14. Wireless LANs

Example Single-Cell Wireless LAN Configuration

• User Module (UM)
  : 각 무선 단말(ex. 노트북)에 달린 네트워크 인터페이스 카드나 어댑터

• Control Module (CM)
  : 여러 UM과 무선 링크를 맺고,
  들어오는 프레임을 모아서 유선 LAN 쪽 스위치로 넘겨 주는 역할

• Ethernet Switch
  CM에서 받은 무선 프레임을 다시 VLAN 구분 없이 내부 LAN으로 전달하고, 유선 LAN의 트래픽도 CM을 통해 무선 단말로 보내줌

Ad Hoc Wireless LAN Configuration

Control module 없이 device-2-device

Wireless LAN Requirements

무선 LAN (WLAN) 설계 시 고려해야 할 요구사항

• 처리량(Throughput)
  초당 전송 가능한 데이터 양(Mbps 또는 Gbps)

• 백본 LAN 연결성
  무선 AP(Control Module) ↔ 유선 백본 스위치 연결 방식과 성능

• 서비스 영역(Service Area)
  한 대역폭이 커버해야 할 물리적 거리·범위(커버리지)

• Transmission Robustness & Security
  간섭·다중 경로 페이딩에 대한 내성, WPA/WPA2/WPA3 암호화

• Collocated Network Operation
  동일 주파수 대역에서 발생할 수 있는 간섭 관리, 채널 분리

• Operation in License-free Bands
  2.4 GHz/5 GHz/6 GHz 등 면허 없이 사용할 수 있는 주파수 대역 활용

IEEE 802.11 WLAN 아키텍처

• Basic Service Set (BSS)
  한 개의 Access Point(AP) 와 이 AP에 무선 연결된
  STA(Station)들의 집합

• Extended Service Set (ESS)
  복수의 BSS를 하나의 논리적 LAN(domain)으로 묶은 것
  각 BSS의 AP들이 Distribution System(DS) 으로 상호 연결

• Distribution System (DS)
  여러 AP를 유선/무선으로 연결하는 백본 네트워크
  AP들 간 프레임 전달(포워딩) 및 로밍 시 데이터 연계 담당

• Portal
  ESS와 외부 네트워크 간 IP 라우팅·브리징 수행

• STA(Station)
  무선 단말(노트북, 스마트폰 등)

• Access Point (AP)
  DS에 직접 연결되어, 해당 BSS에 속한 스테이션들이
  DS에 접근할 수 있도록 무선 매체를 중계(relay)하는 장치

Wi-Fi Alliance

서로 다른 제조사의 무선 LAN 제품 간 상호 운용성(interoperability)을 보장

Distribution of Messages Within a DS

Distribution Service 기능 분류

통합 서비스(Integration Service)

• IEEE 802.11 무선 LAN의 스테이션과 다른 IEEE 802.x LAN(유선 LAN 등) 상의 스테이션 간에 데이터를 전달할 때 사용

• 필요시 MAC 주소 변환, 매체(physical) 변환 등을 처리

분배 서비스(Distribution Service)

• BSS 간 이동: 서로 다른 BSS에 소속된 두 스테이션 간 MAC 프레임을 교환할 때 사용

• 프레임이 한 BSS → DS → 또 다른 BSS 경로로 전달

• DS 내부에서 필요한 주소 매핑/미디어 변환을 수행

• 동일 BSS 내: 같은 BSS에 속한 스테이션끼리의 통신이라도,
  논리적으로는 해당 BSS의 AP를 거쳐 분배 서비스가 수행됨

Association-Related Services

: DS(Distribution System)가 ESS 내 스테이션 정보를 알기 위해 필요

DS(Distribution System)는 각 스테이션이 어느 AP에 속해 있는지 알아야
그 AP로 메시지를 전달할 수 있음
→ 모든 스테이션은 현재 속한 BSS의 AP와 “association” 상태를 유지해야 함

mobility transition 유형

• No transition
  한 BSS 안에서 정지(stationary)하거나 움직이지만
  여전히 같은 AP 범위 내

• BSS transition
  같은 ESS(Extended Service Set)에 속한 다른 BSS(AP)로 이동

• ESS transition
  아예 다른 ESS 소속 BSS로 이동

3가지 주요 서비스

• Association
  스테이션이 최초로 AP와 연결을 맺을 때 사용

• Reassociation
  이미 맺은 association을 다른 AP로 옮길 때 사용

• Disassociation
  스테이션 또는 AP가 기존 association을 해제할 때 알림

Medium Access Control

MAC 계층의 주요 기능 영역

• 접근 제어 (Access Control)
  무선 매체나 유선 버스처럼 공유된 전송 매체 위에서
  충돌 없이 프레임을 전송하도록 스테이션 간 전송 기회 및 우선순위를 조정

