3. WiFi

IEEE 802.11 Requirements

 

• 단일 MAC을 사용해 여러 PHYs를 지원
  • 단일 및 다중 채널 PHYs를 지원
  • PHYs는 다른 medium을 감지하는 특성을 가짐

* MAC(Medium Access Control)

여러 단말들의 '공유 매체(Shared Medium)' 사용에 대한 단말 간 충돌 발생을 제어하는 방식

* PHYs 실체 (<-> Virtual 가상)

안테나까지. 하드웨어적인 것. 눈에 보이는 것

 

• 동일한 영역 및 채널공간에서 여러 네트워크가 중복될 수 있어야 함.

여러개의 WiFi를 같은 장소에 설치해도 동시에 작동이 가능함.

 

 

• 간섭에 대해 강해야 하나?
  • ISM band(Industry, Science and Medicine)
    • Microwave, other non-802.11 interferers
    • Co-channel 간섭

* ISM band

아무나 사용 가능한 특정 band.

충돌을 피하기 위해 power와 차례를 조절해야함.

ex. 전자렌지.=> 문 열고 사용할 경우 간섭이 발생함.(너무 강해서.. 내가 익을 정도..?엥)

 

 

 

• 숨겨진 nodes를 처리하기 위한 메커니즘이 필요한가?

 

• 시간 제한 서비스에 대한 규격이 필요.

 

위와 같은 요구사항들을 바탕으로 개발함

 

Architecture Overview

• 여러 PHYs를 지원하는 하나의 MAC
  • Frequency Hopping Spread Spectrum => 주파수를 도약하는 확산 스펙트럼
  • Direct Sequence Spread Spectrum => 인코딩 디코딩 기법을 이용해 num을 매겨 관리
  • Infrared => 적외선
    • 주파수가 높아 장애물에 약함
    • 일종의 무선 통신 ex. 리모컨
  • Orthogonal Frequency Division Multiplexing => 직교 주파수 분할 다중화
    • 다중 반송파를 이용하여 디지털 데이터를 인코딩하는 방식
    • 실제  와이파이에 구현된 것(와이파이는 802.11에서 필요한 것만 취함)

 

• 두가지 구성(배열) 모드
  •  Ad-hoc
    • 중앙 집중화된 관리가 지원되니 않는 환경에서 mobile host 간의 네트워크가 가능 
    • 인프라 안 깔아도 사용 가능
    • 인터넷 사용은 불가능
  • Infrastructure

 

• Distributed Coordication Function(DCF)
  • CSMA/CA(Carrier-Sense Multiple Access / collision avoidance, 다중 접속 / 충돌 회피)

* DCF

매너를 잘 지키는 5명의 통신 => 저렴

ex. WiFi

 

*Point Coordination Function(Centralized)

100분 토론 => 손석희님 피료해,,

ex. 이동통신 4G, 5G (기지국에서 순서 제어함)

 

이건 그냥 갑자기 생각나서

csma/cd는 collision을 detect하는 거임

 

• Optional Point Coordication Function(PCF)
  • Centralized 방식 
  • PCF 는 WiFi 표준에 없지만 802.11에 있음

WiFi IoT Kit

관심있으면 해봐라~

 

802.11 Protocol Entities

 

802.11 Portocol Architecture

 

• Physical Layer Convergence Protocol(PLCP)
  • MAC에 대한 공통 인터페이스 제공
    • carrier sense status & CCA(Clear Channel Assessment, 중첩 없는지 확인) 제공
      • => Carrier signal(반송파) : 통신에서 정보의 전달을 위해 입력 신호를 변조한 전자기파
    • 채널 동기화 수행 
  • 여러 데이터 전송 네트워크의 물리 계층 프로토콜
  • MAC Sublayer와 물리적인 특성을 연결하는 역할

 

• Physical medium dependent sublayer(PMD)
  • 기본 채널 품질 및 특성을 기반으로 함
    • => 목소리의 크기, 여자 목소리 주파수 등 채널의 품질을 판단하고 그 특징에 맞게 입력을 바꿔 통신이 원활하도록 함
    • 무선 인코딩 처리

 

• MAC Entity
  • 기본 접근 메커니즘 => Centralized, Distributed
  • Fragmentation / Defragmentation (because of MTU)
    • 유션 ethernet은 구리선을 이용해서 안정적이기 때문에 큰 크기의 데이터가 input으로 들어와도 문제 없음
    • BUT 무선은 제대로 데이터가 제대로 도착하지 않을 수 있기 때문에 데이터를 파편화하여 부분으로 보내야 누락된 부분을 보낼 때 더 효율적
  • Encryption / Decryption

 

