11. Cellular Wireless Networks

Wireless and Mobile Networks : context

무선·모바일 네트워크의 주요 과제

• 무선(link)
  무선 채널을 통해 안정적으로 데이터를 주고받는 문제

• 이동성(mobility)
  사용자가 셀·AP를 이동할 때 끊김 없이 연결을 유지하고,
  위치 정보를 기반으로 올바른 경로를 설정하는 문제

Elements of a wireless network

Wireless hosts (무선 호스트)

• 노트북(laptop), 스마트폰(smartphone), 사물인터넷 기기(IoT devices)
• 애플리케이션 실행
• non-mobile, mobile 모두 존재 (wireless≠mobility)

Base station (기지국)

• 셀 타워(cell tower), Wi-Fi 액세스 포인트(802.11 AP)
• 유선 네트워크(ex.광케이블·이더넷)와 연결
• 유선망과 무선망을 연결해 주는 중계기 역할

Wireless link

• 모바일 단말 ↔ 기지국 연결
• 다중접속 프로토콜로 충돌·간섭 방지
• 무선 링크가 사용하는 데이터 전송 속도, 전파 도달 거리,
  주파수 대역이 모두 다름

Infrastructure Mode

• 중앙의 기지국(Base Station)이 유·무선 네트워크를 연결
• 기지국이 중앙에서 처리 → n:1
• 핸드오프 : 이동 중에도 끊김 없는 연결을 보장하기 위해
  기지국 간 연결을 매끄럽게 전환하는 메커니즘

Ad hoc mode

• 기지국(BASE STATION) 없이 무선 노드들이
  직접(Device-to-device) 연결을 맺어 네트워크를 구성하는 방법
  → 1:1
• 네트워크 구조(토폴로지)가 고정되어 있지 않고, 계속해서 변화(dynamic)

Characteristics of selected wireless links

속도 vs 거리의 tradeoff

• 단거리(Indoor)에서는 초고속 Wi-Fi가 유리
• 장거리(Outdoor)로 갈수록 대역폭 줄고 4G/5G(수 Gbps)나
  저대역 IoT(802.11af,ah)가 쓰임

Wireless network taxonomy

무선 네트워크 유형 : 인프라 유무와 Hop 수

hop 수 증가 시 : 패킷 손실↑, 지연↑

Wireless link characteristics (1)

무선 링크가 유선 링크보다 더 까다로운 주요 특성

• 신호 감쇠(Path Loss)
  전파가 공기나 건물 같은 매질을 통과하며
  세기가 약해져 통신 거리가 제한됨

• 외부 간섭(Interference)
  2.4 GHz, 5 GHz 등 제한된 주파수 대역을 Wi-Fi, 셀룰러, 모터 등
  여러 장치가 공유하면서 신호 충돌과 왜곡이 발생
  ex. 전자레인지

• 다중경로 전파(Multipath Propagation)
  전파가 벽·지면·물체에 반사되어 다양한 경로로 수신기에 도달
  각 경로별로 fading 정도가 다름

Wireless link characteristics (2)

• SNR (Signal-to-Noise Ratio)
larger SNR ⇒ 신호를 잡음에서 더 잘 분리

• SNR vs BER(비트 오류율) 트레이드오프

• 물리 계층(예: BPSK, QAM16 같은 변조 방식)이 주어졌을 때
  송신 전력 증가 → SNR 상승 → BER 감소

• SNR이 정해졌을 때
  요구 BER을 만족하는 물리 계층(변조 방식·전송률)을 선택하여
  최대 처리량(throughput) 달성

Wireless link characteristics (3)

Hidden Terminal Problem

A와 B는 서로 신호를 들을 수 있고, B와 C도 서로 들을 수 있지만
A와 C는 서로 들을 수 없어,
자신의 전송이 B에서 서로 간섭을 일으킨다는 사실을 모름

