[Network] 무선 네트워크 : Wireless LAN(Wi-Fi)

Wi-Fi

 

 

802.11:  1999년경 발표된 802.11b부터 ~ 2014, 2016년에 발표된 802.11ac까지 802.11이라는 것이 전체적으로 와이파이 기술을 의미한다.

11a, 11b, 11g 기술은 한 채널에 약 20Mhz 범위를 가진다. 하지만 n부터는 한 채널에 약 40Mhz 범위를 가지게 된다.

 

802.15: WPAN(Wireless Personal Area Network) 즉, 블루투스 같이 전송범위는 넓지 않지만 전력을 적게 소모하는 기술이다.

 

2G, 3G, 4G 등등: 휴대폰과 관련된 기술이다.

 

 

 

 그림의 각 BSS를 보면 2개의 안테나를 가진 공유기처럼 생긴 물체가 있다. 이를 BaseStation(이하 기지국)이라고 한다.

하지만 Wifi에서는 기지국이라고 잘 부르지 않고 AP(Access Point)라고 부른다.

그리고 이런 하나의 AP가 커버하는 영역을 BSS(Basic Service Set)이라고 부른다. 

  

  

802.11b 영역

 

802.11은 보통 채널을 11개로 나눠서 사용을 한다.

2.4~2.485Ghz 대역을 사용하는 802.11b를 예로 들어보자.

 

802.11b는 약 80Mhz 영역을 사용함을 알 수 있다. 그리고 11b는 한 채널당 20Mhz 범위를 사용하기 때문에 80Mhz를 11개의 대역으로 나누려고 하면 겹치는 부분이 반드시 발생할 수밖에 없다. 그래서 되도록 이웃하는 채널 같은 경우에는 서로 겹치지 않도록 사용하는것이 가장 좋기 때문에 가장 많이 사용되는 채널이 1, 6, 11 번 채널이다.(위 그림 참고)

 

1, 6, 11 채널을 사용하는 경우에 만약 내 주변에 간섭을 일으킬 수 있는 다른 AP가 2개 더 있을 때, 해당 AP들과 내(AP)가 서로 1번, 6번 또는 11번을 나눠쓰면 겹치지 않고 쓸 수 있기 때문이다.

 

하지만 AP가 4개 이상인 경우 어쩔 수 없이 겹치는 채널을 사용할 수밖에 없다.

중요한 점은 간섭을 최소화 하기 위해서 1, 6, 11 번 채널을 최우선으로 사용한다는 점이다.

 

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AP 연결 과정

1. 각 AP들은 beacon 메시지를 보낸다. beacon 메시지에는 AP의 이름(SSID)과 AP의 MAC 주소가 담겨있다.
2. 호스트는 beacon 메시지를 스캔하고 그 중 하나를 선택해서 association request라는 메시지를 보내게 된다. 이 과정에서 AP는 암호를 요구할 수도, 하지 않을 수도 있다.
3. request에 대한 association response 메시지를 호스트가 받게 되면 연결이 된다.
4. 그리고 호스트는 AP를 통한 DHCP 기술을 이용해 IP 주소를 얻게 된다. 일반적으로 집에서 Wifi를 연결한다고 가정하면 AP는 호스트에게 사설 IP를 할당해 줄 것이다.

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AP 프레임(802.11 프레임)

 

이더넷 프레임과 비슷한 면이있다. CRC 코드가 4byte 붙게 되고, frame control bit가 있다.

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이 중에서 4개나 되는 address를 살펴보자.

address1 : 수신자(AP)의 MAC 주소

address2 : 송신자(호스트)의 MAC 주소

address3 : AP와 연결된 라우터, 기본게이트웨이의 MAC 주소

address4 : ad hoc 모드로 사용하는 주소 필드

 

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AP 프레임 관점에서 본 AP 연결

Host1이 AP에게 메시지를 보낸다고 가정하자.

AP프레임에는 먼저 Host1의 MAC주소, AP의 MAC주소가 담길 것이다. 그리고 AP가 연결된 라우터의 MAC주소가 담긴다.

위 정보를 가진 패킷이 전송되고, AP에 메시지가 전달이 되면 AP는 AP의 MAC주소 부분을 제거하고 목적지 MAC주소를 라우터의 MAC주소로 쓰고, 출발지 MAC 주소를 Host1의 MAC주소를 사용한 이더넷 프레임을 만들어서 라우터로 전달을 한다.

 

결국 호스트가 보낸 802.11프레임은 사라지고 이더넷 프레임으로 바뀌게 된다.

그래서 무선 네트워크를 통해 전송된 패킷이 유선 이더넷 망에 똑같이 접속해 데이터가 전달될 수 있는 것이다.     

 

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802.11의 rate adaptation

먼저 SNR(Signal-to-Noise Ratio: 신호대 잡음비)에 대해서 알아야 한다.

SNR의 의미는 신호가 가무리 강하더라도 잡음보다 크게 강하지 않으면 신호를 제대로 수신하기가 힘들다는 뜻이다.

그래서 SNR값이 클 수록 수신성공률이 높다는 의미이다.

 

그리고 BER(Bit-Error Rate)은 통신할 때 에러가 얼마나 많이 발생하는지를 나타내는 지표이다.

 

그래서 SNR과 BER은 서로 tradeoff 관계에 있다고 말할 수 있다.

 

 

QAM256을 선택해 8Mbps속도로 전송하는 시스템을 사용한 경우를 보자.(파란색 점선)

SNR이 30db이상인 경우에 BER이 10^-6으로 매우 작게 나타난다.

하지만 SNR이 25db정도만 되어도 BER이 10^-2으로 꽤 크게 나타남을 볼 수 있다. 따라서 SNR값이 클 수록 빠르게 전송할 수 있음을 확인할 수 있다.

 

그리고 BPSK를 선택해 1Mbps속도로 전송하는 시스템을 사용한 경우를 보자.(노란색 실선)

SNR이 10도 되지 않지만 10^-7 보다 작은 BER 을 가지고 전송함을 볼 수 있다. 전송 속도를 낮춘다면 낮은 SNR값에서도 안정적으로 데이터를 전송할 수 있음을 알 수 있다.

 

그래서 Wifi에서는 rate adaptation이라는 기술을 적용해서 현재 SNR에 대해 동적으로 data rate을 변화시킨다.

Wifi가 QAM256기법을 사용하다가 SNR값이 낮아져서 BER이 10^-2 정도로 높아지면 Wifi는 자동으로 QAM256에서 QAM16을 사용해 BER값을 낮추는 방식을 사용한다.

따라서 Wifi가 SNR에 따라 전송률을 동적으로 변화시키는 방식을 통해 성공률을 항상 어느정도 유지한다고 볼 수 있다.