Wireless and Mobile Networks

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개요

Figure 1. Elements of a wireless network

Figure 1은 무선 데이터 통신과 모빌리티에 대한 환경을 보여준다. 무선 네트워크의 주요 도전 과제는 무선 통신(wireless)와 모빌리티(mobility)이다. 무선 통신은 무선 링크를 통한 통신을 의미하고, 모빌리티는 사용자가 네트워크 접속 지점을 이동하며 바꾸는 상황을 처리하는 것을 의미한다. 무선 네트워크에서는 아래와 같은 구성 요소들이 필요하다:

Figure 2. Link characteristics of selected wireless network standards

1. 무선 호스트 (Wireless hosts): 유선 네트워크의 경우와 마찬가지로, 호스트는 애플리케이션을 실행하는 종단 시스템 장치이다. 무선 호스트는 노트북, 태블릿, 스마트폰, 또는 데스크톱 컴퓨터일 수 있다. 이러한 호스트들은 모빌리티(mobility) 특성을 가지고 있기도 하다.
2. 무선 링크 (Wireless links): 호스트는 무선 통신 링크를 통해 기지국 또는 다른 무선 호스트에 연결된다. 다양한 무선 링크 기술은 다양한 전송 속도와 다양한 전송 거리들을 가지고 있다. Figure 2는 널리 사용되는 무선 네트워크 표준들의 두 가지 특성을 보여준다. Figure 1에서 무선 링크는 네트워크의 가장자리(edge)에 위치한 무선 호스트들을 네트워크 인프라에 연결한다. 이때 무선 링크는 비단 이러한 용도 뿐만이 아니라 네트워크 내에서 라우터, 스위치 및 기타 네트워크 장비를 연결하는 데에도 사용되기도 한다. 또한 figure 1에서 기지국은 네트워크에 연결되어 있으며, 무선 호스트와 외부 네트워크 사이의 통신에서 link layer를 중계하는 역할을 한다.
3. 기지국 (Base station): 기지국은 자신과 연결된 무선 호스트로부터 데이터를 송수신한다. 이때 어떤 기지국이 무선 호스트와 "연결"되어 있다는 것은, 해당 호스트가 기지국의 무선 통신 범위 내에 있으며 네트워크와 통신하기 위해서 해당 기지국을 사용한다는 뜻이다.
4. 네트워크 인프라(Network infrastructure): 무선 호스트가 통신하고자 하는 무선 네트워크이다.

기지국과 연결된 호스트는 인프라 모드(infrastructure mode)로 동작한다. 이는 호스트가 기지국을 통해서 유선 네트워크에 연결한다는 것을 의미한다. 애드 혹(ad hoc) 모드도 존재하는데, 해당 모드에는 기지국이 존재하지 않고, 노드가 링크 범위 내의 다른 노드와 직접 통신한다. 이 경우 노드들은 스스로 네트워크를 구성하고 경로를 설정한다. 이러한 인프라가 없는 경우, 호스트이 직접 라우팅, 주소 할당 등의 서비스를 자급자족해야 한다.

또한 무선네트워크를 분류하는 주요한 기준 두가지는 아래와 같다:

1. 무선 네트워크 내에서 패킷이 정확히 한 번의 무선 홉(hop)을 통과하는가, 아니면 여러 번의 무선 홉을 통과하는가?
2. 네트워크 내에 기지국과 같은 인프라가 존재하는가?

이를 바탕으로 아래와 같이 무선 네트워크의 네 가지 유형을 나눌 수 있다:

1. 단일 홉, 인프라 기반(Single-hop, infrastructure-based): 호스크가 기지국을 통해서 인터넷에 연결된다.
   • WiFi, WiMAX, 셀룰러 네트워크들이 이에 속한다.
2. 다중 홉, 인프라 기반(Multi-hop, infrastructure-based): 여러 노드를 거쳐, 기지국을 통해 인터넷에 연결된다.
   • 일부 무선 센서 네트워크와 무선 mesh 네트워크가 이에 해당한다.
3. 단일 홉, 인프라 없음(Single-hop, infrastructure-less): 기지국에 연결되지 않으며, 단일 홉만을 통해 통신한다.
   • 블루투스 네트워크와 애드 혹 네트워크가 이에 해당한다.
4. 다중 홉, 인프라 없음(Multi-hop, infrastructure-less): 기지국에 연결되지 않으며, 여러 홉을 거쳐 통신한다.
   • MANET(Mobile Ad-hoc NETwork), VANET(Vehicular Ad-hoc NETwork)이 이에 해당한다.

