Chapter 7 Wireless and Mobile Networks

7.1 Introduction

Wireless hosts

wireless hosts 는 노트북, 스마트폰이 있다. 노트북은 stationary인데, 대부분 한 곳에 앉아서 사용하기 때문에 안 움직인다고 말한다. 스마트폰은 mobile인데, 움직인다고 말한다. 그러므로 무선이라고 반드시 이동성을 의미하는 것은 아니다.

mobility는 그림의 아래부분과 같이 이동하여 네트워크를 이동해 가는 것이다.

이동통신은 무선이다 (o) 무선은 이동통신이다(x)

Base station

기지국은 일반적으로 유선 네트워크에 연결된다. "relay" 는 "area"에 있는 유선 네트워크와 무선 호스트 간에 패킷 전송을 담당한다.

Wireless link

wireless link는 모바일을 기지국에 연결되는데 사용된다. (백본 링크로도 사용)

Infrastructure mode (기반 형태)

Infrastructure mode는 기지국 통해서 통신하는 형태를 말한다.

handoff는 디바이스가 기지국을 변경하는 것을 뜻한다.

(옛날 2G 시절에 전화하면서 이동하다보면 항상 끊기는 지점이 있었다. 큰 네트워크가 바뀌는 영역에서 그랬었다. 지금은 LTE나 5G에서는 handoff가 거의 해결되었다.)

ad hoc mode

기지국 없이 단말들이 스스로 네트워크를 구성하는 것이다. 스스로 망을 만들어서 통신하는 형태이다. 예로 Wi-fi Direct, Bluetooth가 있다.

Wireless network taxonomy (무선 네트워크 분류)

	single hop	multiple hop
infrastructure	호스트와 기지국 연결(Wi-fi, cellular)	호스트가 여러 무선 노드와 'relay'연결
no infrastructure	기지국 없음, 더 큰 인터넷으로 연결 안함 (Bluetooth)	기지국 없음, 더 큰 인터넷으로 연결 안함 (VANET: 차량 에드 혹 넷)

single hop - 호스트를 더 큰 인터넷에 연결하는 기지국에 연결

multiple hop - 더 큰 인터넷에 연결하기 위해 여러 무선 노드를 거쳐서 연결

Wireless

7.2 Wireless links, characteristic

decreased singal strength: 시그널 강도가 물체 또는 거리에 따라 약해진다.
interference from other sources: 표준 무선 주파수 대역은 많은 기기가 공유해서 무선 신호 간섭이 심하다.
multipath propagation: 무선신호가 건물, 산, 장애물로 인해 신호의 도착 시간이 다르다.
비트오류가 심하다 -> 강력한 CRC 오류 검출, 프레임 재전송 필요

신호 대비 잡음 비율 (SNR)

SNR: signal-to-noise ratio

SNR이란 내가 받는 signal과 noise의 비율이다. 수신감도가 얼마나 좋은지의 척도이다. SNR이 안 좋은 경우는 전송률이 낮아지고, 좋은 경우에는 전송률이 높아진다.

BER: Bit error ratio

SNR 과 BER 은 반비례

7.3 IEEE 802.11 wireless LANs ("Wi-Fi")

무선 통신 대역폭

무선 네트워크는 크게 cellular와 WiFi로 얘기할 수 있다.

무선 네트워크를 구분해보면 거리가 짧은 Indoor쪽이 있고 거리가 긴 Outdoor가 있다. WiFi가 Indoor에 속하는데 10~30m정도 된다.

여기서 중요한 것은 모두 다중 엑세스를 위해 CSMA/CA 사용한다는 것

802.11 LAN

무선 호스트는 기지국과 통신한다. (base station = access point (AP)공유기 ) wifi에서는 기지국 대신 AP라고 말한다.

AP가 만든 하나의 영역을 Basic Service Set (BSS) 일명 'cell' 이라고 한다.

