6장 무선과 이동 네트워크

Chapter 6 목차 무선(wireless) 이동(mobility) 6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA 이동(mobility) 6.5 주소관리와 라우팅 6.6 이동 IP 6.7 셀룰러 망에서의 이동 6.8 이동성이 상위 계층에 미치는 영향

대표 무선 표준 기술의 비교 200 54 5-11 4 Data rate (Mbps) 1 .384 .056 Indoor 802.11a,g 802.11a,g point-to-point data 5-11 802.11b 802.16 (WiMAX) 4 3G cellular enhanced UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO Data rate (Mbps) 1 802.15 .384 UMTS/WCDMA, CDMA2000 3G .056 IS-95, CDMA, GSM 2G Indoor 10-30m Outdoor 50-200m Mid-range outdoor 200m – 4 Km Long-range outdoor 5Km – 20 Km 6: Wireless and Mobile Networks

Infrastructure 기반 무선 네트워크 베이스 스테이션(base station) 존재 핸드오프(handoff): 모바일 호스트가 베이스 스테이션을 변경할 때 Mobile host Base station network infrastructure 6: Wireless and Mobile Networks

Ad hoc 무선 네트워크 ad hoc 기반 base stations 없음 노드들은 스스로 라우팅을 해야 한다.

Single hop과 multiple hops 비교 -호스트는 여러 노드를 거쳐 인터넷에 연결될 수 있다. Base station에 도달하기 전까지는 ad hoc 네트워크 - mesh net -호스트는 base 스테이션에 연결 (WiFi, WiMAX, cellular) -Base 스테이션은 공중 Internet에 연결 infrastructure Ad hoc -base station 없음. -공중 Internet에 연결되지 않음 Base station 없음 -완전한 자체 독립된 망으로 구성될 수 있다. - MANET, VANET 6: Wireless and Mobile Networks

무선 링크의 특징(1) 유선 링크와의 차이점 신호 강도의 감소: 신호가 전파되면서 강도가 약해진다.(path loss) 다른 소스의 간섭: 다른 장치(전화, 모터 등)와 주파수를 공유한다.(특히 2.4 GHz) 다중경로 전파(multipath propagation): 전자파는 물체에 반사하여 다른 경로를 통해 목적지에 도달한다. 6: Wireless and Mobile Networks

무선 링크의 특징(2) SNR: signal-to-noise ratio BER: Bit Error Rate SNR과 BER의 관계: tradeoff 물리계층이 고정되면: 전력 증가 -> SNR 증가->BER 감소 SNR이 고정되면: 요구하는 BER을 만족시키는 물리 계층 선택 SNR은 이동에 따라서 변할 수 있다: 이에 따라 물리계층의 modulation 기술의 변경으로 전송 속도 조절 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 6: Wireless and Mobile Networks

무선망의 특징 무선 호스트들은 다중 접속(MAC) 문제이외에 다른 문제를 발생시킨다. B C A’s signal strength space C’s signal A B C Hidden terminal problem B, A는 서로 신호를 수신 B, C는 서로 신호를 수신 A, C는 서로 신호 수신 불가능, 따라서 A와 C는 B에 미치는 영향을 알지 못한다. Signal 감소: B, A는 상호 신호 감지 B, C 는 상호 신호 감지 A, C는 B에 미치는 간섭을 알지 못한다. 6: Wireless and Mobile Networks

Chapter 6 목차 6.1 개요 Wireless 6.2 무선 링크의 특징 6.3 IEEE 802.11 무선 LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA 6: Wireless and Mobile Networks

IEEE 802.11 무선 LAN 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n: multiple antennae 5-6 GHz range up to 54 Mbps 802.11g 2.4-5 GHz range 802.11n: multiple antennae up to 200 Mbps 802.11b 2.4-5 GHz 비인가(unlicensed) 주파수 대역 사용 속도는 11 Mbps까지 물리계층 코딩: direct sequence spread spectrum (DSSS) 모두 CSMA/CA MAC을 사용한다. 모두 infrastructure 기반과 ad hoc 방식을 지원한다. 6: Wireless and Mobile Networks

