DSSS 및 OFDM 기술 기반 독점 장거리 무선 시스템

1. 고성능 장거리 무선 네트워킹 소개

1.1 표준 Wi-Fi를 넘어서는 범위 정의

소비자 등급의 Wi-Fi 범위 확장 기술과 통신 사업자 등급(carrier-class)의 장거리 무선 링크는 근본적으로 다른 범주에 속한다. 표준 Wi-Fi는 주로 실내 환경을 위해 설계되었지만, 장거리 무선 통신은 옥외 환경의 고유한 문제들을 해결해야 한다. 여기에는 증가된 간섭, 광대한 거리에 걸친 다중 경로 전파(multipath propagation), 그리고 예측 가능한 성능에 대한 요구가 포함된다.1 본 안내서는 단순히 신호를 증폭하는 것을 넘어, 장거리 환경의 물리적, 논리적 제약을 극복하기 위해 개발된 독점적인 무선 시스템의 핵심 기술을 분석한다.

1.2 PHY 및 MAC 계층의 중요한 상호작용

무선 시스템의 성능을 이해하기 위해서는 물리 계층(PHY)과 매체 접근 제어(MAC) 계층의 역할을 구분하는 것이 필수적이다. PHY 계층은 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)나 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 기술을 통해 원시 데이터(raw data)를 무선 신호로 변환하여 전송하는 방법을 결정한다.4 반면, MAC 계층은 공유된 무선 매체에 여러 장치가 언제, 어떻게 접근할지를 통제하는 규칙과 절차를 정의한다.6 독점 장거리 시스템의 혁신은 PHY 계층의 최적화뿐만 아니라, 표준 Wi-Fi의 MAC 계층이 가진 근본적인 한계를 극복하는 데에 그 핵심이 있다.

1.3 장거리 환경에서 표준 CSMA/CA의 한계

표준 IEEE 802.11 Wi-Fi 프로토콜의 MAC 계층은 CSMA/CA(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식을 사용한다. 이 방식은 실내 환경에서는 효율적이지만, 장거리 옥외 환경에서는 심각한 성능 저하를 유발하는 몇 가지 본질적인 문제점을 안고 있다.

1.3.1 히든 노드 문제 (The Hidden Node Problem)

CSMA/CA의 기본 전제는 모든 장치가 전송 전에 매체를 “감지(sense)“하여 다른 장치가 전송 중인지 확인하는 것이다. 하지만 옥외 지점-다지점(Point-to-Multipoint, PtMP) 시나리오에서는 클라이언트 스테이션(노드)들이 지리적으로 멀리 분산되어 있어 서로의 신호를 감지할 수 없는 경우가 발생한다. 이 클라이언트들은 중앙의 액세스 포인트(AP)와는 통신할 수 있지만, 서로는 “보이지 않는” 상태가 된다. 이를 ’히든 노드’라고 한다.7 두 개의 히든 노드가 동시에 전송을 시도하면 AP에서는 충돌이 발생하여 데이터가 손상되고, 이는 재전송을 유발하여 전체 네트워크 효율성을 급격히 떨어뜨린다.7

1.3.2 ACK 타이밍과 성능 저하

표준 Wi-Fi는 전송된 모든 프레임에 대해 수신 확인(ACK) 응답을 요구한다. 장거리 링크에서는 이 ACK 메커니즘이 심각한 병목 현상을 초래한다. 신호가 수 킬로미터를 이동하는 데 걸리는 전파 지연 시간(propagation delay)은 무시할 수 없다. 예를 들어, 1km당 약 3.3마이크로초의 단방향 지연이 발생하므로, 10km 링크의 왕복 시간은 전파 지연만으로도 66마이크로초 이상이 소요된다.9 모든 데이터 프레임마다 이 지연 시간이 포함된 ACK를 기다려야 하므로, 거리가 멀어질수록 대기 시간으로 인한 오버헤드가 기하급수적으로 증가하여 실제 데이터 처리량은 급감한다.3

1.3.3 비효율적인 통신 시간 할당

CSMA/CA는 경쟁 기반 프로토콜이므로, 모든 노드가 신호 품질이나 데이터 요구량에 상관없이 동등하게 매체 접근을 시도한다. 이로 인해 신호가 약한 멀리 떨어진 클라이언트가 매체를 점유하면, 낮은 데이터 전송률로 인해 전송에 더 오랜 시간이 걸리게 된다. 이는 가까운 거리에서 높은 품질의 신호를 가진 다른 클라이언트들의 대기 시간을 증가시켜 전체 섹터의 성능을 저하시키는 결과를 낳는다.10

