[컴퓨터망]- wifi,4G,5G,LTE

Wireless LAN

 

802.11 LAN architecture

 

wireless host는 base station과 소통하는데, base station을 다른 말로 access point, AP라고 한다.

Basic Service Set(BSS) = cell 

• wireless hosts
• access point 
• ad hoc mode : hosts only

위 3가지를 포함한다.

 

Channels, association

스펙트럼은 각각 다른 주파수로 분할되어야 한다.

 

 

호스트가 도착하면 반드시 AP와 연관되어야 한다.

• 호스트는 채널을 스캔하여 beacon frame, AP's name(SSID), MAC address
• AP를 선택
• DHCP를 이용해서 AP의 서브넷 안에 있는 IP 주소를 할당받는다.

 

passive/active scanning

 

왼쪽이 passive scanning, 오른쪽이 active scanning이다.

 

passive scanning

• AP들이 호스트에게 비콘 프래임을 보냄
• 호스트 H1에서 연결한 AP에게 association Request frame을 보냄.
• 해당 AP가 H1에게 association response frame을 보냄.

 

active scanning

• H1이 AP들에게 Probe request frame을 브로드캐스트 한다.
• AP들에게서 Probe response가 날아온다
• H1이 연결한 AP를 골라 association request frame을 보낸다.
• 해당 AP가 H1에게 Association response frame을 보낸다.

 

CA(collision avoidance)

wireless에서 2개 이상의 노드가 동시에 전송될 때, collision detection을  못하기 때문에 CA를 사용한다.

 

802.11에서는 CSMA를 사용한다.

• carrier sense를 해서 내가 보내도 되는지 상황을 판단한다.
  • 하지만 여기서 충돌 detection이 되지 않는다. 무선은 판단하는 것이 어렵다.

 

따라서 충돌 감지가 안돼서, 그냥 피해버리자! 하는 것이다. 그래서 등장한 것이 CSMA/CA이다.

 

CSMA/CA

sender는 DIFS동안 채널이 idle 할 경우에만 신호를 보내기 시작한다.

만약 누군가 보내고 있다고 판단되면, random backoff부터 시작한다.

time는 채널이 idel 상태까지 카운트 다운하다가 만료되며(0이 되면) 전송을 시작한다.

만약 ACK를 받지 못하면 랜덤 백오프 간격을 증가 키시고 다시 random backoff를 시작한다.

 

receiver는 frame을 성공적으로 받으면, SIFS만큼 기다린 후 ACK를 보낸다.

hidden terminal problem 때문에 반드시 ACK를 보내야 한다.

 

sender는 첫 번째로 작은 RTS packet을 수신자에게 보낸다.

-> 나 신호 보낼 거야~~~~

수신자는 채널상황이 idle이라면 CTS(clear to send) -> 응 보내!!!

CTS 메시지를 받은 송신자는 신호를 보낸다

 

 

A 하고 B가 AP에게 보내고 있는 상황이고, A와 B는 서로 보내고 있다는 사실을 모른다.

1. A와 B의 RTS가 충돌했고, 다시 A만 RTS를 보냈고, B는 보내지 않았다.
2. AP가 CTS(A)라고 모든 노드에게 뿌려준다.
3. B는 CTS를 받고, 아~~ 누군가가 보내고 있구나, ACK까지 기다린다.
4. RTS CTS를 성공적으로 주고받았으면 A는 데이터 전송을 시작한다.
5. AP는 잘 받았다고 ACK를 보낸다.

여기서 몇 초까지 기다려야 하는지에 대한 정보가 담겨 있어 쓸데없는 기다림을 줄일 수 있다.

 

frame addressing

 

MAC adress에는 수신, 송신 측의 주소만 들어갔지만, frame에서는 조금 다르다.

wireless host의 주소, AP의 address, 최종 destination address, ad hoc mode까지 생각 -> 4개의 주소가 들어감.

 

Mobility

 

mobility within same subnet

mobilty란 AP가 달라지는 경우이다. subnet 안에서 이동하면서 연결되어 있는 AP가 바뀔 수 있다.

스위치는 호스트가 어느 AP와 연결되어 있는지 알아야 한다.

• self-learning 기법을 이용해서 학습

 

Rate adaptation

base station과 모바일 기기가 이동하면서, 그에 따라 SNRdㅣ 변하기 때문에, transmission rate는 계속해서 변화한다.

SNR과 BER는 반비례 관계이다.

