Transcript MC07-WLAN

Chapter 7. Wireless LAN
 Characteristics
 IEEE 802.11
• PHY
• MAC
• Roaming
• .11a, b, g, h, i …

HIPERLAN
• Standards overview
• HiperLAN2
• QoS
 Bluetooth

Comparison
Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
Characteristics of wireless LANs
Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
Mobile Communications
Advantages of wireless LANs
 무선 랜(WLAN)의 유선 방식과 비교한 장점
• 유연성(flexibility)
무선 반경 내에서의 제약없는 통신
• 계획(planning)
무선 에드혹(ad-hoc) 네트워크과 같이 사전 계획(유선 네트워크에
서의 연결 계획 등) 없이도 통신을 가능
• 설계(design)
선이 존재하지 않으므로 주머니에 들어 갈 정도의 작고 독립적인
장치 설계를 가능
• 견고성(roubustness)
지진 등 천재지변의 상황에서도 통신이 가능
• 비용(cost)
무선 네트워크에 사용자가 추가적으로 늘어나도 비용이 증가되지
않음
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
3
Mobile Communications
Disadvantages of wireless LANs
 단점
• 서비스의 질(QoS)
낮은 대역폭(예: 100-1000 Mbit/s 대신에 1-10 Mbit/s의 사용자
데이터율)과 간섭으로 인한 서비스의 질 저하
• 독자적인 솔루션
표준화 과정이 느리기 때문에, 많은 회사들은 표준화된 기능에다가
고유의 향상된 많은 특징들을 제공하는 독자적인 솔루션을 개발
• 주파수 제약
전세계적으로 몇몇의 정부와 비정부 기관에 의한 주파수 사용 법규
등으로 제약
• 안전과 보안
라디오 전파 사용 시 다른 기기와 간섭을 일으킬 수 있고 도청 및
해킹이 용이
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이상정
4
Mobile Communications
Design goals for wireless LANs
 무선랜 설계 시 고려 사항
• 전세계적인 운용: 각 국가와 국제 주파수 규약을 고려
• 적은 전력: 배터리 전력 소모를 고려하여 특별한 전력-절약 모드와
전력 관리 기능을 구현
• 라이센스 없는 운용: 장비들은 2.4 GHz ISM 밴드와 같은 라이센스
없는 밴드에서 운용
• 견고한 전송 기술: 타 많은 전기 기기들(진공 청소기, 헤어 드라이
어, 기차 엔진 등)과 간섭에 강해야 함
• 단순화된 자발적 협력: WLAN에 복잡한 설치 루틴이 필요치 않아야
하고 스위치를 켜자마자 자발적으로 알아서 동작되어야 함
• 용이한 사용 방법: 복잡한 관리가 필요없어야 하고 plug-and-play
방식으로 동작
• 투자 보호: 기존의 네트워크와 상호 운용이 가능하도록 하여 기존
의 투자를 보호
• 안전과 보안
• 응용에 대한 투명성: 기존의 응용이 WLAN에서도 계속해서 문제없
이 동작
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이상정
5
Mobile Communications
Comparison:
infrared vs. radio transmission
 라디오(Radio)
 적외선(Infrared)
• 면허가 필요없는 2.4 GHz
ISM 밴드 사용
• 장점
• LED나 레이져 다이오드를
사용
• 방향성 광이나 벽 등에 반사
되는 산란광 사용
• 장점
• 이동 셀룰라 폰 등과 같은
라디오 전송 경험 활용
• 보다 넓은 영역을 커버하고
벽, 가구, 설비 등을 투과
• 간단하고도 값 싼 송수신기
• 라이센스 필요 없음
• 차폐(shielding) 가 용이
• 단점
• 자유롭게 사용될 수 있는 주
파수 대역 제한
• 차폐가 어려워 다른 기기들
과 간섭
• 단점
• 햇빛이나 열 등에 간섭
• 장애물에 쉽게 차폐
• 낮은 전송율(115 kbit/s)
• 예
• IEEE 802.11
• HIPERLAN
• Bluetooth
• 예
• IrDA (Infrared Data Associ
ation) 인터페이스
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Mobile Communications
Comparison: infrastructure vs.
ad-hoc networks
infrastructure
network
AP: Access Point
AP
AP
wired network
ad-hoc network
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AP
IEEE 802.11
Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
Mobile Communications
802.11 –
Architecture of an infrastructure network
802.11 LAN
STA1
802.x LAN
 STA(Station)
•
무선매체를 통하여 액세스 포인트에
연결되는 단말기
 BSS(Basic Service Set)
BSS1
•
Portal
Access
Point
 AP(Access Point)
•
Distribution System
Access
Point
ESS
BSS2
다른 네트워크와의 브리지
 분산시스템(Distribution System)
•
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무선 랜과 분산시스템을 결합하는 스
테이션
 포털(Portal)
•
STA2
동일한 주파수의 라디오 반경을 사용
하는 단말기 그룹
802.11 LAN
이상정
STA3
9
여러 BSS를 하나의 논리 네트워크
(EES: Extended Service Set)으로
연결
Mobile Communications
802.11 - Architecture of
an ad-hoc network
802.11 LAN
 제한된 영역에서 직접 통신
 STA(Station)
• 무선매체에 접근할 수 있는 단말기
STA1
STA3
IBSS1
 IBSS
(Independent Basic Service Set)
• 같은 라디오 주파수를 사용하는 스
테이션의 그룹
STA2
IBSS2
STA5
STA4
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802.11 LAN
이상정
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Mobile Communications
IEEE standard 802.11
fixed
terminal
mobile terminal
infrastructure
network
access point
application
application
TCP
TCP
IP
IP
LLC
LLC
LLC
802.11 MAC
802.11 MAC
802.3 MAC
802.3 MAC
802.11 PHY
802.11 PHY
802.3 PHY
802.3 PHY
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Mobile Communications
802.11 - Layers and functions
 MAC
• 매체 액세스와 사용자 데이터의 단
편화 및 암호화
 PLCP
Physical Layer Convergence Protocol
