13. 무선 LAN과 IEEE 802_11 프로토콜

목차

1. 무선 LAN과 무선미디어

2. 무선 LAN의 전송기술

3. IEEE 802. 11 WLAN 표준화

 

13.1 무선 LAN과 무선 미디어

13.1.1 무선 LAN

무선 LAN(Local Area Network, 근거리 통신망) 기술이란?

일정 범위 내의 사용자로 하여금 어느 곳에서든지 어떠한 물리적인 연결 없이도 네트워크에 접속이 가능하도록 하는 새로운 LAN기술

 

무선접속장치(AP)가 설치된 곳의 일정 거리 안에서 다수의 컴퓨터가 무선으로 연결된 상태의 LAN 이다. 주파수 도약 확산 스펙트럼 기술이나 OFDM 변조 기술 등을 사용하여 제한된 지역 안에 있는 장치나 기기끼리 상호간 데이터 통신이 가능하다.

 

무선주파수를 이용하므로 물리적 회선은 불필요하나 노트북 컴퓨터에는 무선 LAN카드가 장착되어 있어야 한다.

 

13.1.2 무선 LAN 구조

유선 LAN과 연결되어 있는 서버와 접속하기 위해 무선AP라고 하는 장치를 사용한다. 휴대용 단말기나 노트북 등은 AP장치를 이용하여 무선 LAN에 접속하게 된다.

 

13.1.3 무선 주파수 특성

무선 주파수는 라디오 방송, TV, 휴대전화와 같은 수많은 응용 시스템에서 광범위하게 이용한다. 하지만 무선파장이 쉽게 벽이나 문과 같은 피사체를 통과하여 전달될 수 있어서 무선 스펙트럼 사용 시 정교한 제어가 필요하다. 무선 주파수의 광범위한 사용은 곧 무선 주파수 대역의 부족으로 이어지게 되므로 무선 주파수의 사용에 따른 제한성을 고려해야 한다. 그 결과 무선 주파수를 사용하는 시스템에 대한 회로설계가 복잡해진다.

 

특성

1. 경로 손실

수신 측에서의 신호 크기는 전송신호 크기에 따라 변하는, 즉 전송신호의 크기에 대한 함수일 뿐만 아니라 거리에 대한 함수이다. 피사체에서 나오는 반사신호에 의해 발생되는 간섭효과로 무선 채녈의 경로손실이 발생한다.

 

2. 인접 채널간섭

무선 LAN은 거의 동일한 주파수 대역에서 동작하므로, 동일한 건물 내에 혹은 다른 건물에 위치해 있는 다른 전송장치로부터 간섭현상이 발생한다. 또한 기본 하부구조 무선 LAN에서는 이용 가능한 대역폭을 여러 종속 대역으로 나우어 사용한다. -> 대역폭의 크기를 선택할 때 해당 지역 내에서 예측 가능한 실제 이용자들의 수를 고려한다.

 

3. 다중경로

광 신호와 마찬가지로 무선 신호 역시 다중경로에 의한 영향을 받는다. 전송 측에서 생성된 무선신호가 전송될 때, 수신 측은 직접 수신된 신호와 함께 다른 경로를 거쳐서 들어온 신호를 함께 수신한다. 

 

13.2 무선 LAN의 전송기술

13.2.1 IEEE 802. 11 물리 계층

IEEE 802/ 11 물리 계층은 각 비트를 신호로 변환하는 것에 대한 명세를 정의한다.

IEEE 802.11의 물리 계층 구분 -> 802.11 FHSS, 802.11 DSSS, 802.11a OFDM, 802.11b HR-DSSS, 802.11g OFDM 등 5개 기술 표준 [그림 13-5]

IEEE 802.11 주파수 도약 확산스펙트럼(FHSS)이란?

2.4GHz ISM 주파수 대역에서 전송 신호를 만드는 기법이다. 전송 측은 하나의 캐리어 주파수를 사용하여 일정시간 동안 데이터를 생성하여 전송한다. 그 후 다른 캐리어 주파수로 도약하여 변경된 주파수를 사용하여 데이터를 만들고 첫번째와 같은 시간 동안 데이터를 전송한다. 이와 같은 과정을 n번 수행하고 나면 다시 첫 번째 과정부터 반복한다. 데이터 전송률을 1~2 Mbps까지 가능하다.

OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 방식

5GHz ISM 대역에서 신호를 만들어내기 위한 직교 주파수 분할 다중화방식이다. 5GHz ISM 대역을 52개의 부대역으로 나누어서, 48개의 부대역은 비트그룹을 전송하는 데 사용하고 4개의 부대역은 제어정보를 전송하는 데 사용한다.

