chapter 7. wireless lan

Adopted from Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/

Chapter 7. Wireless LAN

Characteristics IEEE 802.11

• PHY• MAC• Roaming• .11a, b, g, h, i …

HIPERLAN• Standards overview• HiperLAN2• QoS

Bluetooth Comparison


Characteristics of wireless LANs

순천향대학교 정보기술공학부 이 상 정 3

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 네트워크에서의 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


Mobile CommunicationsDisadvantages of wireless LANs

단점• 서비스의 질 (QoS)

낮은 대역폭 ( 예 : 100-1000 Mbit/s 대신에 1-10 Mbit/s 의 사용자 데이터율 ) 과 간섭으로 인한 서비스의 질 저하

• 독자적인 솔루션표준화 과정이 느리기 때문에 , 많은 회사들은 표준화된 기능에다가 고유의 향상된 많은 특징들을 제공하는 독자적인 솔루션을 개발

• 주파수 제약전세계적으로 몇몇의 정부와 비정부 기관에 의한 주파수 사용 법규 등으로 제약

• 안전과 보안라디오 전파 사용 시 다른 기기와 간섭을 일으킬 수 있고 도청 및 해킹이 용이



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

드라이어 , 기차 엔진 등 ) 과 간섭에 강해야 함• 단순화된 자발적 협력 : WLAN 에 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

기존의 투자를 보호• 안전과 보안• 응용에 대한 투명성 : 기존의 응용이 WLAN 에서도 계속해서

문제없이 동작



Comparison: infrared vs. radio transmission

적외선 (Infrared)• LED 나 레이져 다이오드를

사용• 방 향 성 광 이 나 벽 등 에

반사되는 산란광 사용• 장점

• 간단하고도 값 싼 송수신기• 라이센스 필요 없음• 차폐 (shielding) 가 용이

• 단점• 햇빛이나 열 등에 간섭• 장애물에 쉽게 차폐• 낮은 전송율 (115 kbit/s)

• 예• IrDA (Infrared Data

Association) 인터페이스

라디오 (Radio)• 면허가 필요없는 2.4 GHz

ISM 밴드 사용• 장점

• 이동 셀룰라 폰 등과 같은 라디오 전송 경험 활용

• 보다 넓은 영역을 커버하고 벽 , 가구 , 설비 등을 투과

• 단점• 자유롭게 사용될 수 있는

주파수 대역 제한• 차 폐 가 어 려 워 다 른

기기들과 간섭• 예

• IEEE 802.11• HIPERLAN• Bluetooth


Mobile CommunicationsComparison: infrastructure vs.

ad-hoc networksinfrastructure network

ad-hoc network

APAP

AP

wired network

AP: Access Point


IEEE 802.11


Mobile Communications 802.11 – Architecture of an infrastructure

network STA(Station)• 무선매체를 통하여 액세스 포인트에

연결되는 단말기 BSS(Basic Service Set)• 동일한 주파수의 라디오 반경을

사용하는 단말기 그룹 AP(Access Point)• 무선 랜과 분산시스템을 결합하는

스테이션 포털 (Portal)• 다른 네트워크와의 브리지

분산시스템 (Distribution System)• 여러 BSS 를 하나의 논리 네트워크

(EES: Extended Service Set)으로 연결

Distribution System

Portal

802.x LAN

Access Point

802.11 LAN

BSS2

802.11 LAN

BSS1

Access Point

STA1

STA2 STA3

ESS



802.11 - Architecture of an ad-hoc network

제한된 영역에서 직접 통신 STA(Station)