Radio Communication Band 400 900 Light wave Infrared

Spectrum for 470MHz – 6GHz WRC2000 resolution 223 WRC2000 optional TV => Reallocation WRC2000 optional 470MHz 698MHz 806MHz 894M-960M 1.71G -1.885G 1.98G-2.02G-2.025G Cellular CT GMPCS PCS (TDD) IMT2000 (Uplink) IMT2000 (MSS uplink) (TDD) IMT2000 (Downlink) 806M-894M 1.53G-1.66G 1.90G -1.92G - 1.98G 2.11G - 2.17G 3G 2.17G-2.2G 2.4G-2.48G 2.7G-2.9G 5.47G-5.725G IMT2000 (MSS Downlink) WLL WLAN (802.11b Bluetooth) GMPCS IMT2000 (New) WLAN (HIPER LAN/1) WLAN (HIPER LAN/2) WLAN (802.11a) 2.16G-2.2G 2.3G-2.4G 2.5G-2.69G 5.15G-5.35G 5.725G-5.875G

주파수 대역 ISM(Industrial, scientific, medical) 대역 사용: 허가를 받지 않아도 되는 대역

802.11 LAN 구조 무선 호스트는 base station과 통신 Internet 무선 호스트는 base station과 통신 base station = access point (AP) Basic Service Set (BSS): infrastructure 기반의 경우 무선 호스트 엑세스 포인트 (AP): base station AP hub, switch or router AP BSS 1 BSS 2 6: Wireless and Mobile Networks

802.11의 채널 무선 호스트 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz 스펙트럼을 11 channel로 나누어 사용 AP는 11개 채널 중 하나를 선택 이웃하는 AP가 동일한 채널을 사용할 경우 신호 간섭 발생 무선 호스트 채널을 스캔하여 AP의 이름(SSID)과 MAC 주소를 포함하고 있는 beacon frame을 수신한다. 통신에 사용할 AP를 선택(association) 인증(authentication)을 수행할 수 있다. DHCP를 사용하여 IP 주소를 얻는다. 6: Wireless and Mobile Networks

802.11: 수동/능동 스캐닝 수동 Scanning: 능동 Scanning: AP들로부터 beacon frames를 수신 BBS 1 BBS 1 BBS 2 BBS 2 AP 1 AP 2 AP 1 1 AP 2 1 1 2 2 2 3 3 4 H1 H1 수동 Scanning: AP들로부터 beacon frames를 수신 H1은 AP를 선택하여 association Request frame을 전송: AP는 H1에게 association Response frame를 전송 능동 Scanning: H1은 Probe Request frame을 보낸다(Broadcast). AP들은 Probes response frame을 전송 H1은 AP를 선택하여 Association Request frame을 전송 AP는 H1에게 Association Response frame을 전송 6: Wireless and Mobile Networks

IEEE 802.11: 다중 접속 방식 2개 이상의 노드가 동시에 전송할 때 충돌(collision) 발생 802.3: CSMA/CD 충돌 탐지(Collision detection) 802.11: no collision detection(CD)! 충돌이 발생한 것을 인식(sensing)하는 것이 힘들다:weak received signal 때문(fading) 어떤 경우에는 CD가 불가능한다: hidden terminal 따라서 충돌 회피: CSMA/C(ollision)A(voidance) A B C A’s signal strength space C’s signal 6: Wireless and Mobile Networks

Hidden terminal 문제 B가 전송을 하고 있을 때 C가 전송을 하려고 한다고 하자. C는 누가 전송 중인지 확인하려고 하지만 B의 신호 범위 밖에 있기 때문에 B가 전송 중인지 모른다. 따라서 아무도 전송을 하지 않는 것으로 생각하고 전송을 한다. 따라서 충돌 발생.

CSMA/CA: Avoiding collision idea: 데이터 전송을 하기 전에 미리 채널을 누가 사용하고 있지 않는지 확인한다.(Carrier Sensing) 그리고 채널을 예약한다.(collision avoidance) Sender는 먼저 request-to-send (RTS) 패킷을 BS에 송신 RTS 프레임들끼리 충돌할 수 있으므로 CSMA 사용 RTS는 짧은 길이의 패킷 BS는 RTS에 대한 응답으로 clear-to-send(CTS) 패킷을 브로드캐스트한다. 모든 노드들은 CTS를 수신한다. 자신의 RTS에 대한 CTS를 수신한 호스트는data 프레임을 전송. 다른 호스트들은 전송을 보류한다. RTS 프레임에는 채널을 사용하는데 필요한 시간이 포함되어 있다. 따라서 RTS(CTS)를 수신한 스테이션들은 NAV라는 타이머를 동작시키고 이 시간 동안 전송을 연기한다. 6: Wireless and Mobile Networks

