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이번 포스트는 무선 이동통신에서의 Routing과 Cellular Network 에 관한 개념을 다룬다.

Wireless & Mobile

왜 Wireless를 사용할까?

  • 유선 연결이 불필요하다
    • 사용자가 자유롭기 때문에 Mobility가 가능하다.
  • 설치 비용이 절감한다.
    • 유선망 구축이 불필요하다.
  • 빠른 설치가 가능하다.
    • 케이블의 매설 없이 네트워크 구축이 가능하다.

단점)

  • 무선 채널의 품질 변화
    • 페이딩, 간섭, 장애물 등으로 품질이 불안정하다
  • 보안 취약
    • 신호가 공중으로 퍼지므로 도청과 공격에 취약하다.
    • 암호화가 필요하다
  • 대역폭 제한
    • 유선보다는 상대적으로 낮은 속도이다.

Wireless vs Mobile

구분 Wireless Mobile
개념 유선 연결 없이 통신 가능 단말의 이동 가능성 지원
예시 Wi-Fi, 블루투스, 적외선 통신 Cellular, 위성 통신
네트워크 측면 고정된 사용자도 가능 (ex: Wi-Fi 프린터) 반드시 이동성 고려
전송 경로 무선 매체 사용 무선 + 이동성 관리 필요

핵심 차이

  • Wireless는 매체 관점, Mobile은 사용자의 이동성 지원 관점을 가지고 있다.

Wireless Routing

무선 네트워크에서 라우팅이란?

  • 단순히 패킷 전송만 하는 것이 아니다.
  • 무선 환경에서는 링크 상태가 계속 변한다.
    • 동적으로 경로를 찾아야한다.

MANET

MANET = “Mobile Ad hoc Network”

  • Base Station 없이도 노드 간 직접 통신하는 네트워크
  • 주요 특성
    • 모바일 노드 : 토폴로지 변화가 빈번하다.
    • 인프라 없음. : 스스로 라우팅을 수행한다.
    • 다중 홈 (Multiple-hop) 경로가 필요하다.
  • Ad hoc Network의 특성 정리
특성 설명
Dynamic Topology 노드 이동 → 연결 끊김/생성
Bandwidth 제한 무선 채널 → 유선보다 대역폭 좁음
에너지 제한 모바일 노드 → 배터리 소모 고려
네트워크 확장성 문제 노드 수 증가 시 라우팅 오버헤드 ↑
보안 문제 오픈 환경 → 공격 가능성 ↑
  • MANET Routing 목표
    • 효율적인 경로를 설정한다. : 최단 경로, Qos 만족
    • Topology 변화에 빠르게 대응한다.
    • 에너지 효율을 고려한다.
    • Loop-free (경로의 순환을 방지한다.)
    • 최소한의 라우팅 오버헤드를 유지한다.

Routing 분류

Proactive Routing

  • Table-driven
  • 항상 라우팅 테이블을 유지한다. (미리 경로를 설정한다.)
  • 주기적으로 업데이트를 하고, 빠른 전송 시작을 가능하게 한다.
  • 단점으로는 제어 오버헤드가 크다. (이는 곧 Update Traffic 을 높인다.)
  • DSDV, CGSR, WRP

DSDV (Destination Sequenced Distanced Routin)

  • Bellman-Ford 알고리즘 기반
  • 각 노드는 모든 목적지에 대한 최단 거리와 Next Hop 정보를 테이블로 유지한다.
  • Sequence Number를 사용하여 경로의 Loop을 방지하고 최신 정보를 판별한다.
  • 구성
    • 목적지 주소 / 거리 (Hop 수) / Next Hop / Sequence Number

DSDV

CGSR (Cluster-head Gateway Switch Routing)

  • Hierarchical Routing 방식
  • 전체 네트워크를 Cluster 단위로 구성한다.
    • 각 Cluster마다 Cluster Head가 있다.
  • Cluster Head가 라우팅 정보 유지하고 관리한다.
    • 일반 노드는 Cluster Head에만 정보를 제공한다.

CGSR

  • 주요 구성 요소
    • Cluster Head : 라우팅 정보를 관리하고, Cluster 내 통신을 지원한다.
    • Gateway Node : Cluster 간 통신을 중계한다.
    • 일반 노드 : Cluster Head에만 연결
  • 장점
    • 라우팅 오버헤드가 감소한다.
    • 대규모 네트워크에 적합

Reactive Routing

  • On-demand
  • 이름 그대로 필요할 때만 경로를 탐색한다.
  • 라우팅 테이블을 항상 유지하지 않는다. (필요한 때만 Route Discovery를 수행한다.)
  • 자원 효율성이 높다. : 불필요한 라우팅 업데이트가 없다.
  • 초기 전송은 느릴 수 있다. 변화에 더 유연하게 대응한다.

