Wireless LAN and Mobile Communication Technology
무선랜과 이동통신 기술, 14주 데이터통신
Contents
무선랜 (Wireless LAN)
1️⃣ 무선랜 개요(Overview of WLAN)
2️⃣ MAC 부계층(Media Access Control Sublayer)
3️⃣ 분산 조정 함수(DCF, Distributed Coordination Function)
4️⃣ 포인트 조정 함수(PCF, Point Coordination Function)
이동통신 (Mobile Communication Technology)
1️⃣ 이동통신 서비스의 목적과 진화(Overview of Mobile Communication Technology)
2️⃣ 셀룰러 시스템(Cellular Mobile Communication System)
3️⃣ 핸드오버(Handover, Handoff)
4️⃣ 위치 관리(Location Register)
📍 용어정리(Terminology)
ISM 주파수 대역 (Industrial Scientific Medical) 산업/과학/의학 용도로 무료로 공개된 주파수 대역이다. 몇가지 법률 사항은 규제가 있지만 무료로 언제든지 사용할 수 있다.
핸드오버 (Handover) 현재 통화중인 사용자가 다른 영역으로 이동할때에 다른 기지국과 자동으로 연결되는 기능
무선랜 (Wireless LAN)
1️⃣무선랜 개요( Overview of WLAN)
한정된 공간에서 무선 전파를 활용하여 100m내외의 근거리 무선 네트워크를 구성하는 기술을 뜻한다. 케이블 연결이 필요 없어서 사용이 편리하고 네트워크 구축 및 유지보수가 용이하지만 기기간의 간섭이 많고 유선 랜에 비하여 상대적으로 느린 단점을 가지고 있다. Wi-Fi라는 별칭으로 불리기도 한다. ISM(Industrial Scientific Medical) 주파수 대역을 사용하여 별도의 주파수 사용료가 없으나 송신 전파의 세기에 대한 제한이 있고 주변의 전파 간섭이 많다.
Wi-Fi 원래 Wi-Fi란 Wi-Fi Alliance에서 IEEE 802.11을 따르는 무선 랜에 대한 인증 제품을 의미함
- 초창기가 1997년에 시작해서 아직 30년이 채 안된 기술이다. 전송속도를 올리기위한 발전은 엄청나게 빨라지고 있는 것을 확인할 수있다.
무선랜의 2가지 구조(Two types of wireless LAN structures)
기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)
여러 무선국과 하나 이하의 접근점(AP, Access Point)로 이루어짐
AP가 하나도 없는 Ad-hoc network와 AP를 중심으로 연결되는 Infrastructure network으로 구분
확장 서비스 세트(ESS, Extended Service Set)
간단하게 기본 서비스 세트를 여러개 묶은 네트워크이다.
AP를 갖는 2개 이상의 BSS로 구성된 네트워크 구조 ➢BSS들은 분산 시스템으로 서로 연결됨 예)무선
AP 없이 컴퓨터끼리 알아서 네트워크를 구성 (첫번째 사진)
AP (가정용 공유기 같은 게 무선랜의 입장에선 AP가 될수있음) 중심으로 연결 (두번째)
기본 서비스 세트에서 유선 네트워크 기술을 통해서 묶은 전체를 확장 서비스 세트라고 부른다.
낯선 형식은 아니다. 유선 네트워크 = 이더넷으로 사용할 수 있기 때문이다.
MAC부계층 (Media Access Control Sublayer)
MAC 부계층은 유선 LAN과 무선 LAN 모두에서 필수적인 역할을 한다. "고속이더넷, 기가비트 이더넷, 정보통신개론 12주"에서 이더넷의 MAC 부계층에 대해 공부한 적이 있다.
MAC 부계층이란 OSI(Open Systems Interconnection) 모델에서 데이터 링크 계층의 하위 계층 중 하나이다. 데이터 링크 계층(Data Link layer)은 물리적인 매체를 통해 데이터의 안정적인 전송을 담당하며, 이를 위해 MAC 부계층은 무선 신호의 전송 및 수신, 신호 간섭 방지, 채널 접근 방식 등을 관리 한다. 유선과 마찬가지로 무선도 전송 매체를 효율적으로 활용하고 충돌을 방지하기 위해 MAC 부계층이 필요하다.
무선랜의 MAC 부계층 구조 2가지 (2 MAC sublayer structure of WLAN)
- 보통 1번 처럼 나란히 위치해있는데 무선랜의 MAC부계층 구조는 계단형으로 되어있다. PCF의 프로토콜은 독자적으로 기능하는 것이아닌 DCF의 기능 일부를 차용해서 사용하고, 서로의 동작이 서로 혼합해서 작동하기 때문이다.
분산 조정 함수(DCF, Distributed Coordination Function)
단말기가 무선매체를 점유하기 위해서 사용하는 임의 접근 프로토콜이다.
