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IEEE 802.22

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목차

1. 개요

IEEE 802.22는 TV 대역에서 작동하도록 설계된 무선 지역 네트워크(WRAN) 표준으로, 54~862MHz 사이의 UHF/VHF TV 대역을 사용하여 전국 고정 점대다 WRAN을 구축하는 데 중점을 둔다. 이 표준은 2004년 10월 IEEE 802.22 작업 그룹 결성을 통해 시작되었으며, FCC와 함께 사용 가능한 스펙트럼 발견을 위한 중앙 집중식 접근 방식을 추진한다. 802.22는 인지 무선 기술을 기반으로 하며, 스펙트럼 감지를 통해 환경 변화에 동적으로 적응하며, AES-GCM 인증 암호화 알고리즘을 지원한다. 802.22는 최대 100km 범위를 지원하는 WRAN 표준인 반면, 802.11af는 최대 1km 범위를 지원하는 무선 LAN 표준이다.

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IEEE 802.22
기본 정보
IEEE 802.22 로고
'IEEE 802.22 로고'
표준 명칭IEEE 802.22
표준 종류무선 통신 표준
설명무선 지역 네트워크 (WRAN)
개발 그룹IEEE 802.22 워킹 그룹
발표일2009년 1월
상태활동 종료
용도농촌 지역 광대역 무선 접속
기반 기술인지 무선
주파수 대역TV 방송 대역 (54-862 MHz)
변조 방식OFDM
최대 데이터 전송 속도22.4 Mbps (채널당)
주요 특징장거리 통신 (최대 100 km)
간섭 회피
동적 주파수 할당
기술 정보
MAC 계층 프로토콜TDMA, CDMA 기반
물리 계층 표준IEEE 802.11 기반 수정
보안 프로토콜AES 암호화
QoS 지원지원
적용 분야농촌 지역 인터넷 서비스
스마트 그리드
공공 안전 통신
관련 표준
IEEE 802.11무선랜 (WiFi)
IEEE 802.16와이맥스 (WiMAX)
참고 자료
IEEE 802.22 워킹 그룹'IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee 802.22 WG on WRANs (Wireless Regional Area Networks)'
IEEE Communications Magazine'IEEE Communications Magazine'

2. 기술

IEEE 802.22는 사용되지 않는 TV 방송 채널, 즉 TV 화이트 스페이스(TVWS) 대역(54~862MHz)을 활용하여 무선 지역 네트워크(WRAN)를 구축하는 것을 목표로 하는 전기 전자 기술자 협회(IEEE) 표준이다.[4] 이 기술은 인지 무선(Cognitive Radio) 개념을 기반으로, 기존 방송 서비스에 간섭을 주지 않으면서 유휴 주파수 자원을 효율적으로 사용하는 점대다 통신 방식을 정의한다.

2. 1. IEEE 802.22 표준

2004년 5월 미국 연방 통신 위원회(FCC)에서 발행한 제안된 규칙 제정 공지(NPRM)에 따라 2004년 10월에 무선 지역 네트워크(WRAN)에 관한 IEEE 802.22 작업 그룹이 결성되었다.[4]

이 프로젝트의 공식 명칭은 "무선 지역 네트워크(WRAN) 표준 - 특정 요구 사항 - 파트 22: 인지 무선 RAN 매체 접근 제어 (MAC) 및 물리 계층 (PHY) 사양: TV 대역에서 작동하기 위한 정책 및 절차"이다. 이 표준은 54~862MHz 사이의 UHF/VHF TV 대역을 사용하여 전국적으로 일관된 고정 점대다 WRAN을 구축하는 것을 목표로 한다. IEEE 802.22는 특정 TV 채널뿐만 아니라 해당 채널들의 보호 대역까지 통신에 활용할 계획이다.

전기 전자 기술자 협회(IEEE)는 FCC와 협력하여 사용 가능한 주파수 스펙트럼을 찾는 중앙 집중식 접근 방식을 추진했다. 이 방식에 따르면, 각 기지국(BS)은 GPS 수신기를 통해 자신의 위치를 파악하고 이 정보를 중앙 서버(미국에서는 FCC가 관리)로 전송한다. 중앙 서버는 해당 기지국 지역에서 사용 가능한 TV 채널 및 보호 대역 정보를 회신한다. 다른 제안 방식으로는 기지국이 자체적으로 스펙트럼을 감지하여 사용 가능한 채널을 결정하는 로컬 스펙트럼 감지 방식이 있다. 이 두 가지 방식이 혼합되어 사용될 것으로 예상된다. TV 화이트 스페이스(TVWS) 대역에서 작동하는 장치는 크게 고정형과 개인/휴대형으로 나뉜다. 고정형 장치는 GPS를 내장하여 지리적 위치 파악 기능을 가지며, 중앙 데이터베이스와 통신하여 주변의 다른 송신 장치 정보를 확인한다. 간섭을 피하기 위해 FCC와 IEEE는 동적 스펙트럼 감지 및 동적 전력 제어와 같은 추가적인 조치도 제안했다.

