ETRI

한국전자통신연구원 이 재 승/류 철

IEEE 802.11ai 및 802.11aq

2014.04.02

ETRI

ETRI ETRI -2-

IEEE 802.11ai (FILS: Fast Initial Link Setup)

ETRI 이 재 승

ETRI

ETRI ETRI -3-

802.11ai 표준화 현황

802.11 TGai (Fast Initial Link Setup) Task Group 목표: 802.11 STA 들의 fast initial link setup을 가능하게 하

기 위한 802.11 MAC 규격에 대한 amendment 개발 표준화 일정 • PAR Approved: 2010.12.08 (Done) • Working Group Initial Letter Ballot: 2013년 7월 (Done) • Working Group Recirculation Letter Ballot: 2014년 3월, 9월 및

2015년 1월 예정 • Initial Sponsor Ballot: 2015년 7월 • Final WG Approval: 2015년 11월 • 최종 승인: 2016년 1월

2014.3월 회의에서 TGai Draft D1.0에 대한 WG Letter Ballot Comment Resolution이 완료됨 • TGai Draft D2.0 생성 및 이에 대한 Letter Ballot이 실시될 예정 • 현재 Comment resolution 이외의 신규 Technical Proposal은 사실

상 어려운 상황임

ETRI

ETRI ETRI -4-

무선랜 사용 현황

이동 단말 사용의 급증 Wi-Fi device의 다수가 portable devices 임 사용자가 이동하면서 (isolated) hot spot을 지나가는 경우가

많음 • 사용자가 한 cell 내에 머무는 시간이 짧음 • (isolated) Hot Spot에서의 초기 association 및 인증

(Initial Link Setup)이 빈번하게 발생하게 됨

새로운 형태의 응용 서비스 (트위터, 페이스북…) Push Notification Service Short and quick updates

Dense Deployment (예: 지하철 역) WLAN offloading 사용의 증가

ESS (Extended BSS) 진입시 보다 빠른 initial link setup이 Wi-Fi User Experience 향상에 중요한 요소로 작용함

짧은 initial link setup은 단말의 파워 소모 감소 효과도 있음

ETRI

ETRI ETRI -5-

무선랜 오버헤드 분석

management frame이 대부분의 air time을 차지 특히 Probe Response frames flooding이 심각함

Breakdown of Management frames

Frame type profile at metro station Source: KDDI’s report (IEEE 802.11-13/0523r2)

ETRI

ETRI ETRI -6-

11ai Fast Initial Link Setup

Initial link setup: 단말이 AP와 packet exchange를 가능하게 하기까지 필요한 모든 operation 들을 포함 • Network & BSS discovery • Authentication & association • Higher layer setup (such as IP address configuration)

FILS는 모바일 사용자가 지속적으로 ESS (Extended Service Set)의 coverage area에 진입하고 떠나는 환경에 초점을 맞추고 있음 모바일 디바이스가 ESS에 진입할 때마다 initial link setup을

수행해야 하며, TGai는 다음과 같은 요구 사항을 고려함: • 한 ESS에 동시에 진입하는 사용자 숫자가 아주 많아도 scalable

해야 함 • initial link set-up 단계에서 소모되는 시간을 최소화해야 함 • Initial link set-up 시간을 줄이면서 동시에 안전한 initial

authentication을 제공해야 함

BSS Discovery

Network Discovery

Authentication & Association

Higher Layer Setup (DHCP / IP)

