https://www.nowwatersblog.com/cs/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EB%A7%9D/7.%20Wireless%20and%20Mobile%20Network
글을 참고한점 먼저 밝힙니다.
Wireles
단어 뜻대로 무선을 통신을 수행하는 것.
Cell tower, 802.11 access point처럼 base station은 유선으로 네트워크와 연결된다.
호스트라고 불리는 개인 PC, 스마트폰 등의 호스트는 무선으로 base station에 연결되는 형태
elements(구성요소)
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wireless host
노트북, 스마트폰, 개인 PC, IoT등 mobile 일수도, Stationary 일수도 있음 -
base station
주로 유선 네트워크에 연결됨.
Relay: host가 data를 전송하면 여기서 받아 다음 네트워크로 전달하여 dest host까지 전달 -
wireless link
주로 mobile을 base station 까지 연결하기 위해 사용
다양한 대역폭, 전송속도, 거리를 갖고 있다.
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infrastructure mode
base stattion은 Mobile을 유선 네트워크에 연결
handoff: 모바일이 다른 cell(기지국 개념)로 이동하는 것 -
ad hoc mode
base station이 없고, 유선 인프라 구조 없이 무선으로 노드들은 Link Coverage 안에 다른 노드들에 데이터 전송이 가능해짐.
노드들이 스스로 네트워크를 구성함 -> 스스로 Route
무선 네트워크 taxonomy(용어)
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single hop
주로 유선 인프라에서 사용하는 말로, 호스트는 base station 에 연결하여 더 큰 인터넷 네트워크에 접속
이때 호스트는 무선 링크를 한번만 거친다 -
Multiple hop
주로 무선 네트워크에서 사용하는 말로, 호스트는 더 큰 인터넷 네트워크에 접속하기 위해 여러 무선 노드들을 거쳐서 Relay해야함
mesh net: 정해진 gird 없이 막 연결되는 그물망 같은 구조
- 주파수 대역이 높을 수록 Coverage 범위가 줄어든다(5G 가 4G에 비해 빠르지만 커버리지가 짧아서 더 많은 기지국을 설치해야하는 이유)
Wireless
wireles link characteristics
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fading(신소 세기 감소)
라디오 신호가 전파되면서 감쇄가 일어난다.
Path loss -> (FD)^2 (F: 주파수, D: 거리) -
multipath
라디오 신호가 건물 등의 물체에 영향을 받기도 한다.(방향이 꺾인다)
목적지에 서로 다른 시간에 도착하며, 여러 방향으로 전파된 신호들이 충돌하기도 함
다만 방향이 꺾이고 여러 방향으로 도착한다는 특성 덕분에 장애물이 있어도 다른 경로로 목적지에 도달할 수 있다. -
Noise
잡음 대비 신호(SNR: Signal to Noise)가 좋아질 수록 BER(Bit Error Rate)이 떨어진다.
SNR이 클수록 신호가 잡음으로 부터 영향을 덜 받음
- hidden terminals
그림처럼 A-B, B-C 끼리 통신이 될때, A-C 사이 장애물이 있다면 직접 통신이 불가능하고 B를 통해서만 통신이 가능하다.
cf. QAM
무선은 보통 Sine 파로 전송, 이때 위상을 변화시켜서 전송하는 방법
하나의 신호에 여러개의 bit들을 포함시켜서 보낸다.
다만, 하나의 신호에 전송할 bit가 너무 많아지면 에러발생 확률이 커진다는 단점
그럼 A-B, B-C 통신시 B 입장에서 볼때, A와 C가 동시에 데이터를 전송한다면, 두 데이터가 막 들어와서 충돌을 일으킬 것이다.
이를 해결할 방법으로
FDMA(Frequency), TDMA(Time), CDMA(Code)라는 3가지 해결책이 있다.
CDMA
자기 코드(chipping sequence)와 보낼 데이터를 inner product하여 보냄
(서로 간섭을 일으키지 않는 코드로 설정 = 1과 -1이 동시에 가지 않도록)
수신측에선 각자 데이터를 보내는 송신측의 자기 코드(chipping sequence)를 알고 있으면, 동시에 전송이 와도 각각 분리할 수 있다.
최근엔 OFDM 방식을 사용하여, 할당받은 주파수 대역을 서로 간섭을 일으키지 않는 carrier로 나누어 데이터를 실어 한꺼번에 전송하는 방식을 사용함.
802.11 Wireless LAN: wifi
Architecture(구조)
무선 호스트들은 base Station = Access Point(AP)과 연결
Basic Service Set(BSS) 안에 다음과 같은 것들을 포함
1. wireless host
2. AP : base Station
3. AD hoc mode
무선 랜의 특징
1. channels
간섭을 피하기 위해 주파수 채널을 나누어 BSS마다 한개의 채널을 사용함.
AP가 주파수를 선택,
스펙트럼의 형식이기 때문에 주변 AP와 간섭 발생 가능
2. Association
호스트는 반드시 AP와 associate 해야함.
주위의 AP로부터 Beacon 메시지를 받고, 그 메시지 속 MAC 주소, SSID, 신호의 세기 등을 확인 할 수 있다.
이후 특정 AP와 Assiociation을 맺고 Authentication 과저을 거쳐서 DHCP 방식으로 IP를 할당받아 사용
3. Passive/Active Scanning
-
passive Scanning
AP는 일정 시간 간격으로 beacon frame 전송
단말은 수동적으로 비콘 메시지 기다리다가 특정 AP 선택하여 Association -
Active Scanning
단말이 직접 AP에게 비콘 메시지 달라고 요청
이후 AP로 부터 비콘을 받아와 특정 AP와 Association
4. CSMA/CA
무선에선 CD, Collision Detection이 힘들다.