•
 MAC 관리
• AP와 STA 간의 동기화, AP 간의 로
밍, MAC 관리정보베이스(MIB), 전
력관리
CCA(clear channel assessment)
캐리어 감지 신호
 PMD
Physical Medium Dependent
•
신호의 변조와 코딩
 PHY 관리
•
채널 선택, PHY MIB
LLC
MAC
MAC Management
PLCP
PHY Management
PMD
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Station Management
PHY
DLC
 스테이션 관리
•
모든 관리계층 간 기능의 조정
Mobile Communications
802.11 - Physical layer
 IEEE 802.11은 세 개의 서로 다른 물리 계층
 라디오 전송에 기초한 두 개의 계층
• 주로 2.4 GHZ의 ISM 밴드
• FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)
• 보통 1 Mbit/s 데이터율
• 최소 2.5 frequency hops/s (USA), two-level GFSK 변조
• DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
• DBPSK 변조, 1 Mbit/s (Differential Binary Phase Shift Keying)
• DQPSK 변조, 2 Mbit/s (Differential Quadrature PSK)
• 칩핑 시퀀스
+1, -1, +1, +1, -1, +1, +1, +1, -1, -1, -1 (Barker code)
• 최대 전송전력 1 W (USA), 100 mW (EU), 최소 전송전력 1mW
 적외선에 기초한 한 계층
• 850-950 nm 가시광선, 최대 반경 10 m
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Mobile Communications
FHSS PHY packet format
80
synchronization
16
12
4
16
variable
SFD
PLW
PSF
HEC
payload
PLCP preamble
bits
PLCP header
 동기화
• 010101... 패턴의 80 비트의 동기화로 시작
 SFD (Start Frame Delimiter)
• 0000110010111101 16비트 패턴으로 프레임의 시작표시
 PLW (PLCP_PDU Length Word)
• 페이로드의 길이(32 비트 CRC 포함), 0 ~ 4095
 PSF (PLCP Signaling Field)
• 페이로드의 데이터율 표시 (1 or 2 Mbit/s)
 HEC (Header Error Check)
• CRC with x16+x12+x5+1
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Mobile Communications
DSSS PHY packet format
128
synchronization
16
SFD
8
8
16
signal service length
PLCP preamble
16
HEC
variable
payload
bits
PLCP header
 동기화
• 128 비트가 동기화, 이득 세팅, 에너지 검출 및 주파수 옵셋 보상을 위해
사용
 SFD (Start Frame Delimiter)
•
1111001110100000 16비트 프레임 시작
 신호
• 페이로드의 데이터율 (0A: 1 Mbit/s DBPSK; 14: 2 Mbit/s DQPSK)
 서비스
• 향후 사용을 위해 예비, 00 인 경우 802.11 형식의 프레임을 표시
 페이로드 길이
 HEC (Header Error Check)
• CRC with x16+x12+x5+1
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Mobile Communications
802.11 - MAC layer I - DFWMAC
 트래픽 서비스
• 비동기 데이터 서비스 (필수)
• “최선의 노력(best-effort)” 기반 데이터 패킷 교환
• 브로드캐스트와 멀티캐스트 지원
• DCF (Distributed Coordination Function)
• 시간-제약 서비스(Time-Bounded Service) (선택)
• PCF (Point Coordination Function) 를 사용하여 구현
 액세스 방식
• Distributed Foundation Wireless MAC
• DFWMAC-DCF CSMA/CA (필수)
• 랜덤 백오프(back-off) 방식을 통한 충돌 방지
• 연속적인 패킷들 간의 최소의 거리
• 데이터 수신 후 ACK 패킷
• DFWMAC-DCF w/ RTS/CTS (선택)
• RTS, CTS 패킷으로 숨겨진 단말 문제 해결
• DFWMAC- PCF (선택)
• 액세스 포인트가 리스트에 근거하여 단말기 조사
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Mobile Communications
802.11 - MAC layer II
 우선순위
• 서로 다른 프레임 간격(inter frame spaces, IFS)으로 정의
• 고정적으로 보장된 우선순위는 아님
• SIFS (Short Inter Frame Spacing)
• ACK, CTS, 폴링 응답 등을 위한 높은 우선순위
• PIFS (PCF IFS)
• PCF를 사용한 시간-제약 서비스를 위한 중간
• DIFS (DCF IFS)
• 비동기 데이터 서비스를 위한 낮은 우선순위
DIFS
DIFS
medium busy
PIFS
SIFS
이상정
next frame
t
direct access if
medium is free  DIFS
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contention
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Mobile Communications
802.11 - CSMA/CA access method I
DIFS
DIFS
contention window
(randomized back-off
mechanism)
medium busy
next frame
direct access if
medium is free  DIFS
t
slot time
• 노드가 매체를 감지(sensing)
• CCA(Clear Channel Assessment)로 캐리어 감지
• 매체가 DIFS 동안 사용되지 않으면(idle) 송신 시작
• 매체가 사용 중이면(busy, collision) 노드는 DIFS의 주기동안 기다
린 후 충돌을 피하기 위해 슬롯시간의 배수만큼의 랜덤 백오프 시
간(random back-off time) 동안 더 기다림
• 백오프 시간 동안 다른 노드가 이미 매체를 점유하면 백오프 타이
머 중지
• 다음에 매체 경쟁 시 중지된 이 후부터 카운트 시작하여 공정성 부여
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18
Mobile Communications
DIFS
802.11 - competing stations
- simple version
DIFS
station1
station2
DIFS
boe
bor
boe
busy
DIFS
boe bor
boe
busy
boe busy
boe bor
boe
boe
busy
station3
station4
boe bor
station5
busy
bor
t
busy
medium not idle (frame, ack etc.)