ETRI

ETRI ETRI -7-

11ai 스캐닝 절차

스캐닝 절차에 대한 더 많은 control을 제공

진행중인 스캐닝에 대한 Termination 지원

스캐닝 결과에 대한 다양한 reporting option 제공

• Immediate reporting

• Reporting after a channel is scanned • 기존 802.11: 스캐닝 절차가 모두 완료된 후 reporting

Beacon, Probe Response, Fast Discovery (FD) frame에서 다수의

neighbor BSS 혹은 채널 정보를 announce 할 수 있음

주변 BSS에 대한 더 많은 정보를 제공

주변 AP에 대한 BSSID 정보는 더 정밀한 active scanning을 가능하게 함

스캐닝 중인 채널 이외의 다른 채널에 존재하는 AP 정보를 함께 알 수 있어 AP 발견에 소요되는 시간을 줄일 수 있음

ETRI

ETRI ETRI -8-

Fast Active Scanning 절차

STA은 불필요한 Probe Request 전송을 피함

Probe Response flooding 방지 목적

다른 단말이 전송한 Probe Request를 수신한 경우, 동일 AP에 대한

Probe Request 전송을 생략함

STA 1

Probe Request

STA 2

Probe Request 전송

Delay

AP1 AP2 AP3

STA 1

Probe Response

STA 2

Probe Request 전송

Abort

AP1 AP2 AP3

Source: IEEE 802.11-13/1325r5

ETRI

ETRI ETRI -9-

Probe Response Collision Avoidance AP는 불필요한 Probe Response 전송을 피함

스캐닝시 Probe Response 혹은 Beacon frame의 single copy만 있어도 충분

STA 1

Probe Request

STA 2 STA2가 동일

한 AP들에게 Probe

Request 전송

AP1 AP2 AP3

STA 1

Probe Response

STA 2

Probe Response 수신

AP1 AP2 AP3

STA 1

Probe Request

STA 2

AP1 AP2 AP3

Source: IEEE 802.11-13/1325r5

ETRI

ETRI ETRI -10-

Comprehensive Probe Response

하나의 Probe Response는 다수 AP에 대한 정보를 포함할 수 있음

다수 AP에 대한 정보를 함께 알림으로써 Probe Request 및 Probe Response frame 수를 감소시킬 수 있음

STA 1

Probe Request

Ch 1 Ch 6

다른 BSS들에 대한 정보 요청

AP1 AP2 AP3

STA 1

Probe Response + Neighbor List 자기 자신 (AP 2)뿐만

아니라 채널 1과 6에서 이웃인 AP 1과 AP 3에 대한 정보도 함께

포함

Cn 1 Ch 6

AP1 AP2 AP3

Source: IEEE 802.11-13/1325r5

ETRI

ETRI ETRI -11-

Response Criteria를 이용한 Probe Response 필터링 Probe Request에 AP가 Probe Response에 응답해야 하는

criteria를 포함해 전송 AP는 STA이 지정한 criteria를 만족시킬 수 있는 경우에만

Probe Response를 전송하여 불필요한 Probe Response frame을 감소시킴

Criteria 포함 내역: • AP의 capability에 대한 STA의 선호도 (예: STA이 HT 혹은 VHT AP에게만 associate 되기를 선호)

• Reception power 요구 사항 • AP의 channel access delay, STA의 QoS requirement 등

STA 1

Probe Request

AP가 Probe Response에 응답해야 하는 criteria를 지정

AP1 AP2 AP3

STA 1

Probe Response

STA이 지정한 criteria를 만족시킬 수 있는 경우에만

Probe Response전송

AP1 AP2 AP3

ETRI

ETRI ETRI -12-

MaxChannelTime을 이용한 Probe Response filtering (1/2) 기존 802.11 Active Scanning 절차의 문제점 STA은 Probe Request를 broadcast로 전송하고

MaxChannelTime 동안 Probe Response를 수신 • MaxChannelTime이 경과하면 STA은 다음 채널을 스캔함

– MaxChannelTime 이후에는 이전 채널에서 Probe Response 수신 불가

• AP는 요청 STA의 MaxChannelTime 이후에 Probe Response를 전송할 수도 있으며, 이 경우 요청 STA은 다음 채널을 스캔 중이므로 Probe Response를 수신할 수 없어 ACK을 AP에게 전송하지 않음

– AP는 ACK을 수신받지 못하면 Probe Response를 재전송하게 됨 Probe Response flooding 발생

Source: IEEE 802.11-2012

ETRI

ETRI ETRI -13-

802.11ai의 해결책: Probe Request frame에 STA의 MaxChannelTime을 indicate

STA은 스캐닝하는 채널에서 얼마 동안 Probe Response 수신을 기다릴 지를 Probe Request frame에 표시 • Probe Request를 전송하는 STA의 MaxChannelTime을 표시함

Source: IEEE 802.11-12/0061r0

MaxChannelTime을 이용한 Probe Response filtering (2/2)

ETRI

ETRI ETRI -14-

Fast Passive Scanning

FILS Discovery (FD) frame 도입: 보다 빠른 AP Discovery를 위한 short beacon frame • Small-size: MAC headers + FD frame body: 40 ~ 55 bytes • mandatory information element는 단 하나: SSID • Optional information items

• AP’s Next TBTT, AP-CCC, Access Network Options, Capability, Security, Neighbor AP information

• FD frame은 fast AP/Network discovery를 위해 Beacon frame 들 사이에 전송됨

• FD frame은 non-HT duplicate PPDU로도 전송을 허용하여 더 빨리 AP를 발견하도록 할 수 있음

Payload of FD Frame AP의 Primary channel Preamble

Payload of FD Frame

Payload of FD Frame

Payload of FD Frame

Preamble

Preamble

Preamble

time

Beacon FD frame

Source: IEEE 802.11-13/1325r5

AP 발견

ETRI

ETRI ETRI -15-

Response frame size 감소 방법

AP Configuration Change Count (CCC) Probe Response 및 Beacon의 파라미터 변경을 추적함

AP는 AP Configuration Information Set 내의 정보가 업데이트 될 경우 현재의 AP-CCC 값을 증가시킴 • AP가 AP-CCC를 포함한 Probe Request를 수신받는 경우 AP는 수신받