Wireless Link Characteristics

유선 링크와 무선 링크 사이에는 다음과 같은 여러 중요한 차이점들이 존재한다:

1. 신호 세기 감소(Decreasing signal strength): 전파는 물질을 통과하면서 감쇠된다.
   • 심지어 대기중에서도, 전자기파는 분산(disperse)하기 때문에, 송신자와 수신자 사이의 거리가 멀어질수록 신호 세기가 줄어들게 된다.
2. 다른 소스로부터의 간섭(Interference from other sources): 같은 주파수 대역에서 송신하는 전파원들은 서로 간섭을 일으킨다.
   • 예를 들어, 2.4 GHz 무선 전화기와 802.11b 무선 LAN은 동일한 주파수 대역에서 송신하며, 이는 성능 저하를 일으킬 수 있다.
3. 다중 경로 전파(Multipath propagation): 전파의 일부가 물체나 지면에 반사되어 송신자와 수신자 사이를 서로 다른 경로로 도달할 때 발생한다.

위에서 다룬 무선 링크의 이러한 특징들은 비트 오류가 유선 링크 보다 무선 링크에서 더욱 흔하게 일어난다는 것을 시사한다. 이러한 이유로 802.11 프로토콜과 같은 무선 링크 프로토콜들은 CRC 오류 검출 코드뿐만 아니라, 손상된 프레임을 재전송하는 link-layer에서의 rdt 프로토콜도 함께 사용한다.

Figure 3. BER and SNR

무선 신호를 수신하는 어떤 호스트를 고려하자. 이 호스트는 송신자가 보낸 원래에서 감쇠(decreased)되고, 여러 원인에 의해서 간섭된 전파 신호를 수신한다. 이때 SNR(Signal-to-Noise-Ratio)는 수신된 신호의 세기와 잡음의 세기를 비교한 상대적인 지표이다. SNR은 일반적으로 데시벨(dB) 단위로 측정된다. SNR은 다음과 같이 정의된다.

 20 * log10(수신 신호 진폭/노이즈 진폭)

이때 핵심은 SNR이 클수록 배경의 노이지로부터 전송된 실제 신호를 더 쉽게 추출할 수 있다는 것이다. Figure 3는 SNR과 BER(비트 오류율) 사이의 관계를 보여주며, SNR이 증가함에 따라 BER이 감소하는 것을 보여준다. 즉 SNR은 기본적으로 크면 클수록 좋다. 하지만, SNR을 증가시키기 위해서는 전송할 때 더 많은 전력이 필요하므로, 이를 무한정 늘리는 것은 불가능하다. 따라서 중요한 것은 SNR이 주어졌을 때, BER 요구 조건을 만족하는 physical layer를 선택하고, 이를 바탕으로 최대의 처리량(throughput)을 달성하는 것이다. 이때 모빌리티 특성을 가지는 호스트는 주어진 SNR이 변동할 수 있으므로, 동적으로 physical layer를 선택해야 한다.

Figure 4. Obstacle

Figure 5. Signal attenuation

무선 링크는 Hidden Terminal 문제를 가지고 있다. 이는 장애물이나 signal attenuation에 의해서 발생하며, 서로의 존재를 인식하지 못하기 때문에 생기는 간섭 문제이다. 두 원인 미치는 영향은 공통적으로, A와 B가 서로를 감지할 수 있고, B와 C가 서로를 감지하지만, A와 C가 서로를 감지할 수 없도록 한다. 이때 A와 C는 B에 대한 간섭을 인식하지 못하므로, A와 C가 동시에 전송하면 충돌이 발생할 가능성이 높아진다. 이는 figure 4, 5에 나타나 있다.