• MAC Layer Management Entity
  • 시간 동기화 메시지
  • Power management => 사용하지 않을 때는 sleep mode
  • Roaming => 이동해도 가능하다
  • MAC MIB(management information base) => 정보관리. 데이터 베이스

 

• PHY Layer Management
  • channel tuning(channel switching delay : 224us in 802.11b)
  • PHY MIB

* Channel tuning

채널을 switching하여 좋은 channel을 찾는 것예를 들면 핸드폰으로 wifi를 키면 여러 AP들이 Beacon frame을 통해 자신의 SSID를 알리고 클라이언트는 디바이스에 뜬 wifi list의 SSID 신호 중 하나를 선택해(channel scan & choice 과정) AP와 연결을 시도하고 인증과정을 통과하면 wifi에 연결됨.

 

아래 링크는 와이파이 연결 과정https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=stop2y&logNo=220350716248

 

 

* MAC Layer와PHY Layer를 쉽게 정리해보자면

 

MAC은 두뇌 역할. 말하는 방식에 집중"누군가 말하고 있네? 기다렸다가 말해야지."

 

PHY 파악하는 것. 말하는 기능에 집중"노이즈가 있나 없나?"

 

 

• Station Management
  • MAC Management와 PHY Management 모두와 상호작용

 

802.11 Confguration - Ad hoc

 

Ad hoc mode

• one Basic Service Set (BSS)
• Ad hoc network
• direct communication
• limited coverage area

Ad Hoc Network

 

*  Ad hoc network는 왜 상용화가 안될까?

단말끼리 연결되어 network를 형성하기 때문에 기지국이 따로 필요 없어 돈이 들지 않음.

 

 

• 주요연구주제
  • Multi-Hop Routing (IETF MANET)
  • Multicasting => 한 번의 송신으로 메시지나 정보를 목표한 여러 컴퓨터에 동시에 전송하는 것.
  • Multi-channel Access
  • Security
  • QoS

 

802.11 Configurations - Infrastructure

 

Infrastructure

• Access Points (AP)
• stations (STA)

 

Distribution System은 여러 셀 Access Points를 상호 연결하여 단일 네트워크를 형성

==> 무선 coverage 영역을 확장

 

* 공유기

디바이스가 증가하며 고유IP address가 부족해지는 현상이 발생했다.

따라서 한 IP address를 여러명에서 사용할 수 있도록 "공유기"를 설치했다.

 

 

BSS, ESS, Distribution System

 

ESS

• Extended Service Set
• DS와 반대로 유선을 제외한 무선 전 구간을 뜻한다.

ESS

 

BSS

• Basic Service Set
• 하나의 AP에 station이 다중 접속된 환경을 의미한다.
• AP 없이 연결된 경우 = Independent BSS = Ad hoc mode
  • ==> 이는 Infrastructure와 반대됨.

BSS

 

Distribution System

• 물리적으로 서로서로 연결되어 있는 장치들을 말한다.
• 무선에서의 유선구간을 DS라 칭한다.

DS

 

Access Points

 

• Stations가 AP를 선택하고 그것과 <association>과정을 가짐(데이터를 주고 받으며)

 

• Support roaming
  • IAPP(Inter Access Point Protocol) IEEE 802.11f draft
  • Mobile IP

 

• Provide other functions
  • time synchronization (beaconing)
    • beacon : 주기적 깜빡임. like 등대 => 특정 power를 내뿜으며 불특정 다수에게 자신을 알림
  • power management support (if any)
    • 이동하는 무선 단말에서 에너지 절약
    • beacon을 이용해 자고 깨는 시간을 상대에게 알려 깨는 시간에 데이터를 처리함.
  • point coordination function (PCF) (if any)

 

• Traffic flows through AP
  • STA => AP => STA : 반드시 AP를 거쳐 지나감

 

• In an Infrastructure BSS, all mobile stations communicate with the AP
  • 단점 
    1. bandwidth가 STAs와 directional communication할 때보다 2배 더 소비된다.
    2. more connections and more collisions => 한 channel(AP)은 한 node만 사용가능해서 충돌 증가
  • 장점
    1. power saving function 제공 
    2. meet the AAA(authentication 로그인, authorized 권한 부여, accounting 비용계산) architecture

 

 

* 왜 AP를 거쳐서 두번 보내야 하는데 power saving되지?

==>

AP에 전력이 꽂혀있어 다른 기기가 wifi의 on/off가 자유로워져 전력 소비가 줄어든다.

대신 AP는 항상 on상태로 memory 기능을 제공하여 데이터를 저장했다가 기기가 깨어있을 때 처리할 수 있도록

택배함 역할을 해야한다.