802.11 Channels, association

802.11은 2.4GHz~2.485GHz인데, 대략 11개의 채널로 만들고, 11개의 채널이 오버랩이 좀 되어있다. 그래서 오버랩이 되지 않는 채널(1,6,11) 3개 정도를 사용한다.

간섭이 생길 수 있는데 똑 같은 채널을 써서 AP 두개를 근처에 달았다면, 서로 간섭이 생길 수 있다.

host는 AP에 접속을 한다. 처음에 WiFi 접속하려면 AP가 뭐가 있나 스마트폰이나 노트북으로 살펴보는데, 그게 채널 스캐닝이다. 각각 AP는 자기 AP SSID(AP 이름)를 포함한 beacon frames를 100ms마다 한번씩 뿌려준다. -> Ap가 먼저 자신의 존재를 알림

802.11 passive , active scanning

passive scanning

AP는 일정 시간 간격으로 beacon frame을 전송한다.
단말은 수동적으로 비콘이 날아오기를 기다리다가 AP를 선택하여 연결한다.

active scanning

단말이 직접 AP에게 beacon frame을 보내달라고 요청한다.
이후 AP로부터 beacon frame을 받아서 AP와 연결한다.

802.11 multiple access

802.11에서 multiple access는 CSMA를 사용한다. 보내기 전에 누가 보내고 있는지(에너지가 있는지) 들어보는 것이다. 그래서 누가 안보내고 있다면 내가 보낼 수 있다.

여기서 문제는 충돌 detection이 되지 않는다. 유선에서는 다른 쪽에서 들어오는 에너지가 나한테 들어오기 때문에 이를 이용해 충돌을 감지할 수 있으나, 무선은 무언가를 보내고 있는데 다른 쪽에서 보내는 것을 감지하지 못한다.

무선에서는 CSMA/CD를 쓸 수 없으니, 아예 처음부터 충돌을 피해야겠다고 해서 CD(Collision Detection)에서 CA(Collision Avoidance)를 만들었다. 그래서 등장한 것이 CSMA/CA이다.

A는 B와 통신하고 있고 B는 C와 통신하고 있는데, A와 C 사이에 장애물이 있어 통신을 못하고 있어 서로 있는지 모르는 상황이다. A는 B가 C하고 통신하고 있는지 모르고 보내고 있다. B입장에서는 A와 C 사이에서 충돌난 것이다. 이런 문제를 어떻게 해결할까?

CSMA/CA

충돌을 감지하기 위해서는 신호를 전송하는 동시에 신호를 받을 필요가 있다는 것이다. 하지만 무선 네트워크에서는 충돌을 감지하기 힘들기 때문에 CSMA/CD방식을 사용할 수 없다. 따라서 충돌을 회피하는 (CA)방식을 사용한다.

보내기전에 일정시간 기다리는 DIFS(Distributed Inter-Frame Space)를 사용한다. 즉, 신호없음을 감지하는 시간이다.

1. 데이터를 전송하기 전에 먼저 캐리어(신호)를 감지한다.

2. 캐리어(신호)가 감지되면 현재 전송 중인 프레임이 완전히 끝날 때까지 기다린다.

3. "일정한 시간" (DIFS)동안 채널이 빈 상태로 유지되면 즉각 데이터 프레임을 전송한다.

4. DIFS 동안 캐리어가 감지되면 전송을 연기하고, 랜덤 백오프 (random backoff) 절차를 수행한다.

-> 얼마 동안 기다리고 전송할 것인지 결정하는 절차

-> 기다리는 시간은 백오프 타이머의 값으로 결정

5. 수신자는 프레임을 수신하면 SIFS 후에 ACK로 응답한다.

6. 만약 송신자가 ACK를 수신하지 못하면 (즉, 충돌) 다시 백 오프 절차로 되돌아 간다.

이를 더 업그레이드 한것이 Hidden Terminal Problem의 해결책 "reserve(예약)" 이라는 것이 있다는 정도만 알자.

