6 장 무선과 이동 네트워크

6-1

6 장 무선과 이동 네트워크

6-2

Chapter 6 목차

무선 (wireless)

6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11

wireless LANs (“wi-fi”)

6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA

이동 (mobility)

6.5 주소관리와 라우팅 6.6 이동 IP 6.7 셀룰러 망에서의

이동 6.8 이동성이 상위

계층에 미치는 영향

6: Wireless and Mobile Networks 6-3

대표 무선 표준 기술의 비교

Indoor10-30m

Outdoor50-200m

Mid-rangeoutdoor

200m – 4 Km

Long-rangeoutdoor

5Km – 20 Km

.056

.384

1

4

5-11

54

IS-95, CDMA, GSM 2G

UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G

802.15

802.11b

802.11a,g

UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 3G cellularenhanced

802.16 (WiMAX)

802.11a,g point-to-point

200 802.11n

Dat

a ra

te (

Mbp

s)

data


Infrastructure 기반 무선 네트워크

network infrastructure

infrastructure 기반 베이스 스테이션 (base

station) 존재 핸드오프 (handoff):

모바일 호스트가 베이스 스테이션을 변경할 때

Base station

Mobile host

6-5

Ad hoc 무선 네트워크ad hoc 기반 base stations 없음 노드들은 스스로

라우팅을 해야 한다 .


Single hop 과 multiple hops 비교

single hop multiple hops

infrastructure

Ad hoc

- 호스트는 base 스테이션에 연결(WiFi, WiMAX, cellular) -Base 스테이션은 공중 Internet 에 연결

-base station 없음 .- 공중 Internet 에 연결되지 않음

- 호스트는 여러 노드를 거쳐 인터넷에 연결될 수 있다 .-Base station 에 도달하기전까지는 ad hoc 네트워크- mesh net

-Base station 없음- 완전한 자체 독립된 망으로구성될 수 있다 .- MANET, VANET


무선 링크의 특징 (1)유선 링크와의 차이점

신호 강도의 감소 : 신호가 전파되면서 강도가 약해진다 .(path loss)

다른 소스의 간섭 : 다른 장치 ( 전화 , 모터 등 ) 와 주파수를 공유한다 .( 특히 2.4 GHz)

다중경로 전파 (multipath propagation): 전자파는 물체에 반사하여 다른 경로를 통해 목적지에 도달한다 .


무선 링크의 특징 (2) SNR: signal-to-noise ratio BER: Bit Error Rate SNR 과 BER 의 관계 : tradeoff

물리계층이 고정되면 : • 전력 증가 -> SNR 증가 ->BER

감소 SNR 이 고정되면 :

• 요구하는 BER 을 만족시키는 물리 계층 선택

• SNR 은 이동에 따라서 변할 수 있다 : 이에 따라 물리계층의 modulation 기술의 변경으로 전송 속도 조절

10 20 30 40

QAM256 (8 Mbps)

QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

SNR(dB)B

ER

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4


무선망의 특징무선 호스트들은 다중 접속 (MAC) 문제이외에 다른

문제를 발생시킨다 .

AB

C

Hidden terminal problem B, A 는 서로 신호를 수신 B, C 는 서로 신호를 수신 A, C 는 서로 신호 수신 불가능 ,

따라서 A 와 C 는 B 에 미치는 영향을 알지 못한다 .

A B C

A’s signalstrength

space

C’s signalstrength

Signal 감소 : B, A 는 상호 신호 감지 B, C 는 상호 신호 감지 A, C 는 B 에 미치는 간섭을

알지 못한다 .


Chapter 6 목차

6.1 개요

Wireless 6.2 무선 링크의 특징 6.3 IEEE 802.11 무선

LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망

구조 표준 CDMA


IEEE 802.11 무선 LAN

802.11b 2.4-5 GHz 비인가

(unlicensed) 주파수 대역 사용 속도는 11 Mbps 까지 물리계층 코딩 : direct

sequence spread spectrum (DSSS)

802.11a 5-6 GHz range up to 54 Mbps

802.11g 2.4-5 GHz range up to 54 Mbps

802.11n: multiple antennae 2.4-5 GHz range up to 200 Mbps

모두 CSMA/CA MAC 을 사용한다 . 모두 infrastructure 기반과 ad hoc 방식을

지원한다 .