• Reliable Data Delivery
  프레임 단위의 오류 검출·재전송 메커니즘을 통해
  손실되거나 손상된 프레임을 복구하여 상위 계층에 올바른 데이터 전달

• 보안 (Security)
  암호화, 인증, 무결성 검사 등을 통해
  승인된 스테이션만 네트워크에 접근하도록 함

Reliable Data Delivery

상위 계층에서 처리 가능하지만, MAC 수준에서 처리하는 것이 효율적

802.11 프레임 교환 프로토콜

• 송신한 프레임을 받는 쪽(STA)은 즉시 ACK 프레임을 돌려보냄
• 일정 시간(ACK 타임아웃) 내에 ACK를 받지 못하면, 동일 프레임을 재전송

무선 물리·MAC 계층의 불안정성

• 잡음(noise), 간섭(interference), 전파 감쇠(path loss) 등으로
  프레임 손실이 잦음
• ECC(오류 정정 코드) 사용에도 여전히 프레임 손실 가능

따라서 802.11 MAC은 프레임 단위 ACK/재전송 메커니즘으로 신뢰성을 보완

Four Frame Exchange

1. RTS (Request To Send)
   송신 측(STA)이 “이제 곧 전송할 예정”임을 반경 내 모든 STA에 알림

2. CTS (Clear To Send)
   목적지 STA가 “이제 전송해도 좋다”는 응답을 반경 내 모든 STA에 방송
   다른 STA들은 전송을 멈추고 대기하여 충돌 방지

3. 데이터 프레임 전송
   RTS/CTS 교환이 성공적으로 완료되면,
   송신 측이 실제 데이터 프레임을 전송

4. ACK (Acknowledgment)
   목적지 STA가 수신 확인을 위해 ACK 프레임을 송신.
   ACK 미수신 시 재전송

IEEE 802.11 Protocol Architecture

PCF (Point Coordination Function)

• STA들이 순차적으로 충돌 없이 지정된 시간에 송신
• 다른 STA들이 경쟁하지 않으므로 충돌이 전혀 발생하지 않음

DCF (Distributed Coordination Function)

• PCF 기간이 끝나면, 다시 CSMA/CA(경쟁 기반) + ACK
• 채널이 유휴인지 확인한 뒤 전송하고, ACK 프레임을 받지 못하면 재시도

Distributed Coordination Function (DCF)

1. Listen
   전송할 프레임이 있으면 먼저 무선 매체(채널)가 Idle인지 청취

2. 전송(Transmit) or 대기(Backoff)

• idle이면 바로 전송
• 바쁘면 현재 전송이 끝날 때까지 듣고,
  그 뒤 백오프(backoff) 절차로 랜덤 지연을 거친 후 재시도

Priority IFS Values

802.11 MAC에서 각 프레임 전·후 처리 지연을 통해 우선순위를 구분.
짧을수록 높은 우선순위

• SIFS (Short IFS)
  즉각 응답용 (ACK, CTS)

• PIFS (Point coordination IFS)
  중앙 제어(PCF) 모드에서 폴링(poll) 신호 전송 시

• DIFS (Distributed coordination IFS)
  일반 프레임(CF-Poll/데이터) 전송을 위한 기본 대기 시간

IEEE 802.11 MAC Timing

(a) DCF 기본 접근 방식

1. 채널 감지
   채널이 DIFS 시간 이상 idle 상태면 즉시 전송 시도
   그렇지 않으면 전송 연기

2. 백오프(Backoff) 단계
   채널이 유휴가 되면 0~(CW-1) 슬롯(slot) 중 랜덤하게 하나를 골라 기다림.
   이때 CW(Contention Window)는 충돌 횟수에 따라 증가.
   백오프 완료 후 전송

