[lecture] 10주차 (무선 LAN~)

무선(Wireless) LAN

앞에서 배운 것처럼 무선 LAN에는 WLAN, Wi-Fi, IEEE 802.11 등 여러 종류가 있다. 대역폭은 1 or 2 Mbps이고, 물리적 매체에는 1. 확산 스펙트럼(spread spectrum) radio 2. 발산 적외선(diffused infrared) 이 있다. 확산 스펙트럼에서, 나라마다 다르지만 초창기에는 2.4GHz를 사용하였지만, 공용 주파수의 hub 라이센스 없이 5GHz를 사용하는 경우가 늘어나고 있다. 고주파는 통신속도가 빠르기 때문이다.

802.11 LAN architecture

무선랜에는 Ad-Hoc Mode와 Infrastructure mode라는 2가지 모드가 존재하는데, 먼저 infrastructure mode 란 Access Point(AP) 중계기를 통해 무선 LAN Card와 데이터 통신하는 것을 일컫는 말이다. 좌측 그림을 보면 device 들은 모든 데이터를 AP에게 보내고, AP가 전달하고자 하는 device나 다른 AP로 데이터를 보냅니다. Infrastructure Mode는 1. Basic Service Set(BSS)는 AP 1대를 이용하여 네트워크 구성하고, 소규모 지역에서 사용한다.  2. Extended Service Set(ESS)는 최소 2개의 BSS가 만나서 네트워크를 구성하고, BSS로 구성하기에 너무 범위가 넓을 경우 사용한다. 의 두 가지 모드의 서비스 방식이 존재한다. AP는 BSS ID로 칭할 수 있다.

이와 다르게 soft AP로 부를 수 있는 Ad-Hoc Mode는 독립된 device가 다른 device의 도움 없이 네트워크 망을 구성하는 것이다. device의 LAN card가 다른 device LAN card로 직접 데이터를 전송할 수 있고, Peer-to-Peer(P2P) Network형식이다. 이 모드는 노트북을 무선 공유기로 만들어 노트북과 휴대폰을 연결해 노트북의 네트워크를 휴대폰에서 사용할 수 있다.

infrastructure mode는 꼭 AP를 거쳐 통신을 해야 하고 BSS가 존재하며, ad hoc mode는 자기들끼리 자체적으로 통신이 가능하다.

위 방법과 다르게 실생활에서 사용하며 표준방법은 아닌 Wi-Fi direct가 있다. 가전제품에서 사용하는 이 방법은 wifi를 블루투스처럼 사용할 수 있도록 AP를 거치지 않는다. 하지만 AP 역할은 존재한다. 폰 )) (( 프린터기 )) (( 노트북

확산 스펙트럼(spread spectrum)

공용대역(public band)에서는 간섭이 많이 일어나기 때문에 독점이란 부작용을 가진 법적권리를 부과하는 방법 또는 법적제약을 풀어주는 대신 기술적 제약을 거는 방법이 필요하다. 여기서 후자의 기술적 요구사항은 1. 다른 사용자를 지속적으로 방해하면 안되기 때문에 특정주파수를 독점하면 안된다. 2. 특정 주파수 대역만을 사용하면, 간섭/충돌이 지속되어 다른 사용자와 동시 사용이 불가능하다. 지속적으로 방해하지 않기 때문에, 순간의 간섭은 괜찮다. 이와 방대로, 모두가 사용 가능하고 특정 주파수를 사용하지 않을 때는, 2.4G를 2.400~2.490으로 쪼개 사용한다. 확산 스펙트럼은 넓은 주파수 대역으로 확산해서 신호를 전송하는데, 간섭/충돌은 일시적이며 동시 사용을 해도 통신이 가능하다. 그리고 확산 사용 방식은 사용자별로 다르다. 이 스펙트럼은 신호 방해를 무산시키기 위한 군사용으로 설계되었고, Code Division Multiplexing도 포함한다. 

위 그래프에서 narrow band는 주파수 부분이 좁고 power가 세지만 spread는 반대이다.

