2019.10.18

무선 통신을 더 빠르게··· "빔포밍"이란?

Josh Fruhlinger | Network World
빔포밍(Beamforming)은 안테나에서 신호를 사방으로 유포하는 것이 아니라 특정한 수신 기기에 집중시키는 기술이다. 이렇게 달성한 직접적인 연결은 빔포밍이 없는 연결보다 더 빠르고, 더 안정적이다. 

빔포밍의 원리는 1940년대부터 알려졌다. 그러나 최근 몇 년 동안 와이파이 네트워킹 분야에 점증적으로 활용돼 왔다. 이제 막 출현 중인 5G 네트워크에서는 결정적인 역할을 할 전망이다.
 
ⓒ Image Credit : Getty Images Bank

빔포밍은 어떻게 작용하는가?
한 안테나가 무선 신호를 유포할 때 신호는 사방으로 송출된다(물체에 의해 차단되지 않는 한). 이게 전자기 파장이 작용하는 원리이다. 그러나 신호를 특정 방향으로 집중시킨다면, 그래서 전자기 에너지 광선을 생성한다면 어떨까? 

이를 위한 한가지 방법이 있다. 근거리에 여러 안테나를 배치하는 것이고, 이들이 약간의 시차를 두고 동일한 신호를 방사하는 것이다. 중복된 파장은 일부 영역에서는 건설적이고(신호를 강화함), 다른 영역에서는 파괴적인 간섭을 생성할 것이다(신호를 약화시키거나 검출할 수 없도록 만듦). 이 파장의 간섭 과정이 올바르게 실행된다면 신호를 원하는 방향으로 집중시킬 수 있다.

빔포밍의 뒤에 놓인 수학은 매우 복잡하다(Math Encounter 블로그에서 기초를 확인할 수 있다). 그렇다고 빔포밍 기술의 응용이 새로운 것이 아니다. 음파를 포함해 파장으로 이동하는 에너지는 모두 빔포밍 기법의 혜택을 받을 수 있다. 이 기술은 2차 세계 대전에서 수중 음파 탐지기(sonar)를 개선하기 위해 처음 개발되었고, 오디오 공학에서는 아직까지도 중요하다. 그러나 여기서는 주제를 무선 네트워킹 및 통신으로 한정하도록 한다.  

빔포밍의 혜택과 한계 
빔포밍은 신호를 특정 방향으로 집중시킴으로써 송출 전력을 증폭하지 않으면서 수신기에 전달되는 신호 품질을 향상시킬 수 있다. 실질적으로 더 빠른 정보 전송과 더 적은 오류를 의미하는 것이다. 이는 기본적으로 무선 네트워킹의 궁극적 이상이고 대다수 무선 통신 강화 기술의 목표이다. 또한 불필요한 방향으로 신호를 유포하지 않기 때문에 다른 신호를 포착하려고 시도하는 사람들이 경험하는 간섭을 줄일 수 있다. 

그러나 빔포밍에는 제한점이 따른다. 대부분이 컴퓨팅 자원과 관련된다. 빔포밍 계산에 의해 필요로 되는 시간 및 전력 자원이 혜택을 상쇄하는 경우가 많다. 그러나 프로세서 성능과 효율이 지속적으로 개선되면서 빔포밍 기술은 소비자 네트워킹 장비에 매립될 수 있을 정도가 되었다.  

와이파이 빔포밍 라우터: 802.11n vs. 802.11ac 
빔포밍은 2008년 802.11n 와이파이 표준의 등장과 함께 라우터에 나타나기 시작했다. 802.11n은 다중 입력 다중 출력 기술, 즉 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)를 지원하는 최초의 와이파이 버전이었다. MIMO는 빔포밍이 다수의 중복 신호를 발송하기 위해 필요한 기술이다. 