Radio Communication Band

Infrared Light wave

400 900

Spectrum for 470MHz – 6GHz

2.16G-2.2G

Cellular

806M-894M

CT

894M-960M

GMPCS

1.53G-1.66G

PCS

1.71G -1.885G

IMT2000

(Uplink)

1.90G -1.92G - 1.98G

IMT2000

(MSS

uplink)

1.98G-2.02G-2.025G

IMT2000

(Downlink)

2.11G - 2.17G

IMT2000

(MSS

Downlink)

WLAN

(802.11b

Bluetooth)

2.4G-2.48G

IMT2000

(New)

2.5G-2.69G

2.7G-2.9G

WLAN

(HIPER

LAN/1)

WLAN

(HIPER

LAN/2)

WLAN

(802.11a)

5.15G-5.35G

5.47G-5.725G

5.725G-5.875G

GMPCSWLL

2.3G-2.4G

2.17G-2.2G

(TDD) (TDD)

3G

TV => Reallocation

806MHz470MHz 698MHz

WRC2000 resolution 223WRC2000 optional

주파수 대역

ISM(Industrial, scientific, medical) 대역 사용 : 허가를 받지 않아도 되는 대역


802.11 LAN 구조

무선 호스트는 base station과 통신 base station = access

point (AP) Basic Service Set (BSS):

infrastructure 기반의 경우 무선 호스트 엑세스 포인트 (AP):

base stationBSS 1

BSS 2

Internet

hub, switchor routerAP

AP


802.11 의 채널

802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 스펙트럼을 11 channel 로 나누어 사용 AP 는 11 개 채널 중 하나를 선택 이웃하는 AP 가 동일한 채널을 사용할 경우 신호

간섭 발생 무선 호스트

채널을 스캔하여 AP 의 이름 (SSID) 과 MAC 주소를 포함하고 있는 beacon frame 을 수신한다 .

통신에 사용할 AP 를 선택 (association) 인증 (authentication) 을 수행할 수 있다 . DHCP 를 사용하여 IP 주소를 얻는다 .


802.11: 수동 /능동 스캐닝

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

122

3 4

능동 Scanning: (1) H1 은 Probe Request frame 을

보낸다 (Broadcast).(2) AP 들은 Probes response frame

을 전송(3) H1 은 AP 를 선택하여

Association Request frame 을 전송

(4) AP 는 H1 에게 Association Response frame 을 전송

AP 2AP 1

H1

BBS 2BBS 1

1

23

1

수동 Scanning: (1) AP 들로부터 beacon frames 를

수신(2) H1 은 AP 를 선택하여 association

Request frame 을 전송 :(3) AP 는 H1 에게 association

Response frame 를 전송


IEEE 802.11: 다중 접속 방식 2 개 이상의 노드가 동시에 전송할 때 충돌 (collision)

발생 802.3: CSMA/CD

충돌 탐지 (Collision detection)

802.11: no collision detection(CD)! 충돌이 발생한 것을 인식 (sensing) 하는 것이 힘들다 :weak

received signal 때문 (fading) 어떤 경우에는 CD 가 불가능한다 : hidden terminal 따라서 충돌 회피 : CSMA/C(ollision)A(voidance)

AB

CA B C

A’s signalstrength

space

C’s signalstrength

Hidden terminal 문제

B 가 전송을 하고 있을 때 C 가 전송을 하려고 한다고 하자 .

C 는 누가 전송 중인지 확인하려고 하지만 B 의 신호 범위 밖에 있기 때문에 B 가 전송 중인지 모른다 . 따라서 아무도 전송을 하지 않는 것으로 생각하고 전송을 한다 . 따라서 충돌 발생 .


CSMA/CA: Avoiding collision

idea: 데이터 전송을 하기 전에 미리 채널을 누가 사용하고 있지 않는지 확인한다 .(Carrier Sensing) 그리고 채널을 예약한다 .(collision avoidance)

Sender 는 먼저 request-to-send (RTS) 패킷을 BS 에 송신 RTS 프레임들끼리 충돌할 수 있으므로 CSMA 사용 RTS 는 짧은 길이의 패킷

BS 는 RTS 에 대한 응답으로 clear-to-send(CTS) 패킷을 브로드캐스트한다 . 모든 노드들은 CTS 를 수신한다 .

자신의 RTS 에 대한 CTS 를 수신한 호스트는 data 프레임을 전송 . 다른 호스트들은 전송을 보류한다 .

RTS 프레임에는 채널을 사용하는데 필요한 시간이 포함되어 있다 . 따라서 RTS(CTS) 를 수신한 스테이션들은 NAV 라는 타이머를 동작시키고 이 시간 동안 전송을 연기한다 .


