12강 Mobile Networks

Basics on Mobile Networks

• network infrastructure 는 주로 기간 망을 말합니다.(일반적으로 광섬유 유선연결)
• MS와 UE는 같은 것을 말하고 주로 스마트폰이나 노트북을 말합니다.

 

• 기지국이 Base Station이고 유선망에 연결되어있습니다.

• 주로 모바일이 기지국에 연결되는 수단을 wirelessLink라고 보면 된다.

• 단말이 네트워크 인프라에 연결된 기지국에 무선으로 접속하는 것을 infrastructure mode라고 부른다. (주로 와이파이, 셀룰러 네트워크)

• 기지국 없이 단말들끼리 직접 통신하는 모드를 ad hoc모드라고 부른다.

• 현재 와이파이는 adhoc모드와 infrastructure모드를 모두 지원하고 있다.

• 이 도표에서 봐야할 것 : wifi는 high data rate이고 narrow coverage를 가진다고 보면됩니다.

Wireless Network Taxonomy(분류)

• sigle hop같은 경우 기지국과 단말까지 한번에 무선에서 연결되는 것을 말합니다.
• 기지국에서 단말까지 거리가 안 되는 경우 중간에 증폭해주는 녀석이 relay라고 불린다. 그 방식이 multiple hops이다.
• 단말에 직접 관여되는 링크 : Access Link
• 기지국과 relay사이 연결되는 링크 : Back hand 링크라고 부른다.
• 싱글 홉은 단말에서 기지국까지, 단말에서 AP까지를 말하고,
• 멀티홉은 wifi ad hoc이나 이동통신의 relay가 사용되는 경우 블루투스를 하기도 함.
• MANET: mobile ad-hoc network : 모바일간 네트워크
• VANET: vehicular ad-hoc network : 차량과 차량사이 직접 통신을 말하는 것 (최근 주목)

Wireless Link Characteristics(특징)

• 유선과 달리 path loss를 경험한다.(Decreased signal strength)
• Interference: 무선은 broadCast특징이 있어서 주변 노드들에게 전파 간섭을 일으킨다.
• Multipath propagation : 여러가지 경로로 들어가거나 반사되서 들어가는 경우가 있어서 지연된 신호가 들어올 수 있다. (유선에서는 잘 없는 특징)
• Lage Scale fading
• 소규모 페이딩

• 채널 환경이 좋다면 QAM 256를 쓰지만 채널환경이 안 좋다 하면 BPSK를 쓴다.

무선 채널 환경에 맞게 사용한다. → SNR이 높으면 신호 품질이 좋다는 것이다

여기서 bit error Rate를 BER 이라고 부른다.

만약 SNR를 미리 예측해서 10DB 정도 나왔다면 우리는 256QAM를 쓰면 거의다 에러가 날 것이기 때문에 BPSK를 사용해야만 한다.

따라서 이것은 SNR이 주어지면 그에 따라서 throughput을 높게 설계하면 되는 것 이다.

우리는 module rate뿐만 아니라, coding rate까지 다 고려한다. 우리는 그래서 이제는

• BER(bit error rate)보다 PER(packet error rate)이 더 중요하다고 볼 수 있다.
• MCS: modulation and coding scheme → 이동에 따라서 많은 변화가 있기 때문에 이동에 따라 MCS를 선택해주어야만 한다.

• 기지국은 인터넷 망과 연결이 되는데 바로 연결되는 게 아니라 사업자 망을 먼저 거치고 가게 되는데 그 거치는 것을 MSC(modile switching center) 라고 합니다.
• 다만 요즘은 대부분 라우터로 바뀌었다.
• 현재 그림에서 Cell을 Radio Access Network(RAN)이라고 부르기도 합니다.
• 무선에서 1계층의 통신을 이야기 하는 것을 air interface라고 부른다.