은 AP-CCC와 자신이 저장하고 있는 현재 AP-CCC를 비교

• 만약 STA으로부터 수신받은 AP-CCC가 AP의 현재 AP-CCC와 동일한 경우

– AP는 mandatory fields (Timestamp, Capability, Beacon Interval) 등의 최소의 정보만을 포함한 optimized Probe Response frame을 STA에게 전송함

– AP-CCC의 크기: 1 octet

ETRI

ETRI ETRI -16-

Differentiated Initial Link Setup

한꺼번에 association을 하려는 STA의 숫자가 너무 많을 경우 동시에 initial link setup을 하려는 STA을 차별화함

AP는 Differentiated Initial Link Setup element를 설정하여 동시에 initial link setup을 수행하도록 허용된 STA들을 제어함

Initial link setup이 허용되는 STA들에 대한 조건은 AP가 다음과 같은 파라미터 들을 사용하여 설정: ILS User Priority

MAC Address Filter

Vendor Specific Category

Link Setup Bursty

ETRI

ETRI ETRI -17-

11ai Network Discovery

AP white-list 를 사용한 GAS query enhancement GAS request에 하나 이상의 BSSID를 사용할 수 있도록 하여 STA이

다수의 AP에 대한 정보를 하나의 GAS query를 통해 수신받을 수 있도록 함 • 기존: STA은 하나의 GAS query당 single AP에 대한 정보만 수신 가능

GAS Configuration Sequence Number를 사용한 traffic 감소 • AP의 GAS configuration information set의 version number를

indicate 함

• AP의 GAS configuration information set이 변경될 경우 값을 증가시킴

• Beacon 및 Probe Response에 포함시켜 전송

ETRI

ETRI ETRI -18-

Concurrent Higher Layer Setup

Link setup signaling 오버헤드를 대폭 감소시킴 Authentication, 4-way handshake, Association, Higher layer setup

(IP address assignment 포함)과정이 2 roundtrip signaling으로 완료됨

messages

인증 및 IP 할당 절차 수행 속도 향상

3rd Party (DHCP Server)

DHCP Messages, etc.

Source: IEEE Draft P802.11ai D1.1

ETRI

ETRI ETRI -19-

802.11ai Link Setup States

Modified by 11ai Source: IEEE Draft P802.11ai D1.3

ETRI

ETRI ETRI -20-

Piggy backed information

FILS authentication protocol에서 Piggy-back 되는 정보: IP 주소 할당 등을 포함한 Higher-layer setup 관련 정보 Authorization functionality, subscription credentials 등

STA AP

Association Request

Beacon/Probe Resp.

Authentication Request

Authentication Response

Association Request

Key Establishment

Key Confirmation

TTP Services

+ piggy-backed info response

+ piggy-backed info request

Authentication help

Configuration help

IP address assignmen

Authorization

Subscription credentials

Source: IEEE 802.11-13/1325r5

ETRI

ETRI ETRI -21-

IEEE 802.11aq (Pre-Association Discovery)

ETRI 류 철

ETRI

ETRI

IEEE 802.11aq PAD TG 현황

• 2011년 802.11u를 확장하는 “Discovery of ESS Services” 최초 제안

• 2012년 1월 ISD(Infrastructure Service Discovery) SG 생성 • 2012년 7월 PAD(Pre-Association Discovery)로 SG의 이름을 변경 • 2012년 11월 TG 생성을 위한 5C와 PAR 작성 완료 • 2013년 1월 802.11aq TG 생성

• Extend 11u network discovery mechanisms (e.g. GAS and ANQP) to enable transport for service discovery within the infrastructure (DS):

• Operates in a pre-associated and associated state • Information associated with hotspot and local servers

• Request/Response mechanism • STA in a pre-associated state • Richer request/response version of ANQP (not necessarily called ANQP) • Provides a simple container to carry higher layer protocols (e.g. uPnP,

Bonjour) • MAC frame extensions

ETRI

ETRI

IEEE 802.11u 동작

IEEE 802.11u

Sample Scenario 802.11u Client

Legacy Client

매뉴얼 설정 1. 전원을 켜고 전화기의 잠금을 푼다 2. Wi-Fi network을 찾는다. (예:“KTX-12-

1”, “Silla guest”,“T wifi zone”) 3. 웹 인증 창이 뜬다 4. ID와 비밀번호를 넣는다 5. 인터넷 검색 시도 6. 안되면 1로 돌아가 다른 network 시도

자동 설정 1. 전원을 켜고 전화기의 잠금을 푼다 2. 전화기가 네트워크를 확인하고 접속

을 요청한다

무선랜 접속 전에 네트워크 접속 정보를 알려줄래?

