[데이터 통신] 15. 무선 LAN(Wireless LANs)

15.1 Introduction

Architectural Comparison

wireless는 점점 더 많이 쓰이고 있다.(편의성)

• Wired versus Wireless

• Wired network
  • Isolated LAN: host들이 switch를 통해 유선으로 연결된 상태
• Wireless network
  • Ad hoc network: 외부와 접속되지 않은 isolated network일 때 그때 그때마다 host와 host 사이에 임시적인 네트워크를 구성해서 동작
• 그치만 보통은 둘 다 isolated network이라기 보다 외부의 다른 망과 연동되어 인터넷에 접속된다.
• Wired network의 경우 switch나 router를 거쳐서 외부 망으로 연결되고
• Wireless의 경우 Access point를 통해서 wired network(유선망)으로 외부 망과 연결되지만 access point에 접속되는 다수의 호스트들은 wireless 형태로 동작한다.
  • -> Infrastructure network

 

Wireless LANs

• Characteristics(유선과 구별되는 특성들)
  • Attenuation: 유선보다 감쇠가 더 강하다, 배터리로 인해 출력 제한 때문에 감쇠
  • Interference: broadcast 되기 때문에 의도되지 않은 다른 신호에 의한 간섭
  • Multi-path Propagation: 똑같은 신호가 서로 다른 여러 개의 path를 통해 와서 phase 변화 등으로 인식이 힘듦
  • Error: SNR이 클수록 좋은데 wireless 망은 방해를 많이 받기 때문에 SNR이 낮다.
  • wireless 특성상 broadcast 통신이기 때문에 data가 access point에만 정확히 도달하는 것이 아니라 그 방 안에있는 여러 개의 단말에게 신호가 다 퍼져 나간다.(air라는 매체를 통해 전달되기 때문에)
• Access Control: Why not CSMA/CD? 왜 wireless에서는 CSMA/CA를 새로 도입했을까?
  • Collision detection problem: only send or receive at one time
    • 아무도 안쓰고 있다고 생각해서 보냈는데 collision 생기는 문제
    • wireless 망에서는 collision detection을 할 수가 없다.
      • 신호를 내보내면 동시에 다시 받기 때문
  • Signal fading could prevent a station at the end from hearing a collision at the other end
  • Hidden station problem
    • B가 신호를 보냈을 때 A에게는 닿지만 C는 범위를 벗어났기 때문에 닿지 않는다(vice versa).
    • 그래서 둘 다 A에게 보내려 하면 서로가 감지가 안되기 때문에 충돌이 발생하는데 이를 hidden station problem이라고 한다.

Basic Service Set (BSS)

• BSS
  • The building block of a wireless LAN
• BSS with an AP
  • Access Point (AP): central base station
• BSS without an AP
  • Stand-alone network
  • Cannot send data to other BSSs
    • It means Ad hoc(임시의) architecture(host만 존재)
• BSS with an AP
  • 단말끼리 통신도 하지만 바깥으로 나가서 network가 갖춰진 infrastructure와 연결되기도 한다.
  • Called an infrastructure network

 

BSS

access point가 있으면 다른 망(다른 BSS)으로 나가는 것이 가능하게 된다.

 

Extended Service Set (ESS)

• BSSs are connected through a distribution system: infrastructure network (usually wired LAN)
• Station Types: No-transition, BSS-transition, and ESS-transition mobility
  • BSS끼리 connected된 것을 ESS라고 하는데 이 ESS끼리도 연동될 수 있다.

