Microsoft Word - 최우용.doc
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- 보미 강
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1 IEEE 무선랜에서단말간의직접적인데이터통신을위한기술동향 최우용 * IEEE 무선랜은두가지모드인애드혹 (ad hoc) 모드와인프라스트럭처 (infrastructure) 모드로동작할수있지만전세계적으로대부분의무선랜통신서비스는인프라스트럭처모드로이루어진다. IEEE 무선랜이애드혹모드에서동작할때무선랜통신서비스는동일한 BSS(Basic Service Set) 내단말간의직접적인데이터통신을통하여이루어지지만, 인프라스트럭처모드에서는단말간의직접적인데이터통신이기본적인 MAC 프로토콜 DCF(Distributed Coordination Function) 와 PCF(Point Coordination Function) 프로토콜에서는불가능하기때문에, 동일한 BSS 내두개의단말이직접적인데이터통신반경에있음에도불구하고반드시 AP(Access Point) 를통해단말간의통신이이루어져야하는단점을가진다. 이러한문제점을극복하고자인프라스터럭쳐모드의 IEEE 무선랜에서단말간의직접적인데이터통신을위한다양한 MAC 프로토콜이개발되었는데, 본고에서는기존의기본적인 MAC 프로토콜 DCF 와 PCF 프로토콜을개선한새로운 MAC 프로토콜 HCF(Hybrid Coordination Function) 프로토콜과 HCF 프로토콜의개선으로단말간의직접적인데이터통신이가능한 MAC 프로토콜을설명하고자한다. 목 I. 서론 II. HCF 프로토콜 차 I. 서론현재전세계적으로스마트폰 (smart phone) 으로지칭되어소비자에게빠르게보급되는대부분의제품은기존의휴대전화기능에노트북기능을부분적으로탑재하여사무실이나가정혹은회의장에서노 III. 단말간의직접통신을위한 MAC 프로토콜 IV. 결론 트북으로이용가능했던무선랜을통한무선인터넷서비스와기존의휴대전화서비스를동시에제공하는장점을가진다. 이것은근본적인기술혁신이없어도기존기술의융합을통해전혀새로운제품을 창출하여시장에서충분히성공할수있음을보여주는사례라고할수있다. 스마트폰의이러한성공뒤에는비교적저렴한가격으로기존의유선인터넷을이용하던사용자들 * 동아대산업경영공학과 / 교수 에게무선인터넷서비스를제공할수있는 IEEE 1
2 주간기술동향통권 1460 호 무선랜기술이있다 년무선랜의물리계층에서무선랜당 1 혹은 2Mbps 의데이터전송률을지원하는 IEEE 무선랜을위한최초의표준이등장한이후, 새로운표준인 IEEE b, IEEE a, IEEE g, IEEE n 이각각 1999 년, 1999 년, 2003 년, 2009 년에발표됨으로써무선랜당각각 11Mbps, 54Mbps, 54Mbps, 약 600Mbps 의데이터전송률을지원할수있도록기술향상이이루어졌다 [1]-[5]. IEEE b, IEEE a, IEEE g, IEEE n 을통한기술향상이주로무선랜의물리계층기술에집중되었던반면, 2005 년에발표된새로운표준인 IEEE e 에서는무선랜의 MAC 계층기술향상을위해새로운 MAC 프로토콜인 HCF(Hybrid Coordination Function) 프로토콜이제안되었다 [6]. 참고로 2009 년에발표된 IEEE n 표준에서는무선랜의물리계층과 MAC 계층의기술향상이동시에이루어졌다. IEEE 무선랜은두가지모드인애드혹 (ad hoc) 모드와인프라스트럭처 (infrastructure) 모드로동작할수있지만전세계적으로대부분의무선랜통신서비스는인프라스트럭처모드로이루어진다. IEEE 무선랜이애드혹모드에서동작할때무선랜통신서비스는동일한 BSS(Basic Service Set) 내단말간의직접적인데이터통신을통해이루어지지만인프라스트럭처모드에서는단말간의직접적인데이터통신이기본적인 MAC 프로토콜 DCF(Distributed Coordination Function) 와 PCF(Point Coordination Function) 프로토콜에서는불가능하기때문에동일한 BSS 내두개의단말이직접적인데이터통신반경에있음에도불구하고반드시 AP (Access Point) 를통해단말간의통신이이루어져야하는단점을가진다. 