2. 2. 스펙트럼 감지 및 관리

전기 전자 기술자 협회(IEEE)는 연방 통신 위원회(FCC)와 함께 사용 가능한 스펙트럼을 발견하기 위한 중앙 집중식 접근 방식을 추진했다. 이 방식에 따르면, 각 기지국(BS)에는 위치 정보를 보고할 수 있는 GPS 수신기가 장착된다. 이 정보는 미국 내에서는 FCC가 관리하는 중앙 서버로 전송되며, 서버는 해당 기지국 지역에서 사용 가능한 무료 TV 채널 및 보호 대역에 대한 정보를 회신한다.

다른 제안으로는 기지국이 통신에 사용할 수 있는 채널을 스스로 결정하는 로컬 스펙트럼 감지 방식만 허용하는 방안도 있다. 이 두 가지 접근 방식이 조합되어 사용될 가능성도 예상된다.

TV 화이트 스페이스(TVWS) 대역에서 작동하는 장치는 주로 고정형과 개인/휴대형의 두 가지 유형으로 나뉜다. 고정형 장치는 내장된 GPS 장치를 통해 지리적 위치 기능을 갖추게 된다. 또한, 고정형 장치는 중앙 데이터베이스와 통신하여 해당 지역에서 TVWS를 사용하는 다른 송신기를 식별한다.

간섭을 피하기 위해 FCC와 IEEE가 제안한 다른 조치로는 동적 스펙트럼 감지와 동적 전력 제어 등이 있다.

3. WRAN 토폴로지 개요

802.22 표준의 초기 초안에서는 네트워크가 점대다중 방식(P2MP)으로 작동하도록 명시하고 있다. 이 시스템은 기지국(BS)과 고객 구내 설비(CPE)로 구성된다. CPE는 무선 링크를 통해 BS에 연결된다. BS는 이에 연결된 모든 CPE에 대한 매체 접근을 제어한다.

WRAN 기지국의 주요 특징 중 하나는 인지 감지를 수행할 수 있다는 것이다. 이는 CPE가 스펙트럼을 감지하고 BS에 주기적인 보고서를 보내 감지 내용을 알리는 것이다. BS는 수집된 정보를 바탕으로 사용 중인 채널에 변경이 필요한지, 아니면 동일한 채널에서 송수신을 유지해야 하는지를 평가한다.

4. PHY 계층 접근 방식

PHY 계층은 다양한 조건에 적응할 수 있어야 하며, 전송 오류 없이 또는 클라이언트(CPE)를 잃지 않고 채널 간에 이동할 수 있도록 유연해야 한다. 이러한 유연성은 대역폭, 변조 및 코딩 방식을 동적으로 조정할 수 있도록 하는 데에도 필요하다. OFDMA는 업링크 및 다운링크 전송을 위한 변조 방식이 될 것이다. OFDMA를 사용하면 기지국(BS) 및 CPE에 필요한 이러한 빠른 적응을 달성할 수 있다.

단일 TV 채널(TV 채널의 대역폭은 6 MHz이다. 일부 국가에서는 7 또는 8 MHz일 수 있다)을 사용하면 대략적인 최대 비트 전송률은 30km 거리에서 19 Mbit/s이다. 달성된 속도와 거리는 표준의 요구 사항을 충족하기에 충분하지 않다. 채널 본딩 기능은 이 문제를 해결한다. 채널 본딩은 송수신(Tx/Rx)에 둘 이상의 채널을 사용하는 것으로 구성된다. 이를 통해 시스템은 더 높은 대역폭을 가질 수 있으며, 이는 더 나은 시스템 성능으로 이어질 것이다.

5. MAC 계층 접근 방식

이 계층은 인지 무선 기술을 기반으로 하며, 스펙트럼을 감지하여 환경 변화에 동적으로 적응할 수 있어야 한다. MAC 계층은 프레임과 슈퍼프레임의 두 가지 구조로 구성된다. 슈퍼프레임은 여러 프레임으로 이루어지며, 슈퍼프레임 제어 헤더(SCH)와 프리앰블을 포함한다. 이 신호는 간섭을 일으키지 않으면서 전송 가능한 모든 채널에서 기지국(BS)에 의해 전송된다. 가입자 단말(CPE)이 켜지면, 스펙트럼을 감지하고 사용 가능한 채널을 찾아 기지국에 접속하는 데 필요한 정보를 수신한다.

