CHAPTER 13 무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 1/32
New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 2/32 13.1 무선 LAN과무선미디어 13.3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 무선 LAN 무선 LAN 구조 무선미디어와기술적사항 무선주파수특성 무선 LAN 표준화절차 IEEE 802 11 무선 LAN 기술표준 IEEE 802 11 TG 연대표 13.2 무선 LAN 의전송기술 IEEE 802. 11 물리계층 OFDM 방식 IEEE 802.11 MAC 계층 CSMA/CA 기법 MAC 계층의기능
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 무선 LAN 무선 LAN 기술이란? 일정범위내의사용자로하여금어느곳에서든지어떠한물리적인연결없이도네트워크에접속이가능하도록하는새로운 LAN 기술 무선접속장치 (AP) 가설치된곳의일정거리안에서다수의컴퓨터가무선으로연결된상태의 LAN 주파수도약확산스펙트럼기술이나직접시퀀스확산스펙트럼기술, 혹은 OFDM 변조기술등을사용하여제한된지역안에있는장치나기기끼리상호간데이터통신이가능해짐 무선주파수를이용하므로물리적회선은불필요 /PDA 나노트북컴퓨터에는무선 LAN 카드가장착되어있어야함 [ 그림 13-1] : 노트북컴퓨터가무선 LAN 카드를사용하여무선접속장치에접속하고있는상태 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 3/32
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 4/32 무선 LAN 의발전 1970년, 무선 (radio) 주파수를사용하는네트워크시스템인 ALOHANET 개발 1980년, 페럿 (P. Ferret) 은 IEEE 국제전자통신협회에서무선터미널데이터통신을위한단일코드의확산분광라디오주파수에관한실험적인응용에대해발표 1985년 5월미국연방통신위원회 (FCC) 는이와같은분광기술의응용과활용을위해 ISM 주파수대역을선언 1991년, 개최된무선 LAN IEEE 워크숍은무선 LAN 기술발전을촉진하는계기가됨 1999년 9월, 미국무선 LAN 협회인 WECA (2002년 Wi-Fi로변경됨 ) 가표준으로정한 IEEE 802.11b와호환되는제품에 WiFi( 와이파이 ) 인증을부여 무선 LAN 기술은더욱급속하게발전 2009년 10월, IEEE 802.11n 표준을따르는 100Mbps 무선 LAN에대한표준완료 2013년 12월, 데이터전송률이최대 866Mbps까지가능한 IEEE 802.11ac 표준완료
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 무선 LAN 구조 하부구조방식 유선 LAN 과연결되어있는서버와접속하기위해무선접속장치인 PAU (Portable Access Unit) 또는무선 AP(WAP) 라고하는장치사용 ([ 그림 13-2]) PAU 의수렴반경은 50 ~ 100m 사이가되며, 유효범위 (coverage) 가더넓어지면다수의 PAU 를사용 휴대용단말기나휴대용컴퓨터등은 PAU 장치를이용하여무선 LAN 에접속하게됨 애드혹방식 AP 와같은장치의사용없이무선장치들을직접연결하여구성. [ 그림 13-3(a)] 의아래쪽그림에서보인것처럼, 고정된 PC 들로이루어진 SOHO (Small Office/Home Office) 방식의무선 LAN 도애드혹방식을사용하여구성 무선 LAN 과관련된다양한기술적사항 (issues) 들 [ 그림 13-3(b)] 에요약 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 5/32
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 6/32 무선 LAN 구성과기술적사항
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 7/32 무선미디어와기술적사항
