CH7. Wireless and Mobile Network

1. Wireless LAN

• Advatage
  • 선을 연결할 필요가 없다.
  • 이동성과 휴대성을 제공한다.
• Disadvantage
  • 유선보다 더 느린 전송속도(low bandwidth)
  • 범위가 좁다.
  • Error 발생률이 더 높다,(Collision Detection이 어렵다.)
• Elements of a wireless network
  • Wireless host : 네트워크를 제공받아 사용하는 것들(노트북, 휴대폰 등)
  • Base Station : network infrastructure와 연결이 되거나 다른 host들과 연결이 되어 연결시켜 준다. 
  • => 유선 네트워크들과 연결이 되어 무선 장비들에게 packet들을 전달한다.(relay)
  • Link : 무선 장비들을 base station에 연결시키기 위해 사용이 되어진다.
  • => 다양한 전송속도, 거리를 가질수가 있다.(bandwidth가 낮을 수록 먼거리, 클수록 짧은 거리)
• Wireless Link Characteristics
  • 신호의 강도가 약하다 :  거리가 멀어지면 멀어질수록 더 약해진다.
  • 다른 신호간에 간섭이 일어난다.
  • 데이터를 보내는데 있어 여러개의 경로가 존재하게 된다.
  • => 유선과 달리 경로가 정해져있는것이 아니기 때문에 하나의 기기에 같은 신호가 다른 속도로 도착하기도 한다. 이것을 어떻게 보장 할지가 어렵다.
  • SNR(Signal-to-noise ratio) : SNR이 커질수록 에러 발생률은 떨어지게 된다.
  • Hidden terminal problem : 여러개의 무선 발신자가 와 수신자가 있을때 문제가 야기 된다.
    • A가 보낸걸 B는 인지 가능하지만 C까지는 신호가 약해 도달하지 않는다.
    • C가 보낸걸 B는 인지 가능하지만 A까지는 신호가 약해 도달하지 않게 된다.
    • => A와 C는 서로의 존재를 모르게 되고 A와 C가 B로 동시에 데이터를 보내게 되면 collision이 발생하게 되는 것이다.

2. IEEE 802.11 (Wireless LAN)

• Rate adaptation
  •  동적으로 전송속도가 바뀌게 되는데 이는 전송속도가 가장 빠른걸 사용하다가 network의 상태에 따라 transmission rate를 줄이게 된다.
  • SNR 이 줄어들고, BER이 증가하는 경우 => node가 base station으로 부터 멀어지는 경우
  • BER이 높아지게 되는 경우 좀더 느린 전송속도를 가진 channel을 사용하게 된다. => BER이 떨어진다.
• Network Types
  • BSS(Basic Service Set)
  • station들의 집합체를 의미한다. Infrastructure BSS와 Independent BSS 두 종류가 있다.
  • Infrastructure BSS
    • AP(Base station을 의미)를 통해 통신작업을 이어간다
    • AP는 relay 기능을 제공하고 유선 네트워크와 연결이 되어 있다.
    • Handoff : 해당 AP에서 멀어지게 되면 다른 AP를 사용 할수 있게 해줌을 의미한다.
  • Independent BSS(ad hoc mode)
    • AP가 존재 하지 않아 relay기능을 제공하여 주지 않는다
    • => 각각의 node가 router처럼 작동을 하게 되는 것이다.
    • 자신이 cover할수 있는 만큼만 데이터들을 전송할수 있다.
  • Association
    • host들은 반드시 AP와 연결되어 통신을 하여아 한다.
    • channel을 scan하고, AP의 이름과, MAC 주소를 포함하고 있는 beacon frame을 받게 된다.
    • 그중 적절한 AP를 선택하고 연결을 시작한다.
    • Passive Scanning, Active Scanning이 존재한다.

Passive Scanning            1. AP에서 beacon frame을 전송하게 된다.      2. host는 그중 적절한걸 골라(신호가 더 센걸) 해당 AP로 연결 요청을 보내게 된다.      3. 선택된 AP에서 연결을 승낙하는 응답을 보낸다.

Active Scanning        1. node가 직접 AP의 존재가 무엇이 있는지 찾기 위해 Prove request를 broad cast한다.      2. AP들은 자신이 받은 Prove request에 대해 응답을 보내게 된다.      3. node는 그중 적절한 신호를 골라 연결 요청을 한다.      4. 선택된 AP는 연결을 승낙하는 응답을 보낸다.

• MAC Issues in Wirless Lan

Hidden Terminal Problem       1. A가 B로 데이터를 보내는 중이다. C까지는 A의 범위가 닫지 않음.      2. C는 A에서 신호를 보내고 있단걸 전혀 알아 차릴수 없기 때문에 C또한 B로 데이터를 보내기 시작한다.(Carrier Sensing이 불가)      3. Collsion 이 발생하게 되지만 A는 Collision이 발생함을 전혀 알수가 없다.

Exposed Terminal Problem      1. B는 A로 데이터를 전송하게 된다.      2. 그후 C는 D로 데이터를 전송하게 된다.      3. 하지만 C가 B가 현재 전송중이라는 것을 알아차리게 되어 (매체를 공유중) D가 B의 영역안에 없음에도 불구하고 보내지 못하게 된다. => C가 필요없는 대기 시간을 가지게 된다.

