무선 액세스 기술 ( W ireless A ccess T echnologies)

1. 무선 액세스 기술( Wireless Access Technologies) 1999. 2. 5 손 성 찬

2. - 목 차 - • Ⅰ. 개 요 • Ⅱ. 무선액세스 일반기술 • Ⅲ. 국내외 동향 • Ⅳ. B-WLL의 무선액세스 기술 • Ⅴ. 결 론

3. I. 개 요  광대역 가입자망 대안  무선 액세스  21세기 예상정보 소요량

4.  광대역 가입자망 대안 ▶ Wireline ● New - FTTH or FTTB - FTTC - HFC ● Upgrade - HFC(1-way to 2-way) - xDSL(TWP) ▶ Wireless ● Satellite ● Wireless Cable - MMDS ● LMDS ● LMCS ● MVDS ● 밀리미터파(M/W) BB Wireless Access

5.  무선액세스  액세스망  무선액세스 - (준)밀리미터파 무선(20GHz ~ )을 이용한 액세스망 - B-ISDN과 통합을 위한 무선 ATM 접속 - 초고속망의 가입자 선로

6.  21세기 예상 정보 소요량

7. II. 무선액세스 일반기술  무선액세스 일반  무선액세스 방식  High-Speed에 적합한 다중접속  트래픽 집합과 FDMA, TDMA

8.  무선액세스 일반  무선액세스 특징  경제성 : 수요밀도가 낮은 지역에 경제적  즉응성 : 구축기간이 짧다  미 관 : 가공케이블 불필요, 경관보호  내재해성 : 풍수해 영향이 적음  액세스 방식(다중채널접속) 필요성  한정된 무선 자원으로 많은 수의 이용자 수용  필요시 전송용량 확보  채널 리소스를 복수의 이용자 공유 High-Speed 제공 가능한 무선액세스 방법  Broadband Wireless Local Loop(26GHz대 B-WLL) 밀리미터파 (38GHz대 M/W )  Broadband Wireless Local Loop (40GHz대 B-WLL)  Wireless CATV(2.5GHz, 27GHz대)

9.  무선액세스 방식  연속 액세스 방식  Fixed assign 방식 : 호 진행동안 계속 채널을 고정할당 - FDMA, TDMA, CDMA  Demand Assign 방식 : 전송할 정보가 있을때만 채널할당  버스트 액세스 방식  Contention 방식(데이타 충돌 허용) - ALOHA : Pure ALOHA(수율 18.4%), Slotted ALOHA(수율36.8%) - CSMA : non-persistent, p-persistent, CSMA/CD, CSMA/CA  Non-Contention 방식 - Polling 방식 : Roll-call Polling, Hub Polling - 예약방식 · SRMA(Split-channel Reservation Multiple Access) - Request Channel을 Contenion하는 방식 · GSMA(Global Scheduling Multiple Access) - Request Channel을 Pre-assign하는 방식

10.  High Speed에 적합한 다중접속  Multiple Access 기술 : FDMA, TDMA, CDMA비교  상기 비교에서 CDMA는 고속 멀티미디어 서비스 제공에 시스템이 복잡 하고 CDMA의 장점을 충분히 살리지 못한 반면 TDMA는 동적 자원할당 이 가능 하므로 멀티미디어 서비스에 적합함. FDMA는 고정 자원할당에 유리하고 전용회선 용도에 적절

11. Traffic Aggregation & FDMA, TDMA ★ 트래픽 집합이 일어나는 지점에 따라 FDMA 또는 TDMA 선택 FDMA : 가입자측에서 트래픽 집합(Large BW per CPE) TDMA : 무선 전송후, 기지국에서 트래픽 집합(Low Min. BW per CPE )

12. III. 국내외 동향  해외 LMDS 주파수 분배  해외 무선접속 기술동향  국내동향(1) B-WLL주파수  국내동향(2) 시스템 표준화

13.  해외 LMDS 주파수 분배 40.50 41.50 42.50 27.50 29.10-29.25 28.35 Current US Plan LMDS 31.075-31.225 Additional US allocation - LMWS 31, 31.3 25.35 27.35 26.35 28.35 Canadian Proposal LMCS Future Licenses 18-24 Months Licenses in Oct. '96 27.50 28.50 29.50 Latin America Some European Asia, Australia 40.50 41.50 42.50 CEPT Recommendation for Europe Adopted by Several Contries-MVDS