가입자 단말(CPE)은 두 가지 유형의 스펙트럼 측정을 수행한다: 대역 내 측정과 대역 외 측정이다. 대역 내 측정은 기지국(BS)과 가입자 단말(CPE)이 현재 사용 중인 채널을 감지하는 것이고, 대역 외 측정은 나머지 채널들을 감지하는 것이다. MAC 계층은 대역 내 또는 대역 외 측정에서 두 가지 유형의 감지를 수행한다: 고속 감지와 정밀 감지이다. 고속 감지는 채널당 1ms 미만의 속도로 이루어지며, 가입자 단말(CPE)과 기지국(BS) 모두 수행한다. 기지국(BS)은 수집된 정보를 바탕으로 새로운 작업을 수행할지 결정한다. 정밀 감지는 더 많은 시간이 소요되며(채널당 약 25ms 이상), 이전 고속 감지 결과에 따라 사용된다.

이러한 감지 메커니즘은 주로 기존 송신자의 존재 여부와 간섭 회피 필요성을 식별하는 데 사용된다.

단일 주파수 대역의 기본 작동 모드("통화 전 청취" 모드)에서는 신뢰성 있는 감지를 위해 데이터 전송이 허용되지 않는 조용한 시간을 할당해야 한다. 이러한 주기적인 데이터 전송 중단은 인지 무선 시스템의 서비스 품질(QoS)을 저해할 수 있다. 이 문제는 IEEE 802.22에서 제안된 동적 주파수 도약(DFH)이라는 대체 작동 모드로 해결될 수 있다. 이 모드에서는 광대역 무선 통신망(WRAN) 시스템의 데이터 전송이 스펙트럼 감지와 병행하여 중단 없이 수행된다.

6. 암호화, 인증 및 권한 부여

AES-GCM 인증 암호화 암호 알고리즘만 지원된다.[6]

EAP-TLS 또는 EAP-TTLS는 인증 및 암호화 키 파생에 사용되어야 한다.[7][8] IEEE 802.22는 장치 제조업체, MAC 주소, FCC ID(각각 제조업체/서비스 제공업체 인증서, CPE 인증서 및 BS 인증서)와 같은 정보를 기반으로 장치의 인증 및 인가를 위한 확장을 사용하는 X.509v3 인증서 프로파일을 정의한다.[9]

이는 네트워크 제공업체가 자신이 선택한 특정 제조업체의 장치가 아니면 네트워크 접속을 거부할 수 있게 하여, 일종의 고객 종속을 유발할 수 있다. 즉, 사용하려는 장치는 네트워크 제공업체가 신뢰하는 제조업체 인증 기관(CA)으로부터 발급받은 신뢰 체인이 있는 X.509 인증서와 해당 개인 키를 가지고 있어야만 접속이 가능하다. 이는 현대 셀룰러 네트워크에서 사용되는 SIM 락이나 케이블 인터넷 액세스 네트워크의 DOCSIS "인증 테스터" 방식과 유사하다.

7. 802.11af와의 비교

IEEE는 802.22 외에도 또 다른 화이트 스페이스 인지 무선 통신 표준인 802.11af를 표준화했다.[10] 802.22는 최대 100km 범위의 무선 광역 통신망(WRAN) 표준인 반면,[10][11] 802.11af는 최대 1km 범위로 설계된 무선 LAN 표준이다. 802.22와 802.11af 표준 간의 공존은 중앙 집중식 또는 분산 방식으로 구현할 수 있으며[12] 다양한 공존 기술을 기반으로 한다.[13]

참조

[1] 웹사이트 IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee 802.22 WG on WRANs (Wireless Regional Area Networks) http://www.ieee802.o[...] IEEE 2009-01-18
[2] 서적 2020 International Conference in Mathematics, Computer Engineering and Computer Science (ICMCECS) 2020-03
[3] 간행물 IEEE 802.22: The First Cognitive Radio Wireless Regional Area Networks (WRANs) Standard IEEE 2009-01
[4] 뉴스 IEEE Starts Standard to Tap Open Regions in the TV Spectrum for Wireless Broadband Services http://standards.iee[...] IEEE Standards Association 2004-10-12
[5] 논문 Dynamic Frequency Hopping Communities for Efficient IEEE 802.22 Operation http://urn.kb.se/res[...] 2007-05
[6] 문서 IEEE 802.22-2011 § 8.4.1, p. 281
[7] 문서 IEEE 802.22-2011 § 8.1.2, p. 252
[8] 문서 IEEE 802.22-2011 § 8.5, p. 286
[9] 문서 IEEE 802.22-2011 § 8.5, pp. 286-292
[10] 웹사이트 Comparison of 802.11af and 802.22 standards – physical layer and cognitive functionality http://www.elektrore[...] elektrorevue 2012-06
[11] 웹사이트 Metropolitan and Regional Wireless Networking: 802.16, 802.20 and 802.22 http://www.cs.wustl.[...] 2006–2007
[12] 논문 Enabling Coexistence of Multiple Cognitive Networks in TV White Space 2011
[13] 논문 Efficiency of Dynamic Frequency Selection Based Coexistence Mechanisms for TV White Space Enabled Cognitive Wireless Access Points 2012


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