[Week 11-1] WiFi: 802.11 wireless LAN

Chap 10. Cellular Wireless networks

 

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< IEEE 802.11 Wireless LAN >

 

- all use CSMA/CA for multiple access, and have base-station and ad-hoc network versions

 

*CSMA: Carrier Sense Multiple Access - 상황을 보고 쉬거나, 여러사람이 접근하도록 해준다.

보내기 전에 들어보고 signal level이 어느정도 이하이면 보내고 아니면 보내지 않는다. 대기하고 다시 듣고 전송

*CA: Collision Avoidance - hidden problem 해결

 

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< LAN Architecture >

> wireless host communicates with base station

- base station = access point (AP: 무선 단말기)

: router의 기능 x (방향x)

: 그냥 받아서 router로 전달

 

> Basic Service Set (BSS) (“cell”)

- wireless hosts

- access point (AP): base station - 라우터나 스위치에 연결

- ad hoc mode: hosts only (AP 없음)

 

 

< 802.11: Channels, association >

> spectrum divided into channels at different frequencies

: 각각 고유의 채널이 있다.

예) 블루투스, NFC 

- AP admin chooses frequency for AP

- interference possible: 인접한 AP에 의해 channel이 같아질 수 있다.

→ 인접한 AP는 다른 channel을 쓰도록 하는 것이 좋다.

 

> arriving host: must associate(접속) with an AP

1) host는 channels를 스캔하고 AP의 이름(SSID)과 MAC address를 포함하는 beacon frames를 듣는다.

*MAC address - 기기 고유의 주소

2) host가 접속할 AP를 선택

3) authentication (인증 수행)

4) DHCP를 run하여 AP의 subnet에서 IP 주소를 가져온다.

*DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

: IP 주소를 네트워크에 연결된 장치에 자동으로 할당

*다른 WiFi에 접속하면 IP주소는 바뀌지만 MAC address는 변화 x

 

 

< passive/active scanning >

 

passive scanning	active scanning
: H1은 가만히 있고 AP들이 해줌  1) 여러 AP들이 beacon frames를 보냄  2) association Request frame 전송: H1이 AP를 선택  3) 선택된 AP에서 H1으로 association Response frame 전송	: 기다리지 않고 H1이 던짐(broadcasting)  1) H1이 Probe(조사) Request frame을 broadcast(던짐)  2) AP들이 Probe Response frames을 H1에 전송  3) Association Request frame 전송: H1이 AP를 선택  4) 선택된 AP에서 H1으로 Association Response frame 전송

 

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< Multiple Access >

> avoid collisions: 동시에 2개 이상의 nodes가 전송

 

> 802.11: CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

- 전송 이전에 감지

- another node에 의해 ongoing transmission을 감지하여 충돌 x

 

> 802.11: no collision detection!

- collisions 감지가 어려운 경우: transmitting signal↑, received signal↓ (∵ fading )

- collisions 감지가 불가능한 경우: hidden terminal, fading

- avoid collisions: CSMA/CollisionAvoidance (CSMA에 CA추가)

 

 

< MAC Protocol: CSMA/CA >

> 802.11 Sender

1) DIFS동안 channel이 비어있는지(idle) 감지하고 채널이 사용되지 않거나

특정 threashold(한계점)보다 낮으면 전체 frame을 전송 (Collision Detection x)

 

2) 만약 감지된 채널이 busy 하면(특정 threashold보다 높으면) random backoff time

*idle: 프로세스가 실행되고 있지 않은 상태

*random backoff time - 랜덤으로 시간을 정하고 타이머를 가동하여 그 시간만큼 휴식

- 타이머가 만료될 때, 채널이 idle하면 전체 frame 전송

- idle하지 않으면 randome backoff time
만약 채널이 idle해서 데이터를 보냈는데 ACK를 받지 못했다면,

random backoff 간격을 늘리고 2)를 반복

 

> 802.11 receiver

frame이 잘 받아졌으면(OK) SIFS동안 기다린 후 ACK 전송

(ACK는 hidden terminal problem을 해결하기 위해 필요)

 

 

< Avoiding collisions (more) >

*hidden terminal problem

- idea

: 먼저 보낸 사람이 채널을 사용하도록 예약하게 하자

: 채널이 idle하더라도 무작정 보내는 것이 아니라 B(AP)의 허락을 받고 전송

: 데이터 외의 small reservation packets을 사용하여 sender가 data frame을 위해 channel을 “reserves”

*overhead: 데이터 외의 추가적인 노력

 

> sender는 먼저 small request-to-send (RTS) packet을 CSMA를 사용하여 BS(BaseStation)에 전송

- RTS는 여전히 충돌 가능하지만 매우 짧다.

