Chapter7: Wireless and Mobile Networks

Wireless and Mobile Networks: context

1. 무선 전화 가입자 수 증가
2. 모바일 브로드밴드 연결 장치 증가
3. 두 가지 주요 도전 과제
   • 무선(Wireless): 무선 링크를 통한 통신
   • 모빌리티(Mobility): 네트워크 연결 지정을 변경하는 모바일 사용자를 처리하는 문제

Chapter7 outline

• introduction

Wireless

• Wireless Links and Network Charateristics(무선 링크 및 네트워크 특성)
• WiFi: 802.11 Wireless LANs(무선 랜)
• Cellular Networks: 4G and 5G(셀룰러 네트워크)

Mobility(모빌리리티)

• Mobility Management: Principles(모빌리티 관리 원칙)
• Mobility Managemet: Practice(모빌리티 관리 실무)
• Molbility: Impact on Higher-Layer Protocols(모빌리티가 상위 계층 프로토콜에 미치는 영향)

Elements of a wireless network

base station(기지국)

• 기능
  • 무선 네트워크에서 중요한 역할을 담당
  • 유선 네트워크에 연결되어 있으며, 유선 네트워크와 무선 호스트(단말기) 간의 패킷 전송을 담당
• 연결 방식:
  • 유선 네트워크 infrastructor에 연결된다.
  • 무선 호스트(e.g. 스마트폰, 노트북)과 연결되어 데이터를 중계한다.
• 예시:
  • 셀 타워(기지국)
  • 802.11 access point(wifi AP)

Relay(중계기)

• 역할
  • 유선 네트워크와 무선 호스트 사이에서 패킷을 전송
  • 기지국의 영역 내에서 무선 호스트와 데이터를 주고받는다.

Wireless Link(무선 링크)

• 기능
  • 주로 모바일 장치(e.g. 스마트폰, 태블릿)를 기지국에 연결하는 데 사용
  • 또한 백본 링크(중추 네트워크 연결)로 사용될 수 있다.
• 접근 방식
  • 다중 접근 프로토콜을 사용하여 링크 접근을 조정한다. 이는 여러 장치가 동일한 무선 채널을 공유할 때 충돌을 피하고 효율적으로 통신할 수 있게 한다.
• 특성
  • 다양한 전송 속도와 거리, 주파수 대역을 가진다.
  • 무선 링크의 전송 속도는 네트워크의 요구 사항과 사용 환경에 따라 다를 수있다.

Characteristics of Selected Wireless

Element of a wireless network

Infrastructure mode(인프라 모드)

• 기지국 역할

  • 기지국은 모바일 장치(스마트폰, 노트북 등)를 유선 네트워크에 연결한다.
  • 이는 기지국이 모바일 장치와 유선 네트워크 사이의 중개 역할을 수행함을 의미한다.

• 핸드오프(Handoff)

  • 핸드오프는 모바일 장치가 연결을 유지하면서 한 기지국에서 다른 기지국으로 전환하는 과정
  • 모바일 장치가 이동하면서 기존 기지국과의 연결을 끊고 새로운 기지국과 연결하여 유선 네트워크에 지속적으로 연결되도록 한다.

Ad Hoc Mode(애드혹 모드)

• 기지국 없음
  • 애드혹 모드에서는 중앙 기지국이 존재하지 않는다. 즉, 각 장치들이 독립적을 통신한다.
• 노드 간의 직접 통신
  • 노드들을 링크 범위 내에서 다른 노드와 직접 통신할 수 있다. 이는 장치들 간의 직접 연결을 의미한다
• 네트워크 자율 구성
  • 노드들은 스스로 조직되어 네트워크를 형성하고, 서로 간의 라우팅을 처리한다. 각 노드가 라우터 역할을 하여 데이터를 전달한다.

Wireless network taxonomy

infrastructure

• Single hop
  • 호스트가 기지국(e.g. WiFi, 셀룰러)에 연결되고, 기지국이 더 큰 인터넷에 연결된다.
  • e.g. WiFi 액세스 포인트(AP) 또는 셀룰러 타워에 연결된 스마트폰
• Multiple hops
  • 호스트가 더 큰 인터넷에 연결되기 위해 여러 무선 노드를 통해 데이터를 중계해야 할 수 있다.
  • e.g. mesh network, 여러 중간 노드를 통해 인터넷에 연결

no infrastructure

• Single hop
  • 기지국이 없으며, 더 큰 인터넷에 연결되지 않는다. 대신, 장치들 간의 직접 연결이 이루어진다.
  • e.g. 블루투스, ad hoc 네트워크
• Multiple hops
  • 기지국 없이 더 큰 인터넷에 연결되지 않으며, 주어진 무선 노드에 도달하기 위해 여러 노드를 통해 데이터를 중계해야 한다.
  • e.g. 이동 애드혹 네트워크(MANET), 차량 애드혹 네트워크(VANET)

Wireless

Wireless link characteristic

무선 링크와 유선 링크의 중요한 차이점

1. 신호 강도 감소(decreased signal strength)
   • 무선 신호는 물체를 통해 전파될 때 감쇠한다. 이것을 경로 손실(path loss)이라고 한다.
   • 물리적인 장애물이나 거리 증가로 인해 신호 강도가 약해진다.
2. 다른 소스의 간섭(interference from other sources)
   • 무선 네트워크는 많은 장치들이 동일한 주파수 대역(e.g. 2.4 GHz)을 공유한다.
   • WiFi, 셀룰러 네트워크, 모터 등 여러 장치들이 간섭을 일으킬 수 있다.
3. 다중 경로 전파(multiple propagation)
   • 무선 신호는 물체나 지면에 반사되어 여러 경로를 통해 수신기에 도달한다.
   • 이러한 반사로 인해 신호가 목적지에 약간 다른 시간에 도착하게 된다.