Collision Avoidance: RTS-CTS 교환 B AP RTS(A) RTS(B) reservation collision RTS(A) CTS(A) DATA (A) ACK(A) defer time 6: Wireless and Mobile Networks

802.11 frame: 주소 6 0 - 2312 Address 4: ad hoc 모드에서 사용 control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Address 4: ad hoc 모드에서 사용 Address 1: 무선 호스트의 MAC 주소 혹은 이 프레임을 수신한 AP의 주소 Address 3: AP가 접속된 라우터 인터페이스의 MAC 주소 Address 2: 무선 호스트의 MAC 주소 혹은 이 프레임을 전송한 AP의 주소 6: Wireless and Mobile Networks

802.11 frame: 주소 Internet router H1 R1 AP R1 MAC addr H1 MAC addr AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 802.11 frame H1 R1 R1 MAC addr H1 MAC addr dest. address source address 802.3 frame 6: Wireless and Mobile Networks

802.11 frame 프레임 일련 번호(for RDT) 예약된 전송 시간의 길이(RTS/CTS) 6 0 - 2312 2 4 control duration address 1 2 4 3 payload CRC 6 0 - 2312 seq Type From AP Subtype To More frag WEP data Power mgt Retry Rsvd Protocol version 2 4 1 프레임 유형 (RTS, CTS, ACK, data) 6: Wireless and Mobile Networks

802.11: 속도 조절(Rate Adaptation) BS와 MH는 SNR의 변화에 따라 전송 속도를 변경한다. (물리 계층의 modulation 기술) 10-1 10-2 10-3 BER 10-4 10-5 10-6 10-7 10 20 30 40 SNR(dB) 1. MH가 BS로부터 멀어지면 SNR 감소, BER 증가. QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) 2. BER이 너무 커지면 전송 속도를 낮춘다. operating point 6: Wireless and Mobile Networks

802.11: Power 관리 노드는 AP에게 수면 상태로 들어갈 것임을 알린다. 노드는 다음 beacon 프레임이 도착하기 전에 깨어난다. Beacon 프레임은 전송할 프레임이 있는 노드의 주소를 포함 만약 자신이 수신할 데이터가 없으면 노드는 다시 수면 모드로 들어간다. Beacon 프레임 전송 간격: 100msec 수면시간에서 동작 시간으로 전환: 250usec 6: Wireless and Mobile Networks

802.15: personal area network(PAN) 10 m 이하의 거리 케이블을 대체한다.(mouse, keyboard, headphones) ad hoc 네트워크 master/slaves: Slaves는 master에 전송 승인을 요청한다. Master는 이 요청에 승인한다. 802.15: Bluetooth 2.4-2.5 GHz radio band up to 721 kbps P S P radius of coverage M S S P P M S Master device Slave device Parked device (inactive) P 6: Wireless and Mobile Networks

Bluetooth Bluetooth 망은 piconet이라고 부른다. Piconet은 8개의 스테이션으로 구성 1개의 master(primary), 7개의 slaves(secondary) Primary와 secondary의 통신은 1대1, 혹은 1대 다수

Bluethooth의 MAC TDMA 사용 기본적으로 polling 방식과 유사하다. 625ms 366ms

802.16: WiMAX 802.16 표준 무선 인터넷 가입자망을 목표로 함 base station 존재 point-to-point 802.16 표준 802.16e: fixed WiMAX 802.16d: mobile WiMAX(WiBro) 무선 인터넷 가입자망을 목표로 함 반경: ~45Km(802.16e) 속도: 30-40Mbps base station 존재 BS와 MH는 omnidirectional antenna를 사용하여 전송 BS와 BS는 p-to-p 안테나 사용 point-to-multipoint 6: Wireless and Mobile Networks

Chapter 6 목차 6.1 개요 Wireless 6.2 무선 링크 특징 6.3 IEEE 802.11 wireless LANs (“wi-fi”) 6.4 셀룰러 망 구조 표준 CDMA 6: Wireless and Mobile Networks

셀룰러 네트워크의 구성 MSC cell wired network cells을 공중 광역망에 연결 호 설정 관리 이동 관리 base station (BS) mobile users air-interface: cell Mobile Switching Center 공중 전화망 인터넷 wired network 6: Wireless and Mobile Networks

셀룰러 망: 무선 접속 방식 mobile-to-BS의 주파수를 공유하여 전송하는 방법 FDMA/TDMA CDMA: code division multiple access frequency bands time slots 6: Wireless and Mobile Networks