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 무선주파수특성 무선 (radio) 주파수는라디오방송, TV, 휴대전화와같은수많은응용시스템에서광범위하게이용 무선파장이쉽게벽이나문과같은피사체를통과하여전달될수있어서무선스펙트럼사용시정교한제어가필요 무선주파수의광범위한응용분야에서의사용은곧무선주파수대역의부족으로이어지게되므로무선주파수의사용에따른제한성을고려해야함 그결과무선주파수를사용하는시스템에대한회로설계가복잡해짐 무선주파수의특성 경로손실, 채널간섭, 다중경로항목 ➊ 경로손실 수신측에서의신호크기는전송신호크기에따라변하는, 즉전송신호의크기에대한함수일뿐만아니라거리에대한함수임 피사체에서나오는반사신호에의해발생되는간섭효과로무선채널의경로손실발생 ➋ 인접채널간섭 무선 LAN 은거의동일한주파수대역에서동작하므로, 동일한건물내에혹은다른건물에위치해있는다른전송장치로부터간섭현상이발생 기본하부구조무선 LAN 에서는 [ 그림 13-4(a)] 에서와같이, 이용가능한대역폭을여러종속대역으로나누어사용 3 셀반복패턴 이라고함 대역폭의크기를선택할때해당지역내에서예측가능한실제이용자들의수를고려함 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 8/32
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 무선주파수의특성 다중경로 ➌ 다중경로 광신호와마찬가지로무선신호역시다중경로에의한영향을받음 전송측에서생성된무선신호가전송될때, 수신측은직접수신된신호와함께다른경로를거쳐서들어온신호를함께수신 이를 다중경로분산 혹은 지연확산 (delay spread) 이라고함 다중경로분산현상은전단계의비트 / 기호체계와관련있는신호들이다음단계의신호들과서로간섭하는효과로인해일어나므로신호간간섭 (ISI : InterSymbol Interference) 현상이라고함 수신한신호들의경로길이변이는 주파수선택적페이딩 (frequency-selective fading) 이라는손실발생 이는무선주파수에서다른수신신호들간의위상이동현상을일으켜서직접전송되는경로신호가다른경로로반사되어온신호로인해감쇄 Reyleigh fading 실제반사파의진폭은직접전송되어온신호의일부분이며, 감쇄량은반사물질에따라결정 ( 해결방안 ) 무선주파수와관련된파장의길이가매우짧다는사실을이용 짧은파장은안테나의작은위치변화 정도에도무척민감하게반응하므로 1/4 파장마다두대의 안테나를설치하고, 양쪽안테나에서수신한신호들은합성한수신신호를만들기위해서재결합 공간분기 (space diversity) 기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 9/32
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 10/32 적외선장치 (1) 적외선장치는 800nm 또는 1,300nm 의파장을주로이용 적외선은가시광선과유사한파장을가지며, 가시광선과유사한특성을보임 적외선방출기 : 전기 - 광 (electrical-to-optical) 전환효율이다소낮음 큰전력필요 잡음층을줄이기위해서전송신호의주파수대역이아닌외부에서의적외선신호를감쇄하는광 - 대역통과필터를통해합성한수신신호를통과시키는것이일반적인방법임 적외선장치의사용예 : 무선 LAN 장치 ( 작동모드 ) 무선 LAN 의작동모드로전기적인변조신호를이용한방사체 (emitter) 의적외선강도를조절하는방식 / 적외선신호의강도에서의변이는직접적으로동급의전기적신호로전환하는검출기에의해수신 작동모드를 IMDD (Intensity Modulation with Direct Detection) 라고함
13. 1 무선 LAN 과무선미디어 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 11/32 적외선장치 (2) 적외선방사체에는두가지종류, 즉레이저다이오드와빛방출다이오드 (LED) 가있음 레이저다이오드는광섬유전송시스템에서광범위하게이용 매우작은주파수대역 ( 약 1 ~ 5 nm) 을가진빛을생성시키고, 빛이적은장소에서사용될때아주높은전력밀도를얻을수있음 LED 는 25 ~ 100mm 사이의주파수대역을갖는빛을만들어냄 LED 의이용가능한변환주파수는 20MHz 로제한 10Mbps 까지의최대비트전송률을얻을수있는값 10Mbps 까지 비교적적은비용이소요되는 LED 사용 10Mbps 이상의보다높은비트율을요구할때 레이저다이오드사용
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 12/32 IEEE 802. 11 물리계층 (1) IEEE 802.11 물리계층은각비트를신호로변환하는것에대한명세를정의 적외선주파수에대한명세와무선주파수에대한명세로구분 IEEE 802.11 의물리계층구분 802.11 FHSS, 802.11 DSSS, 802.11a OFDM, 802.11b HR-DSSS, 802.11g OFDM 등 5 개기술표준 : [ 그림 13-5]
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 13/32 IEEE 802. 11 물리계층 (2) IEEE 802.11 주파수도약확산스펙트럼 (FHSS) 이란? 2.4GHz ISM 주파수대역에서전송신호를만드는기법 전송측은하나의캐리어주파수를사용하여일정시간동안데이터를생성하여전송 : [ 그림 13-6] 다른캐리어주파수로도약하여변경된주파수를사용하여데이터를만들고첫번째와같은시간동안데이터를전송 n 번반복수행한후에는다시첫번째과정부터반복 데이터전송률은 1~2Mbps 까지가능