지난 시간에 배운 ALOHA, CSMA/CD가 해당하고 RTS(Ready To Send, 보낼 준비가 되었다는 신호)/CTS(Clear To Send, 확인하였다는 신호) 방식을 혼용한다.
서로 경쟁하며 무선 매체를 점유한 이후에 사용하는 경쟁 서비스를 제공한다.
포인트 조정 함수(PCF, Point Coordination Function)
AP주도하에서 무선매체를 관리하면서 단말들이 무선매체를 사용하는 프로토콜 (엑세스포인트가 대장의 역할을 하는 것, 중앙 집중식이다.)
중앙집중적이 때문에 충돌이 절대 없는 폴링 접근 방식이다.
단말기간의 경쟁이 아니기 때문에 비경쟁 서비스라고 하며 지연시간에 민감한 서비스에 사용된다.
분산 조정 함수(DCF, Distributed Coordination Function)
무선랜의 DCF는 CSMA/CA(CSMA-Collision Avoidance) 기술을 바탕으로 NAV와 RTS/CTS를 지원하여 경쟁 기반의 매체접근제어 방식을 제공한다. 무선에서는 충돌 감지가 어렵기 때문에아예 충돌 확률이 작은 방식을 채택하였다. 전송매체가 사용가능한 상태가 되었을 때에 바로 전송하지 않고 일정시간(IFS, Inter-Frame Space)동안 대기한 이후에, 다시 임의의 랜덤시간(Binary Exponential Backoff)을 대기한 이후에 전송하는 방식이다.
- 일정시간 기다리는 것도 전달해야하는 데이터 프레임의 종류에 따라 - 분류가 3가지로 나뉜다.
- Contention Window = Binary Exponential Backoff
CSMA/CA(CSMA-Collision Avoidance) 방식의 문제 - 숨겨진 지국 문제(hidden terminal problem)
지국 별로 서로 다른 전송 거리때문에 다른 단말기가 전송중인 상황을 감지하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 이유로 Collision Detection 과정을 수행하지 않게 된다. 이런 문제를 완화하기 위해서 별도의 RTS/CTS메시지를 사용하여 무선 전파를 공유하는 전체 단말들, 즉 수신단에게 영향을 줄 수 있는 지국들에게 프레임이 전송되고 있음을 알린다.
수신단 B는 프레임 수신 기간을 CTS의 특정 필드(D, Duration)을 기록하여 지국 C와 D가 그 기간동안 접근하지 않도록 하는데 이 절차를 NAV라고한다.
NAV(Network Allocation Vector)
다른 지국과의 전송 충돌을 피하면서 매체를 가상으로 예약하는 기능이다. RTS/CTS메시지에 채널 점유 시간을 기록하여 점유시간동안 데이터 전송시도를 하지 않도록 한다.
RTS/CTS 와 NAV의 예제
데이터를 전송해야하는 상황이다. A -> B까지는 문제 없이 전송이 가능하지만 C, D까지는 전달이 되지않는 문제가 발생하는 상황을 가정해보자. 이유로는 거리에 따라, 지형적인 형태에 따라 원인이 다양하다. 아무튼 C, D가 A가보내는 데이터의 감지를 하지 못하는 상황이다.
이럴땐 데이터프레임 전송하기 앞서서 A와 B는 RTS / CTS를 주고 받는다. 이 시그널들은 왼, 좌 이렇게 방향이 정해져 있지 않기 때문에 B의 CTS는 C,D로도 이어져 인식이 된다.
C, D는 CTS의 Duration을 통해 "일정 시간동안 데이터 전송매체가 점유 되겠구나" 라는 사실을 인식하게 된다. 그 Duration 시간동안 예약하는 방식 NAV라고 부른다. C, D는 A의 메세지를 직접적으로 인식하지는 못했지만 별도의 메세지인 CTS를 통해 전송매체가 점유되는 사실을 인지하기 때문에 데이터 전송의 방해도 받지 않고 A -> B 데이터 전송이 가능하게 된다.
포인트 조정 함수(PCF, Point Coordination Function)
AP주도하에서 데이터 송수신을 수행하도록 하는 비경쟁 서비스를 제공하며 DCF보다 우선권을 갖는다.
AP중심의 폴링 방식 서비스를 수행한다. 각 지국들이 데이터 프레임에 대해서 DIFS를 사용하고 AP가 PIFS를 사용하기 때문에 DCF보다 PCF서비스가 우선권을 가질 수 있다.
DCF서비스가 무한정 지연되는 경우를 방지하기 위해서 일정한 반복구간을 정의하고 그 구간 중에서 일부를 PCF서비스로 사용한다. 비콘(beacon) 프레임을 전송하여 일정 시간동안 PCF서비스가 진행됨을 공지한다.(NAV) PCF서비스 구간이 끝나면 “CF(Contention-Free) End”프레임을 전송하여 DCF서비스가 바로 진행되도록 한다.