1.4 독점적 MAC 솔루션의 등장

이러한 CSMA/CA의 근본적인 한계를 인식한 Ubiquiti, MikroTik과 같은 제조업체들은 이를 개선하려는 시도 대신, 완전히 새로운 MAC 프로토콜을 개발하는 길을 택했다. 이들의 핵심 혁신은 경쟁 기반의 CSMA/CA를 결정론적(deterministic)이고 중앙에서 관리되는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA) 또는 폴링(polling) 방식으로 대체한 것이다. 이 프로토콜들은 중앙 AP가 각 클라이언트의 전송 시간을 정밀하게 제어함으로써 히든 노드 문제, ACK 오버헤드, 비효율적인 통신 시간 할당 문제를 근본적으로 해결하도록 설계되었다.7 따라서 이 시스템들은 단순히 ’증폭된 Wi-Fi’가 아니라, 장거리 옥외 환경에 최적화된 새로운 MAC 아키텍처를 기반으로 한다.

2. 직접 시퀀스 확산 스펙트럼 (DSSS) - 기본 원리 및 수학적 모델

2.1 확산 과정

DSSS는 신호를 넓은 대역폭에 걸쳐 확산시키는 기술로, 그 핵심에는 의사 잡음(Pseudo-Noise, PN) 코드가 있다.

2.1.1 의사 잡음 (PN) 코드

PN 코드는 확산 코드 또는 칩 시퀀스라고도 불리며, 통계적으로는 잡음처럼 보이지만 실제로는 송신기와 수신기가 모두 알고 있는 결정론적인 디지털 시퀀스이다.12 이 코드는 데이터 신호를 변조하여 스펙트럼을 확산시키는 열쇠 역할을 한다.15

2.1.2 칩(Chip)과 비트(Bit)

DSSS에서 각 데이터 비트는 전체 PN 시퀀스와 곱해진다. 이 결과로 생성되는 더 빠른 속도의 신호 단위를 ’칩’이라고 한다. 칩 속도(chip rate)는 원래 데이터의 비트 속도(bit rate)보다 훨씬 높으며, 이 속도 차이가 신호의 대역폭을 넓히는 주된 요인이다.13

2.1.3 상관 관계 특성

PN 코드는 우수한 자기 상관(auto-correlation) 및 낮은 상호 상관(cross-correlation) 특성을 갖도록 설계된다. 자기 상관은 코드를 시간 이동된 자기 자신과 비교하는 것으로, 동기화가 정확히 맞을 때만 높은 피크 값을 나타낸다. 이는 수신기가 신호를 정확하게 복원하는 데 필수적이다.18 반면, 서로 다른 PN 코드 간의 상호 상관이 낮다는 특성은 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기술의 기반이 되어 여러 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있게 한다.

2.2 DSSS의 수학적 공식

DSSS의 확산 및 역확산 과정은 수학적으로 명확하게 모델링할 수 있다.

2.2.1 송신 신호 모델

데이터 신호를 d(t) (비트 주기 T_b), PN 코드를 c(t) (칩 주기 T_c)라고 할 때, 송신되는 기저대역(baseband) DSSS 신호 s(t)는 두 신호의 곱으로 표현된다.
s(t) = d(t) \cdot c(t)
여기서 d(t)는 데이터 비트(+1 또는 -1)를 나타내는 사각 펄스 시퀀스이며, c(t)는 칩을 나타내는 훨씬 빠른 속도의 펄스 시퀀스이다.18

2.2.2. 수신기에서의 역확산

수신된 신호 r(t)는 송신 신호 s(t)에 채널 잡음 n(t)이 더해진 형태, 즉 r(t) = s(t) + n(t)이다. 수신기는 이 신호에 송신기와 동기화된 동일한 PN 코드 c(t)를 다시 곱한다.
r(t) \cdot c(t) = (d(t) \cdot c(t) + n(t)) \cdot c(t) = d(t) \cdot c^2(t) + n(t) \cdot c(t)
PN 코드 c(t)의 값은 +1 또는 -1이므로, 제곱인 c^2(t)는 항상 1이 된다. 따라서 위 식은 다음과 같이 단순화된다.
d(t) + n'(t)
여기서 n'(t) = n(t) \cdot c(t)는 원래의 잡음이 PN 코드에 의해 넓은 대역폭으로 확산된 신호이다. 이 과정을 통해 원래의 데이터 신호 d(t)는 복원되고, 협대역 간섭이나 잡음의 영향은 크게 감소한다.13

2.3. 처리 이득 (Processing Gain)

처리 이득은 DSSS 시스템의 간섭 및 재밍(jamming)에 대한 저항성을 정량화하는 중요한 척도이다.