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 14/32 IEEE 802. 11 DSSS 표준 2.4GHz ISM 대역에서의신호생성을위한직접시퀀스확산스펙트럼에관한것 전송측의소스데이터에대해서는의사임의이진시퀀스 (pseudo-random binary sequence) 와 XOR( 배타적 OR) 연산을수행 의사임의이진시퀀스 chipping sequence 혹은 pseudo-noise 시퀀스라고함 원시데이터와칩핑시퀀스와의 XOR 은보다넓은주파수대역을갖는신호로만드는과정 : [ 그림 13-7] 이진수 0 에대한칩코드는 110011 이고, 이진수 1 에대한칩코드는 000111 칩핑시퀀스가 6 비트임 DSSS 결과전송데이터스트림은원시데이터스트림의 6 배가되어그만큼넓은주파수대역을갖는신호생성
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 15/32 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 방식 IEEE 802.11a OFDM 방식 5GHz ISM 대역에서신호를만들어내기위한직교주파수분할다중화방식 이방식은기본적으로 FDM 과동일하나모든부대역 sub band 은주어진시간동안하나의전송측에의해사용 5GHz ISM 대역을 52 개의부대역으로나누어서, 48 개의부대역은비트그룹을전송하는데사용하고 4 개의부대역은제어정보를전송하는데사용 18Mbps 와 54Mbps 데이터전송이가능 IEEE 802.11g OFDM 은 2.4GHz ISM 대역에서 OFDM 을이용 54Mbps 데이터전송률정의
13. 2 무선 LAN 의전송기술 IEEE 802.11 MAC 계층 물리계층에대한지원기능, 접근제어기능, 프레임에대한단편화기능, 프레임암호화기능, 로밍기능등을수행하는계층 무선 LAN 에접근하는방법으로 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 기법을정의 CSMA/CA 기법 A 단말기와 C 단말기는기지국 B 의신호감지영역 (coverage area) 내에있으며, A 단말기는 C 단말기의신호감지영역밖에있고, C 단말기또한 A 단말기의신호감지영역밖에있음 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 16/32
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 17/32 IEEE 802.11 MAC 계층 - CSMA/CA 기법 만일 A 단말기가기지국 B 와데이터를교환하고있는데, C 단말기가기지국 B 로데이터전송을하고자한다면? 먼저기지국 B가 A 단말기로데이터를전송하는경우, C 단말기는기지국 B의신호를감지할수있으므로 C 단말기는무선미디어의사용이가능해질때까지대기 그러나 A 단말기가기지국 B로데이터를전송하는경우, C 단말기는 A 단말기의신호를감지할수없으므로무선미디어가사용가능한상태라고판단하여데이터를전송하게됨 그결과데이터 collision 발생 C 단말기입장에서 A 단말기는숨겨진상태이기때문 숨겨진단말문제 라고함 [ 그림 13-8]
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 18/32 CSMA/CA 기법 CSMA/CA 는숨겨진단말문제를해결하기위해 RTS (Request To Send) 와 CTS (Clear To Send) 라는신호를사용 A 단말기가기지국 B 로데이터를전송하는경우 A 단말기는무선미디어를살펴서, 만일미디어가사용가능한상태 (clear 상태 ) 라면, A 단말기는기지국 B 로 RTS 라는짧은메시지를보냄 이메시지에는목적지와전송측의주소, 데이터의크기등의정보가포함되어있음 기지국 B 가 A 단말기와데이터를주고받을준비가되면 CTS 신호를 A 단말기로전송 C 단말기는이 CTS 신호를감지할수있고, C 단말기는 CTS 신호의정보로부터데이터전송이지속될것인지를예상하여네트워크할당벡터 (NAV) 시간을계산하고, NAV 타이머를설정하여데이터충돌이일어나지않도록함 CSMA/CA 기법
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 19/32 CSMA/CA 기법 B 단말기와 C 단말기는 [ 그림 13-9] 에서처럼서로신호감지영역내에있음 B 단말기가 A 단말기로데이터를전송하고있는중임 D 단말기가현재데이터의전송과수신이가능한상태이고, C 는 D 로데이터전송을하고자한다면? C 단말기는 B 단말기의신호를감지할수있으므로전송을하지못하게됨 노출된단말문제 ( C 단말기입장에서 B 단말기가노출된상태이기때문 ) [ 그림 13-9]