boe elapsed backoff time
packet arrival at MAC
bor residual backoff time
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Mobile Communications
802.11 - CSMA/CA access method II
 유니캐스트 패킷 송신
• 송신기는 DIFS 만큼 기다린 후 데이터 송신
• 수신기는 수신한 패킷이 올바른지 검사하고(CRC) SIFS 만큼 기다
린 후 ACK 응답
• 전송 에러인 경우 자동으로 재전송
DIFS
sender
data
SIFS
receiver
ACK
DIFS
other
stations
waiting time
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20
data
t
contention
Mobile Communications
802.11 - DFWMAC
 유니캐스트 패킷 송신
•
•
•
•
•
송신기는 DIFS 만큼 기다린 후 RTS 전송
수신기는 수신 준비가 되었으면 SIFS 만큼 기다린 후 CTS 응답
송신기는 SIFS 후에 데이터 송신
수신기는 데이터 수신 후 SIFS 만큼 기다린 후 ACK 응답
다른 노드들은 RTS, CTS 수신 후 NAV(net allocation vector) 설정
DIFS
sender
RTS
data
SIFS
receiver
SIFS
CTS SIFS
NAV (RTS)
NAV (CTS)
other
stations
defer access
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21
ACK
DIFS
data
t
contention
Mobile Communications
Fragmentation
DIFS
sender
RTS
frag1
SIFS
receiver
CTS SIFS
frag2
SIFS
ACK1 SIFS
SIFS
ACK2
NAV (RTS)
NAV (CTS)
NAV (frag1)
NAV (ACK1)
other
stations
DIFS
contention
data
t
 사용자 데이터 패킷을 분할하여 전송
•
•
•
•
•
송신기는 SIFS만큼만 기다린 후 첫 데이터 프레임, frag1을 전송
수신기는 데이터 수신 후 SIFS 후에 ACK 송신
송신기는 ACK 수신 후 두 번째 데이터 프레임, frag2을 전송
수신기는 두 번째 ACK 송신
송신기가 이 후 DIFS 동안 다른 데이터 프레임 전송하지 않는다면 다
른 노드들이 매체 점유를 위한 경쟁 백오프 시간 카운트
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Mobile Communications
DFWMAC-PCF I
 PCF(point coordination function)는 액세스 시간을 슈퍼프레임 주기들로
분할한다.
• 슈퍼프레임은 비경쟁 주기(contention-free period)와 경쟁주기(contention
period)로 구성된다.
• 비경쟁 주기 동안에 각 노드를 폴링하여 AP 는 PIFS 다운스트림 데이터 D를
송신
• 해당 노드는 SIFS 후에 업스트림 데이터 U를 전송
t0 t1
SuperFrame
medium busy PIFS
point
coordinator
SIFS
D1
SIFS
U2
NAV
stations‘
NAV
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D2
SIFS
U1
wireless
stations
SIFS
23
Mobile Communications
DFWMAC-PCF II
t2
point
coordinator
D3
PIFS
SIFS
D4
t4
CFend
SIFS
U4
wireless
stations
stations‘
NAV
t3
NAV
contention free period
contention
period
t
• 업스트림 데이터 가 없을 수도 있음
• 비경쟁 주기의 끝은 CFend(end marker) 로 표시
 PCF 만이 사용되고 폴링이 고르게 분포되면, 대역폭이 모든 폴 노드 사이
에서 공평하게 분산된다.
• TDD(time division duplex) 전송의 TDMA(time division multiple access) 시
스템과 유사
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24
Mobile Communications
802.11 - Frame format
bytes
2
2
6
6
6
2
6
Frame Duration/ Address Address Address Sequence Address
Control
ID
1
2
3
Control
4
bits
2
2
4
1
1
1
1
1
1
1
0-2312
4
Data
CRC
1
Protocol
To From More
Power More
Type Subtype
Retry
WEP Order
version
DS DS Frag
Mgmt Data
 Frame Control
•
프레임의 타입(관리, 제어,데이터), MAC 주소 해석, 단편화, 보안(WEP,wired
equivalent privacy), 패킷의 엄격한 순서처리 여부 등을 명시
 Duration/ID
•
매체가 점유되는(μs로) 시간의 주기 또는 식별자로 사용
 4개의 MAC 주소
 Sequence Control
• ACK 손실 시 프레임 중복을 여부를 판단하는데 사용
 Data, CRC
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Mobile Communications
MAC address format
s c e n a rio
a d -h o c n e tw o rk
in fra s tru c tu re
n e tw o rk , fro m A P
in fra s tru c tu re
n e tw o rk , to A P
in fra s tru c tu re
n e tw o rk , w ith in D S
to D S
0
0
fro m
DS
0
1
a d d re s s 1
a d d re s s 2
a d d re s s 3
a d d re s s 4
DA
DA
SA
B S S ID
B S S ID
SA
-
1
0
B S S ID
SA
DA
-
1
1
RA
TA
DA
SA
DS: Distribution System
AP: Access Point
DA: Destination Address
SA: Source Address
BSSID: Basic Service Set Identifier
RA: Receiver Address
TA: Transmitter Address
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이상정
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Mobile Communications
Special Frames: ACK, RTS, CTS
 Acknowledgement
bytes
ACK
2
2
6
Frame
Receiver
Duration
Control
Address
4
CRC
 Request To Send
bytes
RTS
 Clear To Send
bytes
CTS
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2
2
6
6
Frame
Receiver Transmitter
Duration
Control
Address Address
이상정
2
2
6
Frame
Receiver
Duration
Control
Address
27
4
CRC
4
CRC
Mobile Communications
802.11 - MAC management
 MAC 관리는 시스템 통합에 관련된 기능을 제어
 동기화(Synchronization)
• 무선랜을 발견하는 일을 지원하는 기능, 내부 클럭의 동기화, 비
컨 신호의 생성.
 전력관리(Power management)
• 전력관리을 위한 전송 활동을 제어하는 기능, 즉 프레임 손실이
없는 주기적 슬리핑, 버퍼링.