2.3.1. 정의

처리 이득(G_p)은 확산된 신호의 대역폭(W_s, 칩 속도 R_c에 비례)과 원래 데이터 신호의 대역폭(W_d, 비트 속도 R_b에 비례)의 비율로 정의된다.
G_p = \frac{W_s}{W_d} \approx \frac{R_c}{R_b} = N
여기서 N은 PN 코드의 길이, 즉 비트당 칩의 개수이다.13

2.2.2 SNR에 미치는 영향

역확산 과정 후, 복원된 신호의 신호 대 잡음비(SNR)는 처리 이득만큼 향상된다. 수신기에 들어온 협대역 재머(jammer) 신호는 수신기의 PN 코드와 곱해지면서 그 전력이 넓은 대역으로 확산되어 결과적으로 데이터 신호에 미치는 영향이 줄어들기 때문이다.1 DSSS가 군사 통신에서 재밍 방지 기술로 개발된 이유가 바로 여기에 있다. 상업용 Wi-Fi 환경에서는 전자레인지나 무선 전화기와 같은 장치에서 발생하는 협대역 간섭을 효과적으로 억제하는 역할을 한다.23

2.3 초기 Wi-Fi에서의 DSSS (IEEE 802.11b)

DSSS는 초기 Wi-Fi 표준의 핵심 기술이었다. 그 주된 이유는 군사적 목적이었던 신호 은닉(LPI)이나 재밍 방지가 아니라, 비면허 2.4 GHz 대역에 흔한 다중 경로 페이딩과 협대역 간섭에 대한 강인함 때문이었다.

2.3.1 바커 코드 (Barker Code)

최초의 802.11 표준과 802.11b의 초기 모드(1 및 2 Mbps)에서는 자기 상관 특성이 매우 우수한 11-칩 바커 시퀀스를 사용했다.17

2.3.2 상보 부호 키잉 (Complementary Code Keying, CCK)

더 높은 데이터 전송률(5.5 및 11 Mbps)을 달성하기 위해 802.11b 표준은 CCK라는 진보된 코딩 기술을 채택했다. CCK는 64개의 8비트 복소 부호어(codeword) 집합을 사용하여 다중 경로 환경에서의 성능을 크게 향상시켰다.17 이 기술의 도입은 Wi-Fi가 상업적으로 널리 성공하는 데 결정적인 역할을 했다.

3. 직교 주파수 분할 다중화 (OFDM) - 현대 Wi-Fi의 초석

3.1 핵심 개념

DSSS/CCK 기술이 11 Mbps에서 처리량의 한계에 부딪혔을 때, 더 높은 데이터 전송률에 대한 요구는 새로운 물리 계층 기술의 등장을 촉진했다. 그 해답은 OFDM이었으며, 이는 단일 반송파 시스템이 실내 다중 경로 환경에서 겪는 심각한 심볼 간 간섭(ISI) 문제를 극복하기 위한 근본적인 패러다임 전환이었다.26

3.1.1 다중 반송파 변조

OFDM의 기본 아이디어는 하나의 고속 데이터 스트림을 다수의 저속 병렬 스트림으로 분할하고, 각각을 서로 다른 부반송파(subcarrier)에 변조하여 동시에 전송하는 것이다. 이 방식은 주파수 선택적(frequency-selective)인 광대역 채널을 여러 개의 평탄 페이딩(flat-fading) 협대역 부채널로 변환하는 효과를 가져온다. 각 부채널은 단순한 등화(equalization)만으로 신호 왜곡을 보정할 수 있어, 복잡한 등화기가 필요한 단일 반송파 시스템에 비해 구현이 훨씬 간단하다.26

