멀티미디어공학 제17장 무선네트워크 Wireless Networks 조정현 Natural Language g Processing Laboratory 목차 1. 무선네트워크 (Wireless Networks) 2. 전파의파급모델 (Radio Propagation Models) 3. 무선네트워크를통한멀티미디어 (Multimedia over Wireless Networks) 2008-11-26 2
1. 무선네트워크 Cell 무선네트워크의지리적분할 Access Point(AP) 각셀에서모바일폰접속을위한네트워크게이트웨이 계층적인셀룰러네트워크에서의셀레벨 picocell: 각셀은 100m 까지커버, 오피스와가정에서 wireless/codless 응용및장치 ( 예 : PDA) 에유용 microcell: 도시또는지역에서 1,000m까지커버 ( 예 : 거리의라디오엑세스, 공중전화 ) cell: 10,000m 커버, 국가또는대륙간네트워크 macrocell: 세계지역커버 ( 예 : 위성 ) 2008-11-26 3 1.1 아날로그무선네트워크 1세대셀룰러폰은아날로그기술과 FDMA(Frequency division i i Multiple l Access) 방식이사용됨 AMPS(Advanced Mobile Phone System) 북미방식, 800-900MHz 주파수대역에서동작 양방향, 824-849MHz(MS 전송 ), 869-894MHz(BS 전송 ) 25MHz 12.5MHz 의 A, B 대역 FDMA 12.5MHz 416 채널 (30KHz 대역폭 ) TACS(Total Access Communication System) 북유럽방식 NMT(Nordic Mobile Telephony) 유럽과아시아 2008-11-26 4
1.1 아날로그무선네트워크 FDMA 셀룰러시스템레이아웃 재사용인수 K=7 예 ) AMP 에서각셀에서활용가능한채널의최대수 416/K = 416/7 59 2008-11-26 5 1.2 디지털무선네트워크 2 세대무선네트워크는디지털기술을사용 북미 (1993) TDMA(Time Division Multiple Access) CDMA(Code Division i i Multiple l Access) 유럽과아시아 (1992) TDMA 를사용하는 GSM(Global System for Mobile communication) 2008-11-26 6
TDMA 와 GSM TDMA 같은반송주파수를공유, 다중타임슬롯에서다중채널을생성 반송주파수채널분할 TDMA 에의해시간의차원에서분할 GSM GSM 900 : 900MHz 주파수범위에서동작 GSM 1800 : GSM 표준을수정, 18GHz 1.8GHz 주파수범위에서동작 북미는 GSM 1900 사용 IS-136 오퍼레이터표준사용 : TDMA 기술사용이유 800MHz와 1.9GHz(PCS 주파수범위 ) 에서작동 FDMA 모바일스테이션과방향호환성을위해 FDMA와 TDMA 통합 GSM 특성 SIM(Subscriber Identity Module) 사용자개인번호, GSM 서비스에접근가능하게하는스마트카드 2008-11-26 7 TDMA 와 GSM GSM 에서주파수와시간분할 2008-11-26 8
대역확산과 CDMA 대역확산 (Spread Spectrum) 신호의대역폭이전송전에확산되는기술 의도적인간섭 ( 전파방해 ) 에대해강하고안전함 아날로그신호, 디지털신호둘다응용가능 ( 둘다변조되고확산될수있으므로 ) 대중화는디지털 (CDMA) 대역확산을구현하는두가지방법주파수호핑 (frequency hopping), 직접시퀀스 (direct sequence) 2008-11-26 9 주파수호핑 (frequency hopping) < 주파수호핑 (FH) 을위한송신기와수신기의주요성분> 2008-11-26 10