 로밍(Roaming)
• 네트워크에 가입, 액세스 포인트 변경, 액세스 포인트 검색하는
기능
 MIB(Management information base)
• 무선 스테이션과 액세스 포인트의 현 상태를 나타내는 모든 파라
미터들은 내외부 액세스를 위해 MIB 내에 저장
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이상정
28
Mobile Communications
Synchronization using a Beacon
(infrastructure)
 802.11 네트워크의 각 노드는 내부 클럭을 동기화
• TSF(Timing Synchronization Function)
• 동기화된 클럭들은 전원 관리, PCF의 조정 및 FHSS 시스템에서 호핑 시퀀스
의 동기화 등에 사용
 인프라스트럭처 기반 네트워크 내에서는 액세스 포인트가 (준)주기적 비
컨 신호를 전송함으로써 동기화를 수행
• 모든 다른 무선 노드들은 자신의 로컬 타이머를 비컨의 타임스탬프로 조정
beacon interval
access
point
medium
B
B
busy
busy
B
busy
B
busy
t
value of the timestamp
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29
B
beacon frame
Mobile Communications
Synchronization using a Beacon
(ad-hoc)
 애드혹 네트워크에서 비컨 전송을 위한 액세스 포인트가 없
어서 복잡
• 각 노드는 자신의 동기 타이머를 유지
• 비컨 인터벌 후에 각 노드는 비컨 프레임의 전송을 시작
• 서로 비컨 전송 시 충돌이 발생 가능성
• 충돌을 줄이기 위해 표준 랜덤 백오프 알고리즘 적용
beacon interval
station1
B1
B1
B2
station2
medium
busy
busy
B2
busy
busy
t
value of the timestamp
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이상정
B
30
beacon frame
random delay
Mobile Communications
Power management
 무선 장치들은 배터리로 구동되어서 전력관리가 필요
• 표준 랜 프로토콜들은 수신기들이 데이터 수신을 하지 않더라도 항상 데이
터를 받을 준비가 되어 있다고 가정
• 이러한 반영구적인 준비는 수신기 전류가 100mA까지 올라감에 따라 배터
리 수명에 치명적
 IEEE 802.11 전원 관리
• 송수신이 일어나지 않는 경우 전원을 끔(sleep)
• 언제 송수신이 일어나는지를 모르므로 노드들은 주기적으로 깨어나야 함
(wake up)
• 송신기가 sleep 상태의 노드로 전송할 데이터가 있으면 버퍼링해야 한다.
• 버퍼링된 노드의 목적지 노드가 wake up 상태로 되면 버퍼링 패킷을 전송
• TSF(Timing Synchronization Function)를 사용하여 노드들의 시간을 동
기화
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이상정
31
Mobile Communications
Power management
in infrastructure network
 전력관리 모드로 동작하는 노드들로 송신되는 모든 데이터는 액세스
포인트(AP)가 버퍼링한다.
 액세스 포인트는 주기적으로 TIM 전송
• TIM(Traffic Indication Map)은 AP에 버퍼링된 유니캐스트 데이터의 목적
지 노드들의 리스트가 저장
• 각 노드들은 TIM 주기마다 wake up 되어 TIM을 수신
• 각 노드들은 TIM에서 자신이 포함되어 있으면 wake up을 연장, 포함되지
않았으면 sleep
• AP는 TIM 리스트의 각 노드와 데이터를 송수신
 AP는 또한 브로드캐스트/멀티캐스트 프레임을 위해 주기적으로 DTIM
전송
• DTIM(Delivery Traffic Indication Map)은 브로드캐스트/멀티캐스트 데이
터의 목적지 노들의 리스트가 저장
• TIM 인터벌의 배수로 지정
 TIM 인터벌이 짧으면 자연도 짧아지지만 전력소모의 절약 효과도 작아
진다.
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이상정
32
Mobile Communications
Power saving with wake-up patterns
(infrastructure)
 첫번째 인터벌(DTIM 인터벌의 시작)의 wake up 시 브로드캐스트/멀티캐스트
데이터 송신
 두번째 TIM 인터벌에서는 송수신 데이터 없음
 세번째 TIM 인터벌에서 노드가 PS(power saving) 폴을 응답하고 wake up을
유지하여 버퍼링 데이터 송수신
 두번째 DTIM 인터벌에서 브로드캐스트/멀티캐스트 데이터 송신
TIM interval
access
point
DTIM interval
D B
T
T
busy busy
medium
d
D B
busy
busy
p
station
d
t
T
TIM
D DTIM
awake
B broadcast/multicast p PS poll
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이상정
33
d data transmission
to/from the station
Mobile Communications
Power management
in ad-hoc network
 애드혹 네트워크에서는 버퍼링할 AP가 없어서 각 노드가
데이터를 버퍼링할 수 있어야 한다.
 모든 노드들은 깨어 있는 동안 버퍼링된 프레임의 리스트
를 각 노드에 알려준다.
• ATIM(Ad-hoc Traffic Indication Map)에 리스트 포함
• 각 노드들은 비컨 주기에 동기화되어 wake up
• ATIM 윈도우 주기 동안에 버퍼링된 목적지 통지
 그림 예
• 첫 번째, 두 번째 주기동안에는 버퍼링 프레임 없음
• 세번째에서 노드 1인 ATIM을 보내고 노드 2가 이에 응답하면 노드
1은 데이터를 송신한다. 데이터 수신 후 노드 2는 응답 데이터 전송
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이상정
34
Mobile Communications
Power saving with wake-up patterns
(ad-hoc)
ATIM
window
station1
beacon interval
B1
A
B2
station2
B2
D
a
B1
d
t
B
beacon frame
awake
순천향대학교 정보기술공학부
random delay
a acknowledge ATIM
이상정
35
A transmit ATIM
D transmit data
d acknowledge data
Mobile Communications
802.11 - Roaming
 한 액세스 포인트에서 또다른 액세스 포인트로 이동을
로밍이라 한다.