완화 기법: RTS/CTS 핸드셰이크

1. A가 전송 전 B에게 RTS(Request to Send) 전송
2. B는 주변(C 포함)에게 CTS(Clear to Send)로 응답
3. A·C 모두 CTS 수신 여부에 따라 “지금은 사용 중”임을 인지 → 충돌 회피

Signal Attenuation (신호 감쇠에 따른 간섭)

A↔B, B↔C 구간에서는 서로 신호를 수신할 수 있지만,
A와 C가 너무 멀어 서로의 신호를 못 듣게 됨.
→ A와 C의 동시 전송이 B에서 간섭을 일으키게 됨

CTS(증폭된 파워)를 사용하여 더 먼 거리까지 도달하도록 함

Code Division Multiple Access (CDMA)

모든 사용자가 같은 주파수 대역을 공유하되,

각 사용자에게 서로 직교(orthogonal)하는
고유의 칩핑 시퀀스(chipping sequence, 코드) 를 할당

→ 여러 사용자가 동시 전송해도 상호 간섭을 최소화

인코딩(Encoding)

디코딩(Decoding)

수신 신호(여러 사용자의 신호가 합쳐진 상태)에 대해

CDMA encode/decode

인코딩 (Sender)

• 데이터 비트 : ${d_1=−1,d_0=+1}$

• 칩핑 시퀀스
  slot 1: [ +1, +1, +1, +1 ]
  slot 0: [ −1, −1, −1, −1 ]

• 채널 출력
  각 비트 $d_i$ 에 대해 칩핑 시퀀스를 곱함

  $Z_{i,m} = d_i \times c_m,\quad m = 1,\dots,M$

디코딩 (Receiver 측)

• 수신 신호 : $Z_{i,m}$이 그대로 들어옴

• 내적 연산 & 합산
  $Z_{i,m}$에 칩핑 시퀀스를 곱함

  $D_i = \frac{1}{M}\sum_{m=1}^{M} Z_{i,m}\times c_m$

• 신호 복원

  $D_i > 0 \;\implies\; d_i = +1,\quad D_i < 0 \;\implies\; d_i = -1$

CDMA: two-sender interference

인코더

• 스프레딩
  각 송신기는 자기 코드로 비트를 ±1 시퀀스로 확산(spreading)

  $Z_{i,m}^{k} = d_{i}^{k} \times c_{m}^{k},\quad k \in \{1,2\},\; m = 1,\dots,8$

• 채널 합산

  $Z_{i,m} = Z_{i,m}^{1} + Z_{i,m}^{2}$

디코더 : 원하는 신호만 추출

• 내적 & 합산
  $c^1$ 과 내적하면 상대 신호 ($Z^2$)는 서로 상쇄되어 0이 됨
  $D_{i}^{1} = \frac{1}{M}\sum_{m=1}^{M} Z_{i,m}\,c_{m}^{1}$

802.11 LAN architecture

Basic Service Set (BSS, aka Cell)

하나의 BSS는

• 하나의 AP (기지국)
• 그 AP에 연결된 다수의 무선 호스트

기지국(Access Point, AP)

무선 호스트(노트북·스마트폰)는 AP와 1:1 연결
AP는 유선 스위치·라우터를 통해 인터넷 백본과 통신

여러 BSS의 연결

스위치·라우터를 통해 BSS 1, BSS 2 등 다수의 셀이 대규모 네트워크로 확장

Ad Hoc mode

AP 없는 순수 호스트 간(p2p) 연결

802.11: Channels, association

채널 분할

2.4 GHz 대역을 여러 주파수 채널로 분할
각 AP에 사용할 채널을 수동 또는 자동으로 선택
인접 AP가 같은 채널을 쓰면 간섭(interference) 발생 가능

호스트의 AP 연결 순서

1. 채널 스캔 (Scan)
   지원 채널을 하나씩 들으면서 AP가 주기적으로 보내는 Beacon Frame 수신
   Beacon에 포함된 SSID(네트워크 이름)와 AP의 MAC 주소 확인

