Wireless and Mobile Networks

미노·2025년 6월 12일

Computer Network

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  • wireless : 물리적인 케이블없이 통신함
  • mobility : 이동을 하면서도 통신 연결이 지속적이어야함

Elements of a wireless network

  • wireless host : laptop, smartphone, IOT, etc
  • base station : AP (Access Point)라고 부름, 기지국 or 중계기
  • wireless link : AP와 host를 연결, AP들 사이의 backbone link는 유선임
  • 유선네트워크와의 차이점
    • decreased signal strength :
      • 무선네트워크는 공기중으로 신호가 전달되기 때문에 거리가 멀어질수록 신호의 세기가 attenuate
      • 산이나 높은 건물에 신호가 막힐수도 있다.
    • interference from other sources :
      • 동일 주파수를 사용하는 다른 단말기에 의해 interference을 받을 수 있다.
      • 이러한 간섭은 신호품질을 저하시킬 수 있다.
    • multipath propagation :
      • 무선통신 신호는 여러 경로를 통해 수신받을 수 있다. 신호가 반사, 회절, 산란되기 때문임
      • 여러 경로를 통해 도달한 신호는 간섭을 일으켜 신호 품질을 저하시킬 수 있다.

  • BER (Bit Error Rate) : 비트오류율, 값이 작을수록 적은 오류율을 나타냄
  • SNR (Signal to Noise Rate) : SignalNoiseSignal \over Noise, signal의 세기가 세질수록, SNR이 높음
  • SNR Versus BER tradeoffs :
    • given physical layer : increase power → increase SNR → decrease BER
      • signal이 세지면 SNR은 증가, BER 감소
    • given SNR : BER의 조건아래 최적의 물리계층 선택, 최고의 throughput을 냄

CDMA (Code Division Multiple Access)

  • 각 사용자가 고유의 code를 사용하여 frequency를 공유한 상태로 네트워크에 접속
  • encoding : (original data) * (chipping sequence) → Code
  • decoding
  • wireless mobile nerwork는 CDMA/CD가 아닌 CDMA/CA를 사용
    • 이는 무선환경이다보니, Collision detection이 잘 감지되지 않기 떄문

802.11 LAN architecture

  • hosts는 base station과 communication한다.
  • base station : AP (Access Point)
  • BSS (Basic Service Set) : 무선 네트워크의 기본 단위
    • wireless host
    • AP
    • as hoc mode
  • host는 beacon frame을 통해 SSID(AP’s name), MAC address를 알 수 있음

IEEE 802.11 : multiple access

  • 2이상의 node들이 데이터를 전송할 때, collision 발생
  • CSMA (Carrier Sense Multiple Access)방식을 통해 node들은 동시에 데이터를 전송할 수 있음
  • CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access)방식을 통해 사전에 충돌발생을 감지

IEEE 802.11 MAC Protocol : CSMA/CA

  • sender
    • data transmission전 sender는 DIFS (Distributed Inter Frame Space)만큼 기다림
    • DIFS동안 다른 node가 사용중인지를 확인할 수 있음. DIFS동안 사용이 없다면 데이터를 전송함
  • receiver
    • 데이터를 받은 후 ACK를 sender에게 전송, 이때 데이터를 받아 처리하는 시간을 SIFS (Short Inter Frame Space)

802.11 frame : addressing

  • payload와 CRC가 뒤에 있음

802.11 : advanced capabilities

  • Rate adaptation : AP는 동적으로 주변의 환경에 맞게 transmission rate을 조절함
    • Signal을 더 세게 or Rate를 줄이기
    • 예) 유튜브 시청 중 화질저하
  • Power management : 배터리를 아껴야하니 사용하지 않을 때, sleeping mode에 들어감 ⇒ 전력관련 또한 beacon frame에 저장되어 있음.

Personal area networks : Bluetooth

  • 10m 이내의 통달거리
  • 2.4-2.5GHz
  • master device : bluetooth network를 형성, client device를 제어
  • client device : master device와 bluetooth 통신을 하는 장치
  • parked device : 전력을 위해 sleep mode에 들어간 장치
  • TDM, FDM 둘 다 사용하여 통신

4G, 5G cellular networks

  • cellular : 여러 cell이 모여서 network를 구성
  • wide-area mobile network
  • 100’s Mbps의 transmission rate
  • 4G : Long Term Evolution (LTE)

differences from wired internet

  • 이동성
  • 사용자 식별이 가능 → SIM chip을 통해
  • 사용자는 구독을 통해 cellular network를 사용해야함 → 과금
  • 인증을 통해 접속해야함

Elements of 4G LTE architecture

  • Mobile device : UE라고도 함, User Equipment
  • eNode-B (Base station) :
    • ISP의 end edge, ISP는 Base station까지만 관리함. UE는 관리하지 않음
    • IMEI : UE의 정보를 담고있음
    • 수십km를 담당하기 때문에 해당 범위를 다 연결할 수 있어야함.
  • HSS (Home Subscriber Service) : Home network의 UE의 정보가 저장되어 있어, MME는 HSS에게 UE가 ISP의 회원인지를 요청함
  • P-Gateway, S-Gateway :
    • P-Gateway (PDN-Gateway) : Backbone에 가까움
    • S-Gateway (Serving-Gateway) : UE에 가까움
  • MME (Mobility Management Entity) :
    • Base station과 MME가 communicate
    • Base station에 접속한 UE가 해당 ISP의 회원이 맞는지 인증을 담당

LTE data plane protocol stack : first hop

  • LTE link data protocols :

    • Packet Data Convergence : header
    • RLC (Radio Link Control) protocol : fragmentation/reassembly, RDT를 담당
    • Medium Access : 무선망 접속 알고리즘을 제어

  • LTE radio access network :

    • downstream channel :
      • FDM (OFDM (orthogonal FDM)), TDM을 모두 사용
      • TDM : frequency를 여러 time slots로 나누어 사용
    • upstream channel :
      • OFDM, TDM 모두 사용

LTE data plane protocol stack : packet one

  • Tunneling :
    • Encapsulation :
      • mobile datagram : UE’s data packet
      • GTP (GPRS Tunneling Protocol) : mobile datagram을 캡슐화
      • UDP : GTP packet이 UDP datagram 내에 캡슐화되어 전송
      • 캡슐화 된 datagram은 eNode-B → S-GW로 전송
    • S-GW에서 P-GW로 다시 터널링되어 전달

LTE data plane : associating with a BS

  • UE는 BS (Base Station)으로부터 전송되는 sync signal을 이용해 어떤 BS와 통신할지 선택함.
  1. BS는 주기적으로 sync signal을 전송
  2. mobile은 세기가 가장 강한 signal (PSS, Primary Sync Signal)을 수신, 그 후 해당 BS의 정확한 정보를 얻기 위해 (SSS, Secondary Sync Signal)을 수신
  3. SSS 수신 후, 안정적인 연결 확립 및 효율적인 통신 가능

Global cellular network : a network of IP networks

  • home network : UE가 현재 구독중인 ISP’s mobile network
  • visit network : home network 이외의 mobile network
  • home network - visit network는 이제 ALL IP로 연결되어 있음.

On to 5G

  • 24GHz - 52GHz : 주파수대역이 높아지니, 통달거리가 짧아짐
  • 4G와 호환이 되지 않음
  • MIMO (Multiple Input Multiple Output) : 다방향 antennae, gain이 늘어남

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