3.1.2 직교성의 원리

OFDM의 수학적 핵심은 ’직교성’이다. 부반송파들은 각 부반송파의 주파수 피크 지점에서 다른 모든 부반송파의 스펙트럼 응답이 정확히 0이 되도록 정밀한 주파수 간격(Δf = 1/T_{symbol})으로 배치된다.27 이 덕분에 부반송파들의 스펙트럼이 서로 겹치더라도 반송파 간 간섭(Inter-Carrier Interference, ICI) 없이 데이터를 전송할 수 있다. 이는 주파수 대역을 매우 효율적으로 사용하게 해주는 핵심 원리이다.26

3.2. 수학적 프레임워크 및 FFT/IFFT 구현

OFDM의 이론적 우아함은 저비용 고성능 디지털 신호 처리(DSP) 기술의 발전 덕분에 실용화될 수 있었다. 수백 개의 개별 아날로그 발진기를 사용하는 대신, 고속 푸리에 변환(FFT) 및 역고속 푸리에 변환(IFFT) 알고리즘을 통해 효율적인 디지털 구현이 가능해졌다.26

3.2.1. 직교성 조건

두 부반송파 k_1과 k_2가 심볼 주기 T 동안 직교성을 만족하기 위한 수학적 조건은 다음과 같다.
\frac{1}{T}\int_{0}^{T} e^{j2\pi k_{1}t/T} \cdot (e^{j2\pi k_{2}t/T})^* dt = \delta_{k_{1}k_{2}}
여기서 *는 켤레 복소수(complex conjugate)를, δ는 크로네커 델타(Kronecker delta)를 의미하며, k_1 = k_2일 때만 1이고 그 외에는 0임을 나타낸다.27

3.2.2. OFDM 신호 생성 (IFFT)

하나의 OFDM 심볼에 대한 연속 시간 기저대역 신호 x(t)는 N개의 변조된 부반송파의 합으로 표현된다.
x(t) = \sum_{k=0}^{N-1} X_k e^{j2\pi \frac{k}{T} t}
여기서 X_k는 QAM과 같은 변조 방식을 통해 생성된 복소 데이터 심볼이다. 이산 시간(discrete-time) 영역에서 이 신호 x[n]은 데이터 심볼 X_k의 이산 푸리에 역변환(IDFT)과 정확히 일치하며, 이는 IFFT 알고리즘을 통해 매우 효율적으로 계산될 수 있다.28
x[n] = \frac{1}{N} \sum_{k=0}^{N-1} X_k e^{j2\pi \frac{kn}{N}}

3.1.3 OFDM 복조 (FFT)

수신기에서는 이 과정이 반대로 수행된다. 수신된 시간 영역 샘플들은 FFT를 통해 처리되어 원래의 주파수 영역 데이터 심볼 X_k를 복원한다.26

3.3. 채널 손상 완화

3.3.1. 순환 전치 (Cyclic Prefix, CP) 및 보호 구간 (Guard Interval, GI)

다중 경로 전파로 인해 발생하는 심볼 간 간섭(ISI)을 방지하기 위해, OFDM 심볼 사이에 보호 구간(GI)이 삽입된다. 이 구간은 심볼의 끝부분을 복사하여 앞부분에 덧붙인 ’순환 전치(CP)’로 채워진다. 이 기법은 다중 경로로 인해 지연된 신호가 다음 심볼에 영향을 미치는 것을 막아줄 뿐만 아니라, 부반송파 간의 직교성을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다. 또한, CP를 사용하면 채널의 선형 컨볼루션(linear convolution)이 원형 컨볼루션(circular convolution)으로 변환되어, 주파수 영역에서 각 부반송파에 대한 등화가 단일 복소수 곱셈으로 단순화된다.27

3.4. 성능 상충 관계 (Trade-offs)

OFDM은 많은 장점을 제공하지만, 몇 가지 고유한 단점도 존재한다.

3.4.1. 장점

• 높은 스펙트럼 효율성: 부반송파의 스펙트럼 중첩을 통해 주파수 대역을 매우 효율적으로 사용한다.32
• 다중 경로 페이딩에 대한 강인함: 채널을 다수의 협대역 부채널로 분할함으로써 주파수 선택적 페이딩에 효과적으로 대응한다.27
• 간단한 채널 등화: 각 부반송파에 대해 간단한 등화가 가능하여 수신기 복잡도를 낮춘다.32

3.4.2. 단점

• 높은 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio): 다수의 부반송파 신호가 동위상으로 더해질 때 순간적으로 높은 피크 전력이 발생할 수 있다. 이는 고도의 선형성(linearity)을 요구하는 전력 증폭기를 필요로 하며, 이는 증폭기 효율을 떨어뜨리고 비용을 증가시킨다.32
• 주파수 및 타이밍 오프셋에 대한 민감성: 반송파 주파수나 샘플링 타이밍에 미세한 오차가 발생하면 부반송파 간의 직교성이 깨져 심각한 성능 저하를 초래할 수 있다.27