18Mbps와 54Mbps 데이터 전송이 가능하다.

 

13.2.2 IEEE 802.11 MAC 계층

물리 계층에 대한 지원 기능, 접근제어 기능, 프레임에 대한 단편화 기능, 프레임 암호화 기능, 로밍 기능 등을 수행하는 계층이다. 무선 LAN에 접근하는 방법으로 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 기법을 사용한다.

 

CSMA/CA 기법

만일 다음과 같은 상황이라고 하자.

A 단말기와 C 단말기는 기지국 B의 신호감지 영역(coverage area)내에 있으며, A 단말기는 C 단말기의 신호감지 영역 밖에 있고, C 단말기 또한 A 단말기의 신호감지 영역 밖에 있다.

만일 A단말기가 기지국 B와 데이터를 교환하고 있는데, C단말기가 기지국 B로 데이터를 전송하고자 한다면?

먼저 기지국 B가 A 단말기로 데이터를 전송하는 경우, C 단말기는 무선미디어의 사용이 가능해질 때까지 대기한다.

하지만 A단말기가 기지국 B로 데이터를 전송하는 경우, C 단말기는 A 단말기의 신호를 감지할 수 없으므로 무선미디어가 사용 가능한 상태라고 판단하여 데이터를 전송하게 된다. 그 결과 충돌이 발생하고 C 단말기 입장에서 A는 숨겨 진 상태이기 때문에 '숨겨진 단말 문제' 라고 한다.

 

CSMA/CA는 숨겨진 단말 문제를 해결하기 위해 RTS (Request To Send)와 CTS (Clear To Send)라는 신호를 사용한다.

 

A 단말기가 기지국 B로 데이터를 전송하는 경우

A 단말기는 무선미디어를 살펴서, 만일 미디어가 사용 가능한 상태(clear 상태)라면, A 단말기는 기지국 B로 RTS라는 짧은 메시지를 보낸다. 이 메시지에는 목적지와 전송측의 주소, 데이터의 크기 등의 정보가 포함되어 있다. 기지국 B가 A 단말기와 데이터를 주고받을 준비가 되면 CTS 신호를 A 단말기로 전송한다. C 단말기는 이 CTS 신호를 감지할 수 있고, C 단말기는 CTS 신호의 정보로부터 데이터 전송이 지속될 것인지를 예상하여 네트워크 할당 벡터(NAV) 시간을 계산하고, NAV 타이머를 설정하여 데이터 충돌이 일어나지 않도록 한다. -> CSMA/CA 기법

13.2.3 MAC 계층의 기능 (802.11에서)

 전송측 노드에서 NAV 캐리어 신호 감지후 미디어 상태를 확인 후 -> 미디어가 DIFS 기간동안 미사용 상태일 경우 즉시 데이터 프레임을 전송한다. 그렇지 않을 경우 backoff 프로세스를 수행 (일종의 대기) , 대기 후 무선 채널이 사용 중 (busy) 상태에서 미사용(idle) 상태로 천이하면, DIFS 시간동안 기다린 후 무선 채널의 미사용 시간 만큼 백오프 시간 값을 줄이고 백오프 시간 값이 0이 되는 순간 (전송가능 상태가 됨 ) 데이터 프레임을 전송한다.

 

13.2.4 IEEE 802. 11 프레임 구성

IEEE 802.11 무선 LAN의 데이터 프레임은 제어 영역, 기간 영역, 주소 영역, 순서제어 영역, 프레임 본체, FCS 영역 등으로 구성 [그림 13-14] 프레임 형식

- 프레임 제어(FC) 영역 : 이는 다시 세부 영역으로 구분 -> ([표 13-1]).

- 기간(D) 영역 : NAV의 값 설정 시 사용되는 전송 기간과 관련됨

- 주소 영역:  각각 6바이트 길이의 4개 주소(address 1,address 2, address 3, address 4) 영역이 있음

- 순서 제어(SC)영역 : 흐름 제어에 사용되는 프레임의 순서 번호가 들어감

- 프레임 본체 : 0에서 2,312 바이트 길이로 구성되는데, FC 영역의 유형에 따른 정보가 들어감

- 프레임 체크 시퀀스(FCS) 영역 : CRC-32 오류 검출 시퀀스를 포함

 

프레임의 구분

프레임은 RTS, CTS 또는 ACK 프레임으로 구분된다. [그림 13-15]

FC의 부영역 값이 -> ‘1011’이면 RTS 프레임/ ‘1100’이면 CTS 프레임/ ‘1101’이면 ACK 프레임

 

13.3 IEEE 802. 11 WLAN 표준화

13.3.1 IEEE 802. 11 무선 LAN 기술 표준