여기 있어요. : Realm: skt.com EAP Method = EAP-TTLS

Domain Name (hotspot operator’s FQDN)

NAI Realm / 3GPP Cellular Info

ETRI

ETRI ETRI -24-

IEEE 802.11u 프로토콜

Beacon with 802.11u Interworking IE

Probe Request

Probe Response

GAS Initial Request

GAS Initial Response

GAS Comeback Request

GAS Comeback Response

802.1X (EAPOL-Start)

802.1X (EAP-Identity Request)

802.1X (EAP-Identity Response)

802.1X (EAP-Auth. Exchange) RADIUS (EAP-Auth. Exchange)

RADIUS (Access-Accept) 802.1X (EAP-Success)

L2 계층의 public action frame으로 정의된 GAS를 사용한 접속전 프로토콜 ANQP가 NAI Realm, 3GPP PLMN ID, 등을 제공하면, 휴대단말이 접속할 네트워크 후보를 선정함

GAS를 통해 습득한 PLMN ID and/or Realm + EAP 방식을 사용

802.11u 지원 접속관리자가 접속할 SSID를 결정

AAA Server AP

기존의 인증방식을 이용

응답이 여러 프레임에

나누어질 때 사용

Authentication (null)

Authentication Response

Association Request (SSID)

Association Response (AID)

4-Way Handshake (PTK, GTK)

쿼리의 횟수와 내용은 구현에 따라 달라짐

Handset

ETRI

ETRI ETRI -25-

제안된 PADP 아키텍쳐

STA

AP

Service

GAS

ANQP…

802.11 Scope Not in Scope of 802.11

Extend ANQP or define new service query protocol

Service query protocol

Up-layer service discovery protocol

Probe

ETRI

ETRI ETRI -26-

멀티캐스팅을 지원하는 구조

M I B

STA AP

Beacon

Probe Probe response

GAS Services

Connection W/O

Association

Service advertisement

Associated STA

STA Wired

UDP multicast

UDP multicast

PAM

PAM: Pre-Association Message

ETRI

ETRI ETRI -27-

Proposed PADP frames

6 octet 크기의 서비스 ID를 이용하여 기존의 Service 식별자를 표현하여 트래픽을 절약함

Transparent mode와 함께 서비스 ID를 활용한 효율적인 Opaque mode 고려중

PAD Response frame

PAD Query frame

ETRI

ETRI ETRI -28-

그 외 논의 사항

Peer Service Discovery (PSDisc) design framework Independent mode discovery (few STAs) Server mode discovery (many STAs)

Provisioning of Services by Associated STAs Registration with an AP or Proxy Server

SoftAP operation Indicate provision of Internet connectivity Indicate upper layer support Lightweight and energy efficient method is desirable

Pre-association discovery for neighbouring APs Do PAD when the STA is still in association

ETRI

ETRI ETRI -29-

이통사 및 모바일 업계 활용 예상

802.11aq의 활용 분야 모바일 근접 광고

SKT: Hotspot 2.0 이용 광고

• cf) LGU+: Ding-dong (초음파)

iSign Media: WLAN과 블루투스 이용한 근접 광고

• cf) Apple: iBeacon (Bluetooth Low Energy)

802.11aq에 기반한 근접광고를 위한 표준 필요

ETRI

ETRI ETRI -30-

표준화 진행 방향 예상

Pre-Association messages (PAD) Likely to be based on GAS

Container MAC protocol to carry upper layer service discovery protocols (e.g. UPnP, Bonjour) Provisioning and configuration of services in AP Proxy service server connected to AP

Universal identification of services Use a hashing algorithm UUID, a reverse domain notation, a registry of

service IDs. Broadcast Concept Advertisement of service information through

broadcast frames.

ETRI

ETRI ETRI -31-

IEEE 802.11aq 표준화 향후 일정

현재 디자인 옵션 마무리 후 초안 작성중

Initial Working Group Letter Ballot: November 2014

Re-circulation Working Group Letter Ballot: March 2015

Form Sponsor Ballot Pool: July 2015

Mandatory Editorial Check: July 2015

Initial Sponsor Ballot: November 2015

Sponsor Ballot Recirculation: March 2016

Final WG/EC Approval: July 2016

RevCom/Standards Board Approval: July 2016

ETRI

ETRI ETRI -32-

Q & A