현장 실험 : MU-MIMO가 정말로 와이파이 시스템의 용량을 늘려줄까?

Mu-MIMO(Multi-User Multiful Input & Multiple Output: 다중 사용자, 다중 입력 및 다중 출력)는 여러 대의 클라이언트 스테이션이 한 대의 AP(Access Point)로부터 고유의 데이터 전송을 동시에 수신할 수 있게 해준다.

이런 발전이 있기 전에는, 관련 스테이션들이 통상적인 경합 프로세스를 통해 자신의 차례를 기다려야만 했으며, 공급업체 나름의 CoS/QoS(Class-of-Service/Quality-of-Service) 메커니즘이 해당 설비에 구현되고, 적용되어 사용되기 일쑤였다.

더 중요한 점은, 대부분 클라이언트 특히, 휴대전화나 태블릿처럼 이동성이 강한 클라이언트는 대개 1개나 2개의 MIMO 스트림만으로 제한되었다. 결국, 클라이언트는 대개 해당 AP의 단일 전송 사이클에서 제공될 수 있는 처리속도에 훨씬 못 미치는 요구밖에 할 수 없었다. 엔터프라이즈급 웨이브 2(Wave 2) 802.11ac AP들이 대개 3개 그리고 갈수록 4개의 MIMO 스트림을 구현하고 있기 때문에, MU-MIMO를 통해서 상당 양의 추가적인 네트워크 대역폭과 전체 시스템 용량을 사용할 수 있을 것이다.

물론, 문제는 얼마나 많은 이득을 볼 수 있는가이다. 현재 대부분의 와이파이 구현제품들은 하나하나가 전체적인 처리 속도 및 용량을 개선할 수 있고, AP와 클라이언트, 드라이버, 그리고 관리 콘솔 전체에 확산될 수 있는 시스템 설정 값들에 대한 그야말로 수십 가지의 조정이 가능하며, 동시에 모든 형태의 무선 통신에 내재된 여러 가지 예측불허의 변동사항과 불학실성을 처리해야만 한다. 그렇기 때문에, 통상적인 작동 조건 하에서 MU-MIMO 같은 특정 개선사항에 대한 잠재력을 평가하기가 어렵다. 그래서 더 전문적인 시험 환경이 필수이다.

이 시험의 목적은 MU-MIMO의 적용으로 어떤 이점을 얻을 수 있는지 확인하고, RF가 격리된, 재현 가능한 시험 환경에서 이런 이점들을 계량화해서 오래 전부터 추구되어온 공평한 경쟁의 장인 비교 가능한 설정을 실현하는 것이다.

최첨단의 무선 시험과 성능 평가 분야에 있어서의 최근 발전은 우리가 바로 그런 플랫폼을 구성할 수 있게 해주며, 필수적인 시험과 그 결과에 대한 평가를 신속하게, 반복적으로, 그리고 효율적으로 할 수 있게 해준다. 동시에 우리의 시험 결과가 실제로 현업 환경에서 MU-MIMO에 대한 와이파이 고객과 최종 사용자의 기대치를 충족시키는 설정에 대한 지침을 제공한다는 확신도 함께 검증한다.

시험 환경과 절차
파포인트 그룹(Farpoint Group)은 25년 이상 무선 제품을 시험했으며, , 이런 시험의 대부분은 자유 공간(Freespace), 즉 특정 지역과 물리적 환경의 옥외에서 실시했다. RF 전파의 속성은 비결정적이기 때문에 다중 경로(Multipath), 건축 구조, 그리고 신호 페이딩에 있어서의 여러 가지 형태에 따라, 우리는 다양한 절차상의 방법을 통해서 외부 요인들의 평균을 계산하려 노력했다. 이런 노력의 예로는 스펙트럼 분석기를 사용한 시험 감시(물론, 이 장비를 사용해서 필수적인 스펙트럼의 상태에 대한 초기 평가 이후에), 최소한 배터리 전원이 공급되는 클라이언트 단에서 안테나 지향성을 없애기 위한 턴테이블 활용, 그리고 또 다른 시험 결과로 대체함으로써 명확하게 비정상적인 결과를 거부하는 것과 함께 다수의, 상대적으로 긴 (각각 1.5 – 3분) 시험에 대한 평균 계산 등이 있다.

이런 노력들이 당시에 할 수 있던 최선이고 실제로도 가장 공정한 결과를 만들었다고 믿지만, 같은 결과를 다른 물리적 환경 또는 심지어는 다른 시간에 재현할 수 있다고 보장할 수는 없었으며, 따라서 어떤 조치를 취하더라도 어느 정도의 불확실성은 존재했다.