• 무선매체에 접근할 수 있는 단말기 IBSS

(Independent Basic Service Set) • 같은 라디오 주파수를 사용하는

스테이션의 그룹

802.11 LAN

IBSS2

802.11 LAN

IBSS1

STA1

STA4

STA5

STA2

STA3



IEEE standard 802.11

mobile terminal

access point

fixedterminal

application

TCP

802.11 PHY

802.11 MAC

IP

802.3 MAC

802.3 PHY

application

TCP

802.3 PHY

802.3 MAC

IP

802.11 MAC

802.11 PHY

LLC

infrastructurenetwork

LLC LLC



802.11 - Layers and functions

PLCP Physical Layer Convergence Protocol

• CCA(clear channel assessment) 캐리어 감지 신호

PMD Physical Medium Dependent

• 신호의 변조와 코딩 PHY 관리

• 채널 선택 , PHY MIB 스테이션 관리

• 모든 관리계층 간 기능의 조정

MAC• 매체 액세스와 사용자 데이터의

단편화 및 암호화 MAC 관리

• AP와 STA 간의 동기화 , AP 간의 로밍 , MAC 관리정보베이스(MIB), 전력관리

PMD

PLCP

MAC

LLC

MAC Management

PHY Management

PH

YD

LC

Sta

tion

Man

agem

ent



802.11 - Physical layer

IEEE 802.11 은 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



FHSS PHY packet format

synchronization SFD PLW PSF HEC payload

PLCP preamble PLCP header

80 16 12 4 16 variable bits

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



DSSS PHY packet format

synchronization SFD signal service HEC payload



length

16

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



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



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

t

medium busySIFS

PIFS

DIFSDIFS

next framecontention

direct access if medium is free DIFS



802.11 - CSMA/CA access method I

• 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 DIFS 의 주기동안 기다린 후 충돌을 피하기 위해 슬롯시간의 배수만큼의 랜덤 백오프 시간 (random back-off time) 동안 더 기다림

• 백오프 시간 동안 다른 노드가 이미 매체를 점유하면 백오프 타이머 중지• 다음에 매체 경쟁 시 중지된 이 후부터 카운트 시작하여 공정성 부여

t

medium busy

DIFSDIFS

next frame

contention window(randomized back-offmechanism)

slot timedirect access if medium is free DIFS



802.11 - competing stations - simple version

t

busy

boe

station1

station2

station3

station4

station5

packet arrival at MAC

DIFSboe

boe

boe

busy

elapsed backoff time

bor residual backoff time

busy medium not idle (frame, ack etc.)

bor

bor

DIFS

boe

boe

boe bor

DIFS

busy

busy

DIFSboe busy

boe

boe

bor

bor



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

기다린 후 ACK 응답• 전송 에러인 경우 자동으로 재전송

t

SIFS

DIFS

data

ACK

waiting time

otherstations

receiver

senderdata

DIFS

contention



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

t

SIFS

DIFS

data

ACK

defer access

otherstations

receiver

senderdata

DIFS

contention

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)



Fragmentation

t

SIFS

DIFS

data

ACK1

otherstations

receiver

senderfrag1

DIFS

contention

RTS

CTSSIFS SIFS

NAV (RTS)NAV (CTS)

NAV (frag1)NAV (ACK1)

SIFSACK2

frag2

SIFS

사용자 데이터 패킷을 분할하여 전송• 송신기는 SIFS만큼만 기다린 후 첫 데이터 프레임 , frag1 을 전송• 수신기는 데이터 수신 후 SIFS 후에 ACK 송신 • 송신기는 ACK 수신 후 두 번째 데이터 프레임 , frag2 을 전송• 수신기는 두 번째 ACK 송신 • 송신기가 이 후 DIFS 동안 다른 데이터 프레임 전송하지 않는다면 다른 노드들이 매체 점유를 위한 경쟁 백오프 시간 카운트