2. AP 선택 (Select)
   수신된 여러 Beacon 중, 최적의 AP 결정

3. 연결(Association)
   인증이 완료되면 AP에 Association 요청 전송

4. IP 주소 할당 (DHCP)
   DHCP 서버에 새로 들어온 호스트에게 IP 할당 요청
   : AP가 속한 서브넷(사설망) 범위 내에서만 유효한 사설 IP

802.11: passive/active scanning

Passive Scanning (전력 효율)

AP가 주기적으로 뿌리는 Beacon Frame을 수신하여 스캔

AP 비콘만 듣기 때문에 호스트 전력 소모↓, 하지만 비콘 간격만큼 탐색 지연↑

Active Scanning (빠른 AP 탐색)

호스트(H1)가 모든 채널에 Probe Request를 브로드캐스트 → AP가 응답

호스트가 직접 요청을 보내므로 빠른 탐색 가능,
그러나 네트워크 부하·호스트 전력 소모↑

1. Probe Request
   H1이 Probe request frame을 broadcast

2. Probe Response
   AP들이 채널 정보를 담아 응답

3. Association Request
   H1이 선택한 AP에 연결 요청

4. Association Response
   AP가 연결 승인 응답

IEEE 802.11: multiple access

CSMA

송신 전에 채널 감지(Carrier Sense)
주변에 다른 신호가 없을 때만 전송 시작 → 겹침(collisions) 최소화

무선 : Collision Detection 어려움

유선 Ethernet(CSMA/CD)과 달리, 무선에서는 충돌 감지가 어려움

• 내 송신 신호가 워낙 강해서 약한 수신 신호를 검출할 수 없음
• Fading 때문에 충돌 순간의 신호 레벨 변화를 정확히 구분하기 어려움

→ 충돌 확률을 낮추는 방식을 선택 (Collision Avoidance)

IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA

송신자(Sender)

1. 채널 감지 (Carrier Sense) 후 DIFS 대기
   채널이 idle 상태를 DIFS 동안 유지되면 바로 전체 프레임 전송 시작

2. 채널이 busy면 랜덤 backoff

• 채널이 busy 상태라면 :
  랜덤 백오프 타이머를 0…CW 사이에서 무작위 설정
  채널이 idle 상태일 때만 타이머를 카운트다운
  타이머가 0이 되면 프레임 전송

• 전송 실패(ACK 미수신) 시 :
  백오프 구간(CW)을 늘려(벌칙) 다시 2단계 반복

수신자(Receiver)

프레임 수신 확인 → SIFS 대기 후 바로 ACK 전송

Avoiding collisions (more)

CSMA/CA 충돌 회피 강화: RTS/CTS 절차

1. 송신 노드가 RTS(Request To Send) 패킷을 먼저 CSMA 방식으로 전송

2. 기지국(BS/AP)의 CTS(Clear To Send) 응답

3. CTS를 들은 모든 노드는 송신 노드가 지정 시간 동안
   채널을 사용할 것임을 알게됨

802.11(wifi) frame: addressing

IEEE 802.11 MAC 프레임의 주소 필드

Address 1 : 수신자 MAC
Address 2 : 송신자 MAC
Address 3 : 유선 라우터(스위치) 인터페이스의 MAC 주소
Address 4 : ad hoc 모드에서 사용