앞서 언급한 최첨단 무선 시험은 최근 몇 년간 격리실과 고도로 프로그램 가능하고 계장화된 다양하고 폭넓은 관련 시험 장비의 발전과 함께 크게 진보했다. 격리실이란 전자파와 관련하여 외부 세계와 완벽하게 단절된 전자파 무반향 환경이며, 훨씬 더 이상적인 평가의 장을 조성한다.

DUT(Device Under Test: 피 시험 장치)를 이런 격리실에 넣으면 자유 공간에 내재하고 있는 변동성이 제거된다. 격리실은 RF 케이블로 상호 연결될 수 있어서, 비교적 쉽게 임의의 시험 환경을 구성할 수 있다. 이렇게 해서, 특정 물리적 환경의 변동성과 앞에 언급했던 외부요인들은 시험 결과에 더 이상 감안되지 않으며, 시험과 기기 설정 값 그리고 심지어는 DUT 자체가 달라지더라고 재현성은 보장된다.

이번 시험을 위해 우리가 사용한 시험실은 다음과 같은 옥토박스 제품군의 일부로 옥토스코프가 제조했다.







이번 시험에 사용된 옥토스코프의 추가적인 부분은 팔 2(Pal 2) 파트너 기기 에뮬레이터로, 이 시험에서는 클라이언트 기기와 802.11ac 웨이브 2 액세스 포인트 2가지 모두를 에뮬레이션하기 위해 사용됐다. 팔 2는 퀄컴 와이파이 칩셋 기반으로 맞춤형 드라이버, 펌웨어 그리고 관련 소프트웨어를 가지고 있으며, 이 모든 맞춤화는 고도의 구성 용이성을 가능케 하고 편리한 브라우저 기반 사용자 인터페이스를 통해서 실현된다. 우리는 한 대의 4 스트림 AP를 에뮬레이션 하기 위해 한 대의 팔 2를 사용했으며, 시험 진행 중에 원래 구성사항을 수정한 것은 MU-MIMO를 활성화시키고 비활성화시키는 것뿐이었다.

단일 스트림 클라이언트를 에뮬레이션 하는 3대의 추가 팔 2 기기가 두 번째 옥토박스에 놓여졌으며, 각기 MU-MIMO가 온(On) 그리고 오프(Off)된 2대와 3대의 클라이언트가 활성화된 별도의 시험이 진행되었다. 대부분의 클라이언트가 개별적인 기기 처리속도보다는 시스템 전체 용량을 최적화하는 MU-MIMO를 최대로 활용하는 방식으로 구성되었을 것이라고 확신했기 때문에 우리는 단일 스트림을 사용했다. 다음은 시험 구성에 대한 구성도이다.



따라서 우리는 이 전략이 MU-MIMO가 성능과 시스템 전체적인 용량을 향상시키는데 얼마나 도움이 되는지를 보여주기에 충분하다고 생각한다.

우리는 옥토스코프의 새로운 옥토박스 소프트웨어 스위트 베타 버전을 사용했으며, 이 제품은 하나의 브라우저 기반 인터페이스 안에서 프로그램 가능한 감쇠기(Programmable Attenuator), 채널 에뮬레이터, 그리고 관련 제품을 포함한 모든 옥토스코프 제품의 제어를 통합시킨다.



그 덕분에 여기서 필요한 시험을 지정, 설계, 구현, 그리고 시험하기가 매우 쉬워서 자유 공간 접근방식에 비해 훨씬 더 적은 시간과 노력이 수반되었으며, 이 작업의 핵심인 비교에 대한 정확성도 더욱 높아졌다.

옥토박스 소프트웨어 스위트에는 트래픽 생성 용도로 유명한 iperf3 벤치마크 도구가 포함되어 있으며 우리는 이번 시험을 위해 80MHz 채널을 사용했으며, 전송 계층 프로토콜로 TCP와 UDP를 (물론, 각각에 대해 별도의 시험 진행) 사용했고, 무제한의 대역폭을 지정했으며, 각각의 시험 진행 중에 1분 동안 128KB 버스트(Birst) (128KB 패킷) 단위로 데이터를 송신했다. 각각의 시험에서 RSSI(Received Signal Strength Indication: 수신 신호 강도)는 -41 dBm으로 유지되었으며, 이는 격리 시험 환경의 또 다른 주요 이점이다.