이동통신 (Mobile Communication Technology)
1️⃣ 이동통신 서비스의 목적과 진화
이동통신 서비스의 목적
언제 어디에 위치하던지 이동 중에 전화 송신 및 수신 서비스를 제공하기 위해서 설계되었다.
이동 중인 상황에서 전화 서비스 외에 인터넷 데이터 서비스도 제공하는 것이 추가 되었다. 현재 상황에서는 인터넷 데이터 서비스가 더 우선시되고 있다.
이동통신 서비스의 진화 과정
아날로그 방식의 이동전화가 "미국AMPS, 유럽TACS" 에서 처음으로 등장하였다.
디지털 방식의 이동전화로 진화는 "미국IS-95A, 유럽GSM" 인데 이때쯤 한국도 이동통신이 시작되었다.
음성 통신 외에 데이터 통신 기능 강화의 계기는 "cdma2000, GPRS, WCDMA" 이다. 이 때부터 테이터 속도를 빠르게 올려보자는 노력이 추진되었다.
데이터통신의 고속화는 "EVDO, HSPA, LTE, LTE-A, M-WiMAX, 5G"에 이르기까지 시스템의 진화가 발빠르게 진행되어 근래에는 다량의 사물 통신(IoT), 저지연 발전에 힘쏟고 있다.
2️⃣셀룰러 방식의 이동통신시스템
(Cellular Mobile Communication System)
이동통신 시스템은 셀룰러 시스템을 채택하여 주파수를 재활용활용하면서 가입자 수용용량을 향상시킨다.
셀룰러 방식이 중요한 이유는? 무선랜을 생각해보면 한정된 공간 (사무실, 집 등)에서 사용한다. "어디서든" 사용하는 개념은 아니다. 반면에 셀룰러 방식은 "전세계 어디를" 가더라도 통신시스템을 이용하겠다는 개념이다. 이것을 구현하려면 어떻게 할 것인지 중요하다.
서비스 지역을 다수의 셀(cell, 기지국 영역)로 구분하고 나누어진 셀마다 각각 주파수 대역을 할당하는데 중요한 점은 동일한 주파수 대역을 사용하는 셀 간의 거리가 충분히 떨어져 있는 경우에 상호간에 방해하는 전파의 세기가 충분히 작아지기 때문에 그에 따라 주파수를 재사용이 될 수 있도록 혀용한다.(Cell planning)이런 방식을 셀룰러 방식이라고한다.
기지국 반경을 어떻게 배치하느냐에 따라 여러가지 패턴이 존재한다.
Reuse factor of 4: 4개의 기지국마다 동일한 주파수를 사용하도록 정의한다.
주파수 효율 측면에서는 숫자가 클수록 효율이 떨어진다.
그 외에도 핸드오버와 위치관리기법을 이용하여 단말기가 통화중에도 연결이 끊어지지 않고 착신전화가 수신될 때에도 정상적으로 수신가능한 연결 서비스를 제공한다.
3️⃣ 핸드오버(Handover, Handoff)
현재 통화 중인 사용자가 현재의 기지국 영역을 벗어날 때에 통화 단절이 발생하지 않도록 다른 기지국과 자동으로 연결되는 기능이다. 이동통신이 다른 무선 시스템과 가장 차별화되는 기술이다. 핸드오버를 수행하기 위해서 네트워크 시스템에서 어떤 동작을 수행하는지는 단말기에서 측정한 수신전파(1번 기지국, 2번 기지국, 등) 의 세기를 이용하여 판단하고 결정한다. 이동할 수록 1번 기지국의 신호의 세기가 멀어지고 2번 기지국의 신호의 세기가 강해지고, 그 후엔 1번 기지국의 신호를 끊고 2번 신호를 연결한다. 거리가 바뀔 때마다 n번 기지국의 신호의 세기는 계속 바뀐다.
4️⃣ 위치 관리(Location Management)
이동중인 단말기로 착신 전화가 왔을 때에 단말기를 찾아서 알려주는 기능이다. 단말기가 통화 중이 아니더라도 이동할 때에 그 위치를 추적하고 관리하는 것이다. 이 기능이 내부적으로 구현되어 있기 때문에 휴대폰 위치 추적이 가능한 이유이다.
위치 관리를 위한 데이터베이스(Database for Location Management)
HLR(Home Location Register) 사용자가 단말기를 구매하고 사업자에게 등록하면 특정 HLR에 단말기 정보와 함께 현재 위치를 담당하는 VLR정보를 관리한다.
VLR(Visitor Location Register) 지역 내로 이동한 단말기를 관리하는 임시 데이터베이스이다. 단말이 이동해오면 VLR에 등록하고 VLR정보를 단말의 HLR에 등록한다.
퀴즈(Quiz)
학습정리(Summary)