Code Division Multiple Access (CDMA) cellular network에서 사용하는 다중 접속 방식(MAC) 모든 사용자는 동일한 주파수를 사용한다. 하지만 데이터를 encoding/decoding하기 위한 고유의 “chip sequence”를 갖고 있다. encoded signal = (original data) X (chipping sequence) decoding: inner-product of encoded signal과 chip sequence의 inner-product를 chip sequence의 수(M)로 나눈 값 6: Wireless and Mobile Networks

데이터 표현

Chip Sequence Sender 1 1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 Sender 2 1 -1 1 1 1 -1 1 1

CDMA의 예: 2개의 sender 6: Wireless and Mobile Networks

Chip sequence는 어떻게 만드나?

셀룰러 망의 표준 무선 접속 방식 2G: 음성 채널 IS-136 TDMA: FDMA/TDMA의 결합 (북미) GSM (global system for mobile communications): FDMA/TDMA의 결합 가장 널리 사용 IS-95 CDMA: code division multiple access CDMA-2000 TDMA/FDMA GPRS EDGE UMTS IS-136 IS-95 GSM 6: Wireless and Mobile Networks

1G 2G 2.5G 3G 3.5G D-AMPS GSM GPRS EDGE WCDMA HSDPA AMPS TDMA/FDMA 30kbps 384kbps 144kbps 384kbps 2Mbps 10Mbps 2007년 Analog (FDMA) 9.6kbps 8Kbps IS-95 CDMA IS-95A IS-95B CDMA1x- EVDO 14.4kbps 64kbps 2.4Mbps 2003년 1992년 결정 1996년 개시 WiBro 18Mbps Wi-Fi 54Mbps

2.5G 2.5 G systems: 음성과 데이터 채널 3G로 이행하기 전 단계에서 데이터 전송 속도를 높일 목적으로 만듬: 2G 확장 general packet radio service (GPRS) GSM에서 진화 Data는 다중 채널을 통해서 전송(if available) enhanced data rates for global evolution (EDGE) GSM에서 진화, 발전된 modulation 기술 사용 data 속도는 384K까지 CDMA-2000 1x (phase 1) data 속도는 144K까지 IS-95에서 진화 6: Wireless and Mobile Networks

CDMA 1X EV CDMA 1x EVDO:데이터 전송 속도는 2.4Mbps까지 EVDO EVDV contents providers SKT, KTF LGT EVDO Evolution Data Only Evolution data and Voice EVDV

3G: IMT-2000 1992년부터 추진: ITU는 Internet Mobile Communication for year 2000 계획 발표 음성 품질은 PSTN 수준으로 데이터 전송 속도는 이동 차량에서는, 보행자는384kbps for pedestrians, 비이동 사용자는2Mbps packet-switched와 circuit-switched 데이터 서비스 지원 2GHz (1.885-2.025GHz, 2.100-2.200GHz) 대역 사용 대역폭은 2MHz 인터넷 접속 지원 유럽에서는 UMTS로 불리었고, 일반적인 이름으로 International Moblie Telecommunication 2000(IMT-2000)으로 불림

Synchronous vs. Asynchronous CDMA 2000: synchronous 모든 base channel은 GPS(Global Positioning System)와 동기화 주로 북미에서 사용 W-CDMA: asynchronous Europe에서 사용

3.5G WiBro 3G systems: 음성/데이터 Universal Mobile Telecommunications Service (UMTS) data 속도: High Speed Uplink/Downlink packet Access (HSDPA/HSUPA): 14.4Mbps up, 2Mbps up WiBro 한국에서 제안 18Mbps 6: Wireless and Mobile Networks

HSDPA 구분 1x EV-DO WCDMA(R4) HSDPA(R5) 제공서비스 Data only 음성+데이터 하향 최고 전송 속도 2.4Mbps 2Mbps 10(14)Mbps 상향 최고 전송 속도 153.6Kbps

Wireless MAN IEEE 802.16 802.16: LOS is required 802.16.1a LOS not required 11GHz 802.16e (WiBro) Support mobility and roaming

WiBro vs. HSDPA WiBro HSDPA 제공 서비스 Data only voice+data 속도 18.4Mbps 이동 속도 ~80Km/h ~250km/h

4G LTE(Long Term Evolution) orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) 사용 100Mbps down, 30Mbps up(?) 6: Wireless and Mobile Networks

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