Data Communications

Data Communications 제 12 장 무선랜과 무선통신기술

목 차 12.1 개요 12.2 무선랜의 분류 12.3 전송 기술 12.4 IEEE 802.11 12.5 무선랜 구성 장비 12.6 다양한 무선통신 기술

12.1 개요 • 무선랜의 정의 • 유선랜의 케이블 대신 전파(RF)나 빛으로 구성되는 네트워크 • 기기간의 데이터 교환을 전파나 광신호 등으로 변환하여 무선으로 송수신하는 시스템 적외선 통신의 예

12.1 개요 • 무선랜의 특징 • 무선랜은 기존의 유선랜과는 다른 전송매체 사용으로 유선랜과는 다른 특징을 갖는다. 무선랜의 장단점

12.2 무선랜의 분류 • 전송매체별 분류 • 전파(Radio) • 용도에 따른 주파수 분배 • 기기에 따라 사용 주파수 대역폭의 제한으로 동일 기기간의 간섭 발생

12.2 무선랜의 분류 • LoS(Line of Sight)란? • 가시선 통신을 말하며 전파통신보다 적외선통신에서 중요하게 여겨진다.

12.2 무선랜의 분류 • 적외선(Infrared) • 주로일대일 통신의 애드혹 네트워크 구성에 사용됨 • 효율적인 통신을 위해 LoS 보장 필요

12.2 무선랜의 분류 • 토폴로지별 분류 • 애드혹 네트워크 • 노드들에 의해 자율적으로 구성되는 네트워크로 AP같은 기반기기를 사용하지 않고 노드들 스스로 연결을 맺어 서로 통신하며 자체적으로 라우팅을 하는 네트워크 • 노드의 접속과 이동이 자유로워 네트워크 토폴로지가 동적으로 변화한다.

12.2 무선랜의 분류 • 인프라스트럭처 네트워크 • AP라는 중간 매개체를 기반으로 구성되는 네트워크 • 모든 노드들은 AP에 접속되고 AP를 통해서 데이터를 전송한다. • 네트워크의 전송범위는 AP의 전송범위에 따라 결정되며 전송범위 확장을 위해 복수개의 AP 연결이 가능하다.

12.3 무선랜 전송기술 • OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) • 직교 주파수 분할 다중화라 불리며 부반송파를 이용한 멀티캐리어 변조방식 • 서로 직교하는 복수의 부반송파를 이용해 데이터를 분할 전송하는 방식 • 반송파란? • 데이터 신호를 실어 나르기 위한 정현파 • 예) 라디오 신호를 전송시 음성신호를 그대로 공기중에 전파(Propagation)하지 않고 일정한 주기와 원신호의 10배 이상의 주파수를 가진 정현파에 실어 전송한다. • 부반송파란? • 반송파를 가공하여 일정한 크기로 나눈 형태의 정현파 • 반송파의 효율을 높이기 위해 사용 • OFDM에서는 위상을 달리한 부반송파를 중첩하여 전송한다.

12.3 무선랜 전송기술 • 직교란? • 두 벡터가 서로 직각일 때를 말하며 두 벡터의 내적의 합이 0이 되면 두 벡터의 관계를 직교라 한다.

12.3 무선랜 전송기술 • 위상을 달리한 부반송파를 중첩하여 전송하므로 사용 대역폭을 줄일 수 있다. • 부반송파의 중첩으로 실제 데이터를 담고 있는 심벌구간이 증가하여 전송 효율이 높다. • 다중경로 지연확산에 의해 발생할 수 있는 신호분산을 줄일 수 있다.

12.3 무선랜 전송기술 • 다중경로 지연확산 • 한 신호가 여러 장애물에 반사되어 다양한 경로를 거쳐 수신될 때 신호간의 시간차가 발생하는 현상

12.3 무선랜 전송기술 • OFDM 송신기 • 송신기로 들어온 직렬 데이터를 일정한 용량을 갖는 구간 X0, X1, X2, X3의 데이터로 나눈다. • 입력된 X0, X1, X2, X3을 서로 직교성(Orthogonality)을 갖는 주파수 f0, f1, f2, f3의 부반송파에 각각 싣는다. • X0, X1, X2, X3의 데이터를 실은 부반송파들을 합친 후 전송한다. 이때 데이터들은 병렬 형태를 갖게 된다.