확산 스펙트럼 : 블루투스

확산 스펙트럼의 대상은 public band이다. 넓은 범위를 해결하기 위해 간섭이 일어나는 채널의 건너뛰는 방법을 주파수 호핑(frequency hopping)이라고 한다. 주파수 호핑은 임의의 주파수 시퀀스로 전송하고 송신자와 수신자는 Pseudo random number generator와 초기값인 seed를 공유한다. 또한 bluetooth를 사용하는데, 초기 802.11은 79*1MHz-wide 주파수 대역을 사용하였다. 호핑을 하지 않으면 지속적으로 서로를 방해하여 통신속도가 느려지게 된다. 그래서 쓸 수 있는 것을 펼치는 것이다.

확산 스펙트럼 : 무선 LAN

직접 시퀀스(Direct Sequence)하는 방법은 기본적으로 주파수를 펼치는 방법이다. 각 비트에 대해, 해당 비트를 n개의 임의 비트와 XOR한 비트열을 전송한다. 그리고 송/수신자는 임의의 n비트 시퀀스를 알고 있기에 n-bit chipping code를 할 수 있다. 

4-bit chipping code 는 data stream을 4배 증가한 값을 이용한다.

위의 그림을 보면, data stream을 4배로 확장시켜 random sequence와 XOR한 값을 보여주고 있다. 이 예는 4비트 chipping code를 사용한 것인데, 펼쳐 보내는 경우 교묘하게 어긋나는 경우를 이용한 것이다. 802.11dms 11-bit chipping code를 사용한다.

Multiple users share the available spectrum

앞에서 배운 내용에서 TDMA는 실행시간을 쪼개고, FDMA는 주파수를 쪼개 겹치지 않게 하였다. 

CDMA는 좌측의 그림과 같다. 코드를 분할해 시간과 주파수가 겹쳐도 겹치지 않게 하는 것이다. 많은 사용자들은 같은 주파수 밴드를 같은 시간에 공유하고, 각 사용자들은 code division을 통해 각자의 코드를 써서 확인하고 나눈다. 그래서 같이 써도 괜찮다. 

코드가 같은 경우는 데이터 복원이 가능하다.

CDMA의 올바른 키를 사용한 경우

CDMA의 올바르지 않은 키를 사용한 경우

스펙트럼은 주파수와 같은 말이기 때문에 합쳐진 상태에서도 쓸 수 있다.

매체 접근

다른 무선기기 와의 주파수 공유 문제는 Spread spectrum으로 해결된다. 하지만 같은 BSS, 또는 주변의 같은 802.11 기기 사이에서의 채널 사용 문제는 여전히 해결하기 까다롭기 때문에 접근제어 방식인 MAC이 필요하다. 이는 기본적으로 이더넷과 유사하지만, 매체 특성 때문에(공중 매체) 충돌 인식(Collision Detection)에 문제가 발생하거나, hidden node, exposed node라는 새로운 문제가 발생하기도 한다.

충돌 인식 문제는, 유선에서 통제 또는 장애물 제어가 되는 충돌 인식이 무선에서 인식되지 않기 때문에 발생한다. 이는 "신호가 모두에게 전달되어야 한다."라는 전제가 해결하기에 불가능하기 때문이다. 그리고 충돌 인식 문제는 CSMA/CD후에 문제가 발생하는데 💚

충돌 감지가 불가능해 헛짓을 하는 hidden node는 통제가 되지 않아서 발생하는 문제이다.  좌측의 그림을 보면, 동그라미 내가 cell의 신호범위이다. 보라색 라인은 충돌이 없는 시나리오를 보여주고 있다. B가 A에게 보내는 동안 C는 D로 보낼 수 있다. 하지만 C는 A까지 신호를 보낼 수 없고, B가 A로 보낸 신호를 듣게 되는 경우가 생긴다. 

 

IEEE 802.11 : Multiple access

💚CD의 대안으로 충돌을 피하기 위해, CSMA/CA를 사용한다. 여기서 CA는 Collision Avoidance이다.

만약 C가 멀다면, A의 신호는 받기 어렵다.

충돌 회피(Collisions Avoidance)

MACAW(Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless)💚