무선(802.11)→유선(802.3 Ethernet) 구간으로 IP 패킷이 전달될 때의 MAC 주소 매핑

호스트 H1가 인터넷상의 서버 H2(또는 다른 LAN 호스트)로 IP 패킷 전송

• 무선 구간: H1 ↔ AP (기지국) ↔ 유선 라우터 R1
• 유선 구간: R1 ↔ H2

802.11 Wi-Fi 프레임 (무선 구간)

Address 1 : AP의 MAC
Address 2 : H1의 MAC
Address 3 : R1 (라우터) 인터페이스 MAC

802.3 Ethernet 프레임 (유선 구간)

MAC dest : H2의 MAC
MAC source : R1의 MAC

802.11: mobility within same subnet

802.11 동일 서브넷 내 모빌리티

IP 주소 고정

H1이 같은 IP 서브넷(BSS 1 ⇆ BSS 2) 안에서 이동하므로
IP 주소 변경 불필요

데이터 포워딩을 위한 스위치 학습

호스트가 BBS 1의 AP → BBS 2의 AP로 로밍 시
L2 스위치(브리지)는 Self-Learning을 통해,
H1로부터 전송된 프레임의 송신 MAC을 보고
H1을 향해 어떤 포트를 통해 나가야 하는지를 테이블에 갱신

802.11: advanced capabilities

802.11의 Rate Adaptation

Rate Adaptation 이유 : 이동 중 SNR 변화

• 기지국(AP)으로부터 멀어지면
  : 수신 신호 세기↓ → SNR↓ → BER(비트오류율)↑

• 반대로 가까워지면
  : SNR↑ → 더 높은 전송률도 안정적으로 지원 가능

802.11의 전원 관리(Power Management)

배터리 절약을 위해 호스트(노드)가 매번 깨어 있지 X

• 노드 → AP: 슬립 모드 진입 알림
  노드가 데이터 프레임 전송 시,
  헤더의 Power Management 필드를 “Sleep”으로 표시
  AP는 해당 노드가 다음 Beacon 전까지 프레임 수신 의사가 없음을 인지

• AP → 노드: Beacon Frame 전송
  AP는 매 정해진 간격으로 Beacon Frame을 브로드캐스트
  노드는 예상되는 Beacon 송신 시간보다 약간 일찍 라디오를 켜고 채널 감지

Personal area networks: Bluetooth

Topology : 인프라 없음 (ad hoc)

장치 역할

• Master Controller (M)
  : 네트워크 중앙에서 polling, 클라이언트(C)에게 전송권 허가

• Client Devices (C): 마스터의 허가(Grant)를 받아 데이터 송신

• Parked Devices (P): 비활성 상태로 전환되어 절전

Bluetooth 기능

• 시간 분할 다중화 (TDM)
  : 마스터와 각 클라이언트가 지정된 슬롯에 송·수신

• 주파수 홉핑 확산 (FHSS, Frequency-Hopping Spread Spectrum)
  : 슬롯별로 주파수 변경,
  다른 외부 장비가 일으키는 간섭은 일부 슬롯에만 영향을 줌

• Parked Mode (절전 모드)
  : 페어링된 클라이언트가 데이터 교환이 없을 때 → 슬립 상태

• 부트스트래핑 (Bootstrapping)
  : 새로운 장치가 주변의 마스터를 자동 탐색·페어링

4G/5G cellular networks

4G/5G 셀룰러 네트워크 vs 유선 인터넷

유사점

• 단일 사업자(carrier) 아래 통합 운영
• 전 세계 “네트워크들의 네트워크", 동일한 IP 기반 프로토콜 사용
• 유선 인터넷과 직접 연결

차이점 (무선 전용 링크 계층, RAN 특징)

• 무선 전용 링크 계층 사용 (RAN)
• SIM 기반 사용자 식별
  → 홈 네트워크 vs 로밍 구분

Elements of 4G LTE architecture

Mobile Device (UE)

가입자 식별

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) : SIM 카드에 저장
• IMEI : equipment ID, 물리적 식별

기지국 (Base Station, eNode-B)

: 통신사업자(캐리어) 네트워크의 edge

무선 자원 관리

• 할당·스케줄링: cell 내 UE(단말)들의 무선 채널·전력 제어

모빌리티 지원

• 핸드오버 준비: UE 이동 시 이웃 기지국과 연동해 끊김 없는 전환

Wi-Fi AP 대비 차이점

• 능동적 모빌리티 제어: 셀 간 고속 핸드오버 주도
• 주변 기지국과 실시간 자원 최적화 정보 교환

HSS (Home Subscriber Server)