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 20/32 MAC 계층의기능 MAC 계층 분산조정기능 () 과포인트조정기능 (PCF) 을가짐 DCF 는 IEEE 802.11 의가장기본적인미디어접근제어기능으로 CSMA/CA 방식으로동작
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 21/32 MAC 계층의기능 각 DCF 노드 ( 단말 ) 는전송할데이터가있을경우, NAV 와캐리어신호를감지하여미디어의상태를확인 미디어가 DIFS 기간동안미사용상태일경우즉시프레임을전송하고, 그렇지않을경우 backoff 프로세스를수행 : [ 그림 13-12] DCF 에따라동작하는각무선노드는전송할데이터가있으면무선채널에대한캐리어신호를감지 (carrier sensing) 를함 무선채널이사용중 (busy) 상태에서미사용 (idle) 상태로천이하면, DIFS 시간동안기다린후무선채널의미사용시간만큼백오프시간값을줄임 백오프시간값이 0 이되는순간데이터프레임을전송함
13. 2 무선 LAN 의전송기술 MAC 계층의기능 PCF 는중앙집권적채널접근제어기능으로, CF (Contention-Free) 프레임전송을제공 [ 그림 13-13] CF 프레임전송이란? 폴링절차를채택하여경쟁없이전송된다는뜻을포함 PCF 는시간제한서비스를지원하기위해설계되었으며, 제한적으로고품질 QoS 서비스를제공할수있는선택적기능을갖음 폴링 (polling) 차례로기회를주어경쟁을하지않고채널에접근하는방식 PCF 는 PIFS 라고불리는짧은프레임사이의간격을사용하여 DCF 보다더높은우선순위를갖도록함 ( 의미 ) 짧은프레임간격을사용한다는것은짧은시간동안대기하게됨을의미하고, 이는그만큼채널접근의우선권을가지게된다는것 PCF 에서는 AP 가폴프레임을단말에게전송하여프레임을전송할것인지확인 프레임을전송하고자하는단말은 SIFS 타임이후에프레임전송가능 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 22/32
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 23/32 IEEE 802. 11 프레임구성 IEEE 802.11 무선 LAN 의데이터프레임은제어영역, 기간영역, 주소영역, 순서제어영역, 프레임본체, FCS 영역등으로구성 [ 그림 13-14] 프레임형식 프레임제어 (FC) 영역 : 이는다시세부영역으로구분 ([ 표 13-1]). 기간 (D) 영역 : NAV 의값설정시사용되는전송기간과관련됨 주소영역 : 각각 6 바이트길이의 4 개주소 (address 1,address 2, address 3, address 4) 영역이있음 순서제어 (SC) 영역 : 흐름제어에사용되는프레임의순서번호가들어감 프레임본체 : 0 에서 2,312 바이트길이로구성되는데, FC 영역의유형에따른정보가들어감 프레임체크시퀀스 (FCS) 영역 : CRC-32 오류검출시퀀스를포함
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 24/32 프레임의구분 프레임제어 (FC) 영역의의미
13. 2 무선 LAN 의전송기술 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 25/32 프레임의구분 프레임은 RTS, CTS 또는 ACK 프레임으로구분됨 [ 그림 13-15] FC 의부영역값이 1011 이면 RTS 프레임 / 1100 이면 CTS 프레임 / 1101 이면 ACK 프레임
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 26/32 무선 LAN 표준화절차 무선 LAN 기술의새로운표준에대한요구 SG(Study Group) 를구성 SG 는 TGTask Group 의구성을위한일련의작업에착수하여시장성과기술적인내용, 범위와목적을문서화 이렇게만든문서는 WGWorking Group 에서투표를통해승인 TG 활동개시 TG 는각그룹의목적에맞는표준초안 draft 을작성하고, 이때제안한여러기술들이경쟁을하게됨 경쟁을통해완성된 TG 초안은 WG 에서 LB 전자투표를거쳐서 WG 표준초안으로승인을받고, LB 를통과한 WG 표준초안은 IEEE SA 의지원자들이실시하는 SB (Sponsor Ballot) 전자투표와표준화위원회 (standard board) 의승인을통해정식표준규격으로문서화되고, 일반에공개됨