Collision Avoidance: RTS-CTS 교환

APA B

time

RTS(A)RTS(B)

RTS(A)

CTS(A) CTS(A)

DATA (A)

ACK(A) ACK(A)

reservation collision

defer


framecontrol

durationaddress

1address

2address

4address

3payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

802.11 frame: 주소

Address 2: 무선 호스트의MAC 주소 혹은 이 프레임을전송한 AP 의 주소

Address 1: 무선 호스트의MAC 주소 혹은 이 프레임을수신한 AP 의 주소

Address 3: AP 가 접속된 라우터 인터페이스의 MAC 주소

Address 4: ad hoc 모드에서 사용


Internetrouter

AP

H1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr

address 1 address 2 address 3

802.11 frame

R1 MAC addr H1 MAC addr

dest. address source address

802.3 frame

802.11 frame: 주소


framecontrol

durationaddress

1address

2address

4address

3payload CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seqcontrol

TypeFromAP

SubtypeToAP

More frag

WEPMoredata

Powermgt

Retry RsvdProtocolversion

2 2 4 1 1 1 1 1 11 1

802.11 frame예약된 전송 시간의 길이 (RTS/CTS) 프레임 일련 번호 (for RDT)

프레임 유형(RTS, CTS, ACK, data)


802.11: 속도 조절 (Rate Adaptation) BS 와 MH 는 SNR 의

변화에 따라 전송 속도를 변경한다 . ( 물리 계층의 modulation 기술 )

QAM256 (8 Mbps)QAM16 (4 Mbps)

BPSK (1 Mbps)

10 20 30 40SNR(dB)

BE

R

10-1

10-2

10-3

10-5

10-6

10-7

10-4

operating point

1. MH 가 BS 로부터 멀어지면 SNR 감소 , BER 증가 .

2. BER 이 너무 커지면 전송 속도를 낮춘다 .


802.11: Power 관리

노드는 AP 에게 수면 상태로 들어갈 것임을 알린다 .AP 는 수면 상태에 들어간 노드에게 프레임을

전송하지 않는다 . 대신 버퍼에 프레임을 저장노드는 다음 beacon 프레임이 도착하기 전에

깨어난다 . Beacon 프레임은 전송할 프레임이 있는 노드의

주소를 포함만약 자신이 수신할 데이터가 없으면 노드는

다시 수면 모드로 들어간다 .Beacon 프레임 전송 간격 : 100msec수면시간에서 동작 시간으로 전환 : 250usec


Mradius ofcoverage

S

SS

P

P

P

P

M

S

Master device

Slave device

Parked device (inactive)P

802.15: personal area network(PAN) 10 m 이하의 거리 케이블을 대체한다 .(mouse,

keyboard, headphones) ad hoc 네트워크 master/slaves:

Slaves 는 master 에 전송 승인을 요청한다 .

Master 는 이 요청에 승인한다 .

802.15: Bluetooth 2.4-2.5 GHz radio band up to 721 kbps

Bluetooth

Bluetooth 망은 piconet 이라고 부른다 . Piconet 은 8 개의 스테이션으로 구성

1 개의 master(primary), 7 개의 slaves(secondary) Primary 와 secondary 의 통신은 1 대 1, 혹은 1 대 다수

Bluethooth 의 MAC

TDMA 사용 기본적으로 polling 방식과 유사하다 .

625ms

366ms


802.16: WiMAX 802.16 표준

802.16e: fixed WiMAX 802.16d: mobile

WiMAX(WiBro) 무선 인터넷 가입자망을

목표로 함 반경 : ~45Km(802.16e) 속도 : 30-40Mbps

base station 존재 BS 와 MH 는

omnidirectional antenna 를 사용하여 전송

BS 와 BS 는 p-to-p 안테나 사용

point-to-multipoint

point-to-point


Chapter 6 목차

6.1 개요

Wireless 6.2 무선 링크 특징

6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”)

6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA


Mobile Switching

Center

공중 전화망인터넷

Mobile Switching

Center

셀룰러 네트워크의 구성

cells 을 공중 광역망에 연결 호 설정 관리 이동 관리

MSC

base station (BS) mobile users air-interface:

cell

wired network


셀룰러 망 : 무선 접속 방식mobile-to-BS 의 주파수를

공유하여 전송하는 방법 FDMA/TDMA CDMA: code division

multiple access

frequencybands

time slots


Code Division Multiple Access (CDMA) cellular network 에서 사용하는 다중 접속 방식

(MAC) 모든 사용자는 동일한 주파수를 사용한다 . 하지만

데이터를 encoding/decoding 하기 위한 고유의 “ chip sequence” 를 갖고 있다 .

