Part I - Sharing Is Hard

Chapter 1 - Controlling Your Volume

• 여러 사용자가 제한된 자원 (Frequency, time, 공간)을 어떻게 효율적으로 공유하는가 → Multi Access, Cellular, Digital Communication 등… 이런걸 다룸
• 유선에서 무선 되면서 물리적 선은 사라짐. 유선은 PSTN (Public Switched Telephone Network)와 Transmitter, Receiver 등으로 구성되고, PSTN은 기존 전화망임
• 무선이 되면서 자원을 서로 공유해야되는 상황을 맞이하게 됨
• Multiple Access
  • 문제: 여러 user가 하나의 채널을 어떻게 동시에 쓰지? MA는 공유 자원을 여러 사용자에게 분배하는 기술 by Time, Frequency, Code 등
  • FDMA
    • 서로 다른 frequency band 할당
    • 초기 모바일 시스템 (1920-30s)
    • 장점은 단순, 간섭 적음. 단점은 주파수 낭비하고 flexible하진 않다는 것
• Cellular
  • 이걸로 공간적으로 나누고, 각 그 BSS? coverage안에서 DMA 기술로 공유한다는 것 같음
  • User, call 증가로 capacity 부족해짐 → 더 많은 spctrum을 확보하거나 재사용률 높여야 함. 후자
  • 멀수록 신호가 약해지는 Attenuation에 기반해서 멀면 같은 주파수 쓸 수 있잖아? Yes.
  • 지역을 작은 cell로 나눔 (보통 hexagonal → 수학적으로 단순하게 coverage 효율 높일 수 있는 형태고 적당이 원형에 가까워서 현실도 반영됨)
  • 결국 Cellular는 capacity를 증가시키기 위해 감쇠에 기반하여 cell을 나누고 frequency를 reuse함
• Analog to Digital
  • 문제: Analog 너무 overcrowded 돼서 digital 도입 (압축, 오류처리, 효율적 사용 등 장점)
  • TDMA
    • 같은 주파수 대역 내에서 시간으로 또 나눔
    • 한 사용자씩 번갈아 사용, 한 채널이 여러 사용자 수용
  • CDMA
    • 시간, 주파수 공유하는 상태에서, z축으로 code로 분리함
    • 특정 코드 기반 encoding이라 같은 code만 decoding 되는 key 역할을 함
    • code (key) 간 orthogonality 갖는게 중요함.
    • cocktail party analogy (언어 다른게 code:key 다른 것 같은 너낌)
  • MA는 결국 구분 방법의 이슈임. 제한된 자원 (spectrum), 사용자 증가가 문제가 되고 cell, frequency, reuse 등 활용해서 공간적으로 구분하고, Analog to ditical 기반의 복합 공유를 활용하면서 FDMA, TDMA, CDMA 같은거로 구현하는거지
• Near-Far Problem
  • 서로 다른 거리의 사용자들이 동시에 송신하면 Near만 쎔 (Far는 path loss 있음)
  • RX에선 strong signal이 weak signal을 덮어버림 → interference
  • CDMA처럼 MA 효율 좋을수록 interference 문제가 대두 됨.
• TPC (Transmission Power Control)
  • 모든 사용자의 수신 신호 세기를 비슷하게 맞추자!
    • BS가 사용자별 신호 측정 → Desired 세기와 비교하며 F/B → TX는 송신 power 조정
    • Next Power = (Target / Measured) x Current Power
    • Closed-loop Control System (약하면 올리고, 쎄면 낮추고)
  • Power 만으로 충분할까? No! 다른 사용자의 interference가 있잖아
• SIR (Signal-to-interference Ratio)
  • 내 시그널 세기 / 다른 사용자 간섭
  • Power Arms Race
    • 각 사용자가 SIR을 맞추려고 power를 올리면 그건 또 다른 사용자의 interference 증가로 다가옴. 이것은 마치 like 군비 경쟁
    • 모든 사용자가 Target SIR을 만족할 수 있긴 한거야? → target SIR들이 feasible하면 가능하다 (조건부 가능) feasible 여부는 나중에 뒤에 설명하지
• DPC (Distributed Power Control)
  • 내용: 중앙제어 없이 각 사용자가 스스로 power를 조정
  • 알고리즘: 초기파워 설정 → RX에서 SIR 측정 → the ratio 계산 (Target SIR/Measured SIR) → power update (P_i+1 = ratio x Pi) → Iteration
  • 각 device가 독립적으로 수행하는 iterative algorithm
  • Target SIR이 feasible 하다면 반드시 convergence 한다
  • 장점: 각 사용자는 다른 사용자 정보 몰라도 되고 (1) 현재 power (2) target SIR (3) measured SIR만 알면 됨 → 구현이 단순하고 scalability가 있따.
• CDMA+ DPC & 3G, 4G
  • CDMA는 interference가 핵심 문제 였음
  • 1993 CDMA IS-95 표준 채택, cmdaOne 이후 상용화
  • 3G: 휴대폰을 컴퓨터수준으로 목표, UMTS, CDMA2000 등
  • 4G: 더 높은 속도, 더 큰 capacity (CDMA to OFDM - orthogonal frequency - 정교하게 frequency 분배, 4G 너무 빨라서 간섭을 줄여주는 정도인 DPC는 한계)
  • TPC → SIR 중요 → DPC, GS가 개입하긴 하지만 사용자는 local rule만으로 업데이트 가능해서 알고리즘적으로는 distributed라고 하는 듯
• ABC link 예제
  • 초기 power가 2라고 하면 SIR은 2x자기파워/2x(RX의 BC 값) + noise값 구함
  • target SIR / measured SIR (위에서 구한거) 통해 the ratio 구할 수 있음
  • the ratio가 1보다 작으면 next power는 약해지는 개념
• 부교재 일반화식
  • 기존 SIR은 P_i^n+1 = r_i^target / r_i^n * P_i^n
  • 모든 사용자 파워 (P1, P2,… P_i)를 벡터로 놓고 정리하면
  • r_i = giiPi / Sumi≠jgjiPj + ni하면
  • 벡터 p는 F * 벡터p + 벡터u로 표현 가능
  • 벡터 p star = (1-F)-1 벡터 u → 간섭 함수인 F가 양수라면 벡터 p star가 존재하고 이게 feasible SIR
  • 벡터 p^n이 벡터 p star가 되는 과정이 DPC의 convergence
  • DPC는 간섭행렬 벡터 F가 안정적일 때 반복 업데이트로 최적 power 벡터 p star에 수렴하는 fixed-point 알고리즘