14.  해외 무선접속 기술 동향  Broadband WLL  DAVIC기반 : Newbridge(Stanford Telecom), Alcatel社 등 MCNS기반 : Nortel, Motorola社 등 독자방식 : Netro 社(CellMac) 등  Wireless ATM  Wireless LAN(2.4GHz대)  IEEE802.11위원회에서 표준화(‘97.6)

15.  국내 동향(1) B-WLL주파수  가입자회선용 주파수 분과위원회 운영  기 간 : ‘96. 2 - ‘96. 10  역 할 : B-WLL용 주파수대역 및 대역폭 산정 --> 정통부 건의  주파수 분배공고 : ‘97. 4. 9 “ 정보통신부 공고 제1997-49호 “ -->가입자회선용 주파수분배  분배표

16.  국내 동향(2) 시스템표준화  주관 : 하나로통신, 한국통신  규격개발 : ETRI  기간 : ‘98. 5 - ‘98. 12  범위 : 무선접속 규격(망 접속 규격, 가입자단말 접속규격은 검토)  현 황  DAVIC기반으로한 규격 TTA상정 : ‘98. 11. 12  MCNS기반으로한 규격 TTA상정 : ‘98. 12. 18 (Wireless MCNS) TTA를 중심으로 규격 검토 및 수정 보완 중 규격잠정확정은 연구위원회, 분과위원회, 표준총회를 통과하여 확정 (약 3개월 소요) * DAVIC : Digital Audio Visual Council MCNS : Multimedia Cable Network System

17. IV. B-WLL의 무선 액세스 기술  망구성 및 개요  MAC(Media Access Control)프로토콜 개요  DAVIC기반의 MAC  MCNS기반의 MAC(Wireless MCNS)  IEEE802.14  대상 기술비교

18.  B-WLL 망 구성  개 요 - 광대역 무선 고정가입자 서비스 - 광대역 전용회선은 FDMA, 중속 Bursty 가변데이터는 TDMA방식 - ATM 또는 IP 무선 전송 - 동적 대역폭 할당

19.  광대역무선가입자망(B-WLL) 정의  (준)밀리미터파(26GHz) 주파수를 사용한 광대역 고정무선통신망 으로 음성전화, 고속데이타 , 영상전송등 다양한 멀티미디어서비 스 제공가능  특 징  망 구성 : 지점 대 다 지점(Point to Multipoint)  채 널 : 상,하향 비대칭  주파수(26GHz) : 직진성, 가시거리(LOS) 요구  전송방식 : ATM 또는 Non-ATM 대상고객 : 중,소기업고객 집단회선(아파트 등) 향후 개인 고객(멀티미디어서비스)

20.  WLL과 B-WLL비교

21.  서비스 제공대상  음성(POTS), 팩스, ISDN  Ethernet (10BaseT) RESIDENTIAL  N X 64Kbps  T1/E1 SOHO  N X T1/E1  ATM25Mbps COMMERCIAL  DS3 or DC - 1

22.  B-WLL(26GHz) 전파특성 비교

23.  MAC 프로토콜의 기능 MAC(Media Access Control) 프로토콜 한정된 무선자원의 이용을 극대화하며, 서비스별 QoS를 보장할 목적으로 사용자들의 데이터 전송을 관리하는 프로토콜  주요 기능 - 매체 접근 제어 (프레임 동기, 흐름제어 등) - 무선자원의 할당/해제/유지 (상,하향 타임슬롯 할당) - 전송 파라미터 조정(주파수 채널, 심볼율 변경, 전력제어 등)

24.  MAC 프로토콜의 구성 요소(1) • CRA (Collision Resolution Algorithm, 충돌해소알고리즘) • - 가입자의 등록 및 상향 대역 요청시 랜덤 액세스 절차 를 거치므로 • 충돌이 발생하여 지연이 증가함 • ▶ 모든 패킷들이 종국에는 유한한 지연 시간 후에 성공적으로전송될 • 수 있도록 하는 충돌해소/재전송 알고리즘 필요 • Traffic Scheduling(Scheduler) • - TDMA 시스템에서 시스템 성능을 결정하는 가장 중요한 요소임 • 상향 대역폭 요청 • 상향 대역폭 할당 • Quality of Service 지원 • 전송 지연 및 지연변이 제어 • 상하향 물리계층의 오버헤드