이러한 요인들은 무선 링크에서의 통신을 유선 링크보다 훨씬 더 어렵게 만든다. 심지어 point-to-point 통신에서도 이러한 문제들이 발생할 수 있다.

SNR: 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)

• SNR는 신호 강도와 잡음 강도의 비율이다.
• SNR이 클수록 잡음 속에서 신호를 추출하기가 더 쉬워진다. 따라서 높은 SNR은 좋은 것이다.

SNR과 BER 간의 상층 관계(SNR vs BER Tradeoffs)

• BER(Bit Error Rate)는 비트 오류율로, 전송된 비트 중 오류가 발생하는 비율을 나타낸다.
• SNR과 BER 사이에는 상충 관계가 있다. 즉, SNR이 증가하면 BER이 감소하고, 그 반대도 성립한다.

주어진 물리 계칭(given physical layer)

• 송신 전력을 증가시키면 SNR이 증가하고, 이에 따라 BER이 감소한다.

주어진 SNR(given SNR)

• 주어진 SNR에서 BER 요구사항을 충족하는 물리 계층을 선택하여 최대의 처리량을 달성할 수 있다.
• e.g QAM256(8 Mbps), QAM16(4 Mbps), BPSK(1 Mbps) 등의 변조 기술과 속도 중에서 선택할 수 있다.

SNR과 BER 간의 상충 관계를 다루는 방법

• 이동성에 따라 SNR이 변할 수 있기에, 물리 계층을 동적으로 조정해야 할 필요가 있다. 이는 변조 기술과 속도를 조정하는 것을 포함한다.

여러 무신 송신자와 수신자가 만드는 추가적인 문제

Hidden Terminal Problem(숨겨진 터미널 문제)

• e.g.
  • A, B, C 세 노드가 있다.
  • A, B는 서로의 신호를 들을 수 있다.
  • B, C도 서로의 신호를 들을 수 있다
  • A, C는 서로의 신호를 들을 수 있다
• 문제
  • 만일 A, C가 동시에 B에게 데이터를 전송하려고 하면, B는 두 신호의 충돌로 인해 데이터를 제대로 수신 못할 수 있다.
  • A, C는 서로의 신호를 들을 수 없기에 충돌이 발생하는지 인식하지 못한다. 따라서 A와 C는 자신들이 문제를 일으키고 있다는 사실을 모른다.

Signal Attenuation(신호 감쇠)

• e.g.
  • A, B, C 노드가 있다.
  • A, B는 서로의 신호를 들을 수 있다.
  • B, C도 서로의 신호를 들을 수 있다.
  • 하지만 A와 C는 서로의 신호를 들을 수 없다.
• 문제
  • A와 C는 서로의 신호를 들을 수 없기에 B에게 데이터를 전송할 때 B에서 충돌이 발생할 수 있다.
  • B는 두 신호를 모두 들을 수 있기에 충돌을 감지할 수 있다.
  • A와 C는 서로의 신호를 들을 수 없기에 자신들의 신호가 B에서 충돌하는지 알 수 없다.
• 그래프 설명
  • 그래프에서 A의 신호 세기와 C의 신호 세기가 공간에 따라 다르게 변하는 것을 보여준다.
  • B는 A와 C의 신호를 모두 듣지만, A와 C는 서로의 신호를 듣지 못하는상황을 나타낸다.

Code Division Multiple Access(CDMA)

• 개념
  • 고유 코드: 각 사용자에게 고유한 "코드"가 할당된다. 이를 코드 세트 분할이라고 한다.
  • 공유 주파수: 모든 사용자가 동일한 주파수를 공유하지만, 각 사용자는 데이터를 인코딩하기 위해 고유의 "chipping" 시퀀스(즉, 코드)를 사용한다.
• 장점
  • 동시 전송: 여러 사용자가 동시에 존재하고 전송할 수 있으며, 코드가 직교(orthogonal) 인 경우 최소한의 간섭으로 동작할 수 있다
• 인코딩
  • 내적(inner product): (원본 데이터) x (칩핑 시퀀스)
• 디코딩
  • 내적 합계(summed inner product): (인코딩된 데이터) x (칩핑 시퀀스)

WiFi: 802.11 wireless LANs

802.11 LAN archiecture

• 기본 개념

  • 무선 호스트(wireless host): 무선 네트워크에 연결된기기(e.g. 스마트폰, 노트북 등)
  • 기지국(base station): 무선 호스트가 통신하는 장치로, 흔히 AP(Access Point)라고 불림

• 주요 구성 요소

  • 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set) aka "cell"
    • 무선 호스트(wireless hosts): 무선 네트워크에 연결된 사용자 기기들
    • 액세스 포인트(AP: Access Point): BSS 내에서 무선 호스트와 유선 네트워크 간의 통신을 중계하는 기지국
    • ad hoc mode: BSS에서 호스트들만 존재하고, AP가 없는 모드, hosts only.