표 1: DSSS와 OFDM의 기술적 비교

섹션 4: IEEE 802.11 물리 계층의 진화: DSSS에서 OFDM으로

IEEE 802.11 PHY 계층의 발전은 단순히 선형적인 기술 진보가 아니었다. 이는 기술적 혁신과 하위 호환성이라는 중요한 비즈니스 요구 사이의 균형을 맞추려는 시장 주도적이고 실용적인 과정이었다. 특히 802.11g 표준은 이러한 타협의 대표적인 사례이다.

표 2: IEEE 802.11 기반 PHY 계층의 진화

4.1. DSSS 시대: 802.11-1997 및 802.11b

• 802.11-1997: 최초의 표준으로, 2.4 GHz 대역에서 DSSS와 FHSS를 사용하여 1 및 2 Mbps의 속도를 제공했다. 이 중 DSSS가 빠르게 선호되는 방식으로 자리 잡았다.17
• 802.11b (1999): Wi-Fi를 대중화시킨 획기적인 표준이다. DSSS를 직접 확장하여 CCK 기술을 도입함으로써 데이터 전송률을 11 Mbps로 끌어올렸으며, 기존 장치와의 하위 호환성을 보장했다.23

4.2. 패러다임 전환: 802.11a (1999)와 OFDM의 채택

1999년, IEEE는 802.11b와 동시에 기술적으로 더 우월한 802.11a 표준을 비준했다. 이는 DSSS가 제공할 수 있는 속도를 훨씬 뛰어넘는 데이터 전송률에 대한 요구에 부응하기 위함이었다.38

• 기술: OFDM 기반의 새로운 PHY 계층을 도입했으며, 상대적으로 간섭이 적고 더 넓은 대역폭을 사용할 수 있는 5 GHz U-NII 대역에서 동작했다.33
• 성능: 52개의 부반송파(데이터 48개, 파일럿 4개)와 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM 등 다양한 변조 방식을 사용하여 최대 54 Mbps의 데이터 전송률을 제공했다.5
• 시장 채택: 기술적 우위에도 불구하고, 5 GHz 부품의 높은 비용과 당시 시장을 장악하고 있던 802.11b와의 호환성 부재로 인해 초기 시장 채택은 더뎠다.33

4.3. 하이브리드 접근법: 802.11g (2003) - 호환성과 속도의 결합

시장은 802.11a의 속도를 원했지만, 이미 널리 보급된 수많은 802.11b 장치들을 포기할 수 없었다. 이러한 시장의 현실이 802.11g라는 하이브리드 표준의 탄생을 이끌었다. 802.11g의 최우선 설계 목표는 단순히 속도를 높이는 것이 아니라, ’하위 호환성을 갖춘 속도 향상’이었다.48

• 목표: 802.11a의 54 Mbps 속도를 2.4 GHz 대역으로 가져오면서, 기존의 방대한 802.11b 장치들과의 호환성을 유지하는 것이었다.38
• 필수 모드: 802.11a의 OFDM PHY를 2.4 GHz에서 동작시키는 ERP-OFDM 모드와, 802.11b 호환성을 위한 ERP-DSSS/CCK 모드를 필수로 정의했다.41
• 선택적 DSSS-OFDM 모드: 공존을 위한 핵심 메커니즘으로, 하이브리드 패킷 형식을 도입했다. 패킷의 프리앰블과 헤더는 DSSS로 전송하여 802.11b 장치들이 이를 감지하고 매체 점유를 유보하도록 하고, 실제 데이터 페이로드는 고속의 OFDM으로 전송하는 방식이었다.40
• 성능 저하: 802.11b 장치와의 공존을 위해 RTS/CTS와 같은 보호 메커니즘을 사용해야 했으며, 이는 상당한 오버헤드를 유발하여 혼합 모드 네트워크의 전체 처리량을 감소시키는 요인이 되었다.49

섹션 5: 장거리 Wi-Fi를 위한 독점적 MAC 계층 아키텍처

표준 802.11의 CSMA/CA 프로토콜이 옥외 PtMP 환경에서 실패한다는 동일한 문제 인식에서 출발했지만, Ubiquiti와 MikroTik은 각기 다른 철학을 바탕으로 독자적인 해결책을 개발했다. Ubiquiti는 사용 편의성과 통합된 시스템에 초점을 맞춘 반면, MikroTik은 전문가를 위한 세밀한 제어와 유연성에 중점을 두었다.

