IEEE 802.11e는 802.11 MAC의 DCF 전송방식을 근간으로 무선 LAN의 MAC 계층에서 QoS를 지원할 수 있는 EDCA와 HCCA를 정의함으로써 베스트 에포트 서비스 외에도 전송지연에 민감한 트래픽을 전송할 수 있는 새로운 무선 LAN MAC 프로토콜을 제공한다. 이번 호에서는 802.11e MAC 프로토콜의 등장배경이기도 한 기존 무선 LAN MAC 프로토콜의 QoS 지원을 살펴보고, 802.11e MAC의 경쟁 기반 EDCA 프로토콜의 동작 메커니즘을 알아본다.
정승화_한국루슨트테크놀로지스/LWS/책임연구원
기존 802.11 MAC(Medium Access Control)는 무선 LAN QoS(Quality of Service) 지원에 있어 많은 문제점을 안고 있다. 802.11 MAC의 필수 기능인 DCF(Distributed Coordination Function)는 QoS 지원을 위한 어떤 기능도 제공하지 않는다. 따라서 DCF 방식이 사용되는 경우 모든 데이터 트래픽은 전송 큐에 도착하는 순서대로 서비스가 제공되며 베스트 에포트(Best Effort) 방식으로 처리된다.
동일 서비스 지역내 있는 모든 스테이션도 액세스 포인트와 동일한 우선 순위를 가지고 무선 매체에 접근하기 위해 서로 경쟁한다. 네트워크에 참여하는 스테이션의 수가 증가할 때 CSMA/CA 기반의 무선 LAN 환경에서는 스테이션 간의 충돌 확률이 상대적으로 높아지며, 충돌에 의해 빈번히 데이터 프레임의 재전송을 유발시키기도 한다. 이런 상황으로 인해 전체적인 네트워크 성능이 저하될 뿐만 아니라, QoS 지원도 어려워진다.
무엇보다도 DCF는 상이한 사용자의 우선 순위에 따라 전송 프레임을 차별화하지 않으며, 채널 접근 권한을 획득하기 위해 경쟁하는 모든 스테이션에 동등한 확률적 기회만을 부여한다. 그러나 이와 같은 채널 접근 방식은 차별화된 우선 순위의 프레임을 가지고 있는 스테이션에게는 바람직하지 않다.
802.11 MAC의 PCF(Point Coordination Function)는 DCF와는 달리 실시간 트래픽에 대한 서비스를 지원하기 위해 개발됐지만, 현재 QoS를 지원하는데 상당히 많은 문제점을 낳고 있다.
802.11 PCF의 QoS 제약점
실제 PCF 기능이 구현돼 상용화된 제품도 거의 전무한 상황이다. 802.11 MAC의 PCF에서 QoS를 지원하는데 있어 제약점으로 지적된 부분을 살펴본다.
첫 째, PCF 방식에서 액세스 포인트에 위치하는 PC(Point Coordinator)는 폴링을 위해 단순히 라운드 로빈(Round-Robin) 방식에 근간을 둔 스케줄링 알고리즘을 규정하고 있다. 그러나 실제 차별화된 QoS를 요구하는 다양한 트래픽의 종류가 있기 때문에 트래픽에 대한 우선 순위를 부여할 수 없는 라운드 로빈 알고리즘은 이를 지원하는데 충분하지 않다.
둘 째, 만약 수퍼(Super) 프레임의 크기가 작을 경우 경쟁 주기(Contention Period)와 비경쟁 주기(Contention Free Period)의 반복은 상당한 오버헤드를 유발시킬 수 있다. 따라서 PCF가 최소한의 지연을 지원하기 위해서는 수퍼 프레임의 크기가 작을수록 유리하다. 예를 들면, PCF를 이용해 10ms의 지연을 요하는 음성 트래픽을 지원하려면 수퍼 프레임의 크기 역시 10ms 정도가 돼야 할 것이다. 이런 문제점을 해결하기 위해 802.11e MAC는 비경쟁 주기와 경쟁 주기 모두에서 폴링 기반의 채널 접근 방식을 제공한다.
셋째, 기존의 MAC에서는 비콘(Beacon) 프레임의 전송 또는 수퍼 프레임의 시점이 변경될 수 있다(그림 1). PC는 TBTT(Target Beacon Transmission Time) 다음에 전송해야 하는 비콘 프레임을 준비하며, 매체가 PISF(Point Inter Frame Space) 동안 간격을 뒀다면, 비콘 프레임을 전송한다. 하지만 문제점은 스테이션들이 다가오는 TBTT 안에 프레임 전송을 마칠 수 없음에도 불구하고, 전송을 개시할 수도 있으며, 이로 인해 비콘 프레임 전송이 지연될 수도 있다.
TBTT 이후에 즉시 전송돼야 할 비콘 프레임의 지연은 결국, 비경쟁 주기안에 전송해야 하는 시제한 프레임의 전송을 지연시킨다. 이런 문제점은 비경쟁 주기에서 예측하기 어려운 시간 지연을 초래해 QoS에 심각한 영향을 미친다. 반면에 802.11e MAC 스테이션은 다가오는 TBTT 시간 안에 프레임 전송을 마칠 수 없다면, 비경쟁 주기를 보장하기 위해 새로운 전송을 개시하지 않도록 구현된다.