12.3 무선랜 전송기술 • OFDM 수신기 ④ 수신된 병렬 데이터를 다시 직교성(Orthogonality)을 갖는 부반송파들과 곱한다. ⑤ 다시 부반송파와 곱해진 신호를 일정 주기에 대하여 적분하면 부반송파의 성분은 모두 0이 되고 본래의 데이터 값인 X0, X1, X2, X3들만 남게 된다. ⑥ 본래의 데이터들을 병/직렬 변환기를 이용하여 본래의 순서에 맞게 재조합하면 전송전의 직렬데이터가 복원된다.

12.3 무선랜 전송기술 • PSK(위상 편이 방식) • 반송파의 위상을 달리하여 변조하는 방식 • 2진 디지털 신호를 m개의 비트로 묶어 M=2m개의 위상으로 분할하여 변조 QPSK BPSK

12.3 무선랜 전송기술 • QAM(구상 진폭 변조) • 위상과 진폭을 동시에 변환하며 신호를 변조하는 방식 8-QAM 신호종류

12.3 무선랜 전송기술 8-QAM 16-QAM

12.3 무선랜 전송기술 • CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) • 무선 환경에서 매체 제어를 위해 유선랜의 CSMA/CD를 변형하여 무선 환경에 적합하도록 고안 • CSMA/CD는 물리적 회선으로 케이블을 사용하고 모든 스테이션에게 신호가 전달 되므로 회선의 신호레벨 측정 후 데이터의 충돌 여부를 확인하고 이에 대처할 수 있다. • 무선 환경에서는 전파의 전송거리에 한계가 있으므로 충돌을 감지하는데 어려움이 따름 • 충돌을 미리 회피하는 방식으로 충돌에 대비하였음

12.3 무선랜 전송기술 • CSMA/CD • 물리적 매체에서 충돌이 발생하면 이를 감지하여 매체 제어를 수행 한다.

12.3 무선랜 전송기술 • 매체접근제어 계층 구성 • 802.11의 데이터링크계층과 물리계층간의 관계

12.3 무선랜 전송기술 • MAC 부계층 • DCF(distribution Coordination Function) • MAC 부계층 중의 하나인 DCF는 스테이션에서 무선매체를 점유하기 위해 사용되는 프로토콜이다. 스테이션들이 서로 경쟁하여 무선매체를 점유 및 사용하기 때문에 경쟁서비스라 한다. • PCF(Point Coordination Function) • PCF는 AP에서무선 매체를 관리하며 스테이션들이 무선 매체를 사용할 수 있도록 하는 프로토콜이다. DCF보다 상위계층에 위치하며 매체 사용에 보다 자유롭고 인프라스트럭처 네트워크에서 사용된다. • 무선 매체의 사용이 자유로워 비경쟁서비스라 한다.

12.3 무선랜 전송기술 • IFS(Inter Frame Space) • CSMA/CA에서는 IFS라 불리는 프레임간의 대기 시간을 두어 현재 회선이 비어있다고 판단되어도 데이터의 전파지연시간을 고려하여 바로 전송하지 않는 방식으로 충돌을 회피한다.

12.3 무선랜 전송기술 • IFS는 종류별, 버전별로 그 대기시간이 다르다.

12.3 무선랜 전송기술 • 경쟁 윈도우 • 물리계층에서 정의되는 슬롯들의 집합 • 전송 준비가 된 스테이션은 경쟁 윈도우 범위에서 랜덤하게 슬롯의 수를 선택하고 해당 시간만큼 대기 • 경쟁 윈도우의 크기는 Binary exponential back-off 알고리즘에 의해 결정 • NAV(Network Allocation Vector) • 다른 스테이션과의 전송 충돌을 피하면서 매체를 가상으로 예약할 수 있는 기능 제공 • 다른 스테이션이 전송하는 프레임의 D(duration)필드의 값을 NAV값으로 설정하고 해당시간 동안 매체를 사용하지 않는다. • 대기중인 스테이션은 현재의 NAV값보다 큰 값을 수신하였을 경우 NAV값을 갱신한다.

12.3 무선랜 전송기술 • 초기에 B스테이션의 NAV값은 0이었으나, A가 C에게 전송하는 프레임의 D(duration) 필드 값이 10μs이므로 자신의 NAV값을 10μs로 갱신한다. • A 스테이션에서 전송한 프레임의 D(duration) 필드 값이 현재의 NAV 값보다 작으므로 NAV 값을 갱신하지 않는다. • A 스테이션에서 전송한 프레임의 D(duration) 필드 값이 현재의 NAV 값보다 크므로 NAV 값을 15μs로 갱신한다.