5.1. Ubiquiti airMAX: TDMA 기반 폴링 프로토콜

Ubiquiti의 airMAX는 CSMA/CA를 대체하기 위해 처음부터 설계된 포괄적인 TDMA 시스템이다. 지능형 AP 컨트롤러가 각 클라이언트에게 전송할 수 있는 특정 시간 슬롯을 할당하여 히든 노드로 인한 충돌을 원천적으로 제거하고 통신 시간 효율을 극대화한다.7

• 기술적 진보:
• airMAX (M 시리즈): 802.11n PHY 계층을 기반으로 핵심 TDMA 프로토콜을 도입하여 150 Mbps 이상의 처리량을 달성했다.7
• airMAX ac: 802.11ac PHY 계층을 기반으로 한 진화된 버전이다. 더 넓은 채널(최대 80 MHz)과 고차 변조 방식(256-QAM)을 활용하여 450-500 Mbps 이상의 처리량을 제공한다. 또한, TDMA 스케줄러를 하드웨어적으로 가속하는 맞춤형 실리콘 IC(airMAX 엔진)를 탑재하여 지연 시간을 개선하고 확장성을 높였다.8
• 핵심 시스템 기능:
• 지능형 QoS: “스마트 폴링” 메커니즘이 음성 및 비디오 패킷을 자동으로 감지하여 우선순위를 부여함으로써 끊김 없는 스트리밍을 보장한다.7
• airMAX 우선순위: 네트워크 관리자가 신호가 좋은 클라이언트에 더 높은 우선순위(더 많은 시간 슬롯)를 수동으로 할당하여 전체 섹터 성능을 최적화할 수 있다.10
• 확장성: CSMA/CA 시스템에서 나타나는 성능 저하 없이 섹터당 많은 수의 클라이언트를 처리하도록 설계되었다.7

5.2. MikroTik Nstreme & Nv2: 폴링 및 프레임 집합 프로토콜

MikroTik의 접근 방식은 더 반복적이며, 전문가 수준의 구성 가능성을 반영한다. 여러 가지 독점 프로토콜을 제공하여 사용자가 특정 시나리오에 가장 적합한 도구를 선택할 수 있도록 한다.

• Nstreme: AP가 각 클라이언트를 순차적으로 폴링하여 전송 권한을 부여하는 독점적인 폴링 기반 프로토콜이다. 이는 토큰 링 네트워크와 유사하게 작동하여 충돌을 방지한다.11
• 프레임 집합 (Frame Aggregation): Nstreme의 핵심 기능 중 하나는 여러 개의 작은 패킷을 하나의 큰 프레임으로 묶는 것이다(framer-policy 및 framer-limit 설정). 이는 프로토콜 오버헤드를 크게 줄여 특히 지점-지점(Point-to-Point, PtP) 링크에서 처리량을 극대화한다.11
• Nstreme2: 고속 PtP 링크를 위한 특화된 듀얼 라디오 구현이다. 하나의 라디오는 송신 전용으로, 다른 하나는 수신 전용으로 사용하여 반이중(half-duplex) 시스템보다 훨씬 빠른 전이중(full-duplex)과 유사한 연결을 구현한다.11
• Nv2: MikroTik이 PtMP 환경에서 airMAX와 더 효과적으로 경쟁하기 위해 개발한 진보된 TDMA 기반 프로토콜이다. Nstreme보다 잡음이 많은 환경에서 더 강인하고 부하 상태에서 더 안정적인 지연 시간을 제공하여 대부분의 현대 애플리케이션에서 Nstreme의 후속 기술로 간주된다.54

섹션 6: 성능 비교 분석 및 벤치마킹

이러한 독점 시스템의 성능은 최대 처리량, 지연 시간, 확장성이라는 여러 차원에서 평가되어야 한다. 특정 프로토콜이 모든 면에서 우월한 경우는 없으며, 각 프로토콜은 특정 시나리오에 최적화된 성능 상충 관계를 가진다.