DSR (Dynamic Source Routing)

  • Source Routing 사용
    • 데이터 패킷 안에 전체 경로를 포함한다.
  • 중간 노드는 경로 캐싱이 가능하다. (Route Cache를 활용한다.)
  • Control message : Route Request / Route Reply
  • 동작 절차
  1. Route Discovery
    • Source 가 목적지로 RPEQ 브로드캐스트를 진행한다.
    • 중간 노드는 RREQ에 자신을 추가하면서 전달한다.
  2. Route Reply
    • 목적지에 도달할 시에 RREP를 역방향으로 송신한다.
  3. Data Transmission
    • Source가 패킷 헤더에 전체 경로를 포함해서 데이터를 전송한다.
  • 장점
    • 라우팅의 오버헤드가 줄어들고, 경로의 다양성 활용이 가능하다.
  • 단점
    • 경로가 길어지면 패킷 헤더 크기가 증가한다.
    • 경로 유지가 어렵다.

DSR

AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing)

  • DSR과 다르게 Source Routing이 아니다.
    • 패킷에 전체 경로가 포함되지 않는다.
  • Next Hop 기반 Forwarding (Distance Vector)

  • Sequence Number 사용 : 최신 경로 사용

  • 동작 절차
  1. Route Discovery
    • Source가 목적지로 RREQ 브로드 캐스트
    • 중간 노드는 RREQ 정보 기억 (Reverse Path를 저장한다.)
  2. Route Reply
    • 목적지 또는 중간 노드가 RREP를 전송한다.
    • Reverse Path 이용
  3. Date Transmission
    • Source는 Next Hop 기반으로 데이터를 전송을 시작한다.
  4. Route Maintenance
    • 경로에 이상 발생 시 RERR (Route Error) 메시지로 경로 제거

Cellular

  • Cellular System은 작은 Cell 단위로 주파수를 재사용하여 넓은 지역에 무선 서비스를 제공하는 구조이다.

    왜 Cell 단위로 나눌까?

    • 주파수는 제한적이기에 한 곳에서만 사용하면 비 효율적이다.
    • Cell로 나누어 주파수를 재사용하여 효율을 높일 수 있다.
    • 통화의 품질 관리와 이동성 관리가 (HandOff)가 가능하다.

  • Cell : 서비스 범위 구역 (Coverage Area)

    • 일반적으로 육각형 형태로 모델링
    • 실제는 불규칙하지만 모델링 시 가장 계산에 용이하다.
    • 각 Cell 마다 Base Station (BTS)가 존재한다. (해당 영역 서비스를 담당한다.)

Handoff

  • 사용자가 이동하면서 현재 연결된 기지국에서 다른 기지국으로 연결을 전환하는 과정

  • 2가지의 종류가 존재한다.

  1. Hard Handoff
    • 기존 기지국과의 연결을 먼저 끊고 난 이후 새로운 기지국과 연결하는 방식
  2. Soft Handoff
    • 기존 BTS와 연결을 유지한 상태로 새로운 BTS와도 동시에 연결을 수행한다.
    • 일정 시간동안 두 개 이상의 BTS와 중복 연결 상태가 유지되면 이후 상태가 좋은 쪽으로 전환한다.

Handoff Region

  • 사용자가 이동하면서 현재 연결된 BTS에서 다른 BTS로 연결을 변경하는 과정
  • 발생 조건
    • 현재 Cell의 신호 강도 < 임계치
    • Neighbor Cell의 신호 강도 > Threshold + Margin
  • Handoff 영역의 특징
    • 신호 강도는 점진적으로 변화한다.
      • 이는 정확한 Handoff 타이밍이 중요하다.
    • 너무 늦으면 Call Drop이 발생할 수 있다.
    • 너무 빨리하면 Ping-pong 현상이 발생할 수 있다.
      • 잦은 Handoff 가 반복된다.

Cellular 에 대해

Cell Structure

  1. Line Structure
    • Cell들이 선형(Line)으로 배치된 경우
    • F1, F2, F3 서로 다른 주파수 그룹을 사용
    • 주파수 간 경계를 나누어서 사용하여 인접 Cell 간 간섭 방지가 목적
    • FCA = Fixed Channel Allocation
      • 각 Cell에 미리 고정된 주파수 그룹을 할당한다.
  2. Plane Structure
    • 평면 상에서 Cell들이 패턴을 이루며 배치한다.
    • 서로 다른 주파수 그룹을 반복적으로 할당한다.
    • 주파수 재사용한다.
      • 일정 거리를 두고 같은 주파수를 반복 사용한다.

Reuse Distance

  • 주파수 재사용 거리가 너무 짧으면 간섭이 심해진다.

  • 너무 길면 주파수 사용 효율이 떨어진다.