이러한문제점을극복하고자인프라스터럭쳐모드의 IEEE 무선랜에서단말간의직접적인데이터통신을위한다양한 MAC 프로토콜이개발되었는데, 본고에서는기존의기본적인 MAC 프로토콜인 DCF 와 PCF 프로토콜을개선한새로운 MAC 프로토콜인 HCF 프로토콜과 HCF 프로토콜의개선으로, 단말간의직접적인데이터통신이가능한 MAC 프로토콜을설명하고자한다. 본고의구성은다음과같다. 다음절에서는 IEEE 무선랜에서기존의기본적인 MAC 프로토콜인 DCF 와 PCF 를수정함으로써단말간의직접적인데이터통신을지원하는 IEEE e 무선랜의 MAC 프로토콜인 HCF 프로토콜에대하여설명한다. 그리고제 3 절에서는 IEEE 무선랜에서 HCF 프로토콜을수정하여단말간의직접적인데이터통신을가능하게하는그밖의중요한 MAC 프로토콜을설명한다. 마지막으로제 4 절에서결론을맺는다. 2
3 II. HCF 프로토콜 IEEE e 를위한 HCF 프로토콜은무선랜을위한기본적인 MAC 프로토콜인 DCF 와 PCF 프로토콜을다음과같은측면에서개선하였다 [6]. - 상대적인 QoS 지원 : 4 개의 access category(ac_bk, AC_BE, AC_VI, AC_VO) 에대해서차별적인무선채널감지시간 (AIFS) 및백오프소요시간을허용함으로써 4 개의 access category 간에차별적인전송서비스가이루어지도록하는방식이다. 이러한방식을 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) 라고한다. - 절대적인 QoS 지원 : 단말혹은 AP 가전송하고자하는트래픽스트림에대해전송시에요구되는서비스품질을구체적으로정의하고, 이를위해 TXOP(Transmission Opportunity) 가적절히예약되어전송이이루어지도록하는방식이다. 이러한방식을 HCCA(HCF Controlled Channel Access) 라고한다. - APSD(Automatic Power Save Delivery): 기존의파워세이브 (power save) 방식을개선한새로운파워세이브방식으로서 AP 가파워세이브모드의단말로부터 PS-Poll 프레임의수신을하지않더라도단말로하향링크를통해데이터를자동적으로전송할수있는효과적인방식이다. - Block ACK: 하나의 TXOP 를통하여전송되는모든 MPDU(MAC Protocol Data Unit) 에대하여하나의 ACK 프레임으로수신확인을함으로써 ACK 프레임의전송으로인한오버헤드 (overhead) 를줄이기위한방식이다. - No ACK: 실시간서비스시스템의일부분으로서무선랜이사용될경우전송지연시간에대한엄격한요구조건을가지는데이터를전송할때, 수신확인을요하지않음으로써 ACK 프레임을전송하는데소요되는오버헤드를줄이기위한방식이다. - 단말간의직접적인데이터전송 : 인프라스터럭쳐모드의무선랜에서동일한 BSS 내두개의단말이 AP 를통하지않고직접적으로데이터를전송할수있도록하는방식이다. HCF 프로토콜이상의향상된기능중에서동일한 BSS 내단말간의직접적인데이터전송이실질적으로이루어지기전에, 직접적인데이터전송을하고자하는두개의단말은 ( 그림 1) 과같이 AP 를통하여직접적인데이터전송을위한연결을설정해야한다. ( 그림 1) 에서단말 1 은단말 2 로데이터를직접적으로전송하고자하는단말로서먼저 AP 를통해 DLS(Direct Link Setup) 리퀘스트 (request) 프레임을단말 2 로전송한다. 그리고단말 1 로부터 DLS 리퀘스트프레임을수신한단말 2 는 AP 를통하여 DLS 리퀘스트프레임을단말 3
4 주간기술동향통권 1460 호 AP DLS Request DLS Request 프레임프레임 DLS Response DLS Response 프레임프레임단말 1 단말 2 ( 그림 1) HCF 프로토콜에서직접적인데이터전송을위한연결설정 1 로전송한다. 단말 1 과단말 2 가서로교환하는 DLS 리퀘스트프레임과 DLS 리스폰스 (response) 프레임에는다음의정보가포함되어연결설정후데이터전송시고려되도록한다. - 전송및수신시지원가능한데이터전송및수신률 - QoS 기능지원여부 - Block ACK 기능지원여부 - APSD 기능지원여부 - 타임아웃 (timeout) 시간 : DLS 리퀘스트프레임에서만전송되는정보로서직접적인데이터전송을위한연결이계속적으로유효하기위해다음데이터전송이이루어져야하는시간이다. ( 그림 1) 의직접적인데이터전송을위한연결설정이 AP 를통해이루어지는이유는각단말은파워세이브모드에있을수있으며, 각단말은다른단말이파워세이브모드에서 awake 상태에있는지 doze 상태에있는지알지못하므로이를알고있는 AP 를통하여 DLS 리퀘스트프레임과 DLS 리스폰스프레임이전송되도록한다. ( 그림 1) 의직접적인데이터전송을위한연결설정후단말 1 과단말 2 는상대방에게 AP 를거치지않고직접적으로데이터를전송할수있다. 