• Access Methods
  • DCF(Distributed Coordination Function) - 경쟁 기반의 채널 분산 방식을 의미한다.
  • DCF CSMA/CA(mandatory)
    • Collision avoidance via randomize back-off mechanism (충돌이 발생하게 되면 랜덤 시간동안 기다리다가 보내는 것을 의미한다.)
    • ACK packet이 사용이 된다.
  • DCF w/ RTS/CTS (optional)
    • 신뢰성을 높이기 위해 hidden/ exposed terminal problem을 피하는것을 의미한다.
• Inter-Frame Spacing(IFS)
  • Frame과 Frame을 보내는데 있어 중간에 두는 시간적 간격을 의미한다. 
  • SIFS (short IFS) : 가장 높은 우선순위를 가지고 있다. (ACK,CTS, polling response를 위한것)
  • => wire netwrok를 제어하기 위한 데이터형이 되기 까지의 시간을 의미
  • DIFS (DCF IFS) : 가장 낮은 우선순위(비동기 작업을 위해 사용)
  • => ACK가 안전하게 도착하는 시간을 확보하기 위해 두는 구간
• DCF CSMA/CA
  • Sender (이더넷과, 아이파이의 맥주소를 잘 구분하여야 한다.)
    • MAC이 상위 레이어에서 데이타를 받는다.
    • 일단 back off를 과정을 거친다.
    • frame을 전송한다.
    • ACK받기를 대기한다.
    • time out이 발생하게 되면 다시 back off 과정을 거치게 된다.
  • Receiver
    • 받은 frame이 에러가 없는지 확인을 한다.
    • SIFS시간동안 기다린다.
    • ACK을 보내게 된다. 

 

• DCF CSMA/CA Backoff Algorithm
  • packet을 보낼때 가장 먼저 backoff interval을 [o,cw]의 범위중 정하게 된다.
  • =>cw : contention window
  • Medium에 아무것도 전송중이지 않은 상황일때 backoff interval을 줄여나간다.
  • Medium이 busy 상태로 들어가게 되면 backoff interval을 줄이던 것을 멈춘다.
  • => Ethernet에서의 CSMA/CD의 경우 busy 상태더라도 다른 것들의 wait time은 계속해서 줄어든다.
  • backoff interval이 0이 되게 되면 데이터를 전송하게 된다.
  • receiver는 해당 패킷을 제대로 받게 되면 ACK를 보낸다.
  • contention window  = 2^(5-i)-1  => 초기 contention window의 범위는 [0,31]이 된다.
  • 최대 cw는 1023이다.
  • 초기 위의 CW는 25, 아래의 CW는 20인 상태의 예시이다.

• DCF with RTS/CTS
  • collision avoidance를 위하여 signaling packet을 사용하도록 한다.
  • RTS(Request To Send) : Sender측에서 데이터를 보내기전 receiver에게 RTS를 보내게 된다.
  • => 보낼 데이터의 길이정보를 포함하고 있다.
  • CTS(Clear To Send) : Receiver는 collision이 발생하지 않으면 CTS를 보내게 된다.
  • => RTS에서 보낸 길이정보를 복사하여 보낸다.
  • RTS를 들은 모든 node들은 CTS가 충돌없이 sender에게 도달할수 있을 충분한 시간동안 대기한다.
  • CTS를 들은 모든 node들은 data가 다 보내질때까지 대기해야한다.

Solve hidden terminal problem

Solve exposed terminal problem

• Virtual Carrier Sensing
  • Sender DIFS간격뒤에 RTS를 NAV(패킷을 보내기 위해 어느 정도의 시간이 필요한지에 대한 정보)와 함께 보낸다.
  • SIFS간격 뒤에 Receiver는 ACK를 보내게 된다.
  • Sender는 데이터를 보내기 시작한다.
  • RTS와 CTS를 통해 전송된 NAV를 받은 다른 station들은 대기 상태에 들어가있다.
  • => 현재의 전송에 대해 방해를 할수가 없게 된다.

• Addressing
  • MAC frame format

To DS(AS)	From DS(AS)	Address1	Address2	Address3	Address4
0	0	Destination	Source	BSS ID	N/A
0	1	Destination	Sending AP	Source	N/A
1	0	Receiving AP	Source	Destination	N/A
1	1	Receiving AP	Sending AP	Destination	Source

• To DS : AP로 데이터를 보내는가
• From DS : AP를 통해서 데이터가 왔는가.
• 1번째의 경우 node간의 직접적인 통신을 의미한다.
• 2번째의 경우 AP에서 데이터를 받게 되고 원래의 sender에게 데이터를 보내게 되는 경우를 의미한다.
• 3번째의 경우 sender가 AP에 데이터를 보내고 AP에서 Dest에게 보내는것
• 4번째의 경우 sender가 AP에 데이터를 보내고 receiver와 연결된 AP로 sender의 AP가 데이터를 보내는 형식