: 가입자 관리 server, IMSI 저장

MME ↔ HSS 인증

• MME가 HSS에 UE의 IMSI 조회 및 인증키 검증 요청
• HSS는 가입자 프로필을 반환하고 인증 절차 완료

Mobility Management Entity (MME)

가입자 인증 (Authentication)

• UE ↔ 네트워크 상호 인증
• HSS와 연동해 IMSI 조회 및 인증키(Key) 검증

모빌리티 관리 (Mobility Management)

• 셀 간 핸드오버 제어
• UE 위치 추적 (Tracking)
• Paging: UE가 휴면 상태일 때 네트워크가 데이터·음성 호출 시 깨움

Session Setup

• 인증 완료 후 MME가 P-GW에 Create Session Request 전송

Serving Gateway (S-GW) & PDN Gateway (P-GW)

PDN Gateway (P-GW)

• 인터넷 게이트웨이
  : 외부 PDN(인터넷, 사설망)과 LTE 코어망 연결점,
  UE에 공인 IP 주소를 할당하고 관리

• NAT 서비스
  : 여러 UE의 사설 IP를 하나의 공인 IP로 변환·연결

Serving Gateway (S-GW)

• 로컬 모빌리티

LTE: data plane control plane separation

Control Plane

• 모빌리티 관리
• 가입자 인증·보안

Data Plane

• 무선 구간 전용 프로토콜 : 링크 계층(L2), 물리 계층(L1)에서
• 터널링을 통한 모빌리티 지원

LTE data plane protocol stack: first hop

LTE link layer protocols

무선 구간(UE ↔ eNodeB)에서 상위 IP 패킷을 전송하기 위해,
LTE는 L2와 L1에서 세 가지 프로토콜 계층을 사용:

PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

• 헤더 압축(Header Compression)
• 암호화

RLC (Radio Link Control Protocol)

• Fragmentation & Reassembly
  : 상위 PDCP 블록을 무선 전송 단위로 쪼개고, 받은 조각을 원래대로 합침
• Reliable data transfer

MAC (Medium Access Control)

• 스케줄링 인터페이스: eNodeB가 할당한 전송 슬롯 기반으로 UE가 송수신

LTE 무선 접속망(RAN) 자원 분할 & 할당

다운스트림(기지국→단말)

• OFDM: 직교 주파수 분할 다중화

업스트림(단말→기지국)

• FDM + TDM 원리가 다운스트림과 유사

자원 할당

• 각 활성 UE에 0.5 ms 슬롯을 두 개 이상 배정
• 슬롯마다 서로 다른 주파수 사용 가능

스케줄링

• 알고리즘은 표준 미규정 → 사업자(운영사)가 선택해 구현

LTE data plane protocol stack: packet core

Tunneling

UE→S-GW 구간

• UE에서 나온 IP 패킷은 GTP-U(GPRS Tunneling Protocol)로 캡슐화
• 이 GTP-U 헤더가 붙은 패킷을 UDP로 감싸 eNodeB를 거쳐 S-GW로 전송

S-GW→P-GW 구간

• S-GW는 수신한 GTP-U 패킷을 다시 확인 후
• 동일한 GTP-U 터널링 방식으로 P-GW로 재전송

UE가 셀(cell) 이동 시,
터널의 양 끝점(엔드포인트) 정보(eNodeB 또는 S-GW)가 업데이트될 뿐
UE의 IP 세션·애플리케이션 연결은 그대로 유지됨

