무선 랜 시스템 및 그 통신 방법 document_id A220623014353

본 발명은, 무선 LAN(Local Area Network)시스템 및 그 통신 방법에 관한 것이다. 본 발명에 관한 무선 LAN 시스템은, 특히, 서비스 타입에 준한 우선도가 높은 서비스에 있어서 이용하는, 멀티미디어 정보를 취급하는 VoIP장치나 동영상 통신장치 등을 포함하는 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명에 관한 무선 LAN 시스템의 통신 방법은, 전송에서 발생하는 전송 지연량이나 전송 지연 변동량을 전송품질의 지표로 하는 QoS(Quality of Service)의 확보가 중요하게 되는 멀티미디어 정보를 취급하는 무선통신 방법에 관한 것이다. IEEE(Institute of Electrical and Electronic and Engineers)802.11권고에 의해 무선 LAN(Local Area Network)네트워크는 규정되어 있다. 이 접속 형태에는, 애드훅 모드 및 인프라 스트럭처 모드가 있다. 애드훅 모드라 함은, 각 무선 LAN에 있어서의 이동국(스테이션 STA:스테이션) 끼리 직접 통신을 행하는 모드이며, 이 네트워크의 중심이 되는 스테이션은 특별히 존재하지 않는다. 또한 인프라 스트럭처 모드로는, 각 무선 LAN의 노드는, 기본적으로, 기지국(액세스 포인트:AP)이라고 불린다. 이동국과의 통신에는, 네트워크의 중심이 되는 기지국을 경유해서 행해진다. 무선 LAN에 있어서의 프레임 시퀀스는, 기본적으로, 유니캐스트 프레임 송신에 대한 ACK(ACKnowledge)프레임 응답이다. 단, 예를들면 멀티캐스트 프레임이나 브로드 캐스트 프레임과 같이 프레임의 보낼곳이, 복수의 스테이션 일 경우, ACK응답은 불필요하다. 인프라 스트럭처 모드의 액세스 방식에는, 2가지의 방식이 있다. 그 하나가, CS MA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)방식을 이용한 DCF(Distributed Coordination Function)이다. 또한 또 하나의 방식이 CSMA/CA방식의 PCF(Point Coordination Function)이다. PCF라 함은, 액세스 포인트에 의해 미디어를 집중관리 하는 것이다. DCF제어하에 있는 이동국 각각은, 기본적으로, 프레임을 송신하기 전에는 무선 미디어의 비어 있는 상황을 확인할 것을 요구한다. 이 확인 결과, 이동국은 미디어가 사용중, 즉 비지라고 판단했을 경우, 프레임 전송이 종료할때 까지 미디어의 사용 권한을 사용중인 이동국에게 양도하게 된다. 프레임 전송이 종료한 후에, 또한 규정된 시간간격(DIFS:Distributed Inter-Frame Space) 및 랜덤수로 이루어지는 이동국 각각이 가지는 개별의 시간간격, 즉 백오프 타임 경과 후에 비로소, 이동국은 보류하고 있었던 프레임을 송신하는 것이 가능하게 된다. DCF에 있어서는, PCF에 있어서의 마스터인 기지국 AP 대 슬레이브인 일반 이동국과 같은 주종관계는 없다. DCF에서는, 비콘 송신 등과 같은 일부의 예외를 제외하고, 액세스 포인트를 포함시킨 어느 스테이션도 공평한 입장에서 미디어에 대하여 액세스 할 수 있다. 또한 PCF제어하에 있어서는, 이동국의 각각은, 액세스 포인트로부터의 폴링 신호를 수신했을 경우만, 프레임을 송신하는 것이 가능하게 된다. PCF의 경우 미디어 사용권은 전부 액세스 포인트에 맡겨져 제어되기 때문에, 일반의 이동국은 송신에 앞서 무선 미디어의 빈 상황을 확인하거나, 백오프 타임의 경과를 기다리거나 하지 않아도 된다. DCF제어의 주요방식인 CSMA/CA에는, 무선 미디어의 사용상황을 캐리어 센스에 의해 확인하는 방법으로서 2가지가 있다. 