WiFi: IEEE 802.11

IEEE 802.11은 무선랜(WiFi)의 표준 규격이다.

IEEE 802.11 Wireless LAN

IEEE 802.11 LAN architecture

각각의 노드는 AP,Base station과 통신하는데 이 통신하는 영역을 BSS(Basic Service Set,a.k.a "cell")라고 부른다.

802.11 LAN architecture

WIFI는 모두에게 공용으로 열려있는 2.4GHz(ISM band),5GHz,6GHz(UNII band)를 사용한다.

IEEE 802.11: channels

OFDM을 사용하여 주파수 활용률을 높인다.

IEEE 802.11: channels2

호스트는 인터넷을 사용하기 위해서는 AP와 반드시 연결해야된다.

보통은 2가지의 방법을 사용한다.

1. 수동 스캔(Passive scanning):호스트가 모든 채널을 모니터링하여 AP가 주기적으로 전송하는 비콘 프레임(Beacon frame)을 수신한다.비콘 프레임에는 AP의 SSID,MAC address가 실려있다.
2. 능동 스캔(Active scanning):호스트가 AP에 Probe Request 신호를 보내고 AP는 Probe Response를 보낸다.

그리고 대부분 DHCP를 통해 AP의 subnet의 IP주소를 얻는다.

Passive scanning & Active scanning

Multiple Access in IEEE 802.11

 무선 환경에서는 CSMA/CD를 사용하기 힘들다.우선 무선환경에서는 이는 신호 감쇠,다중 경로 전파,히든 노드 문제 등의 이유가 있기 때문이고 계속해서 Carrier Sensing하면 전력의 효율이 떨어지기 때문이다.

CSMA/CD Problem

따라서 다른 방식을 사용하기로 했다.

 

CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

 기존의 CSMA 방식에서 CD와는 다르게 애초에 충돌을 회피하는 기법이다.그전에는 PCF(Poing Coordination Function)방식을 사용했다.이 방식은 Polling-based 방식으로 충돌이 일어나지 않는다.중앙의 노드가 사용권한을 돌아가면서 나눠주기 때문이다.하지만 우선순위는 전혀 고려하지 않고 Polling Overhead가 발생한다.

PCF

따라서 개발된것이 HCCA(Hybrid Coordination Function)로 PCF에서 우선순위를 고려해 적절한 대역폭과 시간을 분배한다.

하지만 이 역시 오버헤드는 계속 존재한다.

CSMA/CA

CSMA/CA는 경쟁 기반 분산 시스템으로써 작동방식은 다음과 같다.

1. 데이터 전송전 우선 노드는 DIFS(상수 시간 딜레이) 동안 기다린다.
2. 만일 채널이 IDLE이라면 데이터를 송신한다.
3. 만일 채널이 BUSY라면 랜덤한 Backoff 타이머를 설정한다.
4. Backoff 타이머가 0이되면 데이터를 송신한다.
5. 그리고 SIFS만큼 기다리고 ACK을 수신한다.
6. 만일 ACK이 안오면 SIFS의 크기를 2배 늘리고 다시 데이터를 송신한다.

CSMA/CA

하지만 만일 많은 노드가 통신에 참여하고 계속해서 Contention 윈도우 크기가 랜덤으로 바뀌게 되면 기아 현상이 발생할 수 있으므로 "Freezing the counter"이라는 기법을 사용해서 이미 감소되고 있는 Backoff counter의 값을 랜덤한 값으로 바꾸지않고 멈춘다.

Freezing the counter

그리고 히든 노드 문제를 해결하는 방법으로는 RTS/CTS를 사용한다.모두 Unicast방식으로 이루어지며

이 방식은 데이터를 송신하기전 RTS(Request-To-Send)를 보내서 AP에서 CTS(Clear-To-Send)를 보내면 그제서야 SIFS만큼의 시간을 기다리고 바로 데이터를 송신한다.또한 CTS를 받은 다른 노드들은 NAV(Network Allocation Vector)에 따라 기다린다.