Chapter 2 - Accessing Network “Randomly”

• chapter 1은 무선 통신이고, 미리 나눠서 충돌을 없애는 신호등인데 chapter 2는 충돌을 허용하면서 유연성을 얻는 stop sign이고 wifi 얘기를 한다
• WiFi (wireless fidelity)
  • Unlicensed 주파수 대역인 ISM band 사용, 2.4GHz, 5GHz → 5가 빠른데 짧음
  • IEEE 802는 LAN 관련 spec이고 .11이 WLAN spec
  • WIFI Alliance는 표준 검사하고 backend compatiability도 관리함
  • SSID: iptime같은 식별자 이름
  • Backhaul: 이더넷과 AP 사이 backend
  • Standard는 b,a-g-n-ac이고 b,a는 거의 같이 나왔는데 b가 2.4G, a가 5GHz네, n부터는 둘 다 같이
  • Cellular의 Cell 개념이 WIFI에선 BSS이고, BS가 AP 개념임 근데 AP는 중개기 같이 훨씬 약한 놈이고 제어는 느슨한 분산이라고, 규칙이 있긴한데 스케쥴링 거의 없음. 자원 할당은 필요에 따라 랜덤
• Collision
  • 두 개 이상의 TX가 동시에 신호를 보내면 발생
    • Loss : 둘 다 실패, Capture : 강한거만 성공, Double Capture : 둘 다 성공인데 드물다고
  • WIFI는 unlicensed라 외부 간섭이 더욱 많고 unpredictable한 특성