Wireless and Mobile Networks
상위 문서: 컴퓨터 네트워크
개요
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:
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:
- 무선 네트워크 내에서 패킷이 정확히 한 번의 무선 홉(hop)을 통과하는가, 아니면 여러 번의 무선 홉을 통과하는가?
- 네트워크 내에 기지국과 같은 인프라가 존재하는가?
이를 바탕으로 아래와 같이 무선 네트워크의 네 가지 유형을 나눌 수 있다:
- 단일 홉, 인프라 기반(Single-hop, infrastructure-based): 호스크가 기지국을 통해서 인터넷에 연결된다.
- WiFi, WiMAX, 셀룰러 네트워크들이 이에 속한다.
- 다중 홉, 인프라 기반(Multi-hop, infrastructure-based): 여러 노드를 거쳐, 기지국을 통해 인터넷에 연결된다.
- 일부 무선 센서 네트워크와 무선 mesh 네트워크가 이에 해당한다.
- 단일 홉, 인프라 없음(Single-hop, infrastructure-less): 기지국에 연결되지 않으며, 단일 홉만을 통해 통신한다.
- 블루투스 네트워크와 애드 혹 네트워크가 이에 해당한다.
- 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:
- 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.
- 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.
- 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.
무선 신호를 수신하는 어떤 호스트를 고려하자. 이 호스트는 송신자가 보낸 원래에서 감쇠(decreased)되고, 여러 원인에 의해서 간섭된[1] 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.
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
CDMA는 채널 분할 방식(channel partitioning)의 프로토콜이며, 무선 LAN과 셀룰러 기술에서 널리 사용된다. CDMA는 각 사용자에게 고유한 코드(code)를 할당한다.[2] 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,[3] 이를 통해 여러 사용자가 동시에 해당 채널에서 동시에 데이터를 보낼 수 있다.[4]
CDMA 프로토콜에서 전송되는 각 비트는 그 비트를 원래의 데이터 비