From 1G to 5G

Their feature, Evolution, History of Korea Broadband

• 1G (1980년대) → 아날로그 voice 서비스 → 가격이 비쌈
• 2G(1990년대) → 디지털 voice 서비스 → TDMA방식 (유럽이 개발) + SMS도 등장
• 3G (2000년대) 로밍 → 사업자가 바뀌는 것( 나라가 바뀌면 당연히 바뀌는것.), 전세계적 주파수를 통일한다. (비디오 콜을 했다는 특징) + 인터넷 서비스의 시작

2G에서 3G로 넘어갈 때 OFDM과 MIMO 기술이 생김으로 4G로 갈 수 있는 발판이 마련됨.

• 4G: 2006년 쯤 iphone이 등장 (그 전에도 PDA라는 개념도 있었는데 가장 다른게 App store라는 생태계가 등장해서 혁신이 일어남) 그래서 4G의 대박 (LTE)
• 5G: 이미 대부분의 기술들은 다 4G에서 적용되서 빠르게 하기 위해서 여러개의 안테나를 만든다고 봐도 된다. (그것이 바로 MiMO기술) 안테나 갯수와 bandwidth를 늘리기 위해 high frequency로 갈 수밖에 없었다.

 20Gbps를 지원하려고 한다.

 우리나라는 3.5GHZ대역과 28Ghz대역을 사용했는데, 28은 사실 실패하였다.

 실제로 20Gbps는 지원하지는 않는다.

왜 5G는 LTE의 개선버전인데 새로 이름을 지었는가?

 너무 4G에서 기술을 추가하다 보니까 더러워져서 개선된 것들을 기준으로 조금 더 깔끔하게 다듬었기 떄문이다.

 즉 그렇기에 5G는 4G와 호환이 되지 않아서 이름을 바꿔준 것 입니다.

우리나라 서비스

TDX → 유선 전화 보급을 위해

CDMA→ 자연스러운 3G시스템의 기반

LTE는 1Gbps를 만족시켜주지는 못한다. 한 3.9G 정도 된다고 보면 된다.

Fundamentals for Mobile Networks

Network architecture, Multiple access, Cell search/handover, 3GPP standards

3GPP : 3G에 대한 표준을 만들고자 만든 단체 → 여러 단체가 생겼었지만 이것만 살아남아서 4G 5G그대로 간다.4G 5G가 되어도 이름은 3GPP 그대로 간다.

특징이 유럽에서 만든 단체이기 때문에 이전에 2G를 만든 GSM에서 사용했던 용어들이 그대로 넘어온다.

그래서 Base Station이라고 부르지 않고 Node B라고 부른다. (NB)

단말도 MS라고 부르지 않고 UE라고 부른다. 이때 sim카드가 들어가는 개념입니다.

LTE 표준으로 넘어가면서 Core network를 EPC라고 부른다.

그리고 아래쪽에 RNC와 NB와 UE가 연결되어있는 걸 RAN이라고 부르는데,

과거에는 기지국 끼리 직접 연결되지 못하고 RNC를 통해서 연결이 됐다.

다만 LTE로 넘어오면서 기지국끼리 직접 통신 가능.

과거 3G는 IP와 이더넷 방식이 아니라 자기만의 ATM 방식을 썼는데 그것이 망하고 4G로 와서야 IP로 다 통일이 된다.

3G는 서킷 스위칭과 패킷 스위칭이 섞여 있었는데 4G가 되면서 다 packet switching으로 바꼈다.

Multiple Access for Multiuser Communications

기지국에서 단말까지 연결하는 기술

FDMA와 TDMA가 있을 수 있다.

주파수와 시간 둘다 칼같이 자를 수 없기 때문에 각각 Guard band 와 Guard Time이 있습니다.

CDMA는 파워를 쪼개는 방식이라고 보면 됩니다.

CDMA는 FDMA와 TDMA 방식과 달리 한 비트를 보낼 때 여러개의 비트를 보내야하기 때문에 high data rate에서는 부적합하다.

따라서 현제 High data rate에 해당하는 것은 TDMA와 FDMA가 합쳐진 방식으로 동작하고 있다.

Gaurd band를 없애는 기술이 OFDM이라고 부른다.

Multiuser MIMO: MIMO + Scheduling

mimo : multiple input multiple output

여러개의 송신 안테나를 만드는 기술.