• 네트워크 구성

  • BSS1, BSS2
    • 여러 개의 BSS가 스위치나 라우터를 통해 서로 연결되어 있음
    • 각 BSS는 독립적으로 동작하며, AP를 통해 유선 네트워크와 연결됨

802.11: Channels, assocation

채널

• 스펙트럼 분할: 다양한 주파수에서 채널로 나뉨
  • AP 관리자: AP의 주파수를 선택
  • 간섭 가능성: 인근 AP와 같은 채널을 선택할 수 있음

호스트 연결 절차

• 도착한 호스트: AP와 연동(associate)해야 함
  1. 채널 스캔: 호스트는 채널을 스캔하며, beacon frames을 청취
     • beacon frames에는 AP의 이름(SSID)과 MAC 주소가 포함됨
  2. AP 선택: 연동할 AP를 선택
  3. 인증 수행: 보통 인증 절차를 수행
  4. DHCP 실행: AP의 서브넷에서 IP 주소를 얻기 위해 보통 DHCP를 실행

802.11: passive/active scanning

Passive Scanning(패시브 스캐닝)

1. beacon frames 전송: AP에서 비컨 프레임을 전송
2. 연동 요청 프레임 전송: H1에서 선택된 AP로 연동 요청 프레임(Association Request frame)을 전송
3. 연동 응답 프레임 수신: 선택된 AP에서 H1에게 연동 응답 프레임(Association Response frame)을 전송

Active Scanning(액티브 스캐닝)

1. 프로브 요청 프레임 전송: H1이 프로브 요청 프레임(Probe Request frame)을 브로드 캐스트
2. 프로브 응답 프레임 수신: AP들에서 H1에게 프로브 응답 프레임(Probe Response frame)을 전송
3. 연동 요청 프레임 전송: H1이 선택된 AP로 연동 요청 프레임(Association Request frame)을 전송
4. 연동 응답 프레임 수신: 선택된 AP에서 H1에게 연동 응답 프레임(Association Response frame)을 전송

IEEE 802.11: multiple access

충돌 방지

• 충돌 회피: 2개 이상의 노드가 동시에 전송하는 것을 피하기 위해 노력한다.

CSMA(Carrier Sense Multiple Access)

• 전송 전 감지: 다른 노드가 이미 전송 중인 신호를 감지하고 전송을 시작하지 않는다.

충돌 감지 없음

• 충돌 감지 어려움: 강한 전송 신호와 약한 수신 신호로 인해 충돌을 감지하기 어렵다
• 모든 충돌을 감지할 수 없음: 숨겨진 터미널 문제와 페이딩으로 인해 모든 충돌을 감지할 수 없다.

목표

• 충돌 회피: CSMA/CA(Collision Avoidance)를 통해 충돌을 피하는 것이 목표

IEEE 802.11 MAC Protocol: CSMA/CA

802.11 송신지(Sender)

1. 채널이 DIFS 동안 비어 있는 경우
   • 프레임 전체를 전송한다.(CD 없음)
2. 채널이 바쁠 경우
   • 무작위 백오프 타이머를 시작한다.
   • 채널이 비어 있는 타이머가 다운 카운트를 한다.
   • 타이머가 만료되면 전송을 시작한다.
   • ACK을 받지 못하면 무작위 백오프 간격을 증가시키고 2번 단계로 다시 돌아간다.

802.11 수신기(Receiver)

• 프레임을 제대로 수신한 경우
  • SIFS 후 ACK을 반환한다.(숨겨진 터미널 문제 때문에 ACK이 필요함)

Avoiding collisions

• 개념 (Idea)

  • 송신기(Sender) 가 데이터 프레임을 전송하기 위해 작은 예약 패킷을 사용하여 채널 사용을 "예약"합니다.

• 과정(Process)

  1. 송신기는 먼저 작은 전송 요청 (RTS: Request to Send) 패킷을 CSMA를 사용하여 기지국 (BS)으로 전송합니다.
     • RTS 패킷은 여전히 서로 충돌할 수 있지만, 짧은 패킷이기 때문에 그 영향은 작습니다.
  2. 기지국 (BS)는 RTS에 응답하여 전송 허가 (CTS: Clear to Send)를 브로드캐스트합니다.
  3. CTS는 모든 노드에 들립니다.
     • 송신기는 데이터 프레임을 전송합니다.
     • 다른 스테이션들은 전송을 지연합니다.

Collision Avoidance: RTS-CTS exchange

802.11 frame: addressing

802.11 프레임의 주소 체계에 대해 설명
각 프레임에는 여러 개의 주소 필드가 있으며, 각 주소는 서로 다른 용도로 사용된다.