그러나 802.11n 장비에서 빔포밍은 현실화되지 않았다. 해당 규격에 빔포밍 구현 방식이 제시되어 있지 않기 때문이다. 몇 가지 상용 시스템이 시중에 나오기는 했지만 적정 라우터와 무선 카드의 구매가 필요했고, 인기가 없었다.  

2016년 802.11ac 표준이 출현하면서 모든 것이 변했다. 이제는 와이파이 장비를 위한 빔포밍 기술 규격이 있다. 그리고 802.22ac 라우터는 규격에서 빔포밍의 구현을 필수적으로 요구하지는 않지만, 이를 구현하는 경우(현재 대다수 시중에 있는 제품이 그러하듯이), 벤더와 무관하게 작용해야 하고 상호 운용성을 갖추어야 한다. 

D-링크의 AC 스마트 빔처럼 브랜드 이름을 내세우는 제품도 있지만, 이들은 전부 동일한 표준을 구현한 상품일 뿐이다 (심지어 더 새로운 802.11ax마저 ac 형식의 빔포밍을 계속 지원한다). 

빔포밍과 MU-MIMO 
빔포밍은 802.11ax 라우터가 출시되면서 인기를 얻고 있는 다수 이용자 MIMO를 지원하는데 핵심적이다. 이름에서 볼 수 있듯이 MU-MIMO는 빔포밍을 이용해 라우터로부터의 통신을 각 접속 클라이언트에 효율적으로 겨냥한다. 

명시적(Explicit) 빔포밍 vs. 묵시적(implicit) 빔포밍 
와이파이 빔포밍은 2~3가지 방식으로 작용할 수 있다. 라우터와 엔드포인트가 모두 802.11ac-호환 빔포밍을 지원한다면 약간의 핸드셰이크만으로 통신을 시작할 것이고, 핸드셰이크는 양 측이 각자의 위치와 통신 채널을 확정하는데 도움을 준다. 이는 접속 품질을 향상시키고, 명시적 빔포밍으로 알려졌다. 

그러나 802.11n이나 심지어 더 오래된 와이파이 버전만 지원하는 네트워크 카드가 여전히 매우 많다. 빔포밍 라우터는 이들 기기를 표적으로 할 수는 있지만, 엔드포인트의 도움이 없다면 정확한 겨냥은 가능하지 않을 것이다. 이는 묵시적 빔포밍이라고 하고, 때에 따라 보편적(universal) 빔포밍이라고도 한다. 이론상으로는 어떤 와이파이 기기와도 작용할 수 있기 때문이다.   

여러 라우터에서 묵시적 빔포밍은 끄거나 켤 수 있는 기능이다. 묵시적 빔포밍을 켠다면 어떤 가치가 있는가? 라우터 가이드는 이를 켜고 끈 상태에서 네트워크 작용이 어떠한지 테스트할 것을 제안한다. 그러면 성능 향상 여부를 판단할 수 있다. 집에서 들고 다니는 전화기 같은 기기는 묵시적 빔포밍 시 접속이 끊길 수 있다. 

5G 빔포밍 
현재의 로컬 와이파이 네트워크는 현실에서 평범한 사람도 빔포밍을 접할 수 있는 환경이다. 그러나 광역 5G 네트워크의 출시가 진행 중이므로 이는 변할 것이다. 5G는 30 ~ 300 GHz의 무선 주파수를 사용한다. 이는 데이터를 훨씬 더 빨리 전송할 수 있지만, 간섭을 받기가 훨씬 더 쉽고, 물체를 통과하기가 더 어렵다. 이 문제를 극복하는 데에는 예를 들어 더 작은 셀, 대량 MIMO 등 여러 기술이 필요하다. 

대량 MIMO란 기본적으로 5G 기지국에 수많은 안테나를 우겨 넣는 것이다. 그리고 물론 빔포밍도 필요하다. 5G가 업체들이 기대하고 있는 방식대로 출발한다면 빔포밍을 매일같이 사용하는 때가 곧 올 것이다. ciokr@idg.co.kr
 


2019.10.18

무선 통신을 더 빠르게··· "빔포밍"이란?