25.  MAC 프로토콜의 구성 요소(2) • 타임슬롯 할당(Slot Allocator) • - 전송 프레임 내의 contention slot과 data slot의 수가 고정되어 있는 • 고정 슬롯 할당 방식(Fixed Slot Allocation Scheme)과 그 수가 가변적 • 인 동적 슬롯 할당 방식(Dynamic Slot Allocation Scheme)으로 구분 • - 동적 슬롯 할당 • Low traffic load → data slot의 요구가 작으므로, contention slot의 수 • 를 늘려서 request delay를 줄림 • High traffic load → 많은 수의 request가 이미 pending 중이므로, • contention slot의 할당을 줄이고, reservation slot • 의 수를 늘임

26.  MAC 프로토콜의 성능 파라미터 Access Delay(접속 지연) - 메시지가 MAC계층에 전달된 시간으로부터 메시지의 마지막 비트가 기지국에 의해 수신될 때까지 경과된 시간 Throughput - 총 전송 시도 중 전송에 성공한 데이타량의 비율 Collision Multiplicity(충돌수) - 한 타임슬롯 내에서 충돌한 사용자수 Delay Variation(지연 변이) - 한 패킷의 접속지연과 평균 접속지연의 차이 Coefficient of Delay Variation - 평균 접속지연에 대한 표준 편차의 비율

27.  DAVIC하향 전송패킷 구조(1)  하향 ATM 전송 패킷 구조  무선접속방식 : 하향 TDM, 상향 TDMA

28.  DAVIC하향 전송패킷 구조(2)  ATM 전송 MUX 패킷의 구성 ○ SYNC : 8 bit의 고정된 필드로 01000111b 의 값을 갖으며 프레임 동기를 맞춤 ○ PAYLOAD : 187 byte의 페이로드를 전송함 - PAYLOAD에는 7개의 ATM cell 이 매핑됨 - CTRL0 : 두 패킷 중 첫번째 패킷이라는 것을 나타내며, 그 값은 E1PSSSSSb 임 - CTRL1 : 두 패킷 중 두번째 패킷이라는 것을 나타내며, 그 값은 E0PSSSSSb 임 - CTRL2 : 운용, 관리, 유지보수 (OAM) 정보 전송을 위해 예약. - E(error) : 전송오류가 발생했는지를 나타내는 1 bit 플래그로서, ‘1’로 되면 적어 도 하나 이상의 복구 불가능 오류 비트를 가지고 있음을 나타냄. 오류가 정정되기 이전까지는 ‘0’으로 값이 바뀌지 않음 - P(priority) : 전송우선순위를 나타내는 1 bit 지시자로서, ‘1’로 설정되어 있으면 ‘0’으로 설정되어 있는 패킷보다 우선 순위가 높음을 나타냄 - SSSSS(stuffing) : 11111b 로 고정되어 있는 값으로, 패킷이 이값을 갖고 있지 않으면 폐기됨. 즉, 11111b 이외의 값을 갖는 패킷들은 stuffing 된 것으로 페이로드 내에 정보를 포함하지 않는다.

29. DAVIC 상향 전송패킷  상향 타임슬롯 구조  DAVIC MAC 메시지 구조

30.  DAVIC상향 타임슬롯  Polling slot ○ 하나 이상의 NIU(Network Interface Unit/가입자접속장치)에 할당됨 ○ AIU(Air Interface Unit/기지국)으로부터 poll 요청을 수신한 후에 poll 응답을 위해서만 이용됨  Contention time slot ○ 하나 이상의 NIU에 할당됨 ○ 동일한 contention time slot을 사용하는 다른 NIU와 충돌이 발생할 수 있으며, 이 경우 몇가지 잘 알려진 알고리즘(niu_id에 기초한 랜덤 재전송 지연 등)을 이용하여 재전송전에 NIU가 기다려야 할 프레임의 수를 결정함  Traffic slot (reserved time slot) ○ 하나의 NIU에만 할당됨 (즉, 하나의 NIU가 사용하도록 예약) ○ 기지국으로 전송할 필요가 있는 셀이 있으면, 언제나 이 타임슬롯을 통해 전송됨