제1의 방법은, 물리층, 즉 PHY(피지컬)레이어의 RF부(Radio Frequency Module)에 의해 직접적으로 반송파를 체크하는 피지컬 캐리어 센스에 의한 방법과, 제2의 방법으로서 무선 미디어를 거쳐서 전송되는 각종 프레임에 설정된 미디어 사용 예약 정보(NAV:Network Allocation Vector)를 사용하는 가상 캐리어 센스에 의한 방법이 있다. MAC(Media Access Control)레이어에서는 이들 2가지 방법을 조합하여, 다수의 스테이션 사이에서의 미디어 경합에 의한 충돌 확률을 효과적으로 저감시키고 있다. 피지컬 캐리어 센스는 RF부에 의해 행해지고, 가상 캐리어 센스는 MAC레이어에서의 결과를 이용하여 최대1㎲마다 무선 미디어상의 캐리어의 유무를 판단할 수 있게 된다. 후자의 가상 캐리어 센스 메카니즘은, NAV를 이용하여 실현된다. NAV는 이동국 전부가 각각 가지고 있어, 그 값이 설정된 순간부터 일정한 비율로 "0"까지 감량되어 가는 일종의 카운터이며, NAV의 값은 프레임 송수신중인 현시점에 있어서의 이동국의 무선 미디어 사용 예정의 나머지 시간을 나타낸다. NAV가 "0"에 도달하면, 무선 미디어가 개방되어 비어있는, 즉 아이들 상태가 되었음을 나타낸다. 프레임 송수신의 당사자인 이동국에 있어서는, 송신하는 프레임내 MAC헤더의 듀레이션/ID필드에, 현재 전송중인 프레임 전송 완료후의 무선 미디어 점유 예정 시간을 미리 설정해 둔다. 프레임 송수신 당사자 이외의 이동국 전부는, 무선 미디어상을 전송되는 프레임의 해당 필드를 읽어내어, 그 프레임의 전송 완료 타이밍에서 그 값을 자체 이동국의 NAV로 로드 한다. 단, NAV의 로드 타이밍에 있어서, 자 이동국이 현재 가지는 NAV의 값이 전송 프레임의 듀레이션/ID필드로부터 읽어낸 값보다도 클 경우, 이 로드는 행하지 않는다. 다음에 기본적인 NAV의 제어에 대하여 설명한다. 프레임 송수신 당사자이외의 이동국은, 데이터 프레임의 전송 종료 시점에서, 데이터 프레임의 듀레이션/ID필드에 설정되어 있는 값을, 각 자체 이동국의 NAV타이머에 로드 한다. NAV타이머는 일정 비율로 감량되어, ACK 프레임의 전송 종료 시점에서 "0"에 도달한다. NAV타이머가 "0"이외의 기간이, 가상 캐리어 센스에 의한 미디어 비지의 기간이 된다. 데이터 프레임과 ACK프레임과의 간격이 규정된 PHY고유의 시간(SIFS:Short Inter-Frame Space)이다. 피지컬 캐리어 센스만으로는, 이 간격에 있어서 미디어는 비어 있는 상태라고 판단되지만, 가상 캐리어 센스에 의해, ACK프레임 종료까지 미디어 비지가 계속되고 있음을 인식할 수 있다. 역으로, 최초의 데이터전송중에 있어서는, 아직 NAV가 셋트되기 전이므로, 피지컬 캐리어 센스에 의해 미디어 비지의 인식이 행해진다. 이와 같이 MAC레이어에서는, 피지컬 캐리어 센스와 가상 캐리어 센스를 조합하여 미디어 비지를 검출함으로써, 보다 효과적인 충돌회피를 제어할 수 있다. ACK프레임의 듀레이션 값이 "0"을 나타내면, ACK프레임 종료 시점에서 미디어는 해방된다. DCF제어하에서 동작하고 있는 어느 이동국에 있어서도, 원하는 프레임 송신에 앞서, RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send)프레임의 교환을 행할 수 있다. 이에 따라 우선 프레임 길이가 짧은 RTS/CTS프레임을 사용하여 실제의 송신처 이동국과의 프레임을 교환하고, 송신처 이동국의 체크 및 송신 패스를 체크한다. 