LTE data plane: associating with a BS

LTE 무선 접속: 기지국과 연결(접속) 절차

1. Primary Sync 신호 수신 (5 ms 간격)
   모든 기지국(eNodeB)이 5ms마다 모든 주파수 대역에
   primary sync signal을 브로드캐스트

2. Secondary Sync & 시스템 정보 확인
   UE가 Primary Sync를 잡은 뒤,
   같은 주파수에서 Secondary Sync를 찾아 프레임 타이밍 파악

3. 기지국(eNodeB) 선택
   UE는 어느 기지국에 접속(Associate)할지 결정

4. 추가 인증·상태 설정·데이터 터널링

LTE mobiles: sleep modes

LTE 단말 전원 절약 모드

Light Sleep

• 발생 시점: 단말이 짧은 비활성(수백 ms) 상태일 때

• 약 수백 ms 간격으로 주기적으로 깨어나(wake‐up)
  다운스트림 신호(푸시·스케줄링 지시) 수신 여부 확인
  데이터가 없으면 다시 절전

Deep Sleep

• 발생 시점: 장시간(5–10초) 비활성 상태일 때

• 더 오래 잠들어 배터리 절약 극대화

Global cellular network: a network of IP networks

Home Network HSS

• 가입자 식별 및 서비스 권한 정보 저장
• 자국망은 물론 로밍 시에도 동일 HSS로 인증·프로필 제공

All-IP 네트워크

• 사업자별 P-GW들이 인터넷·IPX 교환망을 통해 전 세계망으로 연결

→ 이 구조로
가입자는 SIM 하나로 자국·해외망 모두에서 일관된 인증·서비스를 받고,
모든 사업자가 IP 망을 통해 효율적·유연하게 상호 연동

5G 특징

대용량 MIMO(Mutiple Input Mutiple Output)

• 다수의 안테나로 공간분할 다중 접속

밀리미터파(mmWave)

• 전파 도달 거리가 짧고 장애물 민감
• 밀집하여 기지국 설치 필요

What is mobility?

spectrum of mobility

• no mobility : 움직일 때 기기를 끄거나 네트워크 연결을 끊음

• 같은 AP(또는 셀) 영역 안에서만 이동

• 같은 사업자망 안의 서로 다른 AP(셀) 사이를 이동
  → 기지국 간 핸드오버 발생

• high mobility : 여러 사업자망을 가로질러 이동 → 로밍·핸드오버 수행

Mobility approaches

네트워크(라우터) 기반 이동

1. 단말 위치 정보 등록
   : 단말이 이동할 때마다 현재 셀 또는 접속 지점 번호를 라우터에 알림

2. 라우팅 테이블 갱신
   : 라우터들이 업데이트된 위치를 경로 교환 프로토콜을 통해 공유

3. Longest Prefix Match
   : 목적지 주소(셀 번호) 기반으로 패킷을 해당 단말이 위치한 라우터로 전달

→ 모바일이 수십억 대일 때는
라우터가 단말 위치를 매번 테이블에 기록·갱신하는 방식이 불가능

End-system (단말) 기반 이동

: 네트워크 코어 대신 엣지(단말·호스트)에서 이동성 관리

간접 라우팅(Indirect Routing)

• 외부 호스트가 먼저 단말의 Home 주소로 보내면,
• Home Network에 있는 에이전트가 이를 터널로
  Visited Network의 실제 위치로 전달

직접 라우팅(Direct Routing)

• 외부 호스트가 단말의 현재(Visited) 주소를 알아내 직접 전송

Home network, visited network: 4G/5G

Home Network

• 가입자가 서비스 계약을 맺은 사업자망
• SIM에 저장된 가입자 프로필(HSS) 관리

Visited Network

• Home이 아닌 다른 사업자망
• Home과 사전 협약된 망에서 로밍 제공

Home network, visited network: ISP/WiFi

ISP/Wi-Fi 망에서의 Home vs. Visited Network

Home Network의 개념 없음

• 이동 시에도 단일 사업자망에 종속되는 4G/5G와 달리,
  Wi-Fi/ISP망에는 전 세계를 아우르는 home이 없음

인증 구조

• 각 ISP/Hotspot마다 사용자명·비밀번호 등 로그인 정보 필요

망별로 상이한 로그인

• 서로 다른 ISP 간에는 각기 다른 자격 증명 사용

이동성 아키텍처(mobile IP) 미사용

Registration: home needs to know where you are!