RTS/CTS

Contension Number을 잘 설정해야 처리율이 높아진다.2개의 노드만 경쟁하는데 [0 ~ 31]의 고정된 범위를 갖는건 처리율을 낮추기 때문이다.

Throughput issue in CSMA/CA

 L1의 발전과 IEEE 802.11의 발전에 따라 데이터 전송의 효율성을 위해 작은 프레임에 똑같은 Control overhead가 발생하는 것에 대해 비 합리적이라는 이슈가 발생했고 이에 따라 여러 프레임을 한번에 보내자는 아이디어가 제시되었고 이를 Frame aggregation이라 한다.

Frame aggregation

 Frame aggregation은 다수의 프레임을 Jumbo frame으로 집계하여 송신하는 방식으로 Control overhead가 줄어드는 효과가 있다.

하지만 에러발생율이 높아진다.그리고 수신되는 Ack도 Block ACK으로 한번에 수신된다.

Frame aggregation example

 또한 Reverse direction을 도입했다.Reverse direction은 역방향 전송으로 수신과 송신을 한번에 하는 것으로 실시간 서비스에서 매유 유용하다.채널 활용률이 증가하기 때문이다.

Reverse direction

QOS(Quality Of Service)도 살펴봐야하는데 이더넷에서와 같이 우선순위가 높은 서비스(ex,동영상 스트리밍)은 더 우선적으로 전송되어야 한다.이를 IEEE 802.11e에서는 다음과 같이 제시한다.

IEEE 802.11e

즉, EDCA(Enhanced Distributed Channel Access),HCCA (Hybrid Coordination Function Controlled Channel Access)를 도입하고 각각의 우선순위 큐에 대해서 IFS(Inter-Frame Space),CW(Contention Window)값을 적용하여 채널 접근 우선순위를 결정한다.이때 동작하는 것이 TXOP(Transmission Opportunity)로 이는 동적으로 작동한다.하지만 역시 기아문제와 병목현상에 대해서는 잘 고려해야한다.

Fairness

위의 경우에서 공정성에 대해 생각해보면 만일 전송 횟수를 기준으로 공정을 논하면 1번 노드가 1번 전송할때 2번 노드는 11번 전송할 수 있지만 2번 노드도 1번 전송해야하므로 이는 활용성이 떨어진다.따라서 시간을 기준으로 설정하여 같은 시간을 할당하면 22번의 단위시간동안 12번 전송이 가능해진다.

Fairness & Bottleneck

IEEE 802.11 frame structure

IEEE 802.11 frame structure1

여타 프레임과는 다르게 Address가 4개가 존재하는데 송신자,수신자,라우터의 MAC 주소를 적고 4번째 주소는 ad hoc(AP 없이 디바이스 간 통신)에서 사용된다.

Frame structure2

Addressing in IEEE 802.11 frame

 이 밖에도 Power management를 위해서 통신이 필요하지 않는 노드는 Sleep모드로 들어가고 다음의 Beacon frame이 오기전까지 아무런 통신을 하지 않는다.

Bluetooth

 10m이내의 기기간 통신을 위해 개발되었고 버전 5에서는 더 많은 범위를 커버한다.원래 초기의 목적은 마우스,키보드,헤드폰등 유선을 없애기 위해서 개발되었다.또한 Ad-hoc모드로서 AP와의 통신이 없다.주파수는 2.4~2.5 GHz,ISM 대역폭을 사용한다.

 

 

Bluetooth

Master controller,Clinet devices로 나뉘며 TDM,FDM을 통해 통신하는데 ISM에는 Wifi나 다른 블루투스 통신등의 잡음이 발생하기에 Pseudo-random oreder slot-to slot을 사용한다.특정 알고리즘을 통해 계속해서 통신 주파수를 바꾼다.이를 Hopping이라 한다.