12.3 무선랜 전송기술 • CSMA/CA 동작 과정 ① 전송 시도횟수 변수 i를 0 으로 설정 ② 회선이 빈 상태이면 IFS 만큼 대기하고, 사용 중이면 회선이 가용할 때까지 계속 회선을 감시 ③ IFS만큼 대기 후 다시 회선 감지하고, 회선이 비어있으면 슬롯의 값을 경쟁 윈도우 범위 내에서 랜덤하게 선택(R 값 설정). 회선이 사용 중이면 처음 상태로 돌아간다. ④ R 슬롯만큼 대기후 그 동안 계속 채널이 사용되지 않았다면 데이터 전송 ⑤ 타임아웃 시간 내에 ACK가 수신되면 전송 완료 ⑥ ACK가 수신되지 않으면 i값을 증가시키고 처음으로 돌아감 ⑦ i > 15가 되면 전송을 포기

12.3 무선랜 전송기술 CSMA/CA 동작 과정

12.3 무선랜 전송기술 • 숨겨진 터미널 문제 • 애드혹 네트워크에서 스테이션들의 각기 다른 전송 범위로 때문에 실제 존재하는 스테이션이 보이지 않아 전송의 충돌이 일어난다. • 서로 보이지 않는 스테이션을 ‘숨겨진 터미널’이라 함

12.3 무선랜 전송기술 • 숨겨진 터미널 문제 해결 • RTS와 CTS를 이용하여 핸드쉐이킹을 함으로써 해결 가능 • B가 A에게 RTS송신하면 A는 전송 받을 준비가 되었다는 CTS를 전송 • C는 A가 전송한 CTS를 수신하고 매체 접근 제어

12.3 무선랜 전송기술 • 기본형 CSMA/CA • 초기 형태의 CSMA/CA로 핸드쉐이킹을 사용하지 않아 숨은 터미널 문제를 발생시킨다. • 애드혹 환경의 DCF에서 사용되며 많은 스테이션의 연결에 어렵다.

12.3 무선랜 전송기술 • 확장형 CSMA/CA • 숨겨진 터미널 문제를 해결하기 위해 핸드쉐이킹 적용 • 애드혹 환경에서 DCF계층에 의해 사용됨 • RTS 전송시 충돌이 발생하면 binary exponential back-off 알고리즘에 의해 대기시간을 재설정 한다.

12.3 무선랜 전송기술 • 폴링형 CSMA/CA • PCF에 의해 인프라스트럭처 환경에서 사용된다. • 현재 가장 많이 사용되는 방식 • 슈퍼프레임을 이용하여 스테이션들에게 전송 시간을 할당함 • 비콘프레임으로 슈퍼프레임의 시작을 알림 • AP가 매체 접근 제어를 담당함

12.3 무선랜 전송기술 ① 슈퍼 프레임은 AP가 비콘 프레임을 전송하면서 시작되며 비콘 프레임 전송 후 PIFS 만큼 대기하고 A에게 데이터를 전송 ② 데이터를 수신한 A는 SIFS 만큼 대기한 후 ACK를 AP로 전송 ③ ACK를 수신한 AP는 SIFS 만큼 대기한 후 데이터를 B에게 전송 ④ 데이터를 수신한 B는 SIFS 만큼 대기 한 후 ACK를 AP로 전송 ⑤ ACK를 수신한 AP는 SIFS 만큼 대기한 후 데이터를 C에게 전송 ⑥ 데이터를 수신한 C는 SIFS 만큼 대기한 후 ACK를 AP로 전송 ⑦ AP가 필요한 모든 전송을 마쳤으므로 CF end(Contention Free end) 프레임을 전송 ⑧ Polling 되지 않은 스테이션들은 비콘 프레임을 수신하면 NAV를 설정하고 CE end 프레임을 수신하면 NAV를 해제 ⑨ AP가 모든 전송을 마쳤으므로 비경쟁구간은 끝나고 스테이션들이 자유롭게 매체접근경쟁을 하는 경쟁구간으로 접어든다. AP가 비콘 프레임을 전송하면 위와 같은 과정을 반복한다.