주파수호핑 (frequency hopping) 대역확산의초기방법 데이터는기저주파수 f b 를중심으로하는기저대역 (B b ) 신호를발생하기위해변조됨 의사난수주파수발생기는광대역에서랜덤주파수 fr 발생 주파수호핑확산기에서 f r 은대역신호를발생하기위해기저신호에의해변조됨 f c = f r + f b (f b : 기저주파수, f r : 랜덤주파수, f c : 중심주파수 ) f r 은랜덤하게변하므로결과신호 f c 는광대역에서호핑함 수신측에서는이과정이역으로진행 같은의사난수주파수발생기가사용되는신호는적절히역확산되고복조되는것이보장됨 FH 방법이넓은확산대역을사용하지만전송중주어진순간에 FH 신호는대역의작은부분 (B b ) 만차지함 2008-11-26 11 직접시퀀스 (Direct Sequence) FH 확산기법은다중접속환경에서심한간섭발생 코드분할다중접속 (Code Division Multiple Access, CDMA) CDMA의원천은직접시퀀스대역확산 (DSSS) 다중 CDMA 사용자들은전송전체의기간동안에공유된광대역채널의같은 ( 그리고모든 ) 대역폭을사용할수있음 모든셀에서공통주파수대역이다중사용자에게할당될수있다. K=1 의재사용인수제공 간섭이처리될수있는정도라면사용자의최대수를상당히증가시킬수있는잠재력을가짐 2008-11-26 12
직접시퀀스 (Direct Sequence) < 직접시퀀스 (DS) 대역확산에서의확산 > 각 CDMA 송신기에대해고유의유사잡음시퀀스는직접시퀀스의확산기로들어감 유사잡음 ( 칩코드나확산코드로도불림 ) 은비트폭이 T r 을갖는칩이라고불리는좁은펄스들의스트림으로구성되어있음 대역폭 Br은 1/T r 의크기를가짐 T r 이작은값이므로 Br 은협대역신호의대역폭 B b 보다훨씬넓음 2008-11-26 13 직접시퀀스 (Direct Sequence) 확산코드는입력데이터와곱해짐 데이터비트가 1일때, 출력 DS 코드는반전된확산코드가됨 결과적으로원래의협대역데이터의스펙트럼은확산되고, DS 신호의대역폭은 B DS = B r 역확산과정은 DS 코드를확산시퀀스와곱하는것을포함 확산기와같은시퀀스가사용되는한결과신호는원래의데이터와같음 < 직접시퀀스 (DS) 대역확산의송신기와수신기 > 2008-11-26 14
CDMA 의분석 CDMA는같은채널에있는사용자들에게채널대역폭전체를고유할수있도록함 적절한신호대잡음비 (SNR) 가유지되는한 CDMA 수신의품질은보장되고주파수재사용이달성됨 베이스스테이션에서수신된신호에대한간섭 N T : 수신기의열잡음 P i : 각사용자의수신된신호전력 M: 셀내의최대사용자수 만약열잡음N T 가무시될정도이고각사용자로부터수신된P i 는동일하면 2008-11-26 15 CDMA 의분석 비트당수신된신호에너지 E b 는P i 의데이터율 R(bps) 에대한비율 간섭 N b W(Hz) : CDMA 광대역신호운반자의대역폭 신호대잡음비 (SNR) 2008-11-26 16
CDMA 의분석 CDMA 의수용능력은두개의인수에의해결정됨 W/R, E b /N b W/R CDMA 대역폭 W 와사용자의데이터율 R 사이의비율 ( 대역폭확산인수또는처리이득 ) 확산된시퀀스내에서의칩의수와같음 (10 2 ~ 10 7 범위 ) E b /N b 비트수준의 SNR 예 3 ~ 9dB 에서잘동작 비트수준 SNR = 6dB(10log E b /N b =6dB) E b /N b 4 IS-95A 표준 : W=1.25MHz, R=9.6kbps 1,250 / 9.6 32 4 2008-11-26 17 3G 디지털무선네트워크 인터넷을통한비디오와같은여러멀티미디어서비스특징 웹서핑, 비디오메일, 주문형비디오, 모바일전자상거래등 <2G 에서 3G 무선네트워크까지의진화 > 2008-11-26 18