스캐줄링 같은 경우 필요한 data rate 에서 최적에 해당하는 상황에 보내는 것을 의미한다.

(즉 data rate 가 잘 나올 때 데이터를 전송해주는 느낌)

• LTE-Advanced: downlink 8x8 Typically, 4x2
• 5G NR: 32 or 64 antennas at base station

이동성을 위해서 프로토콜이 필요합니다.

어떻게 최적의 기지국을 찾느냐? wifi가 beacon 신호를 보내듯 기지국도 board Cast로 신호를 주기적으로 보낸다.

white list가 있다. (이전에 접속했던 기지국 목록들)

기지국이 단말에게 보내는 방식 : Down Link, 단말이 기지국에게 보내는 방식 : Up Link방식

RSSI 가 가장 크게 잡히는 기지국을 찾아서 랜덤 엑세스로 슬롯티드 알로하 방식으로 내가 누구인지 알려준다.

그때 기지국이 알려준 특정 패턴으로 보내는 방법이고, Random하게 access 해준다.

각각 유저가 어디있는지 위치를 알아야하는데 그 위치에 대한 정보가 HLR에 저장이 된다. (Home Location Register)

HLR은 그렇게 많지는 않고 실제로 단말에 대한 정보는 단말에 가까운 곳에 이동시켜 놓는데 그 것을 VLR(visitor Location Register)라고 부릅니다.

VLR은 경로까지 설정해주기 때문에 알고리즘 적 요소가 들어간다는 것을 알 수 있다.

강의록 아래 다이어그램은 몰라도 됨 Connection Setup to Access Network and Core Network 이 파트

3GPP 표준

25시리즈는 3G 표준이라고 보면 된다.

36 은 4G

38은 5G

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Mobile Networks II& Other Wireless Networks

Basic Radio Access Protocols for 4G & 5G

• LTE RAN, 5G RAN, QoS, Radio protocol architecture

4G에서 Air interface를 E-UTRAN 이라고 부른다. (기지국과 단말사이의 연결)(마켓네임 : LTE)

LTE ↔ EPC를 주로 사용.

Core Network는 EPC라고 부른다.(마켓네임SAE)

• UE : 단말,
• 기지국 : eNodeB보다 BS이라고 더 부름
• HSS : database에 해당
• MME와 VAR과 상당히 유사한 역할을 함.
• P-GW : 인터넷 망이 사업자 망을 거칠때 PDN망을 거친다.

아래쪽에 2개가 무선구간

그 위에 부분이 core network 구간이고

core network의 끝부분에서 인터넷과 연결된다는 것을 알고 넘어가면 된다.

5G Radio Access Network

• eNB는 4G에서 이고, gNB는 5G에서 이다. (gnB는 5G기지국이라고 보면 됨.)

기지국은 CU와 DU로 쪼개져서 관리하기도 한다. (CU가 DU를 관리)

이런것들이 GateWay역활을 하는 UPF와 연결되기도 하고, VAR과 비슷한 역활인 AMF와도 연결되어 있다. (5GC →5G core 와 연결되어 있음)

gNB: NR divice간에 NR user-plane, control-plane프로토콜을 제공한다.

eNB: LTE사용자간 LTE user-plane와 control-plane 로 제공한다.

• eNB : 하나 또는 여러 셀의 모든 무선 관련 기능, 예를 들어

5G QoS (Quality of Service) Handling

1. QoS를 유선구간에서 관리해주는 것을 Qos-flow
2. QoS를 무선구간에서 관리해주는 것을 radio-bearers이다.

• IP 패킷이 오갈 떄 사업자 망으로 들어올 때 관리를 시작.
• 한정된 용량에서 관리를 해줘야만 하기 때문에 있는 것이 Qos입니다.
• Bearer: gateway와 UE 간에 정의된 QoS가 있는 IP 패킷 흐름입니다.
• QoS Flows: 가장 세밀한 단위의 QoS 차별화
• PDU 세션 중 QoS 플로우 및 radio bearers

5G Radio Protocol Architecture

• L1: PHY
• L2 : MAC과 DLC로 나뉘는데 DLC가 RLC라고 보면됨.
• L3 : IP는 헤더가 거의 안 바뀌기 때문에 Header Compission을 통해서 보내고 그것을 해석해주는 프로토콜이 PDCP 이다.
• RRC : 무선구간과 관련된 제어정보를 생성하는 프로토콜이다.
• CORE 네트워크와 주고받는 메세지 : NAS (무선 한정되는 이야기가 아니다.)