Josh Fruhlinger | Network World
빔포밍(Beamforming)은 안테나에서 신호를 사방으로 유포하는 것이 아니라 특정한 수신 기기에 집중시키는 기술이다. 이렇게 달성한 직접적인 연결은 빔포밍이 없는 연결보다 더 빠르고, 더 안정적이다. 

빔포밍의 원리는 1940년대부터 알려졌다. 그러나 최근 몇 년 동안 와이파이 네트워킹 분야에 점증적으로 활용돼 왔다. 이제 막 출현 중인 5G 네트워크에서는 결정적인 역할을 할 전망이다.
 
ⓒ Image Credit : Getty Images Bank

빔포밍은 어떻게 작용하는가?
한 안테나가 무선 신호를 유포할 때 신호는 사방으로 송출된다(물체에 의해 차단되지 않는 한). 이게 전자기 파장이 작용하는 원리이다. 그러나 신호를 특정 방향으로 집중시킨다면, 그래서 전자기 에너지 광선을 생성한다면 어떨까? 

이를 위한 한가지 방법이 있다. 근거리에 여러 안테나를 배치하는 것이고, 이들이 약간의 시차를 두고 동일한 신호를 방사하는 것이다. 중복된 파장은 일부 영역에서는 건설적이고(신호를 강화함), 다른 영역에서는 파괴적인 간섭을 생성할 것이다(신호를 약화시키거나 검출할 수 없도록 만듦). 이 파장의 간섭 과정이 올바르게 실행된다면 신호를 원하는 방향으로 집중시킬 수 있다.

빔포밍의 뒤에 놓인 수학은 매우 복잡하다(Math Encounter 블로그에서 기초를 확인할 수 있다). 그렇다고 빔포밍 기술의 응용이 새로운 것이 아니다. 음파를 포함해 파장으로 이동하는 에너지는 모두 빔포밍 기법의 혜택을 받을 수 있다. 이 기술은 2차 세계 대전에서 수중 음파 탐지기(sonar)를 개선하기 위해 처음 개발되었고, 오디오 공학에서는 아직까지도 중요하다. 그러나 여기서는 주제를 무선 네트워킹 및 통신으로 한정하도록 한다.  

빔포밍의 혜택과 한계 
빔포밍은 신호를 특정 방향으로 집중시킴으로써 송출 전력을 증폭하지 않으면서 수신기에 전달되는 신호 품질을 향상시킬 수 있다. 실질적으로 더 빠른 정보 전송과 더 적은 오류를 의미하는 것이다. 이는 기본적으로 무선 네트워킹의 궁극적 이상이고 대다수 무선 통신 강화 기술의 목표이다. 또한 불필요한 방향으로 신호를 유포하지 않기 때문에 다른 신호를 포착하려고 시도하는 사람들이 경험하는 간섭을 줄일 수 있다. 

그러나 빔포밍에는 제한점이 따른다. 대부분이 컴퓨팅 자원과 관련된다. 빔포밍 계산에 의해 필요로 되는 시간 및 전력 자원이 혜택을 상쇄하는 경우가 많다. 그러나 프로세서 성능과 효율이 지속적으로 개선되면서 빔포밍 기술은 소비자 네트워킹 장비에 매립될 수 있을 정도가 되었다.  

와이파이 빔포밍 라우터: 802.11n vs. 802.11ac 
빔포밍은 2008년 802.11n 와이파이 표준의 등장과 함께 라우터에 나타나기 시작했다. 802.11n은 다중 입력 다중 출력 기술, 즉 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)를 지원하는 최초의 와이파이 버전이었다. MIMO는 빔포밍이 다수의 중복 신호를 발송하기 위해 필요한 기술이다. 