31. DAVIC MAC 프로토콜(1)  프로토콜 스택 MAC Higher Layer MAC Higher Layer AAL5 AAL5/AAL1 AAL5 AAL5/AAL1 TC Layer TC Layer PMD Layer PMD Layer 기지국 가입자 26GHz대 무선

32. DAVIC MAC 프로토콜(2)  주요 특징 - 하향 TDM, 상향 TDMA 기반 - ATM셀만 전송 - 상향 타임슬롯의 종류  폴링 응답 타임슬롯(Polling Response Timeslot) → 기지국 poll_request에 대한 응답  경쟁 타임슬롯(Contention Timeslot) → 상향 대역 요구  예약 타임슬롯(Reserved Timeslot) → 데이터 전송 - 충돌 해소 알고리즘(CRA)을 별도로 규격화하지 않음

33. DAVIC MAC 프로토콜(3)  Network Entry - NIU가 망에 접속하기 위한 시그널링 절차 - Power-on된 NIU가 한 채널을 포착하고 이를 통해 망에 접속 Sign-on-request poll_slot_allocation Status_response Tx_calibration AIU (기지국) NIU (가입자)

34. DAVIC MAC 프로토콜(4)  Polling Handshake - AIU와 NIU간의 주기적인 polling 절차 Status_request Status_response Tx_calibration AIU (기지국) NIU (가입자)

35. DAVIC MAC 프로토콜(5)  Contention 타임슬롯 할당 - Contention 타임슬롯 . NIU가 MAC메시지를 AIU에게 경쟁적으로 보낼 수 있는 타임슬롯 . reserved 타임슬롯 요청 및 세션 연결 요청 . QoS가 낮은 사용자 데이터 전달 . C_allocation_req 메시지에 의해 구동 Contention_slot_allocation AIU (기지국) NIU (가입자)

36. DAVIC MAC 프로토콜(6)  Reserved 타임슬롯 할당 - Reserved 타임슬롯 . 사용자 데이터를 전송하기 위한 상향 타임슬롯 . 세션 연결을 위해 사용 Reservation_request(Contention slot이용) Contention_slot_feedback Reserved_slot_allocation AIU (기지국) NIU (가입자)

37. DAVIC MAC 프로토콜(7)  세션의 연결 및 해제 - 모든 Application에 대한 가상 연결 서비스를 위해 사용 . 하나의 NIU로 다수의 서비스 동시 사용 가능 MAC_session _request MAC_session _msg_ack MAC_session _connection MAC_session _msg_ack MAC_session _release MAC_session _msg_ack AIU (기지국) NIU (가입자)

38. Wireless MCNS MAC 프로토콜(1)  Wireless MCNS 프로토콜 스택 * TH : Timing, MGM : Management, CO : Concatenation, REQ : Request Downstream Upstream Packet ATM Re- served T H M G C O Packet ATM Re- served T H M G R E Q C O MAC Control Specific MAC Control Specific Link Security Link Security MAC MAC MPEG Radio Physical Radio Physical ▶ Wireless MCNS는 ATM셀 뿐만 아니라, 가변길이 Packet 전송도 지원

39. Wireless MCNS MAC 프로토콜(2)  Wireless MCNS MAC 프로토콜 특징 - 하향 TDM, 상향 TDMA 기반 - 상향 스트림은 다수의 미니슬롯(6.25μsec X 2n)으로 구성  경쟁 미니슬롯 : 상향 대역폭(타임슬롯) 요청  예약 미니슬롯 : 사용자 정보 전송 - 추가 대역폭 요청시 피기백(piggyback) 사용 - ATM셀 뿐만 아니라, 가변길이 PDU를 지원 - 충돌 해소 알고리즘(CRA)  Truncated Binary Exponential Back-Off 알고리즘

40. WirelessMCNS MAC 프로토콜(3)  상하향 데이터 전송 구조(ATM셀 전송시) - 하향 - 상향

41. WirelessMCNS MAC 프로토콜(4)  상향 프레임 구조 (패킷길이 = 코드워드에서 정보바이트의 수 = k 인 경우) (패킷 길이 = k + 두번째 코드워드에서 잔여 정보바이트 수 = k + k'  k + k"  2k 인 경우)