802.11 Frame

frame의 MAC header의 구조이다. 앞에서 MAC address는 source와 destination 두 개가 들어갔는데 여기는 4개가 들어갔다. 그 이유는 wireless host의 address가 있고 AP의 address가 있고, 최종 destination address도 있다. 기본 3개에 ad hoc mode까지 하나 더 들어가서 총 4개의 주소가 들어간다.

7.4 Cellular Internet access

Cellular Network

각각의 기지국들이 세포와 같이 있는 것 같아 기지국의 한 영역을 cell이라고 부른다. 이런 기지국들이 모두 모여있는 것이 Mobile Switching Center라는 곳에 묶여있다. 다만 이것은 2G인 경우에 연결되어 있다. 물론 지금도 약간 비슷한 구조이긴 하다.

Mobile Switching Center는 유선망이 전화망에 물려있었다.

GSM (개인 휴대 통신 시스템)

자원은 시간과 주파수 두개로 이루어져 있는데 어떻게 분할해서 사용하느냐에 따라서 FDMA인가 TDMA인가로 나뉜다. 이것을 code로 나눴을 경우 CDMA인 것이다.

FDMA가 1세대, TDMA가 2세대, CDMA가 3세대 셀룰라이다. 우리나라와 같이 일부 지역에서는 2세대에서도 CDMA가 사용되었다.

그러면 4세대 LTE는? LTE부터는 OFDM(or OFDMA)이다. 4세대, 5세대에 사용되었지만 자세히 다루진 않을 것이다.

2G (voice) network architecture

2G 네트워크의 구조이다. 2세대에서 기지국을 BTS라고 부른다. BTS들이 하나의 BSC에 묶여있고, MSC에 묶인 형태이다.

3G (voice + data) network architecture

3세대도 비슷하다. 기지국들이 controller에 묶여 있었고, MSC에 묶여있었다. 3세대부터는 Internet도 붙는다. 기존에는 전화망만 연결되었었는데 인터넷도 연결된다.

4G LTE network architecture

4세대 LTE가 되면서 전화망에 묶여있던 게 사라지고, 사실상 인터넷망이 되었다. 기지국들이 물려있는데, GateWay(GW) 라는 것이 기지국에 추가되었다. S와 P 두가지가 들어간다. 여러가지 이동단말들을 컨트롤하기 위한 MME같은 특별한 기능을 하는 서버가 들어간다. HSS는 모든 사용자의 데이터베이스를 관리한다.

Mobility

7.5 Principles: addressing and routing to mobile users

Mobility

용어

홈 네트워크(home network): 이동 노드의 영구적인 네트워크
홈 에이전트(home agent): 이동 노드를 위해서 이동성 관리 기능을 수행하는 홈 네트워크 개체
영구적인 주소(permanent address): 이동 노드에 도달하기 위해 항상 사용될 수 있는 홈 네트워크 주소
방문 네트워크(visited network): 이동 노드가 현재 위치한 네트워크
COA (Care-Of-Address): 이동 네트워크의 방문 네트워크 주소
방문 에이전트(visited agent): 이동 노드를 위해서 이동성 관리 기능을 수행하는 방문 네트워크 개체
상대방(Correspondent): 이동 노드와 통신하려는 개체

Registration (등록)

1. 이동 노드가 방문 네트워크에 진입 시 방문 에이전트에 접촉한다.

2. 방문 에이전트는 홈 에이전트에 접촉하고 "이동 노드가 내 네트워크 영역 내에 있음" 라고 한다.

- 결과적으로 방문 에이전트는 이동 노드의 존재를 알게되고, 홈 에이전트는 이동 노드의 위치를 알게된다.

간접 라우팅(indirect routing): 상대방으로부터 이동 노드로 가는 패킷은 홈 에이전트를 통해서 방문 네트워크로 간다.

직접 라우팅(direct routing): 상대방은 이동 노드의 방문 주소를 찾아내어 그 주소로 직접 전달한다.

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