 

15.2 IEEE 802.11 Project

MAC sublayer

• Two MAC sublayers: DCF and PCF
  • DFC is mandatory / PCF is optional
• DCF uses CSMA/CA as the access method
  • 아무도 안 쓸 때 나가는 방식
  • contention 기반
• PCF는 contention-free 한 polling 방식
  • centralized, contention-free polling access method
  • access point가 주기적으로 polling

• Wifi에서 DCF는 필수 PCF는 옵션

 

DCF: CSMA/CA and NAV

DCF

경쟁하는 체제

• Network allocation vector (NAV) shows how much time must pass before these stations are allowed to check the channel for idleness
• Collision during handshaking: Simultaneous RTSs
• source는 wireless LAN을 통해 data를 내보내려면 끊임없이 channel이 사용 중인지의 여부를 check한다. (특정한 persistent strategy를 가지고)
• 그러다 channel이 available 되면 충돌을 대비하기 위해서 그 channel을 바로 쓰는 것이 아니라 일단 RTS를 보내면 (request to send라는 siganl) destination 측에서 IFS만큼 잠깐 기다렸다가 CTS(clear to send)를 broadcast 통신으로 보내면 여러 단말을 통해서 이것이 전달되는데 RTS에서 같이 보냈던 source가 얼마동안 쓰겠다라는 time information 을 통해 나머지 단말들은 CTS를 받을 때 NAV(network allocation vector)라는 시간데이터를 통해 source가 어느 정도의 시간을 쓰겠다고 예약한 그 시간동안은 channel check(carrier sensing)를 하지 않도록 한다.
• 그러면 CTS를 받은 source는 IFS동안 또 잠깐 기다렸다가 channel로 data를 쭉 보내고 collision을 피하기 위해서 destination 측에서는 데이터가 모두 전송이 되면 데이터를 잘 받았다는 ACK를 보낸다.

 

Point Coordination Function (PCF)

• An optional access method that can be implemented in an AP
• A centralized, contention-free polling access method
  • AP가 control 하는 중앙 집권적 체제
  • polling: master-slave로 허락을 받아서 보내는
• To give priority to PCF over DCF, another set of interframe spaces has been defined: PIFS and DIFS
• PIFS (PCF IFS) is shorter than the DIFS -> AP using PCF has priority
  • PCF가 더 높은 우선순위를 가짐
• Repetition interval starts with a special control frame, called a beacon frame
  • beacon frame: 내가 지금부터 얼마동안 중앙 집중 체제로 동작할 것이다.(이 안에는 NAV가 포함되어 있음)
  • 원하는 data polling
• wireless LAN의 기본 동작은 contention기반의 CSMA/CA(DCF), but 특수한 이유로 polling이 필요할 때가 있는데
  • 가령 마이크를 경쟁하고 있는 상황에서 CSMA/CA를 통해 하면 내가 마이크를 언제 쓸 수 있다는 보장이 없다.(not deterministic계속 경쟁을 하고 있을 것이기 때문에) 그런데 데이터 중에는 반드시 데이터를 꼭 내보내야 하는 경우가 있을 것이다.(오디오와 같은 delay에 취약한 정보들)
  • 그런 경우를 위해서 주기적으로 contention-free와 같은 event가 있어야 하는 것이다.

PIFS < DIFS

PCF가 시간이 더 짧기 때문에 더 높은 priorty를 갖는다.

 

MAC Layer Frame Format

Frame Types

• Three categories of frames
• Management frames for initial communication between stations and APs
• Data frame for carrying data and control information
• Control frames for accessing the channel and acknowledging frames

Addressing Mechanism

a. ad hoc network - destination, source, BSS

b. AP로부터 받을 때

c.

d.

 

Hidden Station Problems

• The CTS frame in CSMA/CA handshake can prevent collision from a hidden station.

B가 A에게 데이터 전송을 하기 위해 RTS를 보내면 C는 B에게 보이지 않는 hidden station임에도 A에게서 오는 CTS(NAV)를 통해 그 시간 동안은 channel을 check 하지 않는다.

hidden station 해결

 

Exposed Station Problems

A가 B에게 데이터를 보내는데 C도 D에게 데이터를 보내려고 하는 것은 가능하지만 과도한 규제(refrain)가 된다.