표 3: 독점적 MAC 프로토콜의 아키텍처 비교

6.1. 처리량 대 거리: 256-QAM의 딜레마

airMAX ac와 같은 802.11ac 기반 시스템의 최고 데이터 전송률은 256-QAM 변조 방식을 통해 달성된다.8 그러나 256-QAM은 안정적으로 작동하기 위해 매우 높은 SNR 또는 CINR(34-37 dB 이상)을 요구한다.9 이 물리적 제약은 최대 처리량이 잡음이 적은 환경의 매우 짧은 거리에서만 가능하다는 것을 의미한다. 거리가 멀어지거나 간섭이 증가하면, 시스템은 안정성을 위해 64-QAM이나 QPSK와 같이 더 강인하지만 느린 변조 방식으로 자동 전환해야 한다.9 이로 인해 이론적인 최대 속도와 실제 장거리 성능 사이에는 상당한 격차가 발생한다.

6.2. 지연 시간 및 지터 분석

• TDMA/폴링 대 CSMA/CA: airMAX나 Nv2와 같은 결정론적 프로토콜은 네트워크 경쟁이 심화될 때 지연 시간이 급증하고 변동성이 커지는 802.11의 CSMA/CA에 비해 부하 상태에서 훨씬 안정적이고 예측 가능한 지연 시간을 제공한다.54 이는 마치 혼잡한 교차로에서 신호등(TDMA)이 회전교차로(CSMA/CA)보다 예측 가능한 흐름을 보장하는 것과 같다.56
• Nv2 대 Nstreme: 벤치마크에 따르면 Nv2는 Nstreme보다 더 낮고 일관된 지연 시간을 제공하여 PtMP 네트워크에 더 적합하다. 반면, 부하가 적은 PtP 링크에서는 Nstreme이 1밀리초 미만의 매우 낮은 지연 시간을 달성하기도 한다.56

6.3. 확장성 및 잡음 내성

• 클라이언트 용량: TDMA 시스템은 과부하 시 성능이 급격히 저하될 수 있는 CSMA/CA 시스템보다 섹터당 더 많은 활성 클라이언트(예: 30-60명 이상)를 수용하면서도 점진적인 성능 저하를 보이도록 설계되었다.3
• 간섭 처리: AP가 전송을 제어하는 폴링/TDMA 프로토콜은 본질적으로 간섭에 더 강하다. 클라이언트가 매체를 명확하게 감지하는 것에 의존하지 않기 때문이다. 특히 Nv2는 Nstreme보다 간섭에 더 강인한 것으로 알려져 있다.54 Ubiquiti의 airMAX ac는 RF 필터링 및 전용 스펙트럼 분석 라디오와 같은 고급 기능을 통합하여 간섭 완화 능력을 더욱 향상시켰다.3

6.4. 성능 벤치마크 종합

• PtP 링크: 깨끗하고 짧은 거리의 PtP 링크에서는 표준 802.11ac가 더 낮은 오버헤드 덕분에 독점 프로토콜보다 더 나은 성능을 보일 수 있다. 그러나 거리와 간섭이 증가하면 프레임 집합 기능이 있는 Nstreme이나 airMAX ac가 더 안정적이고 신뢰할 수 있는 처리량을 제공하는 경향이 있다.9
• PtMP 링크: PtMP 시나리오에서는 airMAX, Nv2와 같은 TDMA 기반 프로토콜이 거의 모든 면에서 표준 802.11보다 우수하다. 이들은 훨씬 높은 총 섹터 처리량을 제공하고 더 많은 클라이언트를 안정적으로 지원한다.3 벤치마크에 따르면 airMAX ac와 같은 시스템은 구형 802.11n 기반 시스템보다 2-4배 높은 섹터 용량을 제공할 수 있다.9

섹션 7: 시스템 수준 고려사항 및 구축 권장사항

Ubiquiti와 MikroTik 사이의 선택은 단순히 기술적인 결정을 넘어, 운영의 단순성과 세밀한 제어 사이의 균형을 맞추는 전략적인 비즈니스 결정이다. 이 선택은 네트워크 관리, 확장성, 총 소유 비용(TCO)에 장기적인 영향을 미친다.