그러나 802.11n 장비에서 빔포밍은 현실화되지 않았다. 해당 규격에 빔포밍 구현 방식이 제시되어 있지 않기 때문이다. 몇 가지 상용 시스템이 시중에 나오기는 했지만 적정 라우터와 무선 카드의 구매가 필요했고, 인기가 없었다.  

2016년 802.11ac 표준이 출현하면서 모든 것이 변했다. 이제는 와이파이 장비를 위한 빔포밍 기술 규격이 있다. 그리고 802.22ac 라우터는 규격에서 빔포밍의 구현을 필수적으로 요구하지는 않지만, 이를 구현하는 경우(현재 대다수 시중에 있는 제품이 그러하듯이), 벤더와 무관하게 작용해야 하고 상호 운용성을 갖추어야 한다. 

D-링크의 AC 스마트 빔처럼 브랜드 이름을 내세우는 제품도 있지만, 이들은 전부 동일한 표준을 구현한 상품일 뿐이다 (심지어 더 새로운 802.11ax마저 ac 형식의 빔포밍을 계속 지원한다). 

빔포밍과 MU-MIMO 
빔포밍은 802.11ax 라우터가 출시되면서 인기를 얻고 있는 다수 이용자 MIMO를 지원하는데 핵심적이다. 이름에서 볼 수 있듯이 MU-MIMO는 빔포밍을 이용해 라우터로부터의 통신을 각 접속 클라이언트에 효율적으로 겨냥한다. 

명시적(Explicit) 빔포밍 vs. 묵시적(implicit) 빔포밍 
와이파이 빔포밍은 2~3가지 방식으로 작용할 수 있다. 라우터와 엔드포인트가 모두 802.11ac-호환 빔포밍을 지원한다면 약간의 핸드셰이크만으로 통신을 시작할 것이고, 핸드셰이크는 양 측이 각자의 위치와 통신 채널을 확정하는데 도움을 준다. 이는 접속 품질을 향상시키고, 명시적 빔포밍으로 알려졌다. 

그러나 802.11n이나 심지어 더 오래된 와이파이 버전만 지원하는 네트워크 카드가 여전히 매우 많다. 빔포밍 라우터는 이들 기기를 표적으로 할 수는 있지만, 엔드포인트의 도움이 없다면 정확한 겨냥은 가능하지 않을 것이다. 이는 묵시적 빔포밍이라고 하고, 때에 따라 보편적(universal) 빔포밍이라고도 한다. 이론상으로는 어떤 와이파이 기기와도 작용할 수 있기 때문이다.   

여러 라우터에서 묵시적 빔포밍은 끄거나 켤 수 있는 기능이다. 묵시적 빔포밍을 켠다면 어떤 가치가 있는가? 라우터 가이드는 이를 켜고 끈 상태에서 네트워크 작용이 어떠한지 테스트할 것을 제안한다. 그러면 성능 향상 여부를 판단할 수 있다. 집에서 들고 다니는 전화기 같은 기기는 묵시적 빔포밍 시 접속이 끊길 수 있다. 

5G 빔포밍 
현재의 로컬 와이파이 네트워크는 현실에서 평범한 사람도 빔포밍을 접할 수 있는 환경이다. 그러나 광역 5G 네트워크의 출시가 진행 중이므로 이는 변할 것이다. 5G는 30 ~ 300 GHz의 무선 주파수를 사용한다. 이는 데이터를 훨씬 더 빨리 전송할 수 있지만, 간섭을 받기가 훨씬 더 쉽고, 물체를 통과하기가 더 어렵다. 이 문제를 극복하는 데에는 예를 들어 더 작은 셀, 대량 MIMO 등 여러 기술이 필요하다. 

대량 MIMO란 기본적으로 5G 기지국에 수많은 안테나를 우겨 넣는 것이다. 그리고 물론 빔포밍도 필요하다. 5G가 업체들이 기대하고 있는 방식대로 출발한다면 빔포밍을 매일같이 사용하는 때가 곧 올 것이다. ciokr@idg.co.kr
 


X