각 주소 필드의 역할

1. Address 1: 프레임을 수신할 무선 호스트 또는 AP의 MAC 주소입니다. 이 주소는 프레임이 어디로 갈지 지정합니다.
2. Address 2: 프레임을 송신하는 무선 호스트 또는 AP의 MAC 주소입니다. 이 주소는 프레임이 어디서 왔는지 나타냅니다.
3. Address 3: AP가 연결된 라우터 인터페이스의 MAC 주소입니다. 이 주소는 프레임이 더 큰 네트워크로 나가기 위한 라우터의 주소를 나타냅니다.
4. Address 4: 애드 혹 모드에서만 사용됩니다. 애드 혹 네트워크에서는 노드들이 직접 통신하므로 추가적인 주소가 필요합니다.

802.11 WiFi 프레임 주소 체계

• address 1 (AP MAC addr): 프레임을 수신할 AP의 MAC 주소
• address 2 (H1 MAC addr): 프레임을 송신하는 호스트 H1의 MAC 주소
• address 3 (R1 MAC addr): AP가 연결된 라우터 R1의 MAC 주소

802.3 Ethernet 프레임 주소 체계

• MAC dest addr (R1 MAC addr): 라우터 R1의 MAC 주소
• MAC source addr (H2 MAC addr): 다음 홉(또는 송신 호스트)의 MAC 주소

프레임 타입(RTS, CTS, ACT, Data)

• RTS (Request To Send): 작은 예약 패킷으로 채널 사용을 예약합니다.
• CTS (Clear To Send): RTS에 대한 응답으로 채널 사용을 허가합니다.
• ACK (Acknowledgement): 데이터 프레임이 성공적으로 수신되었음을 확인합니다.
• Data: 실제 데이터를 포함한 프레임.

802.11: mobility within same subnet

• H1이 동일한 IP 서브넷 내에 있을 때:

  • H1이 동일한 IP 서브넷 내에 남아 있으면, IP 주소를 변경할 필요가 없습니다. 이는 네트워크의 주소 체계가 변경되지 않기 때문에 사용자가 지속적으로 연결을 유지할 수 있음을 의미합니다.

• 스위치의 역할:

  • 스위치는 H1이 어떤 AP (액세스 포인트)와 연결되어 있는지 파악해야 합니다.
  • 스위치는 셀프 러닝 메커니즘을 사용합니다. 즉, 스위치는 H1로부터 프레임을 수신하면 H1을 도달할 수 있는 스위치 포트를 "기억"합니다.

802.11: advanced capabilities

속도 적응(Rate Adaptation)

• 설명

  • 속도 적응은 무선 호스트가 이동하면서 신호 대 잡음 비율(SNR)이 변할 때 전송 속도(물리 계층 변조 기술)를 동적으로 변경하는 기능입니다.
  • 기지국과 모바일 장치는 이동 중에 SNR에 따라 전송 속도를 조정합니다.

• 두 가지 주요 과정

  1. SNR 감소 및 BER 증가:

     • 모바일 장치가 기지국에서 멀어지면 SNR이 감소하고, 이로 인해 비트 오류율(BER)이 증가합니다.

  2. BER이 너무 높을 때:

     • BER이 너무 높아지면, 시스템은 더 낮은 전송 속도로 전환하여 BER을 낮춥니다. 이는 낮은 SNR에서 더 신뢰성 있는 통신을 유지하기 위함입니다.

     

# 802.11: advanced capabilities

전력 관리(Power Management)

• node-to-AP 메시지:

  • node-to-AP: "나는 다음 비콘 프레임(beacon frame)까지 잠을 잘 거야"
    • 무선 노드가 AP(Access Point)에게 자신이 잠자리에 들 것임을 알립니다.
    • 이 메시지를 받으면 AP는 이 노드에게 프레임을 전송하지 않습니다.
    • 노드는 다음 비콘 프레임 전에 깨어납니다

• 비콘 프레임 (Beacon Frame):

  • 비콘 프레임:
    • 비콘 프레임은 AP에서 주기적으로 전송되는 프레임으로, 네트워크 상태 정보를 담고 있습니다.
    • 여기에는 AP에서 모바일 장치로 전송 대기 중인 프레임의 목록이 포함됩니다.
    • 만약 AP에서 모바일 장치로 전송할 프레임이 있으면 노드는 깨어있는 상태를 유지합니다. 그렇지 않으면, 노드는 다음 비콘 프레임까지 다시 잠자리에 듭니다.

Personal area networks: Bluetooth

• 범위: 반경 10m 이내의 거리에서 작동
• 케이블 대체: 마우스, 키보드, 헤드폰 등의 케이블을 대체
• Ad hoc 모드: 인프라가 필요 없음
• 주파수 대역: 2.4~2.5 GHz ISM 주파수 대역에서 작동, 최대 3 Mbps 속도 지원
• 마스터/클라이언트 장치:
  • 마스터 장치(M): 클라이언트 장치를 폴링하고 클라이언트 전송 요청을 승인
  • 클라이언트 장치(C): 마스터 장치의 제어를 받음
  • Parked 장치(P): 비활성 상태의 장치

• TDM (Time Division Multiplexing):
  • 625 마이크로초 슬롯: 각 장치는 시간 슬롯을 이용하여 데이터를 전송합니다.
• FDM (Frequency Division Multiplexing):
  • 송신자는 79개의 주파수 채널을 사용합니다. 각 슬롯마다 알려진, 의사 랜덤 순서로 주파수를 변경하며 스프레드 스펙트럼을 구현합니다.
  • 피코넷에 속하지 않은 다른 장치나 장비는 일부 슬롯에서만 간섭을 일으킵니다.
• Parked Mode:
  • 클라이언트 장치는 '잠자기(park)' 모드로 전환할 수 있으며 나중에 깨어납니다.(배터리를 절약하기 위함).
• Bootstrapping:
  • 노드들은 피코넷에 자동으로 자가 조립됩니다(플러그 앤 플레이).