SNR -> 신호 대비 잡음 비유르 BER -> 비트 오류율

노드가 움직일 때마다 SNR이 줄고, BER이 증가한다.

 

Power management

laptop이나 스마트폰 배터리를 아껴야 하므로, 받을 게 없다 하면 일정구간 sleeping 모드에 들어가서 절약하게끔 만들어야 한다.

노드는 AP에게 다음 beacon frame까지 쉰다라고 전달하고, AP는 그 노드에게 전달하지 않음.

 

비콘 프레임은 AP에서 보내는 프레임을 받을 목록들을 가지고 있다.

 

블루투스

• 블루투스는 10미터 이내 거리
• cable을 대체한다.
• ad hoc 구조, no infrastructure구조이다.
• master controller와 client devices가 있다.
  • 클라이언트는 마스터에게 연결을 요청하고 마스터가 이를 받아주는 구조로 연결한다.

 

celluar networks

 

wired internet과 유사점

• edge/core 구조이다.
• 지금까지 다룬 프로토콜(HTTP, DNS, TCP~~ 등이 사용된다)

 

차이점

• 유저를 식별할 수 있는 SIM card가 있다.
• 구독을 하면 제공해 주는 비즈니스 모델이다.

 

4G LTE 구조

 

 

Mobile Device

• 4G LTE 전파를 사용하는 기기, 식별할 수 있는 유심카드 가 들어있음

Base station

• 모바일 디바이스들과 무선 신호 자원을 관리한다.
• WIFI AP와 유사하지만, user mobility에서 activity role, 이웃 base station과 조화를 이룬다.

Home Subscriber Service

• 해당 HSS의 네트워크를 home network로 삼는 디바이스들을 관리.
• MME와 함께 authentication 

Serving GateWay, PDN Gateway

• 모바일과 인터넷 사이의 경로에 존재
• P-GW : 모바일 셀룰러 네트워크

 

 

LTE

data plane과 control plane이 분리

control plane

• 보안, 이동성 관리, 인증을 위한 새로운 프로토콜

data plane

• 링크 계층과 물리 계층에 새로운 프로토콜
• 터널링 : 이동성을 유리하게 만듦.  

 

 

LTE data plane protocol stack 

• Packet Data Convergence : 헤더 압축, 암호화
• Radio Link Control(RTC) : 프래그멘테이션/재조립, 신뢰성 있는 transfer 보장
• Medium Access : 트랜스미션을 위한 slot을 요청

 

 

자원은 시간과 주파수, 코드로 나눴는데

LTE에서는 OFDM이다.

 

Packet core

• tunneling
  • GRPS Tunneling Protocol을 사용해서 데이터그램을 캡슐화해서 UDP 안으로 보냄.
  • S-GW 터널은 P-GW로 데이터그램을 re-tunnels 한다.
  • 모바일 유저가 움직이더라도 터널링의 끝점만을 바꿔서 이동성을 보장한다.

 

 

수신자와 연결하기

1. BS는 5ms마다 동기 신호를 브로드캐스트 한다.
2. 모바일 기기가 PSS를 찾은 후, 그 주파수의  second synch signal을 찾을 수 있다.
3. 모바바일 기기는 연결할 BS를 선택하고 연결한다.

 

Sleep modes

• ligh sleep : 비활설화뒨지 100 msec 후 상태
  • downstream transmisson을 체크하기 위해 주기적으로 일어난다.
• deep sleep : 비활성화된 지 5~10초 후 상태
  • deep sleep동안 모바일 기기가 이동할 수 있기에 재연결을 수립할 필요성이 있다.

 

 

5G

목표 : 4G 대비 최대 bitrate 10배 증가, 지연시간 10배 감소, 트래픽 용량 100배 증가

 

5G NR(new radio)

• 두 가지 주파수 대역사용
• 4G와 호환이 안됨
• MIMO : 다방향 안테나를 사용한 다중 안테나 시스템

밀리터리와 주파수

• 훨씬 높은 데이터 전송률을 제공하지만 전송거리가 짧음

 

 

요약

• 무선에서는 충돌 탐지가 힘들어서 충돌 회피를 사용한다.
  • RTS(내가 보내도 될까? 라고 떠보는것) -> CTS(응 보내)
  • DIFS : 보낼때까지 잠깐 기다리는 시간
  • SIFS : ACK를 보낼 때 까지 기다리는 시간
  • 기다리는 구간을 제공해서(difer) 쓸데없는 기다림을 줄일 수 있다.