즉 userPlane은 데이터를 위한 것이고 Control Plane 같은 경우 데이터를 주고 받기 위해 네트워크를 위해서 만든다고 보면 된다.

즉 다시 말하지만 SDAP를 이용해서 매핑을 해주는 것이다.

• MAC이 위와 주고 받는 정보를 SDU, 아래와 주고 받는 정보를 PDU라고 부른다.

 MAC에서 만들어진 패킷을 PDU, HEADER 가 안 붙은 경우를 SDU라고 부른다.

4G LTE Evolution

LTE는 Rel-14까지이다.

발전 방향

• Multi-안테나 기술 : MIMO, CoMp
• Spectrum Flexibility : 주어진 스펙트럼만 사용하겠다는 것이 아니라, 인접한 스펙트럼이 있다면 합쳐셔 사용하겠다는 것.
• Densification : 기지국을 많이 설치하겠다는 것

1. Spectrum Flexibility

LTE는 20MHz 대역을 지원했었다.

더 높은 걸 사용하지 못하니까 당연히 data rate가 제한이 걸렸고, 그것을 해결하기 위해서 2개를 붙혀서 사용하기도 했다.

즉 그렇게 20MHz가 2개가 붙으면 40MHz처럼 동작하게 한 것이 LTE-advance와 같다는 것이다.

이런 방법을 Carrier aggregation (CA)라고 부른다.

단일 디바이스 간 송수신에 공동으로 사용되는 컴포넌트 캐리어(CC)를 단일 장치와의 송수신에 공동으로 사용

• 최대 5개 컴포넌트 캐리어, 최대 100MHz 대역폭(BW)
• 베이스밴드에는 차이가 없으나 RF 구현 복잡성 증가

면허 대역 뿐 아니라 비면허 대역도 사용하겠다 하는것.

• 비면허 대역은 WIFI에서 사용

이러한 기술을 4G에서 Licensed assisted access (LAA)라고 부른다.

라이선스 부여 스펙트럼에 라이선스가 없은 스펙트럼을 추가하는 개념.

Multi-Antenna Enhancements: Extended Multi-Antenna Transmssion

• Increasing peak data rate: Release 10
• 초기 LTE는 4*2 LTE-A 는 8*8 이었다.
• Full-dimension MIMO (FD-MIMO) 기술로 인해 3차원으로 빔이 형성되었다.
• ICIC 기술 : 기지국 사이 간섭이 심한데 간섭을 제어하는 방법으로 서로 겹치지 않도록 리소스를 제어하고 송신 전력을 제어해서 간섭을 줄일 수 있다. LTE Release 8(첫 LTE) 에 들어가서 상당히 초기의 기술이다.
• 빔의 방향을 바꿔서 간섭을 줄이는 방법이 있는데 그 기술을 CoMP 기술이라고 부른다.

기지국 설치

큰 규모의 기지국을 mcro cell이라고 부릅니다.

small cell 은 사람이 많이 몰리는 곳에 hot spot을 설치한다.

이러한 구조가 Macro cell과 small Cell이 다른 것을 HetNet이라고 부릅니다.

5G는 기지국이 항상 켜져있지 않고 꺼져있는 상황도 있을 수 있다고 가정하였다.

미국 처럼 유선으로 설치를 하기 어려운 경우 유선이 아니라 다른 방법으로 해결하기도 한다.

그림을 보면 small cell이 단말에게 서비스를 제공하고 small cell까지의 단말의 거리를 access link라고 부르고, small cell과 macro 기지국과의 링크를 backhaul link라고 부른다.

여기서 다 같은 주파수를 사용하는 두개의 링크를 IAB라고 부르고 이것은 5G에 반영되어있다.