방문망 접속

• UE가 방문망(Visited Network) 내의
  기지국(eNode-B)·이동관리자(MME)와 연결
• 단말의 IMSI(Subscriber ID)를 포함한 등록 요청이 방문망 MME로 전달

방문망 → 본국망 등록

• 방문망 MME가 단말의 IMSI와 현지 IP 정보를
  본국망(Home Network)의 HSS(Home Subscriber Server)에 전달
• 단말이 지금 어디(어떤 방문망)에 있는지 본국 HSS가 알게 됨

→ Home HSS는 단말의 현재 위치(방문망 식별자)를 알고,
이후 데이터/신호 트래픽을 올바른 방문망으로 중계 가능

Mobility with indirect routing

간접 경로(indirect routing) 방식

통신 시작

• 외부 통신 상대(Correspondent)는
  단말의 본국망(Home Network) IP(영구 주소) 로 패킷 전송
  

본국망 터널링

• Home Gateway가 수신한 패킷을 GTP 터널로
  캡슐화하여 인터넷을 통해 Visited Network 게이트웨이로 전달

방문망 전달

• 방문망 게이트웨이(Visited Gateway)가 터널 헤더를 제거하고 단말의 현재 IP 로 패킷을 전달

응답 경로
: 단말 → 상대 방향 응답은

• (4a) 본국망 경유
  : 방문망 게이트웨이가 응답을 본국망 게이트웨이로 터널링 후,
  본국망에서 상대에게 전달

• (4b) 직접 전송
  : 방문망 게이트웨이가 본국망 경유 없이 곧바로 상대에게 응답

삼각형 경로(triangle routing)

통신 상대↔모바일 간 트래픽이 항상 본국망(Home Network) 을 거쳐 이동

단점

같은 방문망 내에 상대와 모바일이 있을 때에도 불필요하게 본국망을 우회
⇒ 비효율적

장점

모바일이 여러 방문망(Visited Network) 사이를 이동해도,

1. 새 방문망에 등록(Register)
2. 해당 방문망이 본국망 HSS에 위치 정보 갱신(Register Location)
3. 이후 데이터그램은 계속 본국망에서 최신 방문망 게이트웨이로 전달
   ⇒ 모바일 위치 변경을 통신 상대가 알 필요 없음

Mobility with direct routing

통신 상대(Correspondent)가
모바일의 방문망 주소(Care-of Address)를 직접 알아내서,
트래픽을 본국망(Home) 우회 없이 바로 보냄

1. 현재 위치 조회
   : 통신 상대가 처음에 본국망의 HSS에 질의
   → 모바일이 접속한 방문망의 Visited Network Gateway 주소를 반환받음

2. 데이터 송신
   통신 상대는 본국망을 거치지 않고 바로 방문망 게이트웨이로 IP 패킷 전송

3. 방문망 전달
   방문망 게이트웨이가 패킷을 수신하여 해당 셀(기지국/eNode-B)으로 전달

4. 응답 경로
   모바일의 응답은 동일하게 방문망 게이트웨이를 거쳐 통신 상대에게 돌아가거나, 다시 본국망 경유

Direct Routing 주요 특징

삼각경로 비효율 극복

• 데이터가 본국망→방문망→모바일로 돌아오는
  비효율적 경로(삼각경로)를 제거

통신 상대에게 비투명

• 통신 상대(Correspondent)가
  모바일의 방문망 주소(Care-of Address)를 직접 알아야 함

이동성 관리 복잡도

• 모바일이 다른 방문망으로 이동 시, 신규 Care-of Address를
  다시 등록·통보해야 하며 추가 제어 메시지가 필요

Mobility in 4G networks: major mobility tasks

4G 네트워크에서 이동성(Mobility) 주요 작업

1. 기지국 연결(Base Station Association)

• 모바일 기기가 주변 기지국(BS)의 신호를 수신 → IMSI(가입자 식별자) 전송
• 목적: 어느 기지국과 연결될지 결정하고, 홈 네트워크를 식별

