Wireless / Characteristics, LANs

유선 링크와 다른 점

- 시그널 강도가 물체 또는 거리에 따라 약해짐

- 표준 무선 주파수 대역은 많은 기기가 공유해서 무선 신호 간섭이 심함

- 무선 신호가 건물, 산, 장애물로 신호의 도착 시간이 다름 (지연, 방해)

 

비트 오류가 심함 => 강력한 CRC 오류 검출, 프레임 재전송이 필요

 

 

SNR (Signal-to-Noise Ratio, 신호 대비 잡음 비율)

- 잡음에 비해 신호가 얼마나 강하냐는 뜻, dB 단위

- 큰 SNR -> 원하는 신호를 더 명확하게 추출 가능

 

BER (Bit Error Rate, 비트 에러률)

- 전송된 데이터 비트 중 오류가 발생하는 비율, 낮을수록 정확함

- SNR과 반비례 관계

- 물리 계층에서 전력 증가 -> SNR 강화 -> BER 감소

- 특정 SNR이 주어진 경우

-- SNR이 높으면 높은 데이터 전송 속도를 지원하는 복잡한 변조 기술 사용 가능

-- SNR이 낮으면 낮은 BER 유지를 위해 간단한 변조 기술 사용

 

SNR은 이동성에 따라 달라질 수 있음

동적 적응: SNR의 변화에 따라 물리 계층의 변조 기술과 데이터 전송 속도를 동적으로 조정해야 함

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IEEE 802.11 wireless LANs - Wi-Fi

** 802.11 은 위원회 이름이었음

 

802.11b (1999)

- 2.4 GHz, 면허없이 사용 가능한 주파수 대역

- 최대 11Mbps

 

802.11a (1999)

- 5 GHz

- 최대 54Mbps

 

802.11g (2003)

- 2,4-5 GHz

- 54Mbps

 

802.11n

- 2.4-5 GHz

- 멀티플 안테나 -> MIMO(Multiple Input Multiple Output)

- 최대 200 Mbps (SU-MIMO .. 안테나당 하나의 유저 할당)

 

802.11ac

- 5GHz 범위

- 최대 866.7 Mbps (SU-MIMO)

- 최대 1.73 Gbps (MU-MIMO .. 안테나를 여러 유저가 공유)

 

전부 멀티플 액세스를 위해 CSMA/CA 방식 사용

전부 베이스 스테이션, 애드 혹 네트워크 둘 다 가능한 버전을 가짐

 

 

802.11 LAN Architecture

- 무선 호스트가 베이스 스테이션과 소통

- 이때 베이스 스테이션 = Access Point .. 공유기

- BSS (Base Service Set, = Cell) .. 무선 네트워크 기본 구성 단위, 특정 영역 내에서 무선 통신이 가능한 장치들의 집합

-- 인프라스트럭처 모드에서 : 무선 호스트, AP 로 구성

-- 애드혹 모드에서: 호스트들로만 구성

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802.11 Channels, Association

802.11b 예시

- 2.45GHz-2.485GHz 스펙트럼 => 11개로 나눠서 씀

- AP 관리자가 사용할 대역폭 정함

- 다른 AP랑 겹칠 수도 있음

- 총 80MHz, 1채널당 20MHz

- 11개 채널이 주파수 대역을 공유하는데, 그래도 안겹치려고 1, 6, 11번 주로 사용

 

무선 네트워크에서 호스트와 AP 상호작용

AP는 먼저 자신의 존재를 알림

* 비콘 프레임 (Beacon Frame): AP는 주기적으로 비콘 프레임을 브로드케스트하여 자신의 존재를 알림

* 비콘 프레임은 AP의 SSID (네트워크 이름), BSSID (MAC 주소)를 가짐

- 호스트는 연결할 AP를 선택, AP가 승인하면 연결 성립

- 인증(authentication) 필요하기도 함

- IP 주소 받는 건 DHCP를 쓰던가 해야 함

 

 

Passive / Active Scanning

Passive Scanning

1. AP한테 비콘 프레임을 받음

2. 연결 요청 프레임. 호스트 -> AP

3. 연결 응답 프레임. AP -> 호스트

 

Active Scanning (호스트가 직접 프레임을 전송)

1. 호스트가 Probe Request 프레임 브로드 캐스팅

2. AP한테 Probe Response 프레임 수신

3. 호스트는 받은 프레임 분석해서 연결할 AP 선택하고 연결 요청 프레임(Association request frame) 전송

4. AP는 연결 응답 프레임 전송

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802.11 프레임

frame control

duration

address 1

address 2

address 3

seq control

address 4

payload

CRC

 

frame control

Protocol version

Type

Subtype

To AP

From AP

More frag

Retry

Power mgt

More data

WEP

Rsvd

Type

- RTS

- CTS

- ACK

- data

---

Rate adaption (동적으로 전송률 바꿈)