3. 응답·ACK
   수신 측은 프레임 수신 직후 SIFS만큼만 기다렸다가 ACK 전송
   ACK 못 받으면 재전송 시도

(b) PCF 슈퍼프레임 구성

슈퍼프레임 시작 →

1. Contention-Free Period (CFP)
   : 중앙 조정자(AP)가 PCF 방식으로 폴링(poll)하여 순차 전송.
   AP가 poll 호출한 스테이션만 전송 → 충돌 제로

2. Contention Period (CP): 다시 DCF로 돌아가 분산 경쟁 전송

SIFS

ACK 응답

• 데이터 프레임 수신 직후 SIFS만큼만 기다리고 즉시 ACK 전송
• 충돌 복구(collison recovery)를 빠르게 수행

CTS 응답

• 송신 측이 RTS(Request To Send) 보낸 뒤 SIFS 후
  즉시 CTS(Clear To Send) 전송

폴링 응답 (Poll Response)

• PCF(Point Coordination Function)에서 AP가 폴링(frame Poll)
  요청한 뒤 SIFS 후 즉시 폴링 응답 데이터 전송

Point Coordination Function (PCF)

포인트 코디네이터(Point Coordinator)

• AP 내부에 구현된 중앙 제어기
• 원형(round-robin) 방식으로 폴링 대상 스테이션들에게
  차례로 전송 권한 부여

폴링( Polling )

• 폴링 명령을 전송할 때는 PIFS(Point Coordination IFS)를
  대기 간격으로 사용

• 폴링된 스테이션은 PIFS 후에 SIFS만 기다리고
  즉시 데이터 또는 응답 전송 가능

• 응답 수신 시, 즉시(다시 PIFS 후) 다음 폴링을 발행하여 폴링 주기를 유지

Control Frames

IEEE 802.11 제어 프레임 정리

• Contention-Free (CF) End
  PCF 모드의 “경쟁 없음(contention-free) 구간”이 종료됨을 선언

• CF-End + CF-Ack
  CF-End를 수신한 스테이션이 “경쟁 없음 구간이 종료되었음을 확인”하고
  더 이상 PCF 폴링 제한을 받지 않도록 해제 응답

Data Frames

데이터 운반 프레임 (상위 계층 데이터 포함)

• Data
  가장 단순한 데이터 전송.
  경쟁 모드(DCF)·비경쟁 모드(PCF) 모두 사용 가능

• Data + CF-Ack
  데이터 전송과 동시에 “이전 데이터 수신 완료” ACK 전달

• Data + CF-Poll
  중앙 폴링 주체(포인트 코디네이터)가 데이터 전송 후 응답 요청(Poll)

• Data + CF-Ack + CF-Poll
  위 두 기능(ACK + Poll)을 한 프레임에 결합

Management Frames

무선 LAN에서 스테이션과 AP 간의 연결(Association) 등을 관리하기 위해 사용하는 프레임

IEEE 802.11b

DSSS(Directional Sequence Spread Spectrum) 확장

• 기존 802.11 DSSS 방식을 그대로 사용
• 코드(chipping) 속도: 11 MHz

CCK(Complementary Code Keying) 변조

• 동일한 채널 대역폭과 코드 속도를 유지하면서 더 높은 전송률 제공

PLCP header (IEEE 802.11b)

PLCP 헤더는 프리앰블 다음에 전송되며, 2 Mbps의 DQPSK 변조로 송출됨

Signal (신호 속도 지정)

• 이어질 MPDU(데이터) 부분을
  어떤 전송 속도(1, 2, 5.5, 11 Mbps 등)로 보낼지 지정

Service (서비스 필드)

• 8비트 중 실제로는 상위 3비트만 사용

Length (길이 정보)

• MPDU 부분을 전송하는 데 필요한 시간을 지정

CRC (체크섬)

• Signal, Service, Length 필드를 보호하기 위한 16비트 오류 검출 코드

IEEE 802.11 물리(PHY) 계층 PDU 구성

PLCP Preamble (동기화 전송)

수신측의 클럭 동기화용

PLCP Header (송신 정보 전송)

• Signal (속도 코드)
  8비트, MPDU 전송 속도(1, 2, 5.5, 11 Mbps)

• Service
  8비트 중 상위 3비트만 사용

• Length (길이)
  16비트, MPDU 전송에 필요한 시간(μs)

• CRC
  Signal/Service/Length 필드를 보호하는 16비트 검사

MPDU (MAC Protocol Data Unit)

• 전송 속도
  Signal 필드에 지정된 DSSS 속도 (1, 2, 5.5, 11 Mbps)

IEEE 802.11a

주파수 대역 (UNNI)