DFWMAC-PCF I

PIFS

stations‘NAV

wirelessstations

point coordinator

D1

U1

SIFS

NAV

SIFSD2

U2

SIFS

SIFS

SuperFramet0

medium busy

t1

PCF(point coordination function) 는 액세스 시간을 슈퍼프레임 주기들로 분할한다 . • 슈퍼프레임은 비경쟁 주기 (contention-free period) 와 경쟁주기 (contention p

eriod) 로 구성된다 . • 비경쟁 주기 동안에 각 노드를 폴링하여 AP 는 PIFS 다운스트림 데이터 D

를 송신• 해당 노드는 SIFS 후에 업스트림 데이터 U를 전송



DFWMAC-PCF II

tstations‘NAV

wirelessstations

point coordinator

D3

NAV

PIFSD4

U4

SIFS

SIFSCFend

contentionperiod

contention free period

t2 t3 t4

• 업스트림 데이터 가 없을 수도 있음• 비경쟁 주기의 끝은 CFend(end marker) 로 표시

PCF 만이 사용되고 폴링이 고르게 분포되면 , 대역폭이 모든 폴 노드 사이에서 공평하게 분산된다 . • TDD(time division duplex) 전송의 TDMA(time division multiple access) 시스템과

유사



802.11 - Frame format

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 (μs 로 ) 시간의 주기 또는 식별자로 사용 4 개의 MAC 주소 Sequence Control

• ACK 손실 시 프레임 중복을 여부를 판단하는데 사용 Data, CRC

FrameControl

Duration/ID

Address1

Address2

Address3

SequenceControl

Address4

Data CRC

2 2 6 6 6 62 40-2312bytes

Protocolversion

Type SubtypeToDS

MoreFrag

RetryPowerMgmt

MoreData

WEP

2 2 4 1

FromDS

1

Order

bits 1 1 1 1 1 1



MAC address format

scenario to DS fromDS

address 1 address 2 address 3 address 4

ad-hoc network 0 0 DA SA BSSID -infrastructurenetwork, from AP

0 1 DA BSSID SA -

infrastructurenetwork, to AP

1 0 BSSID SA DA -

infrastructurenetwork, within DS

1 1 RA TA DA SA

DS: Distribution SystemAP: Access PointDA: Destination AddressSA: Source AddressBSSID: Basic Service Set IdentifierRA: Receiver AddressTA: Transmitter Address



Special Frames: ACK, RTS, CTS

Acknowledgement

Request To Send

Clear To Send

FrameControl

DurationReceiverAddress

TransmitterAddress

CRC

2 2 6 6 4bytes

FrameControl


CRC

2 2 6 4bytes

FrameControl


CRC

2 2 6 4bytes

ACK

RTS

CTS



802.11 - MAC management

MAC 관리는 시스템 통합에 관련된 기능을 제어 동기화 (Synchronization)

• 무선랜을 발견하는 일을 지원하는 기능 , 내부 클럭의 동기화 , 비컨 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

파라미터들은 내외부 액세스를 위해 MIB 내에 저장



Synchronization using a Beacon (infrastructure)

beacon interval

tmedium

accesspoint

busy

B

busy busy busy

B B B

value of the timestamp B beacon frame

802.11 네트워크의 각 노드는 내부 클럭을 동기화• TSF(Timing Synchronization Function)• 동기화된 클럭들은 전원 관리 , PCF의 조정 및 FHSS 시스템에서 호핑 시퀀스의

동기화 등에 사용 인프라스트럭처 기반 네트워크 내에서는 액세스 포인트가 ( 준 ) 주기적 비컨

신호를 전송함으로써 동기화를 수행• 모든 다른 무선 노드들은 자신의 로컬 타이머를 비컨의 타임스탬프로 조정


Mobile Communications Synchronization using a Beacon

(ad-hoc)

tmedium

station1

busy

B1

beacon interval

busy busy busy

B1

value of the timestamp B beacon frame

station2

B2 B2

random delay

애드혹 네트워크에서 비컨 전송을 위한 액세스 포인트가 없어서 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



Power management

무선 장치들은 배터리로 구동되어서 전력관리가 필요• 표준 랜 프로토콜들은 수신기들이 데이터 수신을 하지 않더라도 항상

데이터를 받을 준비가 되어 있다고 가정• 이러한 반영구적인 준비는 수신기 전류가 100mA까지 올라감에 따라

배터리 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 동기화



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 목적지 노드들의 리스트가 저장

• 각 노드들은 TIM 주기마다 wake up 되어 TIM 을 수신• 각 노드들은 TIM 에서 자신이 포함되어 있으면 wake up 을 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 브 로 드 캐 스 트 /멀티캐스트 데이터의 목적지 노들의 리스트가 저장

• TIM 인터벌의 배수로 지정 TIM 인터벌이 짧으면 자연도 짧아지지만 전력소모의 절약 효과도

작아진다 .