 액세스 포인트(AP) 간에 로밍 단계
• 스캐닝(scanning)
• 매체를 경청하거나 비컨을 수신 또는 폴링하여 AP 검색
• 연관 요청(association request)
• 신호 세기가 큰 AP 선택하여 연관요청을 송신
• 연관 응답(association response)
• 새로운 AP가 요청에 응답하면 로밍이 성공, 응답이 없으면 다른 AP 검
색
• 응답을 하는 AP는 분산 시스템(DS)에 이 노드의 위치 정보 등 데이터
베이스를 갱신
• DS는 이전 액세스 포인트가 통지하여 전 AP가 리소스 해제하도록 함
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
36
Mobile Communications
WLAN: IEEE 802.11b
 첫 상업적 802.11 제품이 시장에 나오자마자 몇몇 회사들이 공통 표준 IEEE
802.11b(IEEE 1999)을 발표
•
원래 표준에 2.4 GHz 밴드의 고속 물리계층 확장
 데이터율
•
1, 2, 5.5, 11 Mbit/s 이고 최대 사용자 데이터율 6 Mbit/s
 전송반경
•
야외 300m, 실내 30m로 10m 이내의 실내에서 최대 데이터율
 주파수
•
2.4 GHz ISM-밴드
 QoS(Quality of Service)
•
최선의 노력을 사용하며, QoS 보장을 하지 않음
 장점
•
많은 회사와 시스템이 채택하고 free ISM-band를 사용하며 단순한 시스템
 단점
•
ISM-밴드의 간섭 빈번하고 QoS 보장하지 않으며 속도 느림
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
37
Mobile Communications
IEEE 802.11b – PHY frame formats
Long PLCP PPDU format
128
16
synchronization
SFD
8
8
16
16
signal service length HEC
PLCP preamble
bits
variable
payload
PLCP header
192 µs at 1 Mbit/s DBPSK
1, 2, 5.5 or 11 Mbit/s
Short PLCP PPDU format (optional)
56
short synch.
16
SFD
8
8
16
signal service length HEC
PLCP preamble
(1 Mbit/s, DBPSK)
variable
payload
PLCP header
(2 Mbit/s, DQPSK)
96 µs
순천향대학교 정보기술공학부
16
이상정
2, 5.5 or 11 Mbit/s
38
bits
Mobile Communications
WLAN: IEEE 802.11a
 IEEE 802.11a는 US 5 GHz U-NII(Unlicensed National Information
Infrastructure) 밴드 사용
•
초기에 의도하기는 OFDM을 사용하여 54Mbit/s까지 제공 (IEEE, 1999).
 데이터율
•
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s 로 6, 12, 24 Mbit/s 제공은 필수
 전송반경
•
야외 100m, 실내 10m
 주파수
•
5.15-5.25, 5.25-5.35, 5.725-5.825 GHz ISM-밴드
 QoS(Quality of Service)
•
최선의 노력을 사용하며, QoS 보장을 하지 않음
 장점
•
덜 사용하는 5GHz free ISM-band를 사용하며 단순한 시스템
 단점
•
높은 주파수로 인해 차폐(shading)가 더 잘되며 QoS 보장하지 않음
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
39
Mobile Communications
IEEE 802.11a – PHY frame format
4
1
12
1
rate reserved length parity
6
16
tail service
variable
6
variable
payload
tail
pad
bits
PLCP header
PLCP preamble
12
순천향대학교 정보기술공학부
signal
data
1
variable
6 Mbit/s
6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s
이상정
40
symbols
Mobile Communications
WLAN: IEEE 802.11
– future developments (08/2002)
 802.11d
• 국가 간 규제 갱신, completed
 802.11e
• QoS 보장을 위해 MAC 개선, ongoing
 802.11f
• Inter-Access Point Protocol, ongoing
 802.11g
• Data Rates > 20 Mbit/s at 2.4 GHz; 54 Mbit/s, OFDM,
ongoing
 802.11h
• 802.11a의 주파수 스펙트럼 조정, ongoing
 802.11i
• Enhanced Security Mechanisms, ongoing
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
41
Bluetooth
Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
Mobile Communications
Bluetooth
 등장배경
• 애드 혹 무선연결을 위한 범용 라디오 인터페이스
• IrDA를 대체하여 컴퓨터 주변장치, PDA, 핸드폰 등의 연결
• 저렴한 가격으로 다른 장치에 임베디드
• 저전력 소모, 10m 반경 통신, 2.45 GHz ISM
• 데이터율은 1 Mbit/s이며, 비동기 (데이터)와 동기 (음성) 서비스
제공
One of the first modules (Ericsson).
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
43
Mobile Communications
Bluetooth
 역사
• 1994: 스웨덴 Ericsson이 “MC-link” 프로젝트
• 프로젝트의 이름이 개명
(was:
• 10세기 덴마크의 왕인 Harald Gormsen(Gorm의 아들)
• 거무스름한 피부로 별명 “Blåtand” , 푸른 이-blue tooth가 아님
• 그의 부모를 기려 덴마크, Jelling에 rune stone
– Harald가 노르웨이와 덴마크를 통일
– 스칸디나비아에 기독교를 일으켰기 때문에 예수 그림 각인
• 1998: 블루투스 SIG 설립, www.bluetooth.org
• 1999: Harald Gormsen를 기념하여 스웨덴 Lund에 비석 건립
• 2001: 최초의 상용 제품, 버전 1.1 발표
 SIG(Special Interest Group)
• 창립멤버: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba
• 가입멤버: 3Com, Agere (was: Lucent), Microsoft, Motorola
• 2500 이상 멤버로 구성되고 공통사양 개발 및 제품인정
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
44
)
Mobile Communications
History and hi-tech…
1999:
Ericsson mobile
communications AB
reste denna sten till
minne av Harald
Blåtand, som fick ge
sitt namn åt en ny
teknologi för trådlös,
mobil kommunikation.
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
45
Mobile Communications
…and the real rune stone
Located in Jelling, Denmark,
erected by King Harald “Blåtand”
in memory of his parents.
The stone has three sides – one side
showing a picture of Christ.
Inscription:
"Harald king executes these sepulchral
monuments after Gorm, his father and
Thyra, his mother. The Harald who won the
whole of Denmark and Norway and turned
the Danes to Christianity."
This could be the “original” colors
of the stone.