  • 공식 \({D = R \cdot \sqrt{3N}}\)

    • D : Frequency Reuse Distance
    • R : Cell 반경 (Cell Radius)
    • N : Frequency Reuse Factor

Cluster Size : N

  • Cluster : 서로 다른 주파수 그릅을 사용하는 Cell들의 집합

  • N = 하나의 Cluster 안에 서로 다른 주파수 그룹 수

  • 공식 \(N = i^2 + i \cdot j + j^2\)

Cochannel Interface

  • Celluar Network에서 같은 주파수 그룹은 여러 Cell에서 반복적으로 재사용된다.

  • 주파수 재사용 거리가 충분하지 않으면, 다른 Cell에서 같은 주파수로 송신한 신호가 간섭을 발생시킨다.

  • Cochannel = 같은 채널 사용

    • CCI는 완전히 제거 불가능
    • 목표는 CCI를 허용 가능한 수준 이하로 관리하는 것

  • Cochannel Interface ratio 공식 \({ \frac{C}{I} = \frac{C}{\sum I} }\)

    • 내가 원하는 신호가 간섭에 비해 얼마나 강한가?
    • 크면 좋다.

Cell Splitting

  • 기존의 큰 Cell을 작은 Cell들로 분할하여 Capacity를 증가시키는 기법
  • 사용자 수가 늘어나면 기존 Cell의 Capacity가 부족해진다.
  • Cell Splitting을 통해 Cell Density 증가하여 주파수 재사용의 효율이 증가한다.

Cellular System

Celluar System

  • 시스템은 크게 무선 구간과 Core Network로 구성된다.
  • 무선구간 -> MS -> BTS -> BSC
  • Core network -> MSC -> GateWay MSC -> 외부망 (PSTN / ISDN)

구성요소는 아래와 같다.

  1. MS (Mobile Station)
    • 사용자 단말기
    • 사용자 입장에서 가장 가까운 BTS와 무선으로 연결된다.
  2. BTS (Base Transceiver Station)
    • 흔히 말하는 기지국
    • Mobile Station 과 직접 무선 통신을 처리한다.
    • RF 송수신, Modulation / Demodulation을 담당한다.
    • 한 BTS가 하나의 Cell을 커버한다.
  3. BSC (Base Station Controller)
    • 여러 개의 BTS를 중앙에서 관리한다.
    • Radio Resource Management를 담당한다.
      • 채널 할당, 핸드오프 제어
    • BTS 간 트래픽 전달을 담당한다.
  4. MSC (Mobile Switching Center)
    • Core Network의 핵심 교환기
    • BSC를 여러개를 관리한다.
    • 데이터 베이스 요소
      • VLR (Vistor Location Register) : 방문자 등록 인터페이스로 현재 MSC 영역에 위치한 단말 정보를 관리한다.
      • HLR (Home Location Register) : 사용자의 영구 등록 정보를 저장한다.
      • AUC (Authentication Center) : 가입자 인증 처리로 HLR과 연계되어 키 관리 / 암호화 정보를 제공한다.
      • EIR (Equipment Identity Register) : 단말기 장비 식별 정보를 저장하여 장비가 허가된 장비인지를 확인한다.
  5. Gateway MSC
    • 외부 네트워크(PSTN/ISDN 등)와의 연결을 담당하는 MSC
    • 다른 MSC 또는 다른 사업자 네트워크와 연결한다.

Registration

  • 위치 등록 과정
    • Registration = 현재 단말의 위치 정보를 VLR에 등록하는 과정
  • 단말(MS)이 새로운 Cell 영역에 진입하거나 전원이 켜지면, 네트워크 축에서 단말이 어디있는지를 알아야 서비스 제공이 가능하다.
  • 동작 흐름
  1. MS가 Registration 필요를 인지
    • MS가 전원을 켜거나, 새로운 Location area에 들어가면 보낸다.
  2. Registration Request 전송
    • MS가 Registration Request 메시지를 전송한다.
  3. Request 메시지 전달
    • BTS -> BSC -> MSC로 계층적으로 전달한다.
    • MSC가 중심 제어 역할을 담당한다.
  4. MSC -> VLR로 Registration 을 요청한다.
    • MSC는 해당 지역의 VLR에 MS의 Registration 요청을 보낸다.
  5. VLR - HLR Response/ Request
    • VLR , HLR 로 가입자 정보를 요청한다.
    • 서비스 프로필, 인증 정보, 로밍 허용 여부 등을 제공한다.
  6. Registration 완료 응답
    • VLR에 MS 정보 업데이트 이후 MSC, BSC, BTS, MS방향으로 Registration 완료 응답을 전송한다.

Roaming

  • 로밍이란 사용자가 자신의 Home Network 영역을 벗어나 다른 네트워크 영역에서 서비스를 받는 것을 의미한다.
  • 왜 필요한가.?
    • 전 세계적으로 Seamless 통신 서비스 제공이 목표
    • 이동 시 연속적인 서비스 지원

참고

Concurrency, Locks

8 분 소요

이번 포스트는 OS의 Concurrency와 Locks에 대해 다룬다.