Power saving with wake-up patterns (infrastructure)

TIM interval

t

medium

accesspoint

busy

D

busy busy busy

T T D

T TIM D DTIM

DTIM interval

BB

B broadcast/multicast

station

awake

p PS poll

p

d

d

d data transmissionto/from the station

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 up 을 유지하여 버퍼링 데이터 송수신

두번째 DTIM 인터벌에서 브로드캐스트 /멀티캐스트 데이터 송신



Power management in ad-hoc network

애드혹 네트워크에서는 버퍼링할 AP가 없어서 각 노드가 데이터를 버퍼링할 수 있어야 한다 .

모든 노드 들 은 깨어 있 는 동 안 버퍼링된 프레임의 리스트를 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 1 인 ATIM 을 보내고 노드 2 가 이에 응답하면 노드 1 은 데이터를 송신한다 . 데이터 수신 후 노드 2 는 응답 데이터 전송



Power saving with wake-up patterns (ad-hoc)

awake

A transmit ATIM D transmit data

t

station1

B1 B1

B beacon frame

station2

B2 B2

random delay

A

a

D

d

ATIMwindow beacon interval

a acknowledge ATIM d acknowledge data



802.11 - Roaming

한 액세스 포인트에서 또다른 액세스 포인트로 이동을로밍이라 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 검색

• 응답을 하는 AP는 분산 시스템 (DS) 에 이 노드의 위치 정보 등 데이터베이스를 갱신

• DS 는 이전 액세스 포인트가 통지하여 전 AP가 리소스 해제하도록 함



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 30m 로 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-band 를 사용하며 단순한 시스템

단점• ISM- 밴드의 간섭 빈번하고 QoS 보장하지 않으며 속도 느림



IEEE 802.11b – PHY frame formats

synchronization SFD signal service HEC payload



length

16

192 µs at 1 Mbit/s DBPSK 1, 2, 5.5 or 11 Mbit/s

short synch. SFD signal service HEC payload

PLCP preamble(1 Mbit/s, DBPSK)

PLCP header(2 Mbit/s, DQPSK)


length

16

96 µs 2, 5.5 or 11 Mbit/s

Long PLCP PPDU format

Short PLCP PPDU format (optional)



WLAN: IEEE 802.11a

IEEE 802.11a 는 US 5 GHz U-NII(Unlicensed National Information Infrastructure) 밴드 사용• 초기에 의도하기는 OFDM 을 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-band 를 사용하며 단순한 시스템

단점• 높은 주파수로 인해 차폐 (shading) 가 더 잘되며 QoS 보장하지 않음



IEEE 802.11a – PHY frame format

rate service payload

variable bits

6 Mbit/s

PLCP preamble signal data

symbols12 1 variable

reserved length tailparity tail pad

616611214 variable

6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 Mbit/s

PLCP header


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• 802.11a 의 주파수 스펙트럼 조정 , ongoing

802.11i• Enhanced Security Mechanisms, ongoing


Bluetooth



Bluetooth

등장배경• 애드 혹 무선연결을 위한 범용 라디오 인터페이스• IrDA 를 대체하여 컴퓨터 주변장치 , PDA, 핸드폰 등의 연결• 저렴한 가격으로 다른 장치에 임베디드• 저전력 소모 , 10m 반경 통신 , 2.45 GHz ISM • 데이터율은 1 Mbit/s 이며 , 비동기 ( 데이터 ) 와 동기 ( 음성 )

서비스 제공

One of the first modules (Ericsson).