즉 Relay cell을 우리는 IAB노드라고 부르기도 한다.

핵심적인 개념은 주파수를 재활용 하는 것이다. ⇒spatial reuse

새로운 시나리오 D2D

• D2D (device-to-device) communication
• 반드시 기지국을 거치지 않고 divice끼리 통신을 주고 받을 수 있도록 하려고 만들었습니다.
• D2D간의 링크를 sideLink라고 부릅니다.
• 차량간 통신: V2V, V2I (V2 infra), V2P (V2 pedestrian) → V2X (V2 everything)
• ITS (Intelligent transportation system) : 하이패스도 ITS 기술중 하나이다.
• NTN(Non-terrestrial networks): 하스팟이 움직이는 것 (5G)

5G Key Features

• eMBB : 기존의 서비스를 개선해서 증진시키는 방식
• mMTC: 망을 효율적으로 쓰는 방식
• URLLC: 딜레이를 줄이는 방식

5G 아키텍쳐

• RAN (Radio Access Network): LTE → NR
• CN (Core Network): EPC (Evolved Packet Core) → 5GC (5G CN)

5G NR의 설계철학

대역이 기본적으로 2Ghz 대역을 생각했으나 사용이 불가해서 4Ghz 대역을 생각했고 우리나라에서는 3.5GHz 대역에서 서비스를 한다. 하지만 이렇게 하면 데이터 rate를 충족시킬 수가 없다.

그래서 30GHz 대역으로 올라가고, 28GHz 대역을 우리나라에서 사용한다.

• 3.5 GHz licensed, 5 GHz unlicensed, 28 GHz mmWave (현재 3대 통신사는 사업 28Ghz 포기)
• Frequency Range 1 (FR1): all existing and new bands below 6 GHz
• Frequency Range 2 (FR2): new bands in the range 24.25-52.6 GHz
• Ultra-lean design : 항상 기지국이 켜져있을 것이라는 추즉을 줄이는 디자인이다.

Forward compatibility : 미래에 나온 기술이 이전 기술을 지원해주는 것이 아니라 이미 설계할 때 미래의 기술로 확장 가능성을 열어두고 기술을 만드는 방식.

Beam-centric design: 많은 양의 안테나가 사용 가능하기 때문에 많은 빔을 다룰 수 있도록 처음부터 디자인 한 방식 → 고주파로 올라갈 수밖에 없었다.. (안테나 갯수를 늘기기 위해서라도)

실패한 이유 회절율이 너무 낮아서..

• 5G는 HTTP 기반으로 통신해서 딱딱하게 프로토콜을 전부 지키지 않아도 됩니다.

위 그림은 4G 그림인데 4G는 각각 다른 프로토콜을 지켜야 해서 상당히 복잡하다.

5G의 설계철학 SBA(Service Based Architecture)

• HTTP 기반으로 통신하기 떄문에 소프트웨어 모델로 필요에 따라서 생성되기 때문에 서로 서로 쉽고 자유로운 통신이 가능해졌다.

Network Slice

전통 네트워크는 One-size-fits-all 을 지원했다.

• 예상되는 수많은 네트워크 배포 사용 사례
• 다양하고 때로는 상반된 요구사항을 가진 다양한 가입자 유형을 가지고 있었다.
• 다만, 스캐줄링이 어렵다는 특징이 있다.

Network slice는 논리적 네트워크 서비스이다.

• 비지니스 목적 도는 고객에게 서비스를 제공하는 논리적 네트워크로, 필요한 모든 네트워크와 함께 구성된 리소스이다.
• 가상화 및 SDN(Soft ware Defined NetWork)과 같은 기술의 발전을 통해서 공통의 공유 인프라 계층 위에 공유 인프라 레이어 위에 논리적 네트워크를 구성 할 수 있게 되었다.
• 여러개의 논리적 네트워크를 쉽게 생성할 수 있다.
• 여기서 고객은 최종 사용자를 의미하는 것이 아니라 사업자에게 특정 서비스를 요청하는 사업체를 의미한다.
• 관리 함수에 의해서 오케스트레이션 및 관리가 된다.

