Wireless and Mobile Networks
무선
선이 없는 네트워크로 Wifi, Bluetooth, Zigbee, NFC가 있다.
선이 없다는 것은 이동성을 보장하는 것이 아니다.
- Zigbee
Iot 통신 시 주로 사용하는 것으로 가전제품 또는 음식물 쓰레기 통에서도 사용한다.
이러한 IoT 통신은 파워를 적게 쓰는 것이 요구사항이므로 대부분 파워를 적게 사용한다. 따라서 직비 통신은 저전력 통신 중 하나다.
- Bluetooth
최근에 LP 모드로 업데이트하여 저전력으로 통신이 가능해졌다.
- NFC
교통카드에서 사용하는 통신 방법이다.
이동
무선 + 단말기의 이동성을 합쳤다.
휴대폰과 같은 단말기는 이동성이 가장 큰 요구사항이다. 따라서 무선임을 가정하는데, 유선도 이동성이 있을 수 있지만 보통은 무선을 더 선호한다.
단말기가 이동할 때에 끊김없이 지원되어야 하며,
끊김이 없게하기 위해 이동통신망을 사용한다.
이동통신망의 종류는 다음과 같다.
2/3/4/5/6G,LTE cellular network
현재 이동통신망을 4세대와 5세대 사이를 왔다갔다 하고 있으며,
이 사이를 LTE라고 한다. 또한, 곧 6G가 등장할 수 있다.
위와 같은 네트워크는 무선과 이동 관련 요구사항을 만족시키며 이동 통신망은 별도의 표준과 요구사항/용어가 있으며 TCP/IP와 다른 구조를 가지고 있다.
Elements of a wireless network
위 사진은 wireless network를 그림으로 도식화한 모습이다.
붉은색이 무선단말기(wireless hosts)이고, 파란색이 기지국(base station), 보라색이 wireless link를 말한다.
이때 모든 기지국과 연결된 가운데에 있는 네트워크는 핵심 네트워크로 대부분 유선을 사용한다. 바깥에서는 무선을 사용하고 있지만, 가운데는 이미 네트워크가 구축되어 있으므로 무선으로 바꿀 필요 없이 유선을 관리하는 게 더 좋다.
- 무선단말기(wireless hosts)
무선단말기는 노트북, 핸드폰, IoT 기기와 같은 단말기가 여기에 속한다.
고정식(non-mobile)또는 모바일이다. 또한 무선이 항상 이동형을 이야기하는 것은 아니다.
- 기지국(base station
공유기와 기지국이다. 공유기가 파워가 작아 커버할 수 있는 거리는 강의실 하나 정도지만, 큰 기지국의 경우 파워가 세서 커버할 수 있는 경우가 최대 10km가 될 수도 있다. 이러한 기지국들은 단말기의 Access Point(AP)가 된다.
공유기의 경우 TCP/IP 관점에서 보면 NAT라고도 할 수 있는데, 이 공유기(또는 기지국)는 NAT, DNS 서버, IP 주소 동적 할당(DHCP), IP 라우팅, 방화벽 생성 등의 일을 함께 수행한다.
이러한 기지국은 유선 네트워크와 연결되어 있으며 해당 "영역"에 있는 유선 네트워크와 무선 호스트 간에 패킷 전송을 담당한다.
이때, 전파는 공공재이다. 즉, 와이파이도 공공재이다.(랜선에 공유기만 연결하면 되기 때문)
따라서 통신사에서 해당 주파수의 전파를 독점하려면 정부에게 돈을 지불해야 한다.
또한, 와이파이의 파워를 최소한으로 하여 거리가 멀어지면 쓸 수 없도록 만들어야 하는데,
파워를 높이면 간섭이 많이 발생하기 때문이다. 따라서 AP를 많이 설치하는 것도 좋지 않다.
- wireless link
무선 네트워크는 종류가 다양하다. 따라서 각 네트워크의 특징으로 분류할 수 있다.
보통은 주파수로 분리하는데, 예를 들면 2.4GHz 주파수는 802.11B, 802.11G이고, 5GHz는 802.11ac이다.
최근에는 일론 머스크의 스타링크 인공위성으로 저궤도에서 안테나와 위성이 직접 통신하는 위성통신을 할 수 있게 하였다. 안타깝게도 이 기술은 아직 한국에 도입되지 않았으며 내년쯤(?) 도입될 예정이라고 한다.
무선속도–커버리지특징
우리는 서로 다른 주파수의 대역폭 사용을 무선에서 약속했다.
우주와 통신할 때에는 높은 주파수를 사용해야 하는데, 높은 주파수로 화성에서 지구까지 화성의 사진을 보낼 수 있다. (여담으로 이 사진을 보낸 우주선은 보이저호이다.)
주파수마다 커버리지와 속도가 다르다.
- 802.11ax
가장 높은 대역폭으로 10G까지 가능하다.
해당 14GHz는 해당 대역폭을 이용했을 때 가능한 최대속도로 AP와의 거리, 장애물 등으로 인해 속도에 편차가 존재한다.