C가 A와 B 사이 통신에 노출되었기 때문에 , C가 A가 보내겠다는 RTS(요청) 때문에 쫄아서 보낼 수 있는데도 보내지 않는 것

영향을 안 끼치더라도 노출되어 규제가 됨

 

Physical Layer

• Industrial, scientific, and medical (ISM) band which defines three unlicensed bands in three ranges 902-928 MHz, 2.400-2.4835 GHz, and 5.725-5.850 GHz
  • 2.4/ 5.725GHz 소출력으로 허락없이 쓸 수 있는 대역

Physical Layer

• IEEE 802.11 FHSS

• IEEE 802.11 DSSS

Physical Layer

• IEEE 802.11 Infrared

• IEEE 802.11a OFDM
  • Common data rates are 18 Mbps (PSK) and 54 Mbps (QAM)
• IEEE 802.11b DSSS
  • High-rate direct sequence spread spectrum (HR-DSSS)
  • Similar to DSSS method except for the encoding method called complementary code keying (CCK), Four data rates; 1, 2, 5.5, 11 Mbps

• IEEE 802.11g
  • Forward error correction and OFDM using 2.4 GHz ISM, 22- or 54-Mbps data rate
• IEEE 802.11n (next generation of wireless LAN)
  • Upgrade to 802.11 project to increase the throughput of 802.11 wireless LANs
  • MIMO (multiple-input multiple-output antenna) to overcome the noise problem
  • Some implementations are up to 600 Mbps data rate
• IEEE 802.11ac
  • wifi에서 가장 많이 사용하는
  • 2.4GHz and 5GHz, Up to Gbps
• IEEE 802.11af
  • 50Mhz, 700MHz
  • Up to 3 km, 20Mbps

 

15.3 Bluetooth: Piconet

• Bluetooth is a wireless LAN technology designed to connect devices of different functions such as telephones, notebooks, computers, cameras, printers, coffee makers, and so on. A Bluetooth LAN is an ad hoc network, which means that the network is formed spontaneously
• Bluetooth network is called piconet, or a small net (max. 7 secondary)
• 짧은 거리 통신

Bluetooth: Scatternet

• Piconet can be combined to form what is called a scatternet.
  • 한 piconet의 secondary를 다른 piconet의 primary로 확장도 가능

• Bluetooth device has a built-in short range radio transmitter with 2.4 GHz bandwidth. A possibility of interference with IEEE 802.11b

 

Bluetooth Layers

• Radio layer
  • 2.4 GHz ISM band divided into 79 channels of 1 MHz each
  • FHSS: Bluetooth hops 1600 times per second, dwell time is 625 μsec (= 1/1600 sec)
  • Modulation: GFSK (FSK with Gaussian bandwidth filtering)

• Baseband layer
  • TDD-TDMA (time division duplex TDMA): half-duplex communication
  • Single-secondary communication

• Baseband layer
  • TDD-TDMA: multiple-secondary communication

WiFi 4, 5, 6, 7

• IEEE 802.11b: 2.4 GHz, 11 Mbps (1999)
• IEEE 802.11a: 5 GHZ, 54 Mbps (1999)
• IEEE 802.11g: 2.4 GHz, 54 Mbps “WiFi 3” (2003)
• IEEE 802.11n: 2.4, 5 GHz, 600 Mbps “WiFi 4” (2009)
  • MIMO (multiple-input multiple-output antenna), dual band
• IEEE 802.11ac: 5 GHz, Up to Gbps “WiFi 5” (2014)
• IEEE 802.11ax: 2.4, 5 GHz, Up to 10 Gbps “WiFi 6” (2019)
  • → HEW (High Efficiency Wireless)
• IEEE 802.11be: 2.4, 5, 6 GHz, Up to 30 Gbps “WiFi 7”
  • → EHT (Extremely High Throughput)
• IEEE 802.11af: Super WiFi, 54 – 790 MHz TV White Space
  • 비어있는 곳에 보내는
  • Up to 3 km, 20Mbps
• IEEE 802.11mc (WiFi Location, WiFi RTT) – Indoor LBS
  • access point와 단말 사이에 신호를 주고 받아서 routing time을 통해 실내에서 위치를 추적할 수 있는

 

WiFi 6

wifi6 - OFDMA 특정 device가 기다리는 것이 없어 delay를 줄임