2. 제어 평면 구성(Control-Plane Configuration)

• 방문망의 MME(모빌리티 관리 엔티티)와 홈 HSS(가입자 서버)가
  상호 인증 및 망 정보 동기화
• 목적: 모바일이 현재 어느 방문망에 속해 있는지 제어 정보를 설정

3. 데이터 평면 구성(Data-Plane Configuration)

• MME가 홈 P-GW와 방문망 P-GW/S-GW에 터널 경로를 설정
• 목적: IP 데이터그램이 홈 네트워크에서 모바일로,
  또는 모바일에서 인터넷으로 안전하게 전달

4. 모바일 핸드오버(Mobile Handover)

• 이동 중인 모바일이 다른 기지국 영역으로 바뀔 때,
  방문망 MME 간 또는 기지국 간 빠른 재연결 절차 수행

Configuring data-plane tunnels for mobile

S-GW ↔ BS 터널

• 단일 기지국 변경 시 터널의 종단점 IP(엔드포인트)만 교체하면 됨

S-GW ↔ 홈 P-GW 터널

• 홈 네트워크에 있는 P-GW로부터 모바일까지 터널이 형성되어,
  홈 주소(dest-IP)를 유지하면서도 이동성 지원

터널링 프로토콜: GTP (GPRS Tunneling Protocol)
: 모바일의 원본 패킷(ex. 스트리밍 서버로부터 온 데이터그램)을

1. GTP 헤더로 캡슐화(터널링)
2. UDP 페이로드 안에 실어 전송
3. 단일 IP 데이터그램으로 인터넷을 경유

Handover between BSs in same cellular network

같은 셀룰러 네트워크 내 기지국(BS) 간 핸드오버 절차 요약

1. 대상 BS 선정 & 요청
   현재 연결된 ‘source BS’가 다음에 연결할 ‘target BS’를 선택
   source BS → target BS로 Handover Request 메시지 전송

2. 타깃 BS 준비 완료
   타깃 BS가 모바일용 무선 자원(시간 슬롯 등)을 미리 예약
   예약 정보와 함께 Handover Request ACK를 source BS에 회신

3. 모바일에 새 BS 정보 전달
   source BS → 모바일: '이제 target BS로 전송해도 됨' 알림

4. 데이터 경로 전환
   source BS는 더 이상 모바일에 직접 데이터 전송을 하지 않고
   기존에 모바일로 가던 터널(또는 전달경로)을 타깃 BS로 포워딩

5. 타깃 BS → MME: 핸드오버 완료 알림
   타깃 BS가 이동관리서버(MME)에 자신이 새로운 단말의 접점임을 알리고,
   MME는 S-GW에 “터널의 종단점을 타깃 BS로 변경하라”고 지시

6. 타깃 BS → source BS: 최종 ACK
   타깃 BS가 source BS에 “핸드오버 완료”를 통보
   소스 BS는 이제 예약했던 무선 자원과 터널 포워딩 경로를 해제
   : P-GW→S-GW→타깃 BS→모바일 경로가 활성화

Mobile IP

간접 경로(indirect routing)

• 모든 패킷이 단말의 home agent를 거쳐 터널링된 후
  방문 네트워크(foreign agent)로 전달됨

Home Agent (HA)

• 4G의 HSS + 홈 P-GW 역할을 통합

Foreign Agent (FA)

• 4G의 MME + S-GW 역할을 통합

Wireless, mobility: impact on higher layer protocols

무선·모빌리티가 상위 계층 프로토콜에 미치는 영향

논리상 영향은 최소화되어야 함.
but 실제 성능에는 영향을 줌 (loss·지연 등)

링크 계층 손실·재전송 지연

• 물리 계층 비트 오류 → 프레임 폐기·재전송 → 지연 발생

TCP의 오작동

• 손실을 혼잡(congestion) 으로 오인
  → 불필요하게 혼잡 제어 작동(윈도우 축소)