Bluetooth

역사• 1994: 스웨덴 Ericsson 이 “ MC-link” 프로젝트 • 프로젝트의 이름이 개명

• 10 세기 덴마크의 왕인 Harald Gormsen(Gorm의 아들 )• 거무스름한 피부로 별명 “ Blåtand” , 푸른 이 -blue tooth 가 아님 • 그의 부모를 기려 덴마크 , Jelling 에 rune stone

– Harald 가 노르웨이와 덴마크를 통일– 스칸디나비아에 기독교를 일으켰기 때문에 예수 그림 각인

• 1998: 블루투스 SIG 설립 , www.bluetooth.org• 1999: Harald Gormsen 를 기념하여 스웨덴 Lund 에 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

(was: )



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.



…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 sideshowing a picture of Christ.

This could be the “original” colors of the stone.Inscription:“auk tani karthi kristna” (and made the Danes Christians)

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."

Btw: Blåtand means “of dark complexion”(not having a blue tooth…)



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 FHSS 와 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



Characteristics II

데이터 링크• 비 동 기 식 무 연 결 (Asynchronous Connectioness, ACL) 링크

• 대칭적 또는 비대칭적 패킷스위치 점대다 (point-to-multipoint) 전송 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



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 , 슬레이브는 이 패턴에 동기화

• 피코넷의 참여 = 호핑 시퀀스에 동기화• 한 개 의 마 스 터 와 동 시 에 최대 7 개 슬레이브 (블루투스 주소 3비트 )

• 동일한 1 MHz 채널을 공유• 200 개 이상의 대기상태 기기• 그림

• 대기상태 (parked device) 기기는 비활성화된 노드로 수 밀리초내에 활성화되는 노드

• 준 비 상 태 (stand-by) 기 기 는 피 코 넷 에 참여하지 않는 노드

M=MasterS=Slave

P=ParkedSB=Standby

M

S

P

SB

S

S

P

P

SB



Forming a piconet

동작중인 기기 모두는 동일한 호핑 시퀀스에 동기를 맞추어야 한다 .• 첫 단계로 마스터가 자신의 클럭과 기기 ID 를 슬레이브에게 전송• 모든 블루투스 기기들은 동일한 네트워크 능력을 갖고 마스터 , 슬레이브가 될 수도 있다 .

• 호핑 패턴은 48- 비트의 전세계에서 유일한 식별자인 기기 ID 에 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

사용

SB

SB

SB

SB

SB

SB

SB

SB

SB

M

S

P

SB

S

S

P

P

SB



Scatternet

인접한 피코넷 간에는 공통의 슬레이브나 마스터를 통하여 서로 연결하여 통신

M=MasterS=SlaveP=ParkedSB=Standby

M

S

P

SB

S

S

P

P

SB

M

S

S

P

SB

Piconets(each with a capacity of < 1 Mbit/s)



Bluetooth protocol stack I

Radio

Baseband

Link Manager

Control

HostControllerInterface

Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP)Audio

TCS BIN SDP

OBEX

vCal/vCard

IP

NW apps.

TCP/UDP

BNEP

RFCOMM (serial line interface)

AT modemcommands

telephony apps.audio apps. mgmnt. apps.

AT: attention sequenceOBEX: object exchangeTCS BIN: telephony control protocol specification – binaryBNEP: Bluetooth network encapsulation protocol

SDP: service discovery protocolRFCOMM: radio frequency comm.

PPP

Core specification

Profile specification



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

대한 기술 링크관리 프로토콜

• 보안 기능과 파라미터 협상을 포함한 기기들 간의 링크 설정과 관리

논리적 링크 제어와 적응 프로토콜 (L2CAP)• 더 높은 계층들을 베이스밴드에 적응 ( 무연결 및 연결 - 지향의

서비스 ) 서비스 발견 프로토콜 (SDP)

