WiFi - BPSK, QPSK, 16 QAM, 64 QAM

무선 네트워크 과목을 듣다 보면 흔히 modulation 이라는 용어를 쉽게 접할 수 있다. 

"Modulation" 이란 무엇인가. 우리말로 하면 "변조"라고 한다. 

그렇다면 "변조"란 무엇인가.

0101110101011 과 같이 표현되는 이진 부호를 전기적인 신호로 변경해주는 변환 과정을 의미한다.

유선랜으로 쏘는 경우라면 랜선을 통해서 전달될 수 있도록 전기 신호로 변환해 주는 것이고, 

무선랜으로 쏘는 경우라면 Wireless Signal 형태로 변환해 무선 공간으로 전송할 수 있도록 해주는 것이다. 

여기서는 무선랜에서 사용하는 11a/g/n의 modulation(변조) 방식에 대해 알아보고자 한다.

 [11a/g]

 [11n]

위와 같이 BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM 의 Modulation을 사용하고 있다. 그렇다면 이 방식들은 01010111과 같은 이진 부호를 어떤 형태의 Wireless Signal로 바꾸는지 알아보도록 하자

BPSK (Binary phase-shift keying)

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이 방식은 Signal 하나에 0 또는 1을 표현해서 보내는 방식이다. 즉, 한 구간의 주파수에 1 bit 의 정보를 표현할 수 있다.

위와 같이 BPSK를 이용하면 하나의 T라는 시간에 0 또는 1의 1bit 표현이 가능하다.

BPSK는 Phase(위상)을 2등분하여 2가지 정보 (0, 1)를 구분하게 된다.

QPSK (Binary phase-shift keying)

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이 방식은 주파수 하나에 00, 01, 10 또는 11을 표현해서 보내는 방식이다. 즉, 한 구간의 Signal에 2 bit 의 정보를 표현할 수 있다.

QPSK는 Phase(위상)을 4등분하여 4가지 정보 (00, 01, 10, 11)을 구분하게 된다.

이런식으로 위상을 잘게 쪼개서 보내는 방식을 사용하면 어느 정도까지는 인식이 되지만 조금만 위상이 틀어진 주파수를 전달받으면 잘못된 정보를 전달 받을 수 있다. 즉, 위상을 잘게 쪼개면 쪼갤수록 왜곡 발생 확률이 증가하게 되는 것이다.

그래서 하나의 Signal에 좀 더 많은 데이터를 담기 위해 위상 분할만 하지 않고, 진폭까지도 조정하는 방식을 사용하게 되는데 이 방식을 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 방식이라고 부른다. 

(무선랜에서는 위상 변환만 이용하는 PSK를 BPSK[2-PSK], QPSK[4-PSK] 까지만 사용하고 8-PSK는 사용하지 않는다.)

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

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이 방식은 위상 + 진폭으로 데이터를 Signal을 통해 표현한다. 

이전 PSK 방식이 아래와 같았다면, (진폭 동일, 위상 다름)

이 QAM 방식은 아래와 같이 진폭까지 조정함으로써 더 많은 데이터를 하나의 signal에 담게 된다.

위와 같은 방식을 이용함으로 써 아래 modulation 방식을 통해 하나의 signal에 전송할 수 있는 bit 수는 다음과 같다.

BPSK : 1 bit

QPSK : 2 bits

16 QAM : 4 bits

64 QAM : 6 bits

무선 환경이 좋으면 좋을 수록 interference(간섭)이 발생할 확률이 적어져 신호의 왜곡이 생기지 않으므로, 좋을 경우는 64 QAM을 사용해서 성능을 높히고, 환경이 좋지 않다고 판단될 경우 BPSK 를 사용해서 성능을 떨어뜨리는 대신 reliability(신뢰성)을 높히게 된다.