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 IEEE 802 11 무선 LAN 기술표준 (1) IEEE 802.11a 5GHz UNII RF 주파수대역에서동작하는물리계층과 MAC 계층의표준규격 1999년 9월에발표 OFDM이라는방식을이용하여최소 6Mbps에서최대 54Mbps까지데이터전송가능 IEEE 802.11b IEEE 802.11b(Wi-Fi) 는기존 2.4GHz 대역을사용하는무선 LAN 의낮은전송률 (1Mbps 와 2Mbps 의전송률 ) 을보완한규격 1999 년 9 월에발표 새로운 CCKComplementary Code Keying 라는변조방식을이용하여물리계층 (PHY) 에서 5.5Mbps 와 11Mbps 의데이터전송이가능 802.11b 표준은 WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliances) 에서관리 FHSS, DSSS, 적외선물리계층과 MAC 계층을표준화영역으로하고있음 2.4GHz ISM 밴드를이용하며, DSSS 방식을사용하여최대 11Mbps 의전송속도가능 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 27/32
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 IEEE 802 11 무선 LAN 기술표준 (2) IEEE 802.11g 2.4GHz 대역 (IEEE 802.11b 에서사용하는대역 ) 에서 OFDM 방식을사용하는 IEEE 802.11g 규격이 2003 년 6 월에발표 기존의 IEEE 802.11b 와공존할수있으면서 IEEE 802.11a 의높은전송률가능 실내에서커버범위는 38m IEEE 802.11n IEEE 802.11g 규격이완성될무렵, 물리계층의높은전송률에비해상대적으로낮게나타나는사용자의체감속도에대해논의가진행 다양한응용프로그램의사용이증가로인해무선 LAN 환경에서사용자체감속도의 개선이요구에따라사용자의실체감전송률이 100Mbps 이상이될수있도록하는새로운규격으로 IEEE 802.11n 표준이 2009 년 10 월에완료됨 IEEE 802.11e 음성통신이나화상통신, 그리고스트리밍과같은실시간서비스의안정적인제공 (QoS) 을위한표준 이는기존의채널접근방식인 DCF 와 PCF 를향상시킨 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access) 와 HCCA(HCF Controlled Channel Access) 등을규정 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 28/32
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 IEEE 802 11 무선 LAN 기술표준 (3) IEEE 의 802.11ac 802.11n 을기반으로하여 2013 년 12 월에발표된 IEEE 802.11 의개정버전 802.11n 에비해 5GHz 대역에서광대역채널 (80 또는 160MHz) 을포함 높은차수의변조방식 (256-QAM) 과다수사용자 MIMO(MU-MIMO) 기술추가 2013 년 10 월에이르러최고급사양으로 80MHz 와 256-QAM 변조방식을지원하고, 1300Mbps 의무선데이터전송속도지원가능해짐 IEEE 802.11ad 60GHz 의밀리미터파스펙트럼에서동작하는 802.11 네트워크에대한새로운물리계층을정의 2012 년 12 월에발표된 IEEE 802.11 의개정버전으로, 최대전송속도는 7Gbps IEEE 802.11af 2014 년 2 월에서승인된개정버전 54MHz 에서 90MHz 사이의 VHF 와 UHF 밴드에있는백색공간스펙트럼에서동작 이는 슈퍼와이파이 (Super Wi-Fi) 와 화이트 - 파이 (White-Fi) 로불리며, 미사용 TV 채널을이용하여전송하는무선인지기술 cognitive radio technology 을사용 OFDM 을사용하고, 802.11ac 에기초하여, 최대데이터전송률은 6~7MHz 의채널인경우 426.7Mbps 이며, 8MHz 의채널인경우 568.9Mbps 가됨 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 29/32
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 30/32 IEEE 802 11 무선 LAN 기술표준 (4)
13. 3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화 New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 31/32 IEEE 802 11 TG 연대표
Q & A New 데이터통신과네트워킹무선 LAN 과 IEEE 802.11 프로토콜 32/32