encoded signal = (original data) X (chipping sequence)

decoding: inner-product of encoded signal 과 chip sequence 의 inner-product 를 chip sequence 의 수 (M) 로 나눈 값

데이터 표현

Chip Sequence

Sender 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1

Sender 2 1 -1 1 1 1 -1 1 1


CDMA 의 예 : 2 개의 sender

Chip sequence 는 어떻게 만드나 ?


셀룰러 망의 표준 무선 접속 방식

2G: 음성 채널 IS-136 TDMA: FDMA/TDMA 의 결합 ( 북미 ) GSM (global system for mobile

communications): FDMA/TDMA 의 결합 가장 널리 사용

IS-95 CDMA: code division multiple access

IS-136 GSM IS-95GPRS EDGECDMA-2000

UMTS

TDMA/FDMA

40

AMPS

Analog(FDMA)

D-AMPS

GSM

TDMA/FDMA

IS-95CDMA

1992 년 결정1996 년 개시

IS-95AIS-95B

14.4kbps64kbps

CDMA1x-EVDO

GPRS EDGE WCDMA HSDPA

2.4Mbps2003 년

8Kbps

30kbps9.6kbps

384kbps

WiBro

18Mbps

Wi-Fi

54Mbps

10Mbps2007 년

1G 2G 2.5G 3G 3.5G

144kbps384kbps2Mbps


2.5G

2.5 G systems: 음성과 데이터 채널 3G 로 이행하기 전 단계에서 데이터 전송 속도를 높일

목적으로 만듬 : 2G 확장 general packet radio service (GPRS)

GSM 에서 진화 Data 는 다중 채널을 통해서 전송 (if available)

enhanced data rates for global evolution (EDGE) GSM 에서 진화 , 발전된 modulation 기술 사용 data 속도는 384K 까지

CDMA-2000 1x (phase 1) data 속도는 144K 까지 IS-95 에서 진화

CDMA 1X EV

contents providers

EVDO

EVDV

Evolution Data Only

Evolution data and Voice

SKT, KTF

LGT

CDMA 1x EVDO: 데이터 전송 속도는 2.4Mbps 까지

3G: IMT-2000

1992 년부터 추진 : ITU 는 Internet Mobile Communication for year 2000 계획 발표 음성 품질은 PSTN 수준으로 데이터 전송 속도는

• 이동 차량에서는 , 보행자는 384kbps for pedestrians, 비이동 사용자는2Mbps

packet-switched 와 circuit-switched 데이터 서비스 지원 2GHz (1.885-2.025GHz, 2.100-2.200GHz) 대역 사용 대역폭은 2MHz 인터넷 접속 지원

유럽에서는 UMTS 로 불리었고 , 일반적인 이름으로 International Moblie Telecommunication 2000(IMT-2000) 으로 불림

Synchronous vs. Asynchronous CDMA 2000:

synchronous 모든 base channel 은 GPS(Global Positioning System) 와 동기화

주로 북미에서 사용 W-CDMA:

asynchronous Europe 에서 사용


3.5G

3G systems: 음성 /데이터 Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS)

data 속도 : High Speed Uplink/Downlink packet Access (HSDPA/HSUPA): 14.4Mbps up, 2Mbps up

WiBro 한국에서 제안 18Mbps

HSDPA

구분 1x EV-DO WCDMA(R4) HSDPA(R5)

제공서비스 Data only 음성 + 데이터 음성 + 데이터

하향 최고 전송 속도 2.4Mbps 2Mbps 10(14)Mbps

상향 최고 전송 속도 153.6Kbps 2Mbps 2Mbps

Wireless MAN

IEEE 802.16 802.16: LOS is required 802.16.1a

• LOS not required• 11GHz

802.16e (WiBro)• Support mobility and roaming

WiBro vs. HSDPA

WiBro HSDPA

제공 서비스 Data only voice+data

속도 18.4Mbps 10Mbps

이동 속도 ~80Km/h ~250km/h

4G

LTE(Long Term Evolution) orthogonal frequency-division multiplexing

(OFDM) 사용 100Mbps down, 30Mbps up(?)


6-506: Wireless and Mobile Networks

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Documents

6 장 무선과 이동 네트워크