CDMA/CA

CDMA는 채널 분할 방식(channel partitioning)의 프로토콜이며, 무선 LAN과 셀룰러 기술에서 널리 사용된다. CDMA는 각 사용자에게 고유한 코드(code)를 할당한다. 즉, 채널을 주파수나 시간 단위로 나누는 것이 아니라, 코드 공간을 나누는 것이다. 모든 사용자는 동일한 주파수를 공유하며, 각 사용자는 자신만의 "chipping sequence"(고유 코드)를 사용하여 데이터를 인코딩하며, 이를 통해 여러 사용자가 동시에 해당 채널에서 동시에 데이터를 보낼 수 있다.

CDMA 프로토콜에서 전송되는 각 비트는 아래와 같이 인코딩된다.

$(encodedsignal)=(originaldata)\times (chippingsequence)$

위에서 연산자 x는 원소 간의 곱(element-wise multiplication)을 의미한다. 이때, chipping sequence란 CDMA에서 데이터 비트를 인코딩할 때 사용하는 고속의 이진 코드(sequence)를 의미한다. 일반적인 데이터 비트는 너무나 단순하므로, 여러 사용자가 동시에 보낼 경우 간섭이 쉽게 발생한다. 그래서 각 사용자는 고유한 코드 시퀸스로 chipping sequence를 사용하여, 데이터를 확장하여 전송한다. 또한, CDMA 프로토콜에서 디코딩되는 각 비트는 아래와 같이 내적(inner-product)을 통해 계산되어 원래의 데이터로 추출된다:

$(decodeddata)=(encodedsignal)\cdot (chippingsequence)$

Figure 6. A simple CDMA example

Figure 6는 단순한 CDMA 인코딩/디코딩 상황을 보여준다. 이때 아래와 같은 가정이 사용된다:

• 원래의 데이터 비트가 CDMA 인코더에 도달하는 속도를 시간단위로 정의한다.
  • 이 경우 전송될 각 원래 데이터 비트는 하나의 비트 슬롯 시간 동안 전송된다.
• d_i는 i번째 비트 슬롯에 해당하는 데이터 비트의 값이다.
• 수학적 편의를 위해, 값이 0인 데이터 비트는 −1로 표현한다.

Figure 6에서, 각 비트 슬롯은 다시 M개의 미니 슬롯으로 나뉘며, 해당 figure 에서는 M = 8이지만, 실제로는 M이 훨씬 더 크다. 이때 송신자가 사용하는 CDMA 코드는 M개의 값으로 구성된 시퀀스이며, 각각은 +1 또는 −1 값을 가진다. Figure 6에서 송신자가 사용하는 M-비트 CDMA 코드는 (1, 1, 1, −1, 1, −1, −1, −1)이다.
CDMA가 어떻게 작동하는지 알아보기 위해, i 번째 데이터 비트 d_i에 주목한다. d_i의 비트 전송 시간 중 m번째 미니 슬롯에서 CDMA 인코더의 출력 Zi,m은 d_i와 할당된 CDMA 코드의 m번째 비트 cm을 곱한 값이다:

$Z_i,m=d_i\cdot cm$        (1)

이때 간섭을 배제한다면, 수신자는 인코딩된 비트 Z_i,m을 수신하고 다음 식을 이용해 원래의 데이터 비트 d_i를 복원할 수 있다:

$d_i=\frac{{\mathrm{\Sigma }}_{m=1}^M{Z}_i,m\cdot cm}{M}$    (2)

Figure 7. A two-sender CDMA example

하지만 현실 세계는 그리 녹록치 않기 때문에, CDMA는 다른 CDMA는 다른 송신자들이 각각 다른 코드로 데이터를 인코딩하고 전송하는 간섭 환경 속에서도 동작해야 한다. 그렇다면, 수신자는 어떻게 이러한 간섭 신호 속에서 특정 송신자의 원래 데이터 비트를 복원할 수 있을까? 이러한 문제를 해결하기 위해서, CDMA는 간섭 신호들이 가산적(additive) 이라는 가정을 기반으로 작동한다. 예를 들어, 세 명의 송신자가 1 값을 보내고 네 번째 송신자가 −1 값을 보낼 경우, 같은 미니 슬롯 동안 수신자들이 수신하는 신호 값은 2가 된다. 다수의 송신자가 있을 경우, 송신자 s는 여전히 식 (1)과 동일한 방식으로 인코딩된 전송값 Z_i,m_s를 계산한다. 그러나 수신자가 i번째 비트 슬롯의 m번째 미니 슬롯에서 수신하는 값 Z_i,m^*은 해당 미니 슬롯에서 N명의 모든 송신자들이 전송한 비트의 합이다:

$d_i={\mathrm{\Sigma }}_{s=1}^N{Z}_i,m_s^{*}$      (3)

그리고 각 수신자는 식 (2)와 동일한 방식으로 특정 송신자의 코드를 사용하여, 전체 신호에서 해당 송신자의 데이터를 복원할 수 있다:

$d_i=\frac{{\mathrm{\Sigma }}_{m=1}^M{Z_i,m\cdot cm}^{*}}{M}$   (4)

Figure 7은 두 송신자가 있는 CDMA 프로토콜이 적용되는 상황에서 첫 송신자의 원래 데이터 비트를 수신자가 복원하는 과정을 보여준다. 상단 송신자가 사용하는 M-비트 CDMA 코드는 (1, 1, 1, −1, 1, −1, −1, −1)이며, 하단 송신자는 (1, −1, 1, 1, 1, −1, 1, 1)을 사용한다.

비유하자면, CDMA 프로토콜은 시끄러운 회식자리에서 각기 다른 언어로 이야기하는 상황과 유사하다. 이런 상황에서 사람들은 자신이 이해할 수 있는 언어로 된 대화에 집중하고 나머지 대화는 걸러내는 데 능하다. 이와 같이 CDMA는 코드를 기준으로 분할하고, 각 노드에 코드 공간의 특정 부분을 할당하는 분할 프로토콜이다. 따라서 CDMA는 FDMA와는 달리 모든 대역폭을 공유하므로, 더욱 효율적이며, TDMA와 달리 시간 분할을 하지 않으므로, 모든 사용자가 동시에 채널을 사용가능하다.

WiFi: IEEE 802.11

자세한 내용은 WiFi: IEEE 802.11 문서를 참조하십시오.

Cellular Internet access

자세한 내용은 Cellular Internet access 문서를 참조하십시오.

Mobility

모바일 노드(Mobile node)란 시간이 지남에 따라 네트워크에서 자신의 액세스 포인트(access point)를 변경하는 노드를 말한다.

Figure 8. Various degrees of mobility

이때 '모빌리티'라는 용어는 여러 가지 의미로 사용되기 때문에, 모빌리티가 어떠한 의미를 가지고 있는지 살펴보아야 한다. Figure 8은 network layer에서 모빌리티의 스펙트럼을 나타낸다. Figure 8에서의 왼쪽 끝에서는, 사용자가 무선 네트워크 인터페이스 카드를 장착한 노트북을 들고 건물 안을 돌아다닐 수 있는 수준의 모빌리티를 의미한다. 이는 network layer 관점에서 모바일(mobile)하지 않으며, 사용자가 위치와 관계없이 동일한 액세스 포인트에 연결된다면 link layer 관점에서도 모바일하지 않다. Figure 8에서의 오른쪽 끝은 고속도로를 주행하면서도, 서버와의 TCP 연결을 유지할 수 있는 수준의 모빌리티이다. 이는 확실히 모바일하다. 이 극단의 사이에는, 노트북을 사무실에서 카페로 이동하면서 새로운 위치에서 네트워크에 연결하는 것을 지원하는 수준의 모빌리티이다. 이는 확실히 덜 모바일하지만, 여전히 모바일 사용자이며, 이동 중에는 연결을 유지할 필요가 없다.

모바일 전화의 경우에는, 전화번호는 사용자가 서로 다른 제공자의 이동 통신망을 넘나들어도 동일하게 연결된다. 하지만 노트북이 IP 네트워크 간을 이동할 때 동일한 IP 주소를 유지하는지에 대한 질문의 답은 상황에 따라 다르다.

