후 몇 년 이내에 다운링크와 업링크의 비율이 2:1에 근접할 것으로 전망했다.

와이파이 6 리비전 2는 사용 방식의 변화를 반영하기 위해 강력한 업로드 지원을 위한 업그레이드가 포함됐다. 또한 배터리로 구동되는 IoT 기기에 더욱 적합한 향상된 전력 효율성을 제공한다. 이 기능은 2.4GHz 및 6GHz 와이파이 대역에서 지원된다.

와이파이 6 릴리스 2는 업링크 MU-MIMO(Multiuser - Multiple Input, Multiple Output)라는 기능을 통해 증가하는 더 많은 데이터 업로드 요구를 충족하고 있다. 이는 표준의 일부인 기존의 다운링크 MU-MIMO를 확장한 것으로, 네트워크 장치가 서로 다른 스트림으로 동시에 업링크할 수 있도록 지원한다.

◆ 스테이션의 배터리 수명 및 도달거리 확장

와이파이 6 릴리스 2의 첫 번째 새로운 기능은 IoT 기기의 배터리 수명 연장과 관련된 것으로, 업링크 MUDD(Multi-User Data Disable) OMI(Operating Mode Indication)이다.

와이파이 6의 초기 릴리스는 여러 사용자 간의 업링크 전송을 동기화하기 위한 대안으로 두 가지 동작 모드를 제공했다. 동기화 모드는 네트워크에 연결된 장치(스테이션 또는 STA)의 업링크 전송이 액세스 포인트(AP)에 의해 동기화되고, 제어된다. 비동기화 모드는 STA가 AP로 업링크 패킷을 전송하기 위해 자신의 전송 동작을 다른 STA와 경합하게 된다. STA는 전송 동작 모드(Transmit Operating Mode, TOM) 신호를 사용하여 모드를 전환할 수 있다.

릴리스 2에 추가된 개선사항은 와이파이 프레임의 제어와 관리를 위해 동기화 모드를 유지하면서 STA가 AP로 전송하는 실제 데이터 패킷에 대해 동기화 모드를 비활성화할 수 있다. 이는 다운링크 동기화의 효율성을 손상시키지 않으면서도 장치의 유연성이라는 부가적인 이점을 제공하는 동기화 모드와 비동기화 모드 사이의 하이브리드 모드라 할 수 있다.

이 표준의 두 번째 개선사항은 업링크 HEERSU(High Efficiency Extended Range Single User) PPDU(Physical Layer Protocol Data Unit)로, STA와 AP 간의 업링크 전송을 대상으로 한다.

일반적으로 AP는 STA보다 더 높은 전력으로 전송이 이뤄지기 때문에 채널 전파 조건이 열악한 경우, AP 범위의 경계에 있는 STA는 AP 전송을 인식할 수 있지만, AP는 STA 업링크 전송을 인식할 수 없다. 이러한 링크 불균형 상황에서는 STA와 AP 간의 연결이 이뤄지지 않을 수 있다.

릴리스 2의 확장된 도달거리(Extended Range) 기능은 좋지 못한 채널 전파 조건에서도 AP가 최대 도달거리에 있는 STA를 인식할 수 있도록 해주며, 이를 통해 지속적으로 STA와 AP 간의 연결을 유지할 수 있다. 이 기능은 일반적으로 이를 구현하는 STA의 도달거리를 증가시킨다.

릴리스 2의 세 번째 개선사항은 BSS(Basic Service Set) 최대 유휴 기간(Max Idle Period) 동안 연장된 슬립 시간(Extended Sleep Time)이다. BSS 최대 유휴 기간은 STA가 AP와의 연결을 해제하지 않고, 연결된 AP로 전송 프레임을 보내지 않을 수 있는 시간의 측정값이다.

연장된 슬립 시간 동안 STA는 완벽한 유휴 상태를 유지할 수 있어 전력을 절감하고, 연결을 차단하지 않고도 불필요한 ‘Keep-Alive’ 프레임을 줄일 수 있다. 유휴 기간의 범위는 1초에서 18시간까지다. 연장된 슬립 시간의 다른 효과는 더 적은 수의 Keep-Alive 메시지가 전송되기 때문에 경합 레벨이 감소하고, 전송속도가 증가한다는 점이다.