*RTS: 나 보내고 싶어 (요청)

 

> BS는 RTS에 대한 응답으로 broadcasts clear-to-send CTS 

*CTS: 나한테 보내도 돼 (허락)

 

> CTS heard by all nodes  (모두가 들을 수 있다 → 다른 기기는 전송하지마)

- sender transmits data frame

- other stations은 transmissions을 미뤄야한다. (defer)

 

RTS-CTS exchange

 

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< addressing >

 

00

1A

3F

F1

4C

C6

4*12 = 48bit (16진수)

 

- address 1: frame을 받는 MAC address (Rx - receive)

- address 2: frame을 보내는 MAC address (Tx- transmit)

- address 3: WiFi access가 연결되어 있는 router의 MAC address

- address 4: ad hoc mode일 때 사용

 

 

 

802.11 Wifi frame	802.3 Ethernet Frame
- AP MAC addr: Rx - H1 MAC addr: Tx - R1 MAC addr: Router	- R1 MAC addr: Rx - H2 MAC addr: Tx

 

 

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< mobility within same subnet >

- H1 remains in same IP subnet

: IP address가 동일하게 유지될 수 있다.

 

- self-learning

: host가 어떤 interface를 통해 도달할 수 있는지를 배워 스위치 테이블에 저장

: switch는 H1의 frame을 보고 어떤 switch port가 H1에 도달하는데 사용될 수 있는지 기억("remember")

: switch는 H1이 어떤 AP로부터 왔는 지 알 수 있다.

 

 

< advanced capabilities >

> Rate adaptation 지원

base station, mobile dynamically change transmission rate

(physical layer modulation technique) as mobile moves, SNR varies

1) node가 base station으로부터 멀어지면, SNR ↓, BER ↑(왼쪽으로 이동)

2) BER이 너무 커지면, switch는 transmission rate를 낮춰 BER을 줄인다.

예) BER이 커질때 초록선 → 빨간선으로 변경

 

> power management 지원

1) node → AP

: “다음 beacon frame이 오기 전까지 잘래” 메시지 전송

- AP는 이 node에게 frame을 보내면 안되는 것을 안다.

- node는 다음 beacon frame이 오기 전에 일어난다.

 

2) beacon frame

: node가 자는 동안 깨우진 않지만 전송을 기다리면서 AP에서 mobile로 보낼 frames의 목록을 쌓아 관리하고 있다.

- AP가 mobile에게 보내는 frames이 전송되면 node가 일어난다.

- otherwise, 다음 beacon frame까지 다시 잔다.

 

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< Personal area networks: Bluetooth >

*LAN(Local) - WiFi / PAN(Personal) - Bluetooth, Zigbee

 

- 10m diameter 이하

- cables의 대체품 (마우스, 키보드, 헤드폰)

- ad hoc: infrastructure없이 기기들끼리

- 2.4~2.5 GHz ISM radio band, 최대 3 Mbps

- master controller / clients devices

: master polls clients, grants requests for client transmissions

 

> TDM

: 한 slot을 625 msec로 나눔

 

> FDM

: sender는 79개의 frequency channels를 정의, pseudo-random order slot-to-slot (spread spectrum)

: other devices/equipment not in piconet only interfere in some slots

 

- parked mode: clients can “go to sleep” (park) and later wake up (배터리 절약 위해)

- bootstrapping: nodes self-assemble (plug and play - 설정없이 빠르게 사용 가능) into piconet

*piconet: 블루투스 네트워크

 

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교재는 Data and Computer Communications를 참고하였고, 자료는 이화여자대학교 이형준 교수님의 정보통신공학 강의에서 가져온 것입니다.