• 생성과 삭제, 연결이 자유롭다.
• 더 비지니스적이고 소비자 중심적이다.
• 각자 분리되어있지만 자원을 공유할 수 있다.
• 클라우드 아키텍쳐를 가지고 있다.
• 매니저가 리소스들을 잘 관리해서 네트워크를 다룬다.

네트워크 슬라이싱의 Benefits

• 고객 경험이 더 좋다. 고객에 맞게 적응할 수 있고 맞춤 설계해줄 수 있다.
• 클라우드 기반마켓이다.
• 쪼개져 있어서 관리가 더 간편하다.
• automation 이 좋다.
• 빠르고 유연하다.
• 장비 종속이 아니기 때문에 리스크가 적다.
• 여담 : 5G는 ML지원, 5GNR은 ML을 지원 X

블루투스

디바이스간 짧은 거리를 통신합니다.

Bluetootth LAN은 ad hoc network이다.

• 자발적으로 형성되는 네트워크이다.
• 가젯이라고 불리는 이 장치들은 서로를 찾아서 피코넷이라는 네트워크를 구성합니다.
• Ericsson Company가 만든 기술이다.(유럽의 회사)
• IEEE 802.15표준에 적혀있다. (personal area Network) (PAN)

Piconets

• Piconets은 최대 8개의 stations이 있을 수 있다.
• 그 중 하나를 primary로 임명하고 나머지를 secondaries라고 부른다.
• 모든 secondary stations는 primary를 반드시 지나야합니다.
• 모든 secondary station은 primary를 기준으로 동기화됩니다.
• piconet은 최대 7개의 secondaries를 가질 수 있지만 추가적인 secondaris는 parked state라고 부릅니다.

Scatternet

• Piconets를 결합해서 통신하는 방법을 Scatternet 이라고 부릅니다.
• secondary node를 primary로 해서 8개보다 많이 통신을 하게 만드는 기술

1~3 Mbps로 통신한다. 2.4- GHz 의 bandwidth로

• IEEE 802.11b에 wireless LANS와 Bluetooth LANS 가 적혀있다.

Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) in Bluetooth

Single-secondary communication

단 두개의 디바이스간 통신을 하는 방식

• 블루투스는 와이파이가 있어도 통신이 가능한 이유는 주파수 대역을 넘어다니기 때문이다. 즉 1초에 1000번 이상 뛰어다닌다.
• TDD방식이다. (시간축으로 쪼갬)

Multiple-secondary communication

• 모든 secondaries는 짝수 숫자 슬롯에서 나눠서 보낸다.

Satellite networks

위성 네트워크는 지구를 세포로 나눈다는 점에서 셀룰러 네트워크와 유사합니다.

지상에 인프라에 막대한 투자를 하지 않고도 전세계 미개발 지역에 고품질 통신을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

3가지 종류의 위성

• Geostationary earth orbit (GEO), low-Earth-orbit (LEO), and medium-Earth-orbit (MEO)

GEO : 고궤도 위성

방송용도로 한곳만 본다. 너무 높아서 양방향 통신은 어렵다.

• 위성은 지구와 같은 속도로 이동하여 특정 지점 위에 고정된 것처럼 보이도록 해야 합니다.
• 이러한 위성을 정지궤도 위성이라고 합니다.
• 완전한 글로벌 전송을 제공하기 위해서는 같은 거리의 최소 3개의 위성이 필요하다

MEO 중궤도 위성

대표적으로 GPS가 있다.

• 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS)
• 24개의 위성으로 구성된다. 이론상 3개만 있으면 알 수 있지만..!
• 위치 뿐만 아니라 시간도 제공한다.

LEO 저궤도

지구를 상당히 빠르게 돈다 여러개의 위성을 쏴야만 한다.

90분에서 120분만에 지구를 돈다.

저궤도 위성의 커버범위는 8000km이다.

지구와 가깝기 때문에 delay가 매우 적다.

• Iridium system 은 66개의 위성을 띄웠는데 이건 망했다(모토로라)
• 스타링크
• NTN (non-terrestrial network) in 3GPP