42. PMD 오버헤드 (상향 스트림) 유형 값 메시지 이름 메시지 설명 1 SYNC 타이밍 동기화 2 UCD Channel Descriptor 상향 링크 3 MAP 상향 링크 대역폭 할당 4 RNG-REQ Ranging 요구 5 RNG-RSP Ranging 응답 MAC 헤더 데이터 PDU (옵션) MPEG PSI 헤더 (하향 스트림) WirelessMCNS MAC 프로토콜(5)  MAC 프레임 구조  MAC 관리 메시지 종류 6 REG-REQ 등록 요구 7 REG-RSP 등록 응답 8 UCC-REQ Not Used Not Used 9 UCC-RSP Not Used 10 TRI-TCD Not Used 11 TRI-TSI 12 BPKM-REQ Privacy [SP-BPI-I01-970609] 키 관리 요구 13 BPKM-RSP Privacy [SP-BPI-I01-970609] 키 관리 응답 14-255 추후 사용을 위해 예비됨

43. WirelessMCNS MAC 프로토콜(6)  상향 대역폭 할당 절차 - 상향 대역폭은 미니슬롯의 열로 모델링 - NIU는 상향대역폭을 AIU에 요구(경쟁 방식) - 기지국은 Allocation Map을 통하여 상향채널상의 데이터 전송 기회를 정의 - 대역폭 할당을 위한 스케쥴링 알고리즘은 제조사마다 상이 Map PDU AIU에 의해 하향 채널상으로 전송 상향채널의 허용된 사용 NIU tx 기회 요구 경쟁 영역 NIU tx 기회 유지 - Contention 허용영역 - Request(with data) - 특정 가입자에게 상향 전송시간 부여 - Ranging등 파라미터 설정 아직까지 매핑 되지 않은 시간 이전 map 현재 map

44. IEEE 802.14 MAC 프로토콜(1)  Lucent, AT&T 등이 참여한 IEEE 802.14 작업반에서 정의된 HFC 망에서의 데이터 전송 표준  주요 특징 - 가입자의 요구에 의한 대역 할당 - ATM, MPEG-2 및 가변길이 패킷전송 지원 - 상향 채널은 경쟁 미니슬롯과 예약 미니슬롯으로 구성 - 최초 대역 요청시에는 경쟁 방식이 이용되며, 추가 대역 요청시에는 피기백(piggyback) 방식 이용 - 하향 채널 : 6 바이트 길이 allocation unit의 스트림으로 구성 - 상향 채널 : 8 바이트 길이 미니 슬롯의 스트림으로 구성 ※ 미니 PDU : 한 개의 미니슬롯만을 차지하는 MAC PDU로서, 상향 대역폭 요청시 사용

45. Allocation Unit(6 바이트) I I I I …... I I I I ATM셀 ATM셀 ATM셀 ATM셀 Variable Length Fragment AAL5 PDU Header Information Element Information Element Information Element IEEE 802.14 MAC 프로토콜(2)  하향 전송 구조 ※ : 6 바이트 idle pattern  상향 대역 요청 미니PDU 형식 - RTY(8 비트) : Request Type → 요구하는 상향 PDU의 타입(ATM셀, 가변길이 패킷 등) 정의 - QID(24 비트) : Queue Identifier → 단말 및 단말의 논리적 대기열에 대한 식별 - LEN(12 비트) : Size of allocation requested → 요청하는 상향 ATM셀의 개수 또는 옥텟의 개수 - Reserved(4 비트) : Reserved (0000) - CRC(16 비트) : CCITT-CRC16 I RTY QID LEN Reserved CRC 8 바이트

46.  대상기술비교

47. V. 결 론  High-Speed Wireless Access

48. High-Speed Wireless Access - Wireless MCNS - DAVIC - IEEE802.11, 802.14 - ETSI BRAN, Wireless ATM, etc High-Speed Wireless Access TDMA FDMA - Spectrum Efficiency - Time to Market - ATM & IP - Applications (voice, data, video) - QoS - 개발용이성 및 표준화