4G/5G celluar networks

• 4G/5G 셀룰러 네트워크는 넓은 지역에 걸친 모바일 인터넷 솔루션으로 자리잡고 있다.
• 4G/5G 셀룰러 네트워크는 널리 배포되고 사용되고 있다.
• 2019년 기준으로 모바일 브로드밴드 연결 장치가 고정 브로드밴드 연결 장치보다 5배 더 많습니다. 이는 모바일 브로드밴드 사용이 고정 브로드밴드 사용을 능가하고 있음을 나타냅니다.
• 4G 네트워크의 가용성은 한국에서는 97%, 미국에서는 90%입니다. 이는 이 두 나라에서 4G 네트워크가 거의 항상 사용할 수 있음을 의미합니다.
• 4G/5G 네트워크의 전송 속도는 수백 Mbps에 달할 수 있습니다. 이는 매우 빠른 데이터 전송 속도를 의미합니다.
• 4G/5G 네트워크의 기술 표준은 3GPP(3rd Generation Partnership Project)에서 정의됩니다.
• 4G는 LTE(Long-Term Evolution) 표준을 사용합니다. LTE는 4G 네트워크의 기술 표준 중 하나로, 높은 데이터 전송 속도와 효율성을 제공합니다.

4G/5G cellular networks

유사점(similarities to wirted internet)

1. 유선 인터넷과 마찬가지로, 엣지(edge)와 코어(core) 구분이 존재하지만, 둘 다 동일한 통신 사업자에 속한다.
2. 글로벌 셀룰러 네트워크는 여러 네트워크가 연결된 네트워크이다.
3. HTTP,DNS,TCP,UDP,IP,NAT, 데이터/제어 평면의 분리, SDN, 이더넷, 터널링 등 앞서 학습한 프로토콜이 널리 사용된다.
4. 유선 인터넷과 상호 연결된다.

차이점(differences from wired internet)

1. 무선 링크 계층이 다르다.
2. 이동성이 일급 서비스로 제공된다.
3. 사용자의 정체성이 SIM 카드를 통해 확인된다.
4. 사용자는 셀룰러 제공자에게 구독을 한다.
   • "홈 네트워크"와 방문 네트워크에서의 로밍 개념이 강하다.
   • 인증 인프라와 통신 사업자 간 정산을 통한 글로벌 액세스가 가능하다.

Elements of 4G LTE architecture

Mobile device(모바일 장치)

• 스마트폰, 태블릿, 노트북, IoT 장치 등: 4G LTE 라디오를 탑재한 모든 장치
• 64비트 국제 모바일 가입자 식별자(IMSI): SIM(가입자 신분 모듈) 카드에 저장됨
• LTE 용어:
  • 사용자 장비(UE, User Equipment): LTE 네트워크에서 사용되는 장치

Base station: eNode-B

• 기지국은 통신 사업자 네트워크의 엣지(말단)에 위치하여, 무선 신호를 통해 모바일 장치와 직접 통신한다.
• 기지국은 무선 라디오 자원을 관리하고, 자신의 커버리지 영역(셀)에 있는 모바일 장치들을 관리한다.
• 기지국은 다른 네트워크 요소들과 협력하여 장치 인증을 조정한다.
• WiFi 액세스 포인트(AP)와 유사하지만 다음과 같은 차이점이 있다.
• LTE 용어로 기지국은 eNode-B 라고 불린다.

Home Subscriber Service(HSS)

• HSS는 자사 네트워크를 "홈 네트워크"로 사용하는 모바일 장치에 대한 정보를 저장
• 여기에는 사용자 프로필, 인증 정보, 서비스 구독 정보 등이 포함된다.
• HSS는 MME(Mobility Management Entity)와 협력하여 장치 인증을 수행한다.
• 이는 사용자가 네트워크에 접속할 때 보안과 인증 절차를 통해 접근 권한을 확인하는 과정이다.

Service Gateway(S-GW)

• S-GW는 모바일 장치와 인터넷 간의 데이터 경로에 위치한다.
• 모바일 장치에서 인터넷으로 데이터를 전송하거나, 인터넷에서 모바일 장치로 데이터를 전송할 때 경유하는 중간 지점이다.

PDN Gateway(P-GW)

• P-GW는 모바일 셀룰러 네트워크로의 게이트웨이 역할을 한다.
• 외부 인터넷과 셀룰러 네트워크를 연결하는 중요한 지점이다.
• P-GW는 다른 인터넷 게이트웨이 라우터와 유사한 역할을 한다.
• 네트워크 트래픽을 라우팅하고 관리한다.
• P-GW는 네트워크 주소 변환(NAT) 서비스를 제공한다.
• 이는 내부 네트워크의 사설 IP 주소를 공용 IP 주소로 변환하여 인터넷과 통신할 수 있도록 한다.

other router

• 다른 라우터들은 터널링을 광범위하게 사용한다.
• 터널링은 데이터를 캡슐화하여 네트워크를 통해 안전하고 효율적으로 전송하는 기술이다.