Inscription:
“auk tani karthi kristna” (and
made the Danes Christians)
Btw: Blåtand means “of dark complexion”
(not having a blue tooth…)
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
46
Mobile Communications
Characteristics I
 신호특성
• 2.4 GHz ISM 밴드, 79 RF 채널, 1 MHz 캐리어 간격
• 채널 0: 2402 MHz … 채널 78: 2480 MHz
• G-FSK 변조, 1-100 mW 전송전력
 FHSS와 TDD
• 1600 hops/s 주파수 호핑(frequency hopping)
• 마스터에 의해 결정되는 의사난수(pseudo random) 형태의 호핑 시퀀스
• 송수신이 TDD(Time division duplex)로 분리
 음성 링크
• 동기식 연결 지향(Synchronous Connection Oriented, SCO) 링크
• 전통적인 전화연결과 같이 대칭적 회선스위치(circuit-switched)
점대점(point-to-point) 연결
• 64 kbit/s 전송률
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
47
Mobile Communications
Characteristics II
 데이터 링크
• 비동기식 무연결(Asynchronous Connectioness, ACL) 링크
• 대칭적 또는 비대칭적 패킷스위치 점대다(point-to-multipoint) 전
송 시나리오
• 최대 433.9 kbit/s 대칭 전송율
• 723.2/57.6 kbit/s 비대칭 전송율
 토폴로지
• 여러 피코넷(piconets,stars)들이 스캐터넷(scatternet)을 형성
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
48
Mobile Communications
Piconet
 피코넷은 동일한 호핑 시퀀스에 동기화되어
애드혹으로 연결된 블루투스 기기 모음
• 피코넷의 어떤 한 기기가 마스터로 동작하고
나머지 모든 기기들은 슬레이브로 동작
• 마스터가 피코넷의 호핑 패턴을 결정하고, 슬
레이브는 이 패턴에 동기화
• 피코넷의 참여 = 호핑 시퀀스에 동기화
• 한 개의 마스터와 동시에 최대 7개 슬레이브
(블루투스 주소 3비트)
• 동일한 1 MHz 채널을 공유
• 200개 이상의 대기상태 기기
• 그림
• 대기상태(parked device) 기기는 비활성화된
노드로 수 밀리초내에 활성화되는 노드
• 준비상태(stand-by) 기기는 피코넷에 참여하
지 않는 노드
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
49
P
S
S
M
P
SB
S
P
M=Master
S=Slave
SB
P=Parked
SB=Standby
Mobile Communications
Forming a piconet
 동작중인 기기 모두는 동일한 호핑 시퀀스에 동기를 맞추어야 한다.
• 첫 단계로 마스터가 자신의 클럭과 기기 ID를 슬레이브에게 전송
• 모든 블루투스 기기들은 동일한 네트워크 능력을 갖고 마스터, 슬레이브가
될 수도 있다.
• 호핑 패턴은 48-비트의 전세계에서 유일한 식별자인 기기 ID에 의해 결정
• 호핑 패턴의 단계(phase)는 마스터의 클럭에 의해 결정
• 동작중인 모든 기기들에 3-비트의 AMA(active member address) 할당
• 대기상태의 모든 기기들은 8-비트의 PMA(parked member address)를 사
용

SB
SB
SB 
SB
SB
 
P
S
SB
SB
SB
SB
순천향대학교 정보기술공학부
SB
이상정
50
S
M
P
S
P 
SB
Mobile Communications
Scatternet
 인접한 피코넷 간에는 공통의 슬레이브나 마스터를 통하여
서로 연결하여 통신
P
S
Piconets
(each with a
capacity of
< 1 Mbit/s)
S
S
M
M
SB
M=Master
S=Slave
P=Parked
SB=Standby
순천향대학교 정보기술공학부
P
P
S
P
SB
SB
S
이상정
51
Mobile Communications
Bluetooth protocol stack I
audio apps.
NW apps.
vCal/vCard
TCP/UDP
OBEX
telephony apps.
AT modem
commands
IP
mgmnt. apps.
TCS BIN
SDP
BNEP PPP
Control
RFCOMM (serial line interface)
Audio
Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)
Link Manager
Baseband
Radio
AT: attention sequence
OBEX: object exchange
TCS BIN: telephony control protocol specification – binary
BNEP: Bluetooth network encapsulation protocol
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
52
SDP: service discovery protocol
RFCOMM: radio frequency comm.
Core specification
Profile specification
Host
Controller
Interface
Mobile Communications
Bluetooth protocol stack II
 라디오
• 무선 인터페이스에 대한 사양, 즉 주파수와 변조 및 전송 전력
 베이스밴드
• 기본적인 연결 설정과 패킷 형식 및 기본적인 QoS 파라미터에 대
한 기술
 링크관리 프로토콜
• 보안 기능과 파라미터 협상을 포함한 기기들 간의 링크 설정과 관
리
 논리적 링크 제어와 적응 프로토콜 (L2CAP)
• 더 높은 계층들을 베이스밴드에 적응 (무연결 및 연결-지향의 서
비스)
 서비스 발견 프로토콜(SDP)
• 근접 거리에 있는 기기 발견과 서비스 특성에 대한 조회
 RFCOMM
• EIA-232(이전에는 RS-232) 표준을 따르는 무선 시리얼 라인 인터
페이스
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
53
Mobile Communications
Bluetooth protocol stack III
 TCS BIN
• 블루투스 기기들 간의 음성 및 데이터 호 수립을 위한 호 제어 시그
널링을 정의하는 비트-지향의 프로토콜을 기술
• 이동성과 그룹 관리 기능도 기술
 HCI(host controller interface)
• 베이스밴드 제어기와 링크 관리기에게 코맨드 인터페이스를 제공
하고, 하드웨어 상태와 제어 레지스터에 대한 액세스도 제공
• HCI는 하드웨어/소프트웨어 경계선
 인터넷 응용은 PPP나 BNEP를 통해 동작하는 표준 TCP/IP
스택을 사용
 전화 응용은 마치 표준 모뎀을 사용하고 있는 것처럼 AT
모뎀 명령을 사용
 달력과 명함객체(vCalendar/vCard)는 IrDA 인터페이스와
공용인 OBEX(object exchange protocol)를 사용하여 교
환
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
54
Mobile Communications
Radio layer
 라디오 특성
•
•
•
•
2.4 GHz ISM 밴드, 79 RF 채널, 1 MHz 캐리어 간격
G-FSK 변조, 1-100 mW 전송전력
1600 hops/s 주파수 호핑(frequency hopping)
송수신이 TDD(Time division duplex)로 분리
 세 개의 전력 클래스
• 전력 클래스 1
• 최대 전력은 100 mW이고 최소는 1 mW, 100 m 반경
• 전력 제어는 필수
• 전력 클래스 2
• 최대 전력은 2.5 mW이고, 정상 전력은 1 mW이며, 최소 전력은 0.25 mW, 10
m 반경
• 전력 제어는 선택적
• 전력 클래스 3
• 최대 전력은 1 mW
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
55
Mobile Communications
Baseband layer
 베이스밴드 계층의 기능
• 간섭 완화와 매체 액세스를 위한 주파수 호핑 수행
• 물리적 링크와 많은 패킷 형식도 정의
 주파수 선택(그림 7.45)
• 마스터가 fk로 데이터를 보내면, 슬레이브는 fk+1로 응답
• 송수신이 TDD(Time division duplex)로 분리
• 데이터 전송을 위해 625 us의 한 개 시간슬롯 사용
• 각 슬롯에 마스터나 7개의 슬레이브 중 하나가 교대 형식으로 데이
터를 전송
• 더 높은 데이터율을 위한 3-슬롯과 5-슬롯 패킷(멀티-슬롯 패킷)
정의
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
56
Mobile Communications
Frequency selection
during data transmission
625 µs
fk
M
fk+1
fk+2
fk+3
fk+4
fk+5
fk+6
S
M
S
M
S
M
t
fk
fk+3
fk+4
fk+5
fk+6
M
S
M
S
M
t
fk
fk+1
M
S
fk+6
M
t
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
57
Mobile Communications
Baseband packet
 3개의 필드로 구성
• 액세스코드는 패킷의 첫 번째 필드로서 타이밍 동기화와 피코넷 식
별
• 패킷헤더 필드는 전형적인 계층 2의 특징(주소, 패킷 형태, 흐름과
에러 제어 및 체크섬)을 포함
• 페이로드는 최대 343 바이트까지 전송되며 링크 형태(SCO,ACL)
에 따라 페이로드 필드의 구성은 다름
68(72)
54
0-2745
access code packet header
4
preamble
64
sync.