• 근접 거리에 있는 기기 발견과 서비스 특성에 대한 조회 RFCOMM

• EIA-232( 이전에는 RS-232) 표준을 따르는 무선 시리얼 라인 인터페이스



Bluetooth protocol stack III

TCS BIN• 블루투스 기기들 간의 음성 및 데이터 호 수립을 위한 호 제어

시그널링을 정의하는 비트 - 지향의 프로토콜을 기술• 이동성과 그룹 관리 기능도 기술

HCI(host controller interface)• 베이스밴드 제어기와 링크 관리기에게 코맨드 인터페이스를

제공하고 , 하드웨어 상태와 제어 레지스터에 대한 액세스도 제공• HCI 는 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 교환



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 mW 이고 최소는 1 mW, 100 m 반경• 전력 제어는 필수

• 전력 클래스 2• 최대 전력은 2.5 mW 이고 , 정상 전력은 1 mW 이며 , 최소 전력은 0.25 mW,

10 m 반경• 전력 제어는 선택적

• 전력 클래스 3• 최대 전력은 1 mW



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 fk 로 데이터를 보내면 , 슬레이브는 fk+1 로 응답

• 송수신이 TDD(Time division duplex) 로 분리• 데이터 전송을 위해 625 us 의 한 개 시간슬롯 사용• 각 슬롯에 마스터나 7 개의 슬레이브 중 하나가 교대 형식으로

데이터를 전송• 더 높은 데이터율을 위한 3- 슬롯과 5- 슬롯 패킷 ( 멀티 - 슬롯 패킷 ) 정의



Frequency selection during data transmission

S

fk

625 µs

fk+1 fk+2 fk+3 fk+4

fk+3 fk+4fk

fk

fk+5

fk+5

fk+1 fk+6

fk+6

fk+6

MM M M

M

M M

M M

t

t

t

S S

S S

S



Baseband packet

3개의 필드로 구성 • 액세스코드는 패킷의 첫 번째 필드로서 타이밍 동기화와 피코넷

식별• 패킷헤더 필드는 전형적인 계층 2 의 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

access code packet header payload

68(72) 54 0-2745 bits

AM address type flow ARQN SEQN HEC

3 4 1 1 1 8 bits

preamble sync. (trailer)

4 64 (4)



Baseband data rates

Payload User Symmetric AsymmetricHeader Payload max. Rate max. Rate [kbit/s]

Type [byte] [byte] FEC CRC [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 1 D 10+(0-9) D 2/3 D yes D 64.0+57.6 D

ACL

1 slot

3 slot

5 slot

SCO

Data Medium/High rate, High-quality Voice, Data and Voice



SCO payload types

payload (30)

audio (30)

audio (10)

audio (10)

HV3

HV2

HV1

DV

FEC (20)

audio (20) FEC (10)

header (1) payload (0-9) 2/3 FEC CRC (2)

(bytes)

• 동기식 연결 지향 (Synchronous Connection Oriented, SCO) 링크

• 전통적인 전화연결과 같이 대칭적 회선스위치 (circuit-switched) 점대점 (point-to-point) 연결



ACL Payload types

payload (0-343)

header (1/2) payload (0-339) CRC (2)

header (1) payload (0-17) 2/3 FEC

header (1) payload (0-27)


header (2) payload (0-183)


header (2) payload (0-339)DH5

DM5

DH3

DM3

DH1

DM1

header (1) payload (0-29)AUX1

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

CRC (2)

(bytes)

• 비동기식 무연결 (Asynchronous Connectioness, ACL) 링크

• 대칭적 또는 비대칭적 패킷스위치 전송 , 점대다 (point-to-multipoint) 연결



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

SLAVE 2

f6f0

f1 f7

f12

f13 f19

f18

SCO SCO SCO SCOACL

f5 f21

f4 f20

ACLACLf8

f9

f17

f14

ACL



Robustness

블루투스 데이터 전송의 견고성은 여러 기술에 기반• FH-CDMA 는 스캐터넷내의 여러 피코넷을 분리 • FHSS 는 2.4 GHz ISM 밴드에서 동작하는 다른 기기들과의 간섭을 완화 • FEC는 전송 에러를 정정하는데 사용

MASTER

SLAVE 1

SLAVE 2

A C C HF

G G

B D E

NAK ACK

Error in payload(not header!)