7.1. 생태계 분석: Ubiquiti 대 MikroTik

• Ubiquiti: 사용자 친화적인 인터페이스(UniFi/UISP 컨트롤러), 간소화된 설정, 긴밀하게 통합된 하드웨어/소프트웨어 생태계로 높은 평가를 받는다. 사용 편의성과 신속한 설치가 우선시되는 환경에 선호된다.59 Ubiquiti는 수백 개의 장치를 간단하게 배포하고 관리할 수 있도록 지원하여 기술 장벽을 낮추고 기술자 교육 및 네트워크 배포에 드는 시간과 비용을 절감한다.
• MikroTik: 강력하고 고도로 구성 가능한 RouterOS로 유명하며, 네트워킹 전문가에게 탁월한 제어 능력과 유연성을 제공한다. 학습 곡선은 가파르지만, 종종 더 비용 효율적이며 복잡하고 맞춤화된 네트워크 설계를 가능하게 한다.59 고유하고 복잡한 문제를 해결해야 하거나 하드웨어 비용을 최소화하려는 전문 기술을 갖춘 조직에 적합하다.

7.2. 상호 운용성의 문제

이 시스템들의 가장 큰 단점은 특정 공급업체에 종속된다는 점이다. airMAX AP는 airMAX 클라이언트와만 통신할 수 있으며, Nv2 AP는 Nv2 클라이언트와만 통신할 수 있다. 이러한 상호 운용성의 부재는 특정 네트워크 구간에 대해 단일 공급업체의 생태계에 의존하게 되므로 중요한 비즈니스 고려사항이다.55

7.3. 하드웨어 및 안테나 고려사항

장거리 링크의 성능은 라디오와 프로토콜뿐만 아니라 안테나 시스템에도 크게 의존한다. 디시, 섹터 안테나와 같은 고이득 지향성 안테나의 사용은 필수적이다.7 Ubiquiti의 빔 쉐이핑 기술이나 RF 격리 기능(airPrism)과 같은 특화된 안테나 기술은 동일 채널 간섭이 심한 환경에서 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다.3

7.4. 시나리오별 구축 가이드

• 고용량 PtP 백홀: 최대 처리량이 핵심인 이 시나리오에서는 가장 넓은 채널과 최고차 변조 방식을 지원하는 airMAX ac나 강력한 하드웨어에서 실행되는 MikroTik Nstreme/802.11ac가 권장된다. 대형 디시 안테나 사용이 일반적이다.9
• 다중 클라이언트 PtMP 접속: 주거 또는 비즈니스 고객 서비스를 위해서는 확장성, 안정적인 지연 시간, 잡음 내성이 우선시된다. airMAX ac나 MikroTik Nv2와 같은 TDMA 기반 시스템을 고품질 섹터 안테나와 함께 사용하는 것이 강력히 권장된다.3
• 비용 및 호환성: MikroTik은 종종 더 낮은 하드웨어 비용을 제공하지만 더 많은 구성 전문 지식(높은 운영 비용)을 요구할 수 있다. Ubiquiti는 초기 비용이 더 높을 수 있지만 배포가 더 빨라 운영 비용을 절감할 수 있다.59

섹션 8: 결론

8.1. 연구 결과 종합

본 분석을 통해, 독점적인 MAC 계층 혁신(TDMA, 폴링)이 표준 DSSS/OFDM 물리 계층의 잠재력을 최대한 발휘하여 신뢰성 있고 고성능인 장거리 무선 통신을 가능하게 하는 핵심 요소임이 명확해졌다. 이 시스템들은 옥외 PtMP 환경에서 표준 Wi-Fi의 CSMA/CA 프로토콜이 가진 히든 노드 문제, ACK 오버헤드, 비효율적인 매체 접근과 같은 근본적인 결함을 해결한다. 즉, 이 기술들은 단순한 Wi-Fi의 확장이 아니라, 특정 목적을 위해 재설계된 완전히 새로운 통신 아키텍처이다.

8.2. 향후 전망

장거리 무선 통신 시장은 계속해서 진화할 것이다. Wi-Fi 6/6E (802.11ax)와 같은 최신 Wi-Fi 표준은 표준 자체에 OFDMA(다중 사용자 버전의 OFDM)를 포함하고 있어, 이론적으로는 독점 TDMA 시스템과 유사한 다중 사용자 효율성을 제공할 수 있다. 앞으로의 과제는 성능에 최적화된 독점 솔루션과 상호 운용성을 보장하는 표준 기반 솔루션 간의 지속적인 경쟁이 될 것이다. 독점 시스템이 계속해서 특정 고성능 틈새시장을 지배할지, 아니면 표준 기술이 발전하여 그 격차를 줄일 수 있을지가 이 분야의 미래를 결정하는 중요한 관전 포인트가 될 것이다.

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