- SNR이 감소하면 BER이 커짐

- BER이 너무 커지면 전송률을 떨어뜨림

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CSMA, CSMA/CD in Wireless

둘 다 신호 전송 전 다른 사용 여부를 감지하고, 충돌 감지 시 재전송함

문제: 송신자가 시그널을 감지 못하거나, 충돌을 감지 못하는 경우

 

무선 네트워크 특징

Hidden Terminal problem

- 물리적 장애물을 두고 서로 듣지 못할 수 있음

Signal attenuation

- 거리가 멀어서 신호가 안닿을 수 있음

 

=> 감지 말고 회피해야 함

 

CSMA/CA (Collision Avoidance)

802.11 Sender:

보내기 전에 DIFS(Distributed Inter-Frame Space, 신호 없음을 감지하는 시간) 만큼 기다림

채널이 안바쁘면 랜덤한 backoff 만큼 기다리고 만료 시 채널이 idle 하면 전송. 아크가 없으면 백오프를 늘리고 다시 백오프 대기부터 반복

 

802.11 Receiver

SIFS(Short Inter-Frame Space)만큼 기다리고 아크를 보냄

 

이때, DIFS > SIFS 여야 함

아크 메시지를 방해하면 안되기 때문

 

 

백오프

전송 전 각 전송자마다 랜덤하게 기다리는 시간인데,

동시에 전송하려고 하면 백오프가 작은 애가 먼저 백오프가 다 소모되어 전송됨

그리고 전송하지 못한 전송자는 남은 백오프만큼 기다림

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Avoiding collisions (more)

Hidden Terminal Problem(물리적 장애물)의 해결책

아이디어: 송신자가 예약(Reserve) 하도록 함

- 송신자는 베이스 스테이션에 RTS (request-to-send) 패킷을 CSMA 방식으로 보냄

- RTS 충돌 시 아무도 못보냄

- 베이스 스테이션은 CTS (clear-to-send) 를 응답으로 브로드캐스팅 => 송신자는 송신, 다른 스테이션은 대기

 

 

802.11 : 같은 서브넷에서의 이동성

AP가 달라져도 같은 서브넷에 있으면 문제 없음

스위치가 같으면 같은 네트워크를 커버 가능함

- self-learning: 스위치는 호스트에게 오는 프레임을 보고 어느 포트로 나가야 호스트에게 도달 가능한지 기억함, 바뀌면 알아서 업데이트

 

802.15 : personal area network

정확히 말하면 IEEE 802.15는 Wireless personal area network, WPAN을 정의함

"무선" 기술을 사용하는 개인 장치 들 간 통신을 지원함

- 길어봐야 10m 정도

- 케이블 대체 (마우스, 키보드, 헤드폰)

- 애드혹

- 마스터 / 슬레이브

: 슬레이브는 마스터에게 전송 허가를 요청

: 마스터는 리퀘스트에 허가 응답

블루투스, 지그비 등이 정의되어 있음

원래 블루투스 표준은 따로 있었는데(SIG) 802.15.1로 통합됨

- 2.4~2.5 GHz 대역폭

- 최대 721 Kbps

- 8개 디바이스 연결 가능 (마스터1, 슬레이브 7)

 

Blutooth 4.0 : Blutooth Smart

B. Smart: 기존 것과 호환 불가

B. Smart Ready : 기존 것과 호환 가능

- 슬레이브가 항상 대기 상태가 아님

- 전력 손실이 적음

 

Bluetooth 5

- 신뢰성, 속도 향상

- 거리, 데이터 양 증가

 

Zigbee

- 2001년 MIT 개발

- 소형, 저전력 디지털 라디오 주파수를 이용하여 개인 통신망을 구축하기 위한 표준

- 긴 배터리 수명과 보안성이 요구되는 분야에서 사용

- 65536 노드까지 커버

- 100m 까지 통신 유지

- 250 Kbps

- 애드혹, p2p, star, mesh

- 2.4 GHz 대역폭

- 저가격, 저전력

- 통신 연결 시 30ms 소요

 

활용

- 스마트 에너지 분야

- 홈 엔터테인먼트, 제어 

- 홈 인식 시스템 

- 모바일 서비스

- 상업 빌딩

- 산업용 공장