마지막으로, 무선 매체의 점유 시간 또는 폴링된 스테이션의 전송 시간 등이 기존 MAC에서는 예측할 수 없다는 제약점이 있다. PC에 의해 선택된 스테이션은 최대 2304바이트 이내로 임의 크기의 단일 프레임 전송이 허용된다. 그러나 물리 계층의 전송 속도에 따라서 프레임 전송 시간은 상당히 증가할 수 있는데, 예를 들면 802.11b 물리 계층에서는 극한 상황의 경우, 전송 시간이 20ms를 초과할 수도 있다. 이런 현상은 비경쟁 주기의 잔여 시간동안 폴링된 스테이션에게 QoS를 제공하는 것을 어렵게 만든다.
이와 같이 802.11 MAC는 높은 수준의 QoS와 실시간 전송이 요구되는 무선 LAN의 다양한 응용 서비스 지원에 많은 제약점을 갖고 있다. 따라서 무선 LAN에서 보다 진보된 QoS를 제공하기 위해서는 기존의 802.11 MAC를 보완한 802.11e MAC의 도입이 필수적이다.
QoS를 위한 802.11e MAC
현재 표준화가 진행되고 있는 802.11e에서는 기존 802.11 MAC 프로토콜 DCF와 PCF를 기반으로 하는 HCF(Hybrid Coordination Function)를 규정하고 있다. HCF는 무선 LAN의 QoS를 향상시키기 위한 새로운 매체 접근 메커니즘을 포함하며, 경쟁 주기와 비경쟁 주기 모두에서 QoS 데이터를 전송할 수 있다. 또한 802.11e에서는 QoS를 지원하는 스테이션과 액세스 포인트를 기존 802.11 스테이션과 액세스 포인트로부터 구분하기 위해 이들을 각각 QoS 스테이션(QSTA : QoS Station)과 QoS 액세스 포인트(QAP : QoS AP)라고 부른다.
 
·EDCA와 HCCA
HCF는 두개의 동작 모드를 가지는데, 경쟁을 기반으로 하는 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)와 폴링 메커니즘을 이용한 비경쟁 기반의 채널 접근 방식을 사용하는 HCCA(HCF Controlled Channel Access)가 바로 그것이다(그림 2).
EDCA와 HCCA는 액세스 포인트에 위치하는 HC(Hybrid Coordinator)에 의해 제어되며, DCF와 PCF를 사용하는 기존 802.11 MAC와도 호환된다. EDCA는 QoS 지원(Supported QOS) 위해 유선 네트워크의 DiffServ와 유사한 우선 순위 트래픽(Prioritized Traffic)을 제공하는 반면, HCCA는 QoS 보장(Garanteed QoS)을 위해 IntServ와 유사한 패러미터 트래픽(Parameterized Traffic)을 제공하도록 설계됐다.
802.11e에서는 QoS 단계를 각각 두개의 채널 접근 메커니즘과 스케줄링 정책에 따라 구분한다(표 1). 향후 표준화가 완료되면 802.11e를 지원하는 제품들은 1, 2, 3단계 작업을 진행해야 한다. 1단계와 2 단계는 전체 8가지의 우선 순위를 구현하고 있으며, 이 8가지 우선 순위는 모든 스테이션과 액세스 포인트에 동일하게 적용된다. 가장 높은 우선 순위의 3단계는 전송 트래픽 특성(TSPEC : Traffic Specification)에 따라 스테이션과 액세스 포인트간 설정된 연결에 QoS 패러미터를 제공한다. 여기에서 트래픽 특성은 데이터 프레임 전송을 위해 802.11e MAC이 어떤 방법으로 전송 스케줄링을 최적화할 것인지 알려준다.
EDCA 방식은 인프러스트럭처 모드와 애드혹 모드에서 우선 순위 기반의 QoS를 지원하는데 사용된다. 즉, EDCA는 상위 계층으로부터 우선 순위가 상이하게 부여된 프레임에 대해 차별화된 채널 접근 기능을 제공하는 반면 HCCA은 인프러스트럭처 모드에서 패러미터 기반의 QoS를 제공한다.
802.11e MAC는 패러미터 QoS를 제공하기 위해 데이터를 전송하기 이전에 두개의 스테이션간에 트래픽 스트림이라는 가상 연결을 설정한다. 실제 전송될 데이터의 특성과 QoS를 요구하는 패러미터들은 트래픽 스트림을 설정하는 과정에서 상호 절충과 교환 작업을 거친다. 액세스 포인트는 교환된 QoS 패러미터를 근간으로 각각의 스테이션에 무선 대역을 할당하며 폴링 프레임과 다운링크 프레임 전송 등에 대한 프레임 전송 스케쥴링을 한다.
·EDCA TXOP와 폴드(polled) TXOP
802.11e MAC에 새로이 추가된 가장 기본적이고 중요한 개념이 TXOP(Transmission Opportunity)다. TXOP는 특정 스테이션에게 프레임을 전송할 수 있는 일