단, 송신하고자 하는 프레임 길이가 원래 짧을 경우, RTS/CTS프레임을 이용하는 의미가 별로 없기 때문에, MAC레이어에서는 미리 지정된 RTS/CTS적용 임계값 파라미터를 이용하여 RTS/CTS의 적용 가부를 판단한다. 기본적으로 임계값 파라미터 이하 길이의 프레임에 대해서는 RTS/CTS는 적용하지 않고, 임계값 파라미터를 넘는 프레임에 대해서만 RTS/CTS를 적용한다. RTS /CTS프레임에 있어서도, 일반적인 데이터 프레임등과 마찬가지로 전술한 바와 같이 NAV를 제어한다. RTS/CTS프레임 시퀀스 및 그 NAV동작에 관하여 설명한다. RTS /CTS프레임 시퀀스에 있어서는, RTS-CTS프레임간, CTS-데이터 프레임간 및 데이터―ACK프레임 사이의 간격은 전부 프레임 간격으로서 규정된 것 중에서 가장 짧은 시간간격, 즉 SIFS를 이용하여 송신할 수 있다. 따라서, RTS/CTS프레임 전송에 성공하면, SIFS보다도 긴 시간간격, 즉 DIFS를 두고나서 프레임 전송에 들어가려고 하는 다른 이동국보다도 우선적으로 무선 미디어를 사용할 수 있게 된다. 이 때문에, 거기에 계속되는 데이터 프레임/ACK프레임 전송도 성공할 가능성이 커진다. 각 프레임의 듀레이션/ID필드의 값은, 그 프레임의 송신 완료후부터 ACK프레임의 송신 완료까지의 시간을 나타내고, 따라서 마지막의 ACK프레임에서는 그 값은 "0"이 된다. 가상/피지컬 캐리어 센스에 의한 판단 결과, 무선 미디어가 비지 상태 후 아이들 상태가 되어, 필요한 시간간격, 통상은 DIFS기간이 경과한 그 직후의 시점에서, 송신 대기 데이터를 축적한 복수의 이동국이 각각 송신을 시작하려고 하면, 미디어 액세스가 겹쳐 충돌을 일으킬 가능성이 높아진다. 그래서, 이 충돌을 회피하기 위한 방법으로서, IEEE802.11권고에서는 백오프 순서가 규정되어 있다. 이 백오프의 기본동작을 간단하게 설명한다. 3개의 이동국1～3에 송신 대기 데이터가 발생했을 때, 피지컬/가상 캐리어 센스에 의해 무선 미디어의 비지 상태를 인식했을 경우 또는 비지 직후의 DIFS기간내에 있을 경우, 각 이동국은 미디어 사용 권한의 양도 상태에 들어간다. 프레임 전송 종료후, DIFS간격을 두고 미디어는 개방되어 아이들 상태가 되지만, 거기에서 각 이동국이 일제히 프레임 송신을 시작하려고 하면 액세스 타이밍이 좁은 범위에 집중하므로 충돌을 일으킬 가능성이 높아진다. 이 충돌 확률을 줄이기 위해서, 각 이동국은 DIFS후에 또는 랜덤하게 선택된 시간, 즉 백오프 타임 사이에만 미디어 액세스를 보류해야 한다. 이에 따라 복수의 미디어 액세스가 충돌할 가능성을 낮출 수 있게 된다. 지금까지 설명해 온 DCF액세스 방식에 더해, IEEE802.11권고에서는 인프라 스트럭처 모드에 있어서의 무선 미디어 액세스 방식으로서, PCF액세스 방식을 옵션으로서 규정하고 있다. PCF액세스 방식에서는, PC(Point Coordinator)라고 부르는, 통상은 액세스 포인트인 마스터 스테이션에 의해 각 무선이동국의 송신권을 집중적으로 제어한다. 따라서, DCF와는 달리, 각 무선이동국이 송신권을 둘러싸고 경합하는 일은 없다. 종래의 무선 LAN 시스템에서는, 주로, 데이터계의 트래픽을 취급하고 있었지만, 최근의 예를들면 VoIP(Voice over IP)등의 멀티미디어 기술의 발전·보급에 따라, 음성·동영상등의 멀티미디어계 트래픽을 종래의 데이터계 트래픽과 마찬가지로, 무선 LAN 시스템으로 통일적으로 취급하고자 하는 요구가 높아지고 있다. 멀티미디어계 트래픽의 특징은, 그 주기성 및 지연에 대한 예민성에 있다. 