12.4 IEEE 802.11 • IEEE는 무선랜의 물리계층과 데이터링크계층을 IEEE 802.11로규정하고 전송방식과 버전에 따라 a/b/g/n으로 세분화 함 • 802.11n은 두 번째 초안이 선택된 상태이며 이에 따라 pre-n이라는 이름으로 제품 출시 • 802.11n의 표준화는 2008년 완료 예정 • 802.11n은 MIMO기술 적용으로 최대 600Mbps에 이르는 전송 속도를 목표로 함

12.4 IEEE 802.11 • IEEE 802.11 구조 • BSS(Basic Service Set) • 무선랜의 기본적인 단위 • AP가 존재하지 않는 애드혹 네트워크 • AP가 존재하는 인프라스트럭처 네트워크

12.4 IEEE 802.11 • ESS(Extended Service Set) • 두 개 이상의 AP를 포함한 BSS를 의미 • AP를 포함한 BSS가 분산시스템에 연결된 형태 • AP는 고정되어 있고 스테이션들은 이동성을 가지며 BSS간 이동이 가능함

12.4 IEEE 802.11 • 프레임포맷 • 802.11의 MAC 포맷은 9개의 필드로 구성 • FC(Frame Control)은 하위 필드를 가짐 • 프로토콜 버전 및 해당 패킷의 전반적인 정보를 담고 있음

12.4 IEEE 802.11 • 프레임 필드 내용 • Frame control (FC): 2바이트로 구성되며, 프레임의 타입과 제어정보를 담고 있다. • D(duration): 모든 프레임에서는 NAV값을 설정하기 위한 전송 시간을 정의한다. • 주소(Address): 4개의 6바이트 주소 필드가 있다. To DS(Distribution System), From DS에 의해서 결정된다. • 순서 제어(Sequence control): 흐름제어를 위한 순서번호를 정의한다. • 프레임 바디(Frame body): 0~2312 바이트의 범위를 가지며, FC에서 정의된 서브타입과 타입에 대한 정보를 가지고 있다. • FCS: 4바이트의 길이를 가지며 CRC-32 에러 검출을 위해 사용된다.

12.4 IEEE 802.11 • FC의 프레임 타입 FC의 Type정보

12.4 IEEE 802.11 • 비콘 프레임(관리 프레임)

12.4 IEEE 802.11 • 데이터 패킷

12.4 IEEE 802.11 • 제어 프레임 • 타입 필드 값이 ‘01’이면 제어 프레임을 의미 제어 프레임 제어 프레임의 하위 필드

12.4 IEEE 802.11 RTS 패킷(제어 패킷) CTS 패킷(제어 패킷)

12.4 IEEE 802.11 ACK 패킷(제어 패킷)

12.4 IEEE 802.11 • FC 필드의 하위 필드

12.4 IEEE 802.11 • 주소 메커니즘 • FC 필드의 To DS, From DS는 주소 필드의 의미 정의

12.4 IEEE 802.11 • 802.11 패킷의 주소 정보

12.4 IEEE 802.11 • 802.11 패킷의 주소 정보 • Case 1: 00 (To DS=0, From DS=0)프레임이 BSS를 벗어나지 않았음을 의미하고 한 BSS안에서만 전송됨을 의미한다. 이때 ACK는 수신자에 의해 송신자에게 직접 전달될 것이다. • Case 2: 01 (To DS=0, From DS=1)프레임이 BSS의 외부에서 전송되었고 목적지는 현재의 BSS내에 있음을 의미한다. 외부에서 AP를 통해 BSS내로 전송되었으므로 ACK는 AP를 통해 전달 될 것이며 Address 3은 BSS 외부의 실제 송신자의 주소를 담는다. • Case 3: 10 (To DS=1, From DS=0)프레임이 현재의 BSS에서 발생되었고 목적지는 BSS 외부에 존재함을 의미한다. 프레임은 AP를 통하여 분산 시스템으로 전달될 것이다. • Case 4: 11 (To DS=1, From DS=1)프레임이 현재의 BSS와는 다른 외부의 BSS의 AP와 분산 시스템을 거쳐 현재의 BSS내에 있는 목적지로 전달됨을 의미한다. 이때 Address 2의 주소는 현재 BSS의 주소를 의미하고 Address 4는 프레임의 실제 송신지 주소를 의미한다.

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