Baseband states of a Bluetooth device

standby

inquiry page

connectedAMA

transmitAMA

parkPMA

holdAMA

sniffAMA

unconnected

connecting

active

low power

Standby: do nothingInquire: search for other devicesPage: connect to a specific deviceConnected: participate in a piconet

detach

Park: release AMA, get PMA Sniff: listen periodically, not each slotHold: stop ACL, SCO still possible, possibly

participate in another piconet



L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol

베이스밴드 계층 위에서 제공되는 데이터 링크 프로토콜• QoS 특성과 더불어 블루투스 기기들 간에 논리적 채널을 제공• ACL 에 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 ,최대 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 1 을 사용하고 , CID 값 2 는 무연결 채널을 위해 예약

• 연결 - 지향의 CID 는 동적으로 할당 (3에서 63)



L2CAP logical channels

baseband

L2CAP

baseband

L2CAP

baseband

L2CAP

Slave SlaveMaster

ACL

2 d 1 d d 1 1 d 21

signalling connectionless connection-oriented

d d d



L2CAP packet formats

length2 bytes

CID=22

PSM2

payload0-65533

length2 bytes

CID2

payload0-65535

length2 bytes

CID=12

One or more commands

Connectionless PDU

Connection-oriented PDU

Signalling command PDU

code ID length data1 1 2 0

• PSM(protocol/service multiplexor)

• 코드 : 명령 거부 , 연결 요청 , 단절 응답 등 표시



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 PIN 을 입력 (16 바이트 )• PIN 과 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 생성

• 사용자 데이터 암호문은 사용자 데이터와 페이로드 키를 단순히 XOR하여 생성



Security II

E3

E2

link key (128 bit)

encryption key (128 bit)

payload key

Keystream generator

Data DataCipher data

Authentication key generation(possibly permanent storage)

Encryption key generation(temporary storage)

PIN (1-16 byte)User input (initialization)

Pairing

Authentication

Encryption

Ciphering

E3

E2

link key (128 bit)

encryption key (128 bit)

payload key

Keystream generator

PIN (1-16 byte)



SDP – Service Discovery Protocol

서비스를 발견하는 요청 / 응답 (Inquiry/response) 프로토콜• 라디오 반경 내에서 서비스를 탐색• 서비스의 발견에 대해서만 정의하고 있고 그 사용에 대해서는

정의하지 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 , 불리안 , URL(uniform resource locator) 등이 될 수 있음


Mobile Communications Additional protocols to support legacy

protocols/apps. RFCOMM

• EIA-232( 이전에는 RS-232) 표준을 따르는 무선 시리얼 라인 인터페이스

• 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



Profiles

특정 응용에 대한 디폴트 해법을 표현• 프로토콜 스택의 수직적인 조각들• 상호작용 및 호환성

기본 프로파일• 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

Additional ProfilesAdvanced Audio DistributionPANAudio Video Remote ControlBasic PrintingBasic ImagingExtended Service DiscoveryGeneric Audio Video DistributionHands FreeHardcopy Cable Replacement

Profiles

Pro

toco

ls

Applications


CRC(Cyclical redundancy Check)

• http://netwk.hannam.ac.kr 한남대데이터통신 강의자료 참조

• 04-chap09-한남대.ppt



CRC I

순환 중복 검사 (CRC: Cyclic Redundancy Check)• 2 진 나눗셈을 이용



CRC II

CRC 발생기• 모듈러 -2 나눗셈을 이용

2 진 나눗셈



CRC III

다항식• CRC 발생기는 1 과 0 의 스트링 보다는 대수식으로 표현



CRC IV

하나의 다항식은 하나의 젯수를 표현



CRC V

표준 다항식

chapter 7. wireless lan

Documents

phy mac

frag1 sifs ack ack

frag2 ack difs

cts dfwmac pcf

mac layer

frame spacing ack

mbits dbpsk

mac mib