- 5G
현재 지원되고 있지만 통신사에서 제대로 설치하지 않아 원하는 속도가 나오지 않는 경우가 많았다. 5G의 목표는 속도가 10배 이상, latency가 1ms이내인 유선과 비슷한 속도이다.
- 802.11ac
802.11n과 더불어 현재 우리가 가장 많이 사용한다. 6G(?)라고도 한다
- 802.11n, 4G/LTE
802.11ac과 더불어 현재 우리가 가장 많이 사용하며 커버리지가 가장 높다.
- 802.11g, 802.11b
무료 서비스로 와이파이에서 많이 사용한다.
- Bluetooth
10m 이내로 굉장히 짧은 거리에서 통신한다.
infrastructure mode
각 기지국은 모바일은 유선으로 연결한다.
무선 네트워크 구축 시 대부분 무선 네트워크를 만든 후 이동 통신 서비스를 제작하는데, 인프라가 만들어져 있는 모드라고 해서 infrastructure mode라는 이름이 붙게 되었다.
ad hoc mode
infrastructure mode가 아예 없는 곳은 ad hoc 모드를 사용한다.
별도의 기지국이나 Wifi Ap가 필요 없으며 에어드랍과 같이 단말기들이 서로 라우터의 역할을 해준다. 즉, 공유기를 거치지 않고 바로 통신하는 기술을 말한다.
Wireless link characteristics
무선은 유선과 다른 특징이 있다.
1. AP와 가까우면 신호를 세게 수신할 수 있다.
무선은 전파를 사용하기 때문에 간섭이 발생하여 파워를 최소한으로 유지한다.
따라서 거리가 멀어지거나, AP와 나 사이에 벽과 같은 장애물이 있으면 신호가 약해진다.
2. 아무나 AP를 설치할 수 있다.
유선은 나만 사용하지만 AP는 아무나 설치하여 동일한 대역폭을 사용하기 때문에 간섭(interference)이 많이 발생한다.
3. 전파는 직진하지 않는다.
전파가 이동하는 통로가 따로 존재하지 않기 때문에 다양한 경로로 전파하여 복잡하다.
4. SNR
SNR(Signal-to-Noise Rate)는 신호대잡음비로 dB(데시벨)로 표기한다.
위 식을 통해 구할 수 있으며, SNR이 클 수록 신호가 높고, 잡음의 양이 작다는 것을 뜻한다.
BER(Bit-Error Rate)은 오류가 초당 발생하는 개수를 말한다.
따라서 SNR와 BER을 그래프로 나타내면 아래와 같다.
QAM은 아날로그 신호와 디지털 신호를 서로 변환해주는 기술로 신호의 크기와 각도로 두 개의 sin함수의 특징을 사용한다. 이때, 숫자는 몇 개의 아날로그 신호로 bit를 전송해줄 수 있는가를 나타내는데, 뒤의 숫자가 클 수록 전송이 빨라진다.
그래프를 보면 QAM256을 사용하다가 오류발생률이 높아지자 QAM16을 사용하여(= 속도를 낮춰) 오류발생률을 낮출 수 있다. 따라서 위의 그래프에서 우측에서 좌측으로 사용하면 변환 프로토콜을 점점 변화시킨다.
5. Hidden terminal problem
위 그림에서 A-B, B-C가 연결되어 통신하고 있다.
이때, A-B가 통신 중일 때, C가 B에게 통신을 시작하면 충돌이 발생한다.
그런데 각 선이 무선으로 연결되어 있기 때문에 C는 A-B가 통신 중인지를 알 수 없다. 따라서 이러한 상황을 제어해야 충돌이 발생하지 않는다.
6. Signal attenuation (신호 약화)
AP와의 거리가 멀어지면 신호가 약해져서 서로 못 들을 수 있다.
이때, 통신이 겹치면 오류가 발생한다.
802.11 LAN architecture
무선 host는 기지국(base station)과 통신한다.
base station은 AP(Access Point)와 동일하다.
BSS(Basic Service Set)
인프라 모드에서 wireless hosts, AP(base station), ad hoc mode를 모두 포함하는 기초적인 서비스 집합을 이야기하며 cell이라고도 한다. 이러한 BSS가 모여서 거대한 네트워크를 생성한다.
IEEE 802.11: multiple access
Hidden terminal problem으로 인해 서로 통신 중인지 탐지를 할 수 없어 충돌이 발생한다. 이때, 캐리어를 관찰하는 방법()을 통해 충돌을 회피할 수 있다.
신호를 주고 받는 매체를 보통 캐리어라고 하는데, 네트워크에서는 주파수의 대역폭이 캐리어가 된다.
무선은 누구나 사용할 수 있으며 누가 송수신 중인지 모르기 때문에 충돌 여부를 100% 확신할 수 없다. 따라서 충돌 회피 방법인 CSMA/CA를 사용한다.
아 못 쓰겠다 ㅁㅊ
참고 및 출처
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