3G 디지털무선네트워크 WCDMA 와 CDMA 차이점 2Mbps 비트율을지원하기위해더넓은대역폭할당 1.25MHz 5MHz 5MHz 대역폭을효율적으로사용하기위해더넓은칩률에서더긴확산코드가필요 1.2288Mcps 3.84Mcps 8kbps 에서 2Mbps 까지의가변비트율지원 WCDMA 베이스스테이션은 Gold 코드와함께비동기 CDMA 사용더작고더싸게만들어질수있음, 실내설치가능 2008-11-26 19 무선 LAN(WLAN) IEEE 802.11 매체접근제어 (MAC), 물리 (PHY) 계층상술 PHY는 FH 대역확산과 DS 대역확산모두지원 24GHz 2.4GHz 대역사용 기본접속방법 : 충돌방지를갖는반송파감지다중접속 (CSMA/CA) 데이터율 : 1Mbps, p, 2Mbps 보안성 : 인증과암호화필요 전력관리 : 전송이없을때전원을절약 로밍 : 다른접속점으로부터의기본적인메시지포맷수용 2008-11-26 20
무선 LAN(WLAN) IEEE 802.11b DS 대역확산 2.4GHz 상보코드키잉 (CCK) 변조기술 5.5Mbps, 5Mbps 11Mbps 근거리에서최대 3 개의액세스포인트허용 IEEE 802.11a 직교주파수분할다중화 (OFDM) 5GHz 주선주파수 (RF) 간섭이적음 6~54Mbps 근거리에서최대 12개의액세스포인트허용 2008-11-26 21 무선 LAN(WLAN) IEEE 802.11g OFDM, 2.4GHz, 54Mbps 802.11a보다 RF 간섭이높음 3 개의액세스포인트허용 802.11b 와호환 IEEE 802.11n 2.4GHz, 5GHz, 최대 300Mbps multiple-input multiple-output (MIMO) 블루투스 (Bluetooth) 근거리무선통신 2.4GHz 버전 1.1, 1.2 : 723.1kbps Bluetooth 2.0 + EDR(Enhanced Data Rate) : 2.1Mbps 2008-11-26 22
2. 전파의파급모델 다중경로페이딩모델 작은스케일의페이딩채널을위해활용 손실모델 장거리대기의감쇄채널을위해활용 2008-11-26 23 다중경로페이딩 (Multipath Fading) 수신기에서겹쳐진신호의크기를모델링하는것 Rayleigh fading, Rician fading Rayleigh fading 수신된신호크기 r 의확률밀도함수 Pr 을모델링하기위해수신기까지가시선 (Line Of Sight: LOS) 이없는무한개의신호경로를가정 σ 는확률밀도함수의표준편차 경로의수가 5 이상인경우에좋은근사치를보임 2008-11-26 24
다중경로페이딩 (Multipath Fading) Rician fading LOS를가정하는더일반적인모델 신호전력의산란된전력에대한비율로서 K-인수를정의 (K 는 LOS 신호가다른경로보다큰정도를나타내는인수 ) r과 σ는신호의크기와표준편차 s는 LOS 신호전력, I0은 0차첫번째종류의수정된 Bessel 함수 2008-11-26 25 다중경로페이딩 (Multipath Fading) <K=0, 1, 3, 5, 10, 20 에대한 Rician 확률밀도함수곡선 (σ =1)> 2008-11-26 26
경로손실 (Path Loss) 장거리통신에서신호손실은감쇄가주도적임 LOS 전송을위한자유공간감쇄모델은거리의제곱에 (d 2 ) 에반비례하고 Friis 방사식에의해주어짐 Sr, St : 수신과전송된시호전력 Gr, Gt : 안테나이득인수 λ: 신호파장 L : 수신기손실 대지의반사가정 : 감쇄는 d 4 에비례 2008-11-26 27 경로손실 (Path Loss) Hata 모델 db 로나타낸경로손실식의기본형식 A : 주파수와안테나높이의함수 B : 환경함수 C : 반송주파수에의존적인함수 d : 송신기에서수신기까지의거리 2008-11-26 28
3. 무선네트워크를통한멀티미디어 무선채널로비디오를전송 데이터손실, 왜곡 에러의극복과정정 무선핸드핼드장치 부호화와복호화는상대적으로낮은복잡도를가져야함 실시간통신요구 에러극복부호화매우중요 MPEG4 와 H.263 의변형사용 멀티미디어전송요구사항 동기화 : 비디오와오디오는 20msec 내에동기화 처리량 : 최소 32kbps, 128kbps, 384kbps~ 지원 지연 : 최대단- 대- 단전송지연은 400msec 로정의 지터 : 최대지연지터는 200msec 에러율 : 화상회의 프레임에러율 10-2, 회선스위치전송 10-3 의비트에러율에견딜수있어야함 2008-11-26 29 동기분실 복호화동기의분실 가변비트길이데이터 (DCT 계수와같은 ) 를포함하는패킷이훼손되면스트림을따라전파됨 복호화시작지점설정못함 동기분실외에예측참조프레임에서에러는예측에사용되지않은프레임에서의에러보다신호의품질에더많은훼손을야기시킬수있음 I 프레임의프레임에러는 P 혹은 B 프레임의프레임에러보다비디오스트림의품질을더악화시킴 2008-11-26 30