• UNNI-1: 5.15 – 5.25 GHz (실내 전용)
• UNNI-2: 5.25 – 5.35 GHz (실내·실외 사용)
• UNNI-3: 5.725 – 5.825 GHz (실외 전용)

802.11b/g 대비 장점

• 넓은 가용 대역폭 활용
  2.4 GHz 대역보다 훨씬 넓은 5 GHz 대역 사용

• 높은 전송속도 지원

• 혼잡도 낮은 주파수
  전자레인지·블루투스 등 2.4 GHz 대역 혼잡 회피

Physical-Layer Frame Structure

IEEE 802.11 물리 계층 프레임 구조

• Signal / Rate:
  이 MPDU를 전송할 PHY 속도 지정

• Length
  MPDU 부분 전송에 필요한 시간(µs) 또는 옥텟 수 지정

• Tail
  컨볼루션 코드 encoder를 ‘0’ 상태로 초기화하기 위해 6 비트 0으로 채움

IEEE 802.11g

802.11b의 저속도(11 Mbps) 한계를 보완해 더 빠른 속도 제공

• 주파수 대역
  2.4 GHz ISM 밴드 사용 (802.11b와 동일)

• 하위호환성
  802.11b 장치와 공존·호환 가능

Estimated Distance (m) Versus Data Rate

전송 속도가 높아질수록 신호 강도가 더 빨리 감쇠되어 최대 통신 거리가 짧아짐

→ 2.4 GHz 대역(802.11b/g)은 5GHz 대역(802.11a)보다
저속 모드에서 더 긴 거리를 제공

IEEE 802.11n

MIMO 안테나 구조

• 다중 입력(Multiple-Input) × 다중 출력(Multiple-Output) 안테나 사용
• 동일 대역폭에서 전송 용량(capacity) 향상

MAC 계층 강화

• 프레임 집계(aggregation)
  : 여러 개의 MAC 프레임을 하나의 큰 블록으로 묶어 전송

IEEE 802.11ac

MU-MIMO (Multi User MIMO)

• AP(액세스 포인트)의 안테나 자원을 여러 사용자에게 동시에 분배

• 다운링크
  : 동일 OFDM 채널 위에서 서로 다른 단말(스마트폰·태블릿 등)에 병렬 전송
  ex. 8×8 MU-MIMO : 8개의 안테나로 최대 8대의 단말과 동시에 통신 가능

A-MPDU 집계(aggregate)

• 모든 802.11ac 전송은 A-MPDU(Aggregate MAC Protocol Data Unit) 형태로 묶어서 전송
• 헤더·프리앰블 중복 제거 → 오버헤드 감소 → 실제 유효 전송률 향상

IEEE 802.11ad

60 GHz 밴드 사용
기존 2.4 GHz/5 GHz 대비 훨씬 넓은 채널 대역폭 확보 가능

광대역 지원

• 매우 넓은 채널 덕분에 수십 Gbps급 전송률
• 60 GHz 대역을 사용하는 기기가 아직 적어, 다른 Wi-Fi망 대비 간섭이 낮음

단점

• 높은 전파 감쇠 (Path Loss)
  : 주파수가 높아 자유 공간 손실이 매우 크고,
  송수신 간 최대 거리가 수십 미터로 제한

• 벽이나 사람 같은 장애물이 있으면 신호가 거의 투과되지 않음

• 다중경로(Multipath) 손실
  : 반사·회절 현상이 복잡해 손실 및 페이딩 심화

802.11ac and 802.11ad Differences

802.11ac

• 다중 안테나(MIMO) 지원

802.11ad

• 단일 안테나(단일 스트림) 중심 설계 (MIMO x)
• 최대 2160 MHz의 큰 대역폭

Access and Privacy Services - Authentication

무선 LAN: 전파 특성상 누구나 신호를 받을 수 있으므로 별도의 인증 필요

→ 무선 LAN에서 각 스테이션의 신원을 확인해,
허가된 기기만 네트워크에 접속하도록 보장

802.11은 다양한 인증 방식 지원, 특정 방식 강제 없음

Access and Privacy Services : Deauthentication and Privacy

인증 해제 (Deauthentication)
: 기존에 수립된 인증 상태를 해제할 때 사용되는 관리 프레임

프라이버시 (Privacy) – 암호화
: 무선 매체에서 전송되는 프레임을 제3자가 도청·열람하지 못하도록 보호