직접적인데이터전송을위한연결설정후 DLS 리퀘스트프레임을통해협상된타임아웃시간동안데이터전송이이루어지지않으면자동적으로직접적인데이터전송을위한연결은해제된다. III. 단말간의직접통신을위한 MAC 프로토콜 본절에서는 IEEE 무선랜에서동일한 BSS 내단말간의직접적인데이터통신을 위해제안된 MAC 프로토콜중에서본고의 2 절에서설명한 HCF 프로토콜과비교적밀접한 관련을가지면서 HCF 프로토콜의개선으로단말간의직접적인데이터통신이가능한 MAC 4
5 프로토콜을설명하고자한다. 1. 단말간의연결정보에기반한 MAC 프로토콜 [7] IEEE 무선랜에서어떤임의의단말은동일한 BSS 내다른단말의신호를 100% 감지할수있다고말할수없다. 이는 IEEE 무선랜에서발생할수있는은닉단말문제때문으로써동일한 BSS 내임의의두개단말이직접적인데이터통신반경에서로위치하는지하지않는지판단하기위해서는 BSS 내단말간의연결정보가필요하다 [8]. 그러나본고의 2 절에서설명한 HCF 프로토콜의경우, 단말간의직접적인데이터통신이가능한지가능하지않은지에대한판단을위해단말간의연결정보의획득방법에대해서는정의하지않고있다 [6]. IEEE 무선랜에서동일한 BSS 내의단말간의직접적인데이터통신을위해 [7] 에서제안된 hybrid polling method 는 sequential polling method 와 simultaneous polling method 에기반하고있으며, sequential polling method 는단말간의연결정보를필요로하고 simultaneous polling method 와 hybrid polling method 는단말간의연결정보와간섭정보를필요로한다 [7]. 먼저 IEEE 무선랜에서 AP 가동일한 BSS 내단말간의연결정보와간섭정보를획득하는방법에관해간단히설명하고자한다. 무선랜내의각단말 i 는자신이전송신호를제대로수신하여디코딩할수있는다른단말의 MAC 주소의집합을저장하기위해집합 Si 와자신의데이터수신을간섭할수있는다른단말의 MAC 주소의집합을저장하기위해 Ti 를관리한다. 만약단말이새롭게 AP 에연결되는경우이단말의 Si 와 Ti 는공집합을가진다. AP 는 CFP(Contention-Free Period) 에서자신과연결된단말들에순차적으로폴링 (polling) 프레임을전송함으로써각단말에게전송기회를부여한다. 폴링프레임을수신한단말은현재전송할데이터프레임이있는경우폴링프레임에대한응답으로써데이터프레임을 AP 에전송하고, 만약전송할데이터프레임이없는경우널 (null) 프레임을전송한다. 각단말은 AP 에전송하는다른단말의전송신호를일부수신할수있을것이다. 만약단말 i 가자신의 Si 에속하지않는다른단말의신호를추가적으로수신할수있다면이러한단말을 Si 에추가한다. 그리고만약단말 i 가자신의 Si 에속하는다른단말의신호를일정시간동안계속적으로수신할수없다면이러한단말을 Si 에서삭제한다. 이러한방법으로각단말은자신이신호를제대로수신할수있는다른단말의집합인 Si 를계속적으로관리할수있다. 각단말은자신의 Ti 에속하지않는다른단말신호의수신파워가 background noise 보다큰경우, 자신의신호수신을간섭할수있다고판단하여이러한단말을 Ti 에추가한다. 그리고단말 i 는 MAC 주소가 Ti 에있지만일정시간동안자신의데이터수신 5