동기분실 MPEG-4는잡음이있고무선채널조건하에서부호화에유용한추가적인에러를극복할수있는도구를정의 헤더정보, 움직임벡터, DCT계수를서로다른패킷으로나누고그들사이에동기화마커를넣음 적응인트라프레임리프레쉬모드가에러숨김을돕기위해허용 각매크로블록은움직임에따라인터혹은인트라블록으로프레임과무관하게부호화될수있음 더빠른움직임블록은더자주리프레싱이필요함 ( 더자주인트라모드로부호화 ) 송신기- 수신기피드백기술 만약귀환채널이부호화기에서활용가능하면추가적인에러제어기술을쓸수있음 사용가능한대역폭에따라수신기는송신자에게비디오비트율 ( 전송률제어 ) 을낮추거나높일것을요구할수있음 혼잡에의한패킷손실을막음 2008-11-26 31 에러극복엔트로피부호화 (EREC) EREC(Error Resilient Entropy Coding) 슬라이스헤더나 GOB 헤더에오버헤드없이모든단일매크로브록후에동기화를달성할수있음 엔트로피부호화된가변길이매크로블록을받아에러극복의형태로재배열 몇개의블록에대한부호화된비트스트림을받아서모든블록의시작이고정된거리만큼떨어지도록재배열함 2008-11-26 32
에러극복엔트로피부호화 (EREC) <EREC 를이용한매크로블록부호화의예 > 2008-11-26 33 에러극복엔트로피부호화 (EREC) <EREC 를이용한매크로블록복호화의예 > 2008-11-26 34
에러은닉 복호기쪽에서분실된데이터를근사화함 분실된매크로블록을처리 DCT 블록은훼손되었지만움직임벡터는올바르게수신되었을때은닉을휘해가장간단하고대중적인기술이사용될수있음 사라진블록계수들은예측에러가없다는가정하에참조프레임으로부터어림잡을수있다. 시간, 공간, 주파수일관성통합 수신된계수와같은프레임의주변블록을이용하여사라진블록의계수를계략적으로산정하기위한방법을설정함으로써인트라프레임과훼손된움직임벡터정보를갖는프레임들에대한에러를은닉할수있다. 2008-11-26 35 에러은닉 고주파계수를위한주파수평탄화 평탄화 (smoothing) 는계산상비용을절약한다는것으로더간단하게정의될수있음 바둑판모양을완화 고주파계수가훼손되면 0으로설정 실종된움직임벡터의산정 움직임벡터의실종은전체예측된블록의복호를방해 움직임벡터를잘설정하는것이중요 가장쉬운방법은움직임벡터를 0으로함 참조매크로블록과이웃매크로블록의움직임벡터를조사함 내삽을하여근사화 내삽 : 가중치를갖는평균과중간값을활용 2008-11-26 36
전진에러수정 (FEC) FEC(Forward Error Correction) 비트스트림내에발생하는무작위비트에러를극복하기위해잉여데이터를비트스트림에더하는기술 비디오는제한된대역폭을갖는채널을통해전송되어야만함 잉여데이터를최소하는것이중요 현재의채널에러환경에서비디오가요구되는 QoS 를유지하기위해서는충분한잉여데이터가필요 주어진채널조건하에서비디오왜곡을최소하는최적잉여데이터량이존재함 FEC 부호는두카테고리로나뉨 블록부호 : 잉여데이터를생성하기위해일련의비트집단에단번에가해짐 컨벌류션부호 : 한번에하나의비트열 (string) 에적용, 이전비트를저장할수있는메모리필요 2008-11-26 37 전진에러수정 (FEC) 블록부호 (Block Code) 블록부호는 k 비트를입력으로받아 r=n-k 비트의 FEC 데이터를붙여 n-비트길이스트링을출력, (n, k) 코드 선형과순환의두가지형태 선형부호는 r개의에러를검출하기위해해밍거리는적어도 2r이되어야함 선형부호는계산이간단하지만순환부호화보다부호화부담이더큼 순환부호는최대차수가소스비트의수와같은생성다항식으로표현됨 소스비트는다항식의계수이며잉여데이터는또다른다항식을곱하여생성됨 2008-11-26 38