(4)
3
(trailer) AM address
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
bits
payload
4
1
1
1
8
type
flow
ARQN
SEQN
HEC
58
bits
Mobile Communications
Baseband data rates
ACL
1 slot
3 slot
5 slot
SCO
Type
Payload User
Header Payload
[byte]
[byte]
FEC
CRC
Symmetric Asymmetric
max. Rate max. Rate [kbit/s]
[kbit/s]
Forward
Reverse
DM1
1
0-17
2/3
yes
108.8
108.8
108.8
DH1
1
0-27
no
yes
172.8
172.8
172.8
DM3
2
0-121
2/3
yes
258.1
387.2
54.4
DH3
2
0-183
no
yes
390.4
585.6
86.4
DM5
2
0-224
2/3
yes
286.7
477.8
36.3
DH5
2
0-339
no
yes
433.9
723.2
57.6
AUX1
1
0-29
no
no
185.6
185.6
185.6
HV1
na
10
1/3
no
64.0
HV2
na
20
2/3
no
64.0
HV3
na
30
no
no
64.0
DV
1D
10+(0-9) D 2/3 D yes D
64.0+57.6 D
Data Medium/High rate, High-quality Voice, Data and Voice
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
59
Mobile Communications
SCO payload types
• 동기식 연결 지향(Synchronous Connection Oriented, SCO) 링크
• 전통적인 전화연결과 같이 대칭적 회선스위치(circuit-switched)
점대점(point-to-point) 연결
payload (30)
HV1
audio (10)
HV2
FEC (20)
audio (20)
HV3
DV
FEC (10)
audio (30)
audio (10)
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
header (1)
payload (0-9)
2/3 FEC
CRC (2)
(bytes)
60
Mobile Communications
ACL Payload types
• 비동기식 무연결(Asynchronous Connectioness, ACL) 링크
• 대칭적 또는 비대칭적 패킷스위치 전송, 점대다(point-to-multipoint)
연결
payload (0-343)
header (1/2)
DM1 header (1)
DH1 header (1)
DM3
header (2)
DH3
header (2)
DM5
header (2)
DH5
header (2)
AUX1 header (1)
순천향대학교 정보기술공학부
payload (0-339)
payload (0-17)
2/3 FEC CRC (2)
payload (0-27)
payload (0-121)
CRC (2)
2/3 FEC
payload (0-183)
payload (0-224)
payload (0-339)
payload (0-29)
이상정
CRC (2)
61
(bytes)
CRC (2)
CRC (2)
2/3 FEC
CRC (2)
CRC (2)
Mobile Communications
Baseband link types
 폴링 기반 TDD 패킷 전송
• 625µs 슬롯, 마스터가 슬레이브에 폴링
 SCO (Synchronous Connection Oriented), 음성
• 주기적인 단일 슬롯 할당, 64 kbit/s 양방향, 점대점 연결
 ACL (Asynchronous ConnectionLess), 데이터
• 가변 패킷 크기(1,3,5 슬롯), 비대칭 대역폭, 점대다 연결
MASTER
SLAVE 1
SCO
f0
ACL
f4
SCO
f6
f1
SLAVE 2
순천향대학교 정보기술공학부
ACL
f8
f7
SCO
f12
f9
SCO
f18
f13
62
ACL
f20
f19
f17
f5
이상정
ACL
f14
f21
Mobile Communications
Robustness
 블루투스 데이터 전송의 견고성은 여러 기술에 기반
• FH-CDMA는 스캐터넷내의 여러 피코넷을 분리
• FHSS는 2.4 GHz ISM 밴드에서 동작하는 다른 기기들과의 간섭을 완화
• FEC는 전송 에러를 정정하는데 사용
Error in payload
(not header!)