6 주간기술동향통권 1460 호 을간섭할수있는정도로데이터전송신호를보내지않는단말이있다면해당되는모든단말의 MAC 주소를 Ti 에서삭제한다. 이러한방법으로각단말은자신의데이터수신을간섭할수있는다른단말의집합인 Ti 를계속적으로관리할수있다. 각단말이폴링프레임에대한응답으로데이터프레임혹은널프레임을전송할때, 자신의 Si 와 Ti 에추가혹은삭제되는단말의집합을데이터프레임혹은널프레임에피기백 (piggyback) 하여 AP 에전송함으로써 AP 는단말간의연결정보를수집할수있다. AP 가수집한동일한 BSS 내단말간의연결정보를이용하면 ( 그림 1) 의방법으로직접적인데이터통신을위한연결설정을진행할때, 만약어떤단말이자신의전송신호를제대로수신할수없는다른단말과연결설정을진행하려고할경우 ( 즉, DLS 리퀘스트프레임을 AP 에전송하는경우 ), AP 는이러한연결설정요구를기각함으로써불필요한연결설정과이후의단말간의직접적인데이터통신시도및연결해제등의절차를막을수있다. [7] 에서제안된단말간의직접적인데이터통신을위한 3 가지 polling method(sequential polling method, simultaneous polling method, hybrid polling method) 는 AP 가단말간의직접적인데이터통신을위한한개혹은여러개의연결설정후단말간의직접적인데이터전송기회를부여할때, 폴링프레임의전송회수를줄이기위해단말간의연결정보와간섭정보를사용한다. 먼저 sequential polling method 의경우, 서로순차적으로연결된직접적인데이터통신을원하는여러개의단말에대해서는오직한개의멀티폴링프레임을전송함으로써서로순차적으로연결된단말이순차적으로직접적인데이터통신을진행할수있다. 따라서 sequential polling method 를사용하면 BSS 내단말간의연결상태가좋을수록 AP 가각단말에직접적인데이터통신기회를부여하기위해전송하는폴링프레임의전송회수를더욱더줄이는효과를가지게된다. 그리고 simultaneous polling method 의경우, 서로데이터수신간섭이발생하지않는여러개의직접적인데이터통신이 AP 가전송하는오직한개의멀티폴링프레임의전송을통하여동시에이루어질수있다. 따라서 simultaneous polling method 를사용하면 BSS 내단말간의간섭이덜일어날수록 AP 가각단말에직접적인데이터통신기회를부여하기위해전송하는폴링프레임의전송회수를더욱더줄이는효과를가지게된다. 마지막으로 hybrid polling method 의경우 sequential polling method 와 simultaneous polling method 를효과적으로결합한것으로서 sequential polling method 와 simultaneous polling method 의장점을결합하고단점을최소화하기위한방법이다. 일반적으로 BSS 내단말간의연결상태가좋을수록 BSS 내의단말간의간섭은커지게되고, BSS 내의연결상태가좋지않을수록 BSS 내단말간의간섭은작아진다. 따라서 BSS 내연결상태가좋은경우 ( 즉, BSS 내간섭이클경우 ), 6
7 sequential polling method 가 simultaneous polling method 보다더욱더효과적인방법이며, 반대로 BSS 내연결상태가좋지않을경우 ( 즉, BSS 내의간섭이작을경우 ), simultaneous polling method 가 sequential polling method 보다더욱더효과적인방법이다. 따라서 hybrid polling method 는 BSS 내연결상태와간섭상태에따라서 sequential polling method 와 simultaneous polling method 를효과적으로결합함으로써효과적인단말간의직접적인데이터통신이이루어지도록할수있다. 2. DPCF 프로토콜 [9] [9] 에서제안된 DPCF(Direct PCF) 프로토콜은본고의 2 절에서설명한 HCF 프로토콜과마찬가지로 BSS 내단말간의연결정보를사용하지않으며, 단말간의직접적인데이터통신연결설정을위하여 HCF 프로토콜에서사용하는 ( 그림 1) 의연결설정절차와연결관리방식을일부수정하였다. DPCF 프로토콜은 BSS 내단말간의직접적인데이터통신을위해구체적으로다음의 3 가지페이즈를진행한다. - Initiating phase: 단말간의직접적인데이터통신을위한연결을설정하는단계로써 AP 가주도한다. 만약 AP 가수신한어떤데이터프레임의목적지 MAC 주소의단말과데이터프레임의송신단말이 ineligibility list 에존재하지않고, 데이터프레임의목적지 MAC 주소의단말과데이터프레임의송신단말간에직접적인데이터통신을위한연결이아직설정되지않은경우, ( 그림 2) 의방법으로직접적인데이터통신을위한연결을설정한다. 연결설정을위해 AP 는두개의단말에각각연결설정을위한특별한목적의 CF-Poll 프레임을순차적으로전송하고, 두개의단말로부터이에대한응답프레임의수신을기다린다. 