Wireless Network

1. Elements of a wireless network

• 구성 요소

  1. Wireless hosts: 노트북, 스마트폰, IoT 기기 등으로 구성되며 애플리케이션을 실행할 수 있다.
  2. Base Station: 일반적으로 유선 네트워크에 연결되어 있으며, 유선 네트워크와 무선 호스트 사이의 패킷을 중계하는 역할을 가진다.
  3. Wireless link: 디바이스들을 Base station에 연결하기 위해 사용

• 2-mode

  1. Infrastructure Mode: 기지국이 모바일을 유선 네트워크에 연결하는 구조
     → Handoff: 모바일이 유선 네트워크로의 연결을 제공하는 기지국을 변경하는 것
  2. Ad Hoc 모드: Base station이 없는 모드로, 노드들끼리 네트워크를 구성하며 자체적으로 경로를 설정하며 통신한다.
     → 노드들은 서로의 링크 범위 내에서만 데이터를 전송할 수 있다.

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2. Wireless links and network characteristics

1. Decreased signal strength: 무선 신호는 매질을 통과하면서 전파되며, 이로 인해 신호 강도가 감쇠

2. Interference from other source: 많은 디바이스들이 같은 주파수 대역을 사용할 경우 서로 간섭이 발생할 수 있다.

3. Multipath propagation: 무선 신호는 여러 개체를 통해 전파되며, 이로 인해 신호는 다양한 경로로 전달되어 각 개체에 도달하는 시간이 서로 다를 수 있다.

• SNR (signal-to-noise ratio): 노이즈 대비 신호의 비율
  → 높은 SNR은 노이즈와 신호를 분별하기 쉽다는 것을 의미로 클 수록 좋다.

• BER (Bit error rate): 데이터 전송 중 비트 오류의 비율
  → SNR과 BER은 반비례 관계에 있으며, BER이 낮을수록 통신의 신뢰성이 높아진다.

• Hidden terminal problem: 특정 무선 단말기들이 서로의 신호를 감지하지 못하는 상황
  → CSMA/CA와 같은 프로토콜에서 충돌 감지 오류가 발생

  1. B, A hear each other
  2. B, C hear each other
  3. A, C can not hear each other means A, C unaware of their interference at B
     

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3. Wi-Fi

• 전자기기들이 무선 랜(WLAN)에 연결하여 데이터를 주고 받을 수 있게 해주는 기술

• 무선 호스트들은 base station (AP, access point)과 연결되어 통신한다.

• Cell (BSS, Basic service set): 하나의 AP에 다수의 노드들이 있는 집합

• 연결 과정

  1. 도착한 호스트는 먼저 특정 AP에 연결을 해야하므로, 채널을 스캔하며 네트워크의 존재를 알리는 beacon frame을 수신
     • Beacon frame: AP에 의해 주기적으로 브로드캐스트되어 네트워크에 연결할 수 있도록 도와주는 프레임으로, AP의 이름(SSID)과 MAC 주소를 포함
  2. 호스트는 이러한 beacon frame을 통해 자신이 연결할 AP를 선택하고 인증을 수행
  3. 인증이 완료되면 호스트는 DHCP를 사용하여 AP의 서브넷 안에 있는 IP 주소를 할당받고 Wi-Fi 연결 수립

• 연결 과정에 따른 Passive scanning vs Active scanning

  • Passive scanning: AP들이 먼저 호스트에게 beacon frame을 전송 → 호스트 H1은 연결할 AP에게 association request frame 전송 → 해당 AP가 H1에게 association response frame 전송
    
  • Active scanning: H1이 AP들에게 Probe request frame을 브로드캐스팅 → AP들은 H1 호스트에게 Probe response 전송 → H1이 연결할 AP를 골라 association request frame 전송 → 해당 AP가 H1에게 association response frame 전송

• power management: 노드는 AP에게 '다음 비콘 프레임까지 잠자기' 요청을 보내고, 이에 따라 AP는 해당 노드에게 프레임을 전송하지 않는다.
  → 노드는 주기적으로 수면 상태로 들어가 전력 소모를 줄일 수 있다.

4. Bluetooth

• 유선 연결을 대체하기 위해 설계되었으며, 작은 영역(지름이 10m 미만)에서 사용된다.
  → 마우스, 키보드, 헤드폰과 같은 기기들이 활용

• Ad hoc로 운영되며, 별도의 인프라가 필요하지 않다.

• 마스터 컨트롤러-클라이언트 구조: 마스터는 주기적으로 클라이언트들을 폴링하고, 클라이언트의 전송 요청을 승인한다.

5. Cellular networks: 4G and 5G

• Elements of 4G LTE architecture

  

  • Mobile Device: 스마트폰과 같은 디바이스
    Base Station: 모바일 디바이스와 무선 신호 자원을 관리하며, 사용자 및 디바이스 인증을 수행
    • Wifi AP와 유사하지만 사용자 이동성에 대응하거나 최적 연결을 유지하기 위해 이웃한 base station들과 협력
  • Serving Gateway (S-GW), PDN Gateway (P-GW): 모바일 디바이스와 인터넷 간의 경로에서 존재하며, 라우터와 유사한 역할을 수행
    • P-GW: 모바일 셀룰러 네트워크의 게이트웨이로서 동작하며, NAT 서비스를 제공
  • Mobility Management Entity (MME): 디바이스 인증을 수행하고 모바일 디바이스와 P-GW 간의 경로 설정을 관리
    • HSS와 협력하여 동작