Mobility Management Entity(MME)

• MME는 모바일 홉 네트워크의 HSS(Home Subscriber Service)와 협력하여 장치 인증을 수행한다.
• 여기에는 장치-네트워크 간 및 네트워크-장치 간의 인증이 포함된다.
• MME는 모바일 장치 관리를 담당한다.
  • 셀 간의 장치 핸드오버를 관리한다. 이는 사용자가 이동할 때 네트워크 연결이 끊기지 않도록 하는 중요한 과정이다.
  • 장치의 위치를 추적하고 페이징을 통해 위치 정보를 갱신한다.
• MME는 모바일 장치에서 P-GW(PDN Gateway)로의 경로(터널링)를 설정한다.
• 이를 통해 데이터가 올바른 경로로 전송될 수 있도록 보장한다.

LTE: data plane control plane separation

제어 평면(Control Plane)

1. 새로운 프로토콜

   • 이동성 관리, 보안, 인증 등을 위한 새로운 프로토콜을 사용한다.

2. 구성 요소와 역할

   • MME(Mobility Management Entity): 이동성 관리와 인증을 담당한다.
   • HSS(Home Subscriber Service): 사용자 정보를 저장하고 MME와 협력하여 인증을 수행한다.
   • S-GW(Service GateWay): 데이터 전송 경로를 관리한다.
   • P-GW(PDN Gateway): 외부 네트워크와의 연결을 관리한다.

데이터 평면(Data Plane)

1. 새로운 프로토콜
   • 링크 계층과 물리 계층에서 새로운 프로토콜을 사용한다.
2. 터널링의 광범위한 사용
   • 이동성을 지원하기 위해 터널링을 광범위하게 사용한다.
   • 데이터가 모바일 장치에서 인터넷으로 전달될 때 IP 터널을 통해 전송된다.
3. 구성 요소와 역할
   • 기지국(Base Station): 모바일 장치와 직접 통신하며, 데이터 전송을 시작한다.
   • S-GW(Serving Gateway): 기지국과 P-GW 사이의 데이터 경로를 관리한다.
   • P-GW(PDN Gateway): 외부 네트워크로의 게이트웨이 역할을 한다.

LTE data plane protocol stack: first hop

LTE 링크 계층 프로토콜

1. packet data convergence
   • 헤더 압축(Header Compression)
     • 데이터 패킷의 헤더 크기를 줄여 전송 효율을 높인다.
   • 암호화(Encryption)
     • 데이터의 보안을 유지하기 위해 암호화를 수행한다.

2. Radio Link Control(RLC) Protocol:
   • 단편화/재조립(Fragmentation/Reassembly)
     • 큰 데이터 패킷을 작은 조각으로 나누고, 이를 다시 조립하여 원래의 데이터로 복원
   • 신뢰할 수 있는 데이터 전송(Reliable Data Transfer)
     • 데이터 전송 과정에서 발생할 수 있는 오류를 감지하고 수정하여 신뢰할 수 있는 전송을 보장한다.

3. Medium Access
   • 요청 및 무선 전송 슬롯 사용
     • 데이터 전송을 위해 무선 자원을 요청하고 할당받은 슬롯을 사용하여 데이터를 전송

LTE radio access network

1. 다운스트림 채널
   • 주파수 채널 내에서 FDM(주파수 분할 다중화)과 TDM(시간 분할 다중화)을 사용하여 데이터를 전송한다.
   • OFDM(직교 주파수 분할 다중화(은 각 채널 간의 간섭을 최소화하기 위해 "직교" 성질을 이용한다.
2. 업스트림(Upstream)
   • 업스트림 데이터 전송도 OFDM과 유사하게 FDM과 TDM을 사용한다.
3. 할당된 시간 슬롯
   • 각 활성 모바일 장치는 12개의 주파수에 걸쳐 두 개의 이상의 0.5 밀리초 시간 슬롯을 할당받는다.
4. 스케줄링 알고리즘
   • 스케줄링 알고리즘은 표준화되어 있지 않으며, 각 통신 사업자가 자체적으로 결정한다.
5. 데이터 전송 속도
   • 각 장치당 최대 수백 Mbps의 데이터 전송 속도를 달성할 수 있다.

LTE data plane protocol stack: packet core

터널링(Tunneling)

1. 모바일 데이터그램 캡슐화(Mobile Datagram Encapsulation)

   • GPRS Tunneling Protocol(GTP)을 사용하여 모바일 데이터그램을 캡슐화한다.
   • 캡슐화된 데이터그램은 UDP 데이터그램 안에 넣어 S-GW로 전송된다.

2. S-GW의 재터널링

   • S_GW는 받은 데이터그램을 다시 캡슐화하여 P-GW로 전송한다.