만약 AP 가두개의단말로부터모두성공적으로응답프레임을수신한경우두개의단말간의직접적인데이터통신을위한연결설정은이루어진것이다. Ineligibility list 는현재의상태로는직접적인데이터통신이불가능한단말의페어로서이에대해서는 error recovery phase 에서자세히설명한다. - Moderating phase: 이미설정된직접적인데이터통신을위한연결을통해실제데이터통신이단말간에직접적으로이루어지는단계이다. AP 는각단말에전송기회를부여하기위해순차적으로폴링프레임을전송하고, 직접적인데이터통신을원하는단말 1 은응답프레임을설정된직접적인연결을통해다른단말 2 에데이터를직접적으로전송할수있다. 그리고이러한단말간의직접적인데이터통신을감지한 AP 는수신단말 2 에폴링프레임을전송하여수신단말 2 로하여금 ACK 프레임을송신단말 1 에직접적으 7
8 주간기술동향통권 1460 호 로전송할수있도록한다. 만약 AP 가이러한단말간의직접적인데이터전송과이에대한 ACK 프레임의전송을제대로감지할경우, 해당되는직접적인데이터통신을위한연결은현상태로는문제가없다고간주하고해당되는연결의타임아웃값을초기값으로변경한다. 그러나 AP 가이러한단말간의직접적인데이터전송과이에대한 ACK 프레임의전송을제대로감지하지못할경우, 해당되는직접적인데이터통신을위한연결에문제가있다고간주하여 error recovery phase 로넘어간다. 만약설정된단말간의직접적인연결의타임아웃이종료하면해당되는단말간의직접적인연결을해제한다. - Error recovery phase: 문제가발생한직접적인통신을위한연결에해당되는두개의단말을 ineligibility list 에추가하고, 해당되는연결의타임아웃값을초기값으로변경하여해당되는단말간의직접적인연결을해제한다. 만약타임아웃이종료하면해당되는단말간의직접적인연결을 ineligibility list 에서삭제한다. 이상의 DPCF 프로토콜은크게두가지의문제점을가진다고할수있다. 첫째, HCF 프로토콜과마찬가지로단말간의직접적인데이터통신을위한연결설정시, 단말간의연결정보를사용하지않음으로인해불필요한연결설정과이후의단말간의직접적인데이터통신시도및연결해제등이발생할수있다는것이다. 둘째, AP 가설정된연결을통해단말간의직접적인데이터전송과이에대한 ACK 프레임의전송을제대로감지하더라도해당되는직접적인데이터통신을위한연결에문제가없다고할수없다는것이다. 일반적으로 AP 는자신과연결된모든단말의전송신호를제대로감지할수있으나은닉단말문제로인해단말간의연결상태는 AP 의이러한전송신호의감지를통해확신할수없다. 본절에서설명한동일한 BSS 내단말간의직접적인데이터통신을위한 MAC 프로토콜이외에 [10] 에서단말간의직접적인데이터통신을위한 MAC 프로토콜이최초로제안되었으나현재의 IEEE 무선랜과매우상이한무선랜을가정하였으므로제안된 MAC 프로토콜 AP Special CF_Poll Special CF_Poll 프레임프레임 ACK ACK 프레임프레임단말 1 단말 2 ( 그림 2) DPCF 프로토콜에서직접적인데이터전송을위한연결설정 8
9 을 IEEE 무선랜에적용하기에는어려움이예상된다. 그리고서로다른 BSS 에속한단 말간의직접적인데이터통신을위한 MAC 프로토콜은 [11] 에서제안되었다. IV. 결론 본고에서는 IEEE 무선랜에서동일한 BSS 내단말간의직접적인데이터의전송을위해, 지금까지제안된 MAC 프로토콜중에서기존의기본적인 MAC 프로토콜인 DCF 와 PCF 프로토콜을개선한새로운 MAC 프로토콜인 HCF 프로토콜과 HCF 프로토콜의개선으로단말간의직접적인데이터통신이가능한 MAC 프로토콜을중심으로설명하였다. 본고의 3 절에서설명한 MAC 프로토콜은모두동일한 BSS 내의단말간의직접적인데이터통신이가능하도록폴링방식에기반한 PCF 프로토콜을수정한것이다. 그중에서 hybrid polling method 는 DPCF 프로토콜에비해단말간의연결정보를수집하여야한다는부담은있지만, 불필요한단말간의직접적인연결설정과이후의단말간의직접적인데이터통신시도및연결해제등이발생하지않으며, AP 가각단말에전송기회를부여하기위해전송해야하는폴링프레임의전송회수를줄이는효과를가지므로 hybrid polling method 가 DPCF 프로토콜보다우수하다고할수있다. 향후연구가능한분야로서는첫째, 단말간의직접적인데이터통신을위해 DCF 나 EDCA 프로토콜을개선한 MAC 프로토콜에대한연구가필요하다. 