◆ TWT(Target Wake Time) 개선

TWT(Target Wake Time)는 와이파이 6 초기 릴리스에 도입되었던 절전 기능이다. STA와 AP 간의 트래픽 교환에 대한 ‘세밀한’ 스케쥴링을 지원함으로써 STA가 트래픽 교환 기간 동안 유휴 모드로 전환하여 에너지를 절감할 수 있도록 해준다. 듀티 사이클링 효율성은 AP와 STA 간에 합의된 TWT 서비스 기간에 의해 제어된다.

릴리스 2에서는 TWT 정보 프레임을 기존의 TWT(합의된)에 대한 협상 또는 서비스 기간을 일시 중단하거나 재개하는 데 사용할 수 있도록 했다. 이는 TWT를 구현하는 STA에 더 많은 유연성을 제공한다. 이제 STA는 보다 용이하게 TWT 협상을 업데이트하거나 적합하다고 판단되면 TWT 파라미터를 최적화할 수 있다. 이러한 기능은 TWT에 대한 TWT 합의를 중단하거나 재개하는데 따른 오버헤드를 제거하기 때문에 에너지 효율성을 향상시킨다.

와이파이 6 릴리스 2의 마지막 개선사항은 브로드캐스트 TWT이다. 브로드캐스트 TWT는 AP가 브로드캐스트 TWT 스케쥴을 생성하여 동작 파라미터를 할당한 다음, TWT 정보 요소(Information Elements)를 포함하고 있는 전송된 브로드캐스트 관리 프레임 내에 해당 존재 여부를 알리는 TWT 기능 중 하나다.

이러한 브로드캐스트 관리 프레임을 수신하는 STA는 각각의 브로드캐스트 TWT ID가 0이거나 0이 아닌지에 따라 명시적 결합 작업을 수행하거나 수행하지 않도록 브로드캐스트 TWT 스케쥴에 참여할 수 있다.

AP의 관점에서 보면, 브로드캐스트 TWT 스케쥴은 STA와의 개별적인 TWT 협상에 비해 관리(또는 ‘시행’)가 더 간단하다. STA와 ‘제공되는’ 스케쥴에 대한 합의 없이 AP가 스케쥴을 지시할 수 있기 때문이다. (개별적인 TWT 협상은 TWT의 실제 파라미터에 대한 합의에 도달하지 못할 가능성이 더 크다.) 따라서 이 브로드캐스트 TWT를 사용하면, 저전력을 구현하고자 하는 STA에 의해 TWT 기능이 사용될 가능성을 높일 것으로 예상된다.

노르딕은 2020년 말에 영국의 이매지네이션 테크놀로지스(Imagination Technologies)의 와이파이 개발팀과 관련 IP 자산을 인수하고, 2022년 8월, 자사 최초의 와이파이 칩인 듀얼 밴드 와이파이 6 컴패니언 IC인 nRF7002를 출시했다. 노르딕은 수십 년 동안 널리 인정받고 있는 초저전력 무선 IoT 및 실리콘 설계 분야의 전문성을 nRF7002에 접목시키고, 향상된 효율성을 통해 배터리로 구동되는 무선 IoT 기기의 동작 수명을 연장시킬 수 있는 와이파이 6 시장에 진출했다.

와이파이 제품 개발은 노르딕의 무선 제품 기반 애플리케이션 구현을 지원하는 통합 소프트웨어 개발 키트인 nRF Connect SDK를 통해 지원되고 있다. 이 SDK는 블루투스 LE(Bluetooth LE), 스레드(Thread), 지그비(Zigbee) 및 셀룰러 IoT를 비롯해 와이파이 제품을 개발하는데 필요한 모든 소프트웨어 및 펌웨어를 포함하고 있다.

IoT에 대한 와이파이 기술의 핵심 장점은 고유의 IP 상호 운용성을 통해 추가 데이터 구독 비용을 지불하지 않고도 센서를 클라우드에 연결할 수 있고, AP가 이미 널리 구축되어 있기 때문에 새로운 인프라에 대한 투자비용도 절감할 수 있다는 점이다. 이러한 장점들을 기반으로 급증하는 IoT 시장에서 와이파이 기술의 역할은 앞으로 점점 더 증가하게 될 것이다.