NAK
MASTER
A
SLAVE 1
C
B
C
F
D
H
E
SLAVE 2
순천향대학교 정보기술공학부
G
이상정
ACK
63
G
Mobile Communications
Baseband states of a Bluetooth device
unconnected
standby
detach
inquiry
transmit
AMA
park
PMA
connected
AMA
hold
AMA
Standby: do nothing
Inquire: search for other devices
Page: connect to a specific device
Connected: participate in a piconet
순천향대학교 정보기술공학부
page
이상정
sniff
AMA
connecting
active
low power
Park: release AMA, get PMA
Sniff: listen periodically, not each slot
Hold: stop ACL, SCO still possible, possibly
participate in another piconet
64
Mobile Communications
L2CAP - Logical Link Control
and Adaptation Protocol
 베이스밴드 계층 위에서 제공되는 데이터 링크 프로토콜
• QoS 특성과 더불어 블루투스 기기들 간에 논리적 채널을 제공
• ACL에 대해서만 가용
• 프로토콜 멀티플렉싱: RFCOMM, SDP, telephony control

3가지 형태의 논리적 채널을 제공한다
• 무연결(connectionless)
• 이 단방향 채널은 마스터에서 슬레이브(들)로의 방송을 위해 사용
• 연결-지향(connection-oriented)
• 각 채널은 양방향성이고 각 방향을 위한 QoS 흐름 사양(데이터율,지연,지터,최
대 버스트 크기 등)을 지원
• 시그널링(signaling)
• L2CAP 실체 사이의 시그널링 메시지 교환을 위해 사용
 각 채널은 자신의 CID(channel identifier)로 식별
• 시그널링 채널은 항상 CID 값 1을 사용하고, CID 값 2는 무연결 채널을 위
해 예약
• 연결-지향의 CID는 동적으로 할당(3에서 63)
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
65
Mobile Communications
L2CAP logical channels
Master
Slave
L2CAP
L2CAP
2
d
Slave
L2CAP
1
1 d d d d 1
baseband
baseband
signalling
ACL
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
connectionless
66
1
baseband
connection-oriented
d
d
2
Mobile Communications
L2CAP packet formats
• PSM(protocol/service multiplexor)
• 코드: 명령 거부, 연결 요청, 단절 응답 등 표시
Connectionless PDU
2
2
length
CID=2
2
PSM
0-65533
payload
Connection-oriented PDU
2
2
length
CID
0-65535
payload
Signalling command PDU
2
2
length
CID=1
이상정
bytes
bytes
One or more commands
1
code
순천향대학교 정보기술공학부
bytes
1
ID
67
2
length
0
data
Mobile Communications
Security I
 블루투스가 제공하는 주요 보안 특징
• 인증을 위한 시도-응답(challenge-response)루틴
• 암호화를 위한 일련의 암호 부호 및 세션 키 생성
 보안 처리 단계
• 사용자는 비밀 PIN을 입력(16 바이트)
• PIN과 기기 주소 및 난수에 기초하여 인증을 위한 링크 키 생성
• 링크 키와 인증 동안 생성된 값들과 난수에 기초한 암호화 키 생성
• 암호화 키와 기기 주소와 현재의 클럭에 기초하여 페이로드 키 생
성
• 사용자 데이터 암호문은 사용자 데이터와 페이로드 키를 단순히
XOR하여 생성
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
68
Mobile Communications
Security II
PIN (1-16 byte)
User input (initialization)
Pairing
PIN (1-16 byte)
E2
Authentication key generation
(possibly permanent storage)
E2
link key (128 bit)
Authentication
link key (128 bit)
E3
Encryption key generation
(temporary storage)
E3
encryption key (128 bit)
Encryption
encryption key (128 bit)
Keystream generator
Keystream generator
Ciphering
payload key
payload key
Cipher data
Data
Data
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
69
Mobile Communications
SDP – Service Discovery Protocol
 서비스를 발견하는 요청/응답(Inquiry/response) 프로토콜
• 라디오 반경 내에서 서비스를 탐색
• 서비스의 발견에 대해서만 정의하고 있고 그 사용에 대해서는 정의
하지 않음
• 서비스를 제공하기를 원하는 기기들은 SDP 서버를 설치하고, 다른
모든 기기들에 대해서는 SDP 클라이언트
 서비스 레코드 형식
• 서비스 속성(attribute)에 대한 리스트로 구성
• 속성은 16 비트 ID(이름)과 속성 값으로
• 속성 값은 정수나 UUID(universally unique identifier), 스트링, 불
리안, URL(uniform resource locator) 등이 될 수 있음
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
70
Mobile Communications
Additional protocols
to support legacy protocols/apps.
 RFCOMM
• EIA-232(이전에는 RS-232) 표준을 따르는 무선 시리얼 라인 인터
페이스
• 하나의 물리채널에 여러 개의 포트들 허용
 TCS(Telephony Control Protocol Specification)
• 호를 설정하고 해제하는 호 제어(Call control) 시그널링 정의
• 이동성과 그룹 관리 기능
 OBEX(object exchange protocol)
• 달력과 명함객체(vCalendar/vCard) 등 교환
• IrDA 대체
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이상정
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Mobile Communications
Profiles
 특정 응용에 대한 디폴트 해법을 표현
 기본 프로파일
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포괄적인 액세스 프로파일
서비스 발견 응용 프로파일
코드리스 폰 프로파일
인터콤 프로파일
시리얼 포트 프로파일
헤드셋 프로파일
다이얼-업 네트워킹 프로파일
팩스 프로파일
LAN 액세스 프로파일
포괄적인 객체 교환 프로파일
객체 푸시 프로파일
파일 전송 프로파일
동기화 프로파일
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
Applications
Protocols
• 프로토콜 스택의 수직적인 조각들
• 상호작용 및 호환성
Profiles
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Additional Profiles
Advanced Audio Distribution
PAN
Audio Video Remote Control
Basic Printing
Basic Imaging
Extended Service Discovery
Generic Audio Video Distribution
Hands Free
Hardcopy Cable Replacement
CRC(Cyclical redundancy Check)
• http://netwk.hannam.ac.kr 한남대데이터통신 강의자료 참조
• 04-chap09-한남대.ppt
Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
Mobile Communications
CRC I
 순환 중복 검사(CRC: Cyclic Redundancy Check)
• 2진 나눗셈을 이용
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Mobile Communications
CRC II
 CRC 발생기
• 모듈러-2 나눗셈을 이용
 2진 나눗셈
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
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Mobile Communications
CRC III
 다항식
• CRC 발생기는 1과 0의 스트링 보다는 대수식으로 표현
순천향대학교 정보기술공학부
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Mobile Communications
CRC IV
 하나의 다항식은 하나의 젯수를 표현
순천향대학교 정보기술공학부
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CRC V
 표준 다항식
순천향대학교 정보기술공학부
이상정
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