현재, IEEE 무선랜과 IEEE e 무선랜에는주로 DCF 와 EDCA 가구현되어사용되고있으므로 DCF 와 EDCA 에적용할수있는효과적인단말간의직접적인데이터통신방법이필요하다. 둘째, 서로다른 BSS 에속한단말간의연결정보획득방법과서로다른 BSS 에속한단말간의직접적인데이터통신을위한 MAC 프로토콜에대한연구가필요하다. < 참고문헌 > [1] IEEE Std , Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications, [2] IEEE Std b, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer Specifications: Higher Speed Physical Layer(PHY) Extension in the 2.4GHz Band, [3] IEEE Std a, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer Specifications: High Speed Physical Layer in the 5GHz Band, [4] IEEE Std g, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer 9
10 주간기술동향통권 1460 호 Specifications: Higher Speed Physical Layer(PHY) Extension in the 2.4GHz Band, [5] IEEE n, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications: Enhancements for Higher Throughput, [6] IEEE e, Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer Specifications: Medium Access Control(MAC) Quality of Service(QoS) Enhancements, [7] Woo-Yong Choi, Hybrid Polling Method for Direct Link Communication for IEEE Wireless LANs, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Vol.2008, Article ID , 10 pages, doi: /2008/ [8] F. Tobagi and L. Kleinrock, Packet Switching in Radio Channels: Part 2-The Hidden Node Problem in Carrier Sense Multiple Access Modes and the Busy Tone Solution, IEEE Transactions on Communications, 23, 1975, pp [9] J.-R. Liao and S.-Z. Lee, Direct PCF: A Robust Direct Link Protocol for PCF and HCCA, 2009, Proc. IEEE ISCE, pp [10] M. Naraghi-Pour, M. Hegde and R. Pallapotu, Peer-to-Peer Communication in Wireless Local Area networks, Proc. ICCCN, 1998, pp [11] H. Yoon, J. W. kim and R. Hsieh, idls: Inter-BSS Direct Link Setup(H-DLS) for Fairness between External and Local TCP Connections in IEEE e Wireless LAN, Proc. International Symposium on Communications and Informational technologies, 2007, pp * 본내용은필자의주관적인의견이며 NIPA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 10
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