1. 고속도로를 달리는 자동차 내에서 TCP 연결을 끊김 없이 유지하기 위해서는, IP 주소가 그대로 유지되는 것이 유리하다. 이때 모바일 엔티티가 이동 중에도 IP 주소가 변하지 않는다면, 애플리케이션 관점에서 모빌리티는 투명(transparent)하다고 한다. Mobile IP는 투명성을 제공하여, 모바일 노드가 네트워크 사이를 이동하면서도 영구 IP 주소를 유지할 수 있도록 한다.
2. 반면에, 노트북을 꺼서 집으로 가져가고, 집에서 켜서 사용하는 경우에는 상황은 다르다. 이 경우 노트북은 주로 클라이언트로 작동하며 IP 주소가 무엇이든 큰 문제가 되지 않는다. 특히 이러한 경우에는 ISP가 임시로 할당한 주소를 사용해도 문제가 없으며, 이는 DHCP 프로토콜에 의해서 지원된다.

Figure 9. Initial elements of a mobile network architecture

아래는 모빌리티를 설명하기 위해 사용할 기본적인 용어에 대한 설명이다:

• Home Network(홈 네트워크): 모바일 사용자가 기본적으로 소속된 네트워크이며, 영구 주소(permanent address)가 이 네트워크에 속한다.
• Permanent Address(영구 주소): 모바일 장치의 고정된 IP 주소이며, 이동하더라도 이 주소는 변하지 않는다.
• Home Agent(홈 에이전트): 홈 네트워크 내의 에이전트로, 모바일 단말이 떨어져 있어도 이를 대신하여 모빌리티 관리 기능을 수행한다. 예를 들어 패킷 전달이나 위치 추적을 대신 수행한다.
• Visited Network(방문 네트워크): 모바일 단말이 현재, 실제로 접속된 네트워크를 의미한다.
• Care-of Address(임시 주소): 방문 네트워크 내에서 임시로 부여되는 IP 주소를 의미한다.
• Foreign Agent(포린 에이전트): 방문 네트워크에 위치하며, 모바일 장치를 대신해 모빌리티 관리 기능을 수행한다. 예를 들어, 홈 에이전트와 통신하여 모바일에 도달하는 트래픽을 수신하고 전달한다.
• Correspondent(통신 상대자): 모바일 장치와 통신하려는 엔티티이다.

Addressing

모바일 기기의 모빌리티가 네트워크 애플리케이션에 대해 투명하게 보이도록 하려면, 모바일 노드가 네트워크 간을 이동하더라도 IP 주소를 유지해야 한다. 이를 위해서는 모바일 노드가 방문 네트워크에 위치할 때, 해당 노드의 영구 주소로 전송된 모든 트래픽은 이제 외부 네트워크로 라우팅되어야 한다. 이를 구현하기 위한 한가지 방법은 외부 네트워크가 다른 모든 네트워크에 해당 모바일 노드가 자신에게 속해 있다고 광고(advertise)하는 것이다. 즉, 외부 네트워크는 모바일 노드의 영구 주소에 대한 매우 구체적인 경로를 이웃 네트워크에 알리기만 하면 된다. 하지만 이는 확장성(scalabillity) 측면에서 문제가 있다. 모빌리티 관리가 네트워크 라우터의 책임이라면, 라우터들은 잠재적으로 수백만 개의 모바일 노드에 대한 포워딩 테이블 항목을 유지하고, 노드가 이동할 때마다 이 항목들을 갱신해야 한다. 즉 사실상 불가능하며, 실제로 쓰이는 방식이다 아니다.

이러한 문제에 대한 대안적인 접근법은 모빌리티의 구현을 네트워크 코어가 아닌 네트워크 엣지에서 하는 것이다. 이를 위해 모바일 노드의 홈 네트워크를 이용하며, 모바일 노드의 홈 에이전트는 모바일 노드가 어느 외부 네트워크에 위치해 있는지를 추적한다. 이를 구현하기 위해서는 모바일 노드와 홈 에이전트 사이에 위치 갱신을 위한 프로토콜이 필요하다.

이때 외부 에이전트는 크게 두가지 역할을 수행한다. 첫 번째 역할은 모바일 노드를 위한 외부 주소를 생성하는 것이다. 두 번째 역할은 해당 모바일 기기의 홈 에이전트에게 해당 모바일 노드가 자신의 네트워크에 있고, 지금의 외부 주소를 사용하고 있다는 사실을 알려주는 것이다.