3. 이동성 지원

   • 모바일 사용자가 이동할 때 터널링 엔드포인트만 변경된다.
   • 즉, 사용자가 이동하더라도 데이터 전송 경로를 유지할 수 있다.

LTE data plane: associating with a BS

1. 기지국이 기본 동기화 신호를 모든 주파수에서 매 5ms마다 방송함
   • 여러 통신사들이 기지국이 동기화 신호를 방송할 수 있다.
   • 이는 모바일 장치가 기지국의 신호를 찾고 동기화할 수 있도록 한다.
2. 모바일 장치가 기본 동기화 신호를 찾고, 같은 주파수에서 두 번째 동기화 신호를 찾음
   • 모바일 장치는 기지국이 방송하는 채널 대역폭, 구성, 기지국의 셀룰러 통신사 정보 등의 추가 정보를 수신한다.
   • 여러 기지국과 여러 셀룰러 네트워크에서 정보를 받을 수 있다.
3. 모바일 장치가 연결할 기지국을선택함
   • e.g. 홈 통신사를 선호하는 경우 해당 통신사의 기지국을 선택한다.
4. 추가적인 단계가 필요함
   • e.g. 인증, 상태 설정, 데이터 평면 설정 등을 수행해야 한다.

LTE mobiles: sleep modes

라이트 슬립(light sleep)

1. 비활성 상태가 100ms 지속된 후에 라이트 슬립 모드로 전환됨
   • 모바일 장치가 100ms 동안 활동이 없으면 라이트 슬립 모드로 전환된다.
   • 주기적으로 깨어나서 다운스트림 전송(서버나 기지국에서 오는 데이터)이 있는지 확인한다. 이 주기는 약 100ms이다.

딥 슬립(deep sleep)

1. 비활성 상태가 5~10초 지속된 후에 딥 슬립 모드로 전환됨
   • 모바일 장치가 5~10초 동안 활동이 없으면 딥 슬립 모드로 전환된다.
   • 딥 슬립 모드에서는 모바일 장치가 셀을 변경할 수 있으며, 이 경우 연결을 다시 설정해야 한다.

추가 설명

• WiFi와 BlueTooth와 마찬가지로, LTE 모바일 장치는 배터리 절약을 위해 라디오를 슬립 모드로 전환한다.
  • 슬립 모드를 통해 모바일 장치는 불필요한 전력 소모를 줄이고 배터리 수명을 연장할 수 있다.

Global celluar network: a network of IP networks

홈 네트워크 HSS(Home Network HSS)

1. 식별 및 서비스 정보 관리(Identity & Services Info)
   • 홈 네트워크와 로밍 중일 때 모두 사용자 식별 및 서비스 정보를 관리
   • HSS(Home Subscriber Server)는 사용자의 프로필 정보, 서비스 구독 정보 등을 저장하고 관리한다.

ALL IP

1. 통신사 간 상호 연결
   • 통신사들은 서로 연결되며, 공용 인터넷 및 교환 지점에서 상호 연결된다.
   • 이는 모든 IP 기반의 네트워크를 통해 통신이 이루어지도록 한다.
2. 레거시 2G, 3G
   • 모든 네트워크가 IP 기반인 것은 아니다. 2G와 3G 네트워크는 IP가 아닌 방식으로 처리된다.

What is mobility?

1. 무 이동성(No Mobility)
   • 기기 간 네트워크 간 이동, 이동 중 전원 꺼짐
     • 장치가 네트워크 간을 이동하지만, 이동 중에는 전원이 꺼져있다. 이 경우 네트워크는 이동성 관리가 필요하지 않는다.
2. 중간 이동성(Medium Mobility)
   • 동일 제공자 네트워크 내 동일 AP에서 이동
     • 장치가 동일한 AP(Access Point) 내에서 이동한다. 네트워크는 연결을 유지하기 위해 최소한의 이동성 관리를 필요로 한다.
3. 중간-고 이동성(Medium-High Mobility)
   • 동일 제공자 네트워크 내 여러 AP 간 이동
     • 장치가 동일한 제공자 네트워크 내에서 여러 AP 간을 이동한다. 네트워크는 핸드오버를 관리하여 연결을 유지해야 한다.
     • 슬라이드에서 "우리가 관심 있는 부분" 이라고 강조한 부분이다.
4. 고 이동성(High Mobility)
   • 여러 제공자 네트워크 간 이동, 연결 유지
     • 장치가 여러 제공자 네트워크 간을 이동하면서 지속적인 연결을 유지한다. 이 경우, 네트워크는 복잡한 이동성 관리와 핸드오버 기술을 필요로 한다.

Mobility Approaches

이동성 접근 방식(Mobility Approaches)
네트워크(라우터)가 처리하게 하기 -> 광범위한 확장성 문제

1. 라우터가 방문 중인 모바일 노드의 이름, 주소 또는 번호를 광고
   • 라우터는 방문 중인 모바일 노드의 잘 알려진 이름, 주소(영구적인 32bit IP 주소) 또는 번호(e.g. 셀 번호)를 광고한다.
   • 이는 일반적인 라우팅 테이블 교환 과정을 통해 이루어진다.