송신원에 있어서 주기적으로 생성된 멀티미디어계 트래픽에 대하여, 중간의 전송로에 있어서 일정 이상의 지연 및 지연 변동이 발생하고, 또 일정 이상의 정보손실이 생겼을 경우, 송신처에 있어서 재생된 음성·동영상 등의 질이 평가에 감당할 수 없을 정도로 열화되게 된다. 한편, 전술한 IEEE802.11권고 준거의 DCF액세스 방식은, 기본적으로 버스트적으로 예측할 수 없는 비동기 데이터를 효과적으로 전송하도록 설계되어 있다. 이 때문에, 네트워크의 폭주상황에 의해 데이터의 지연량이 크게 변동하는 것은 충분히 있을 수 있다. 규칙적·주기적인 멀티미디어계 트래픽에 대하여, 전송 지연량 및 전송 지연 변동량을 저감함으로써, 그 QoS(Quality of Service)를 확보 하는 것은 어렵다. 또한 상기의 IEEE802.11권고 준거한 PCF액세스 방식에 관해서는, 규칙적·주기적인 멀티미디어계 트래픽에 적합하지만, 원래 DCF의 옵션이라고는 위치 부여가 되어 있는 경우도 있어, 현시점에서 일반적으로 보급되고 있다고는 말하기 어려워, 실제적인 해결책이 되지 않는다. 그래서, 널리 보급되고 있는 DCF액세스 방식준거의 스테이션에 대하여, AP측만의 연구에 의해 멀티미디어계 트래픽의 QoS확보에 대응할 수 있는 무선 LAN의 QoS를 제어하는 AP가 요구되고 있다. 구체적으로 몇가지를 제안한다. 이 제안은, IEEE802.11권고 준거의 무선 LAN을 이용한 시스템에 있어서의 무선 LAN기지국 장치의 QoS제어 방법에 있어서, 기지국은, DCF방식으로 액세스제어 되는 이동국과의 사이에서 인프라 스트럭처 모드에 의해 형성된 네트워크에 접속되고, 기지국은 이동국으로부터의 제1프레임을 수신 동작중 상태에 있고, 제1프레임을 수신후에 송신해야 할 멀티미디어계의 고 우선 프레임을 유지하는 경우를 조건으로 한다. 이 조건에 더해서, 제1로, 기지국은 제1프레임에 대한 응답 신호의 듀레이션/ID필드에, 멀티미디어계의 고 우선 프레임의 송신에 요구되는 시간을 설정하여 이 응답 신호를 송신한다. 제2의 제안으로서, 기지국은, 제1프레임의 듀레이션/ID필드에, 멀티미디어계의 고 우선 프레임의 송신에 요구되는 시간을 가산한 시간을 설정하여 제1프레임을 송신한다. 제3의 제안으로서, 기지국은, 제1프레임에 대한 응답 신호의 듀레이션/ID필드에, 예측되는 멀티미디어계의 고 우선 프레임의 수신에 요구되는 시간을 설정해서 이 응답 신호를 송신한 후, 특정한 이동국과의 사이에서 이 이동국의 NAV타이머를 클리어시키는 특정한 시퀀스를 실행한다. 그리고, 제4의 제안으로서, 기지국은, 제1프레임의 듀레이션/ID필드에, 예측되는 멀티미디어계의 고 우선 프레임의 수신에 필요한 시간을 가산한 시간을 설정하여 제1프레임을 송신한 후, 특정한 이동국과의 사이에서 이 이동국의 NAV타이머를 클리어시키는 특정한 시퀀스를 실행한다. 이들의 제안에 의하면, 멀티미디어계의 고 우선 프레임의 송수신을 행하는 기지국과 이동국과의 사이에서, 송수신을 행할 때, 듀레이션/ID필드의 값에 0이 아닌 값을 설정하여, 특정한 이동국과의 사이에서 해당하는 이동국의 NAV타이머를 클리어시키는 특정한 시퀀스를 실행함으로써, 기지국 또는 이동국이 미디어 사용권을 확보할 수 있는 확률을 비약적으로 향상시키는 것을 가능하게 하고, QoS의 향상을 도모할 수 있게 된다. 이와 같이 QoS의 확보가 중요하게 되는 무선 LAN을 사용한 어플리케이션에서는, 무선 LAN상의 QoS를 실현하는 제어 방법을 구비한 기지국이, 시스템 구성안에 요구된다. [특허문헌 1] 일본국 공개특허공보 특개2002-314546호 공보 [특허문헌 2] 일본국 공개특허공보 특개2003-298592호 공보 [특허문헌 3] 일본국 공개특허공보 특개2003-298593호 공보