전송신호는 강하지만, 수신 신호는 약해지기 때문 + 충돌 감지는 수신측에서만 알 수 있어서 송신 측에선 충돌이 발생했는지 알 수가 없음..
따라서 CD가 아닌 CA로 Collision Avoidance 기술을 적용.
CSMA : 신호를 전송하기 전 먼저 다른 노드에서 신호가 전송 중인지를 확인.
-> hidden Terminal, fading 에서 모든 충돌을 감지하지 못함
- CSMA/CA : data를 보내고 ACK을 받지 못하면 충돌이라고 판단함.
- data 보낼 때 채널이 idle 한지 확인
- idle 하면 DIFS 시간 동안 아무도 데이터 전송하지 않는지 확인
- DIFS 시간 이후에도 아무도 데이터를 보내지 않으면 바로 데이터 frame 전송
- 만약 채널이 busy하면 Random Backoff time을 선택하여 기다림
- Random Backoff Time을 하나씩 감소시키면서 카운트 다운, 만료시 채널이 idle 하면 안기다리고 바로 전송
- 또 채널이 busy 하면 다시 Random backoff time 설정하여 카운트다운
- RTS/CTS
송신측 CSMA 사용하여 B에게 RTS(Request-to-send)를 보내어 채널 사용 가능여부를 파악
B는 RTS의 응답으로 CTS(Clear-to-send)를 모든 노드들에게 방송
RTS를 보냈던 송신측은 CTS를 받고 데이터 프레임 전송, 나머지 Station들은 전송을 미룸
802.11 frame : addressing
각 단계에 맞게 넣어주기 위해 여러 주소를 사용.
802.11: Mobility within Same Subnet
그림과 같이, h1 이 BBS1 -> BBS2 로 이동시,
스위치는 self-learning 을 통해 H1에서 오는 프레임을 확인한 후에 H1으로 갈 수 있는 포트 번호를 저장
H1이 BBS으로 이동한 후에 authentication을 맺고 그 정보를 스위치에게 알려주면 H1이 특정 포트 번호로 연결
802.11: Advanced Capabilities
Rare Adaption
base station과 모바일은 모바일이 움직일때 SNR이 바뀌기 때문에 동적으로 전송 속도를 바꿔줌
=> 신호가 강하면 많은 데이터를, 약하면 적은 데이터를 보냄
Power Management
배터리 사용을 고려하여 통신 모듈(수신 대기때문에 전력 사용 많음)에 대해 Sleep/Awake 상태를 번갈아가면서 사용
전원 off 가 아니고 사용하지 않을 뿐.
AP는 자신이 누구인지 주기적으로 비콘 메시지를 보냄
노드, AP에게 비콘 메시지 받을때까지 sleep상태에 빠진다고 알려줌(Power Management bit = 1)
이후 노드가 비콘 메시지 받고, 자신이 받을 데이터가 있다면 깬 후에 data를 받아와 다시 sleep 상태가 됨
Personal Area Network: Bluetooth
10미터 이하의 범위에서 사용가능함.
ad hoc 방식이며 2.4-2.5 GHz 대역을 사용
Master가 client 들에게 보낼 데이터가 있는지 물어보고, 보낼 데이터가 있는 Client는 그때 데이터를 보냄
- Frequency Hopping
TDM, 625usec
chekd 1600번 주파수를 바꾸어서 전송
각 단말기마다 주파수를 바꾸는 패턴이 존재함
4G/5G Cellular Network
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유선 인터넷과 유사점
Edge-Core 구조로 구성됨
Global Cellular Network 구조 - Base Station 간 유선 연결 및 Cell 구성 -
유선 인터넷과 다른 점
무선 Link layer 사용
단말의 이동성이 가장 중요한 요소
SIM Card 를 이용하여 유저의 정보 확인
4G Architecture
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Mobile Device
스마트폰, 태블릿, 노트북 등등
IMSI 라는 사용자 구분 값 SIM카드에 저장 -
Base Station
Radio 할당, 단말들이 채널 할당 받도록 해줌 -
HSS(Home Subscriber Service)
모바일 기기에 대한 정보 저장
Device Authentication 을 위해 MME 와 함께 동작 -
MME(Mobility Management Entry)
Device Authentication 을 HSS와 함께 관리
Cell 사이 device HandOver 관리(HSS 와 같이 단말 사용자의 위치 정보를 관리) -
Serving GateWays(S-GW), PDN GateWay(P-GW)
S-GW: 내부에서 데이터 전송을 처리하는 게이트 웨이
P-GW: 외부 망으로 연결해주는 게이트 웨이(NAT 서비스 제공)
LTE Data Plane & Control Plane
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control Plane: 큰 그림의 단계, 부산에서 서울가는 느낌
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Data Plane: 큰 그림을 파악했으면 실질적인 데이터 전송 수행
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AP -> Primary Synch Signal 을 모든 주파수로 5Ms 마다 broadCast
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단말, Primary Synch Signal 발견, 해당 AP에게 해당 Cell 에 대한 여러 정보를 포함한 Secondary Synch Signal 요청
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단말, 특정 AP를 선택, association 맺음
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이후 Authentication 을 수행, 서비스를 받음