2. 인터넷 라우팅은 이미 이 작업을 할 수 있음
   • 인터넷 라우팅은 이미 이러한 작업을 변경 없이 수행할 수 있다.
   • 라우팅 테이블은 가장 긴 접두사 매칭(longest prefix match)을 통해 각 모바일의 위치를 나타낸다.

엔드 시스템이 처리하게 하기

• "edge"에서의 가능성
  • 이동성 관리를 네트워크의 엣지, 즉 엔드 시스템에서 처리한다.

1. 간접 라우팅(indirect routing)
   • 통신 방식: 발신자(통신 상대)에서 모바일 장치로의 통신이 홈 네트워크를 거쳐 원격 모바일 장치로 전달된다.
   • 절차
     1. 발신자는 모바일 장치가 있는 홈 네트워크로 데이터를 보낸다.
     2. 홈 네트워크는 데이터를 원격 모바일 장치로 전달된다.

2. 직접 라우팅(direct routing)
   • 통신 방식: 발신자가 모바일 장치의 외부 주소를 받아서 직접 모바일 장치로 데이터를 보낸다.
   • 절차
     1. 발신자는 모바일 장치의 외부 주소를 획득한다.
     2. 발신자는 획득한 주소를 사용하여 데이터를 직접 모바일 장치로 보낸다.

Home network, visited network: 4G/5G

홈 네트워크(Home Network)

• 홈 모바일 통신사 네트워크(Home Mobile Carrier Network)
  • 사용자가 가입한 기본 네트워크이다.
  • 사용자는 셀룰러 제공자와 유료 서비스 계획을 가지고 있다.
  • 홈 네트워크의 HSS는 사용자의 식별 정보 및 서비스 정보를 저장한다.
    
    

방문 네트워크(Visited Network)

• 방문 모바일 통신사 네트워크(Visited Mobile Carrier Network)
  • 사용자의 홈 네트워크가 아닌 다른 네트워크이다.
  • 방문 네트워크는 다른 네트워크와의 서비스 계약을 통해 방문하는 모바일 장치에 접근을 제공한다.
    
    

주요 요소 및 흐름

1. 홈 네트워크
   • 사용자의 SIM 카드에는 글로벌 식별 정보가 포함되어 있으며, 홈 네트워크에 대한 정보도 포함되어 있다.
   • 홈 네트워크에서 사용자는 기본적으로 서비스를 이용한다
     
2. 방문 네트워크
   • 사용자가 홈 네트워크를 벗어나 다른 네트워크 영역에 들어가면, 방문 네트워크에서 로밍을 통해 서비스를 제공한다.
   • 방문 네트워크는 홈 네트워크와의 협력을 통해 사용자의 인증 및 서비스 접근을 관리한다.
     
3. 공용 인터넷 및 교환 지점
   • 홈 네트워크와 방문 네트워크는 공용 인터넷 및 교환 지점을 통해 연결된다.
   • 이는 글로벌 통신을 가능케한다.

Home Network, Visitied Network: ISP/WiFi

ISP/WiFi: 글로벌 "홈"의 개념이 없음
주요 내용

1. ISP로부터의 자격 증명
   • e.g. 사용자 이름, 비밀번호 등이 장치나 사용자와 함께 저장된다.
     
2. ISP의 국가 및 국제적 존재
   • ISP는 국가적, 국제적으로 네트워크를 제공할 수 있다.
     
3. 다른 네트워크: 다른 자격 증명
   • 서로 다른 네트워크에서는 다른 자격 증명이 필요하다.
   • 일부 예외가 존재한다(e.g. eduroam)
     
4. 4G와 유사한 이동성을 위한 아키텍처 존재
   • 모바일 IP와 같은 아키텍처가 존재하지만, 사용되지 않는다.

네트워크 접속 과정(Access Process)

• 장치가 네트워크에 접속(Attach)
  • 장치가 네트워크에 접속할 때, 인증 액세스 서버를 통해 인증된다.
  • 공용 인터넷을 통해 다른 네트워크와 연결된다.담
    
    
    
    
    
    

Home network, visited network: generic

Registration: home needs to know where you are!

1. 모바일 장치가 방문 네트워크의 이동성 관리자와 연결됨

   • 모바일 장치가 방문 네트워크에 접속하여 이동성 관리자와 연결한다.
   • 이 과정에서 방문 네트워크의 이동성 관리자가 모바일 장치의 위치 정보를 획득한다.
   • 방문 네트워크에서 할당된 NAT IP: 10.0.0.99
     
     

2. 방문 네트워크의 이동성 관리자가 홈 네트워크의 HSS에 모바일 위치를 등록함

   • 방문 네트워크의 이동성 관리자는 모바일 장치의 위치 정보를 홈 네트워크의 HSS에 등록한다.
   • 이 과정은 공용 또는 사설 인터넷을 통해 이루어진다.
     
     
     

최종 결과(End Result)

• 방문 네트워크의 이동성 관리자가 모바일 장치에 대한 정보를 가짐
  • 방문 네트워크의 이동성 관리자는 모바일 장치의 위치와 관련된 정보를 관리한다.
    
    
• 홈 네트워크의 HSS가 모바일 장치의 위치를 알게됨
  • 홈 네트워크의 HSS는 모바일 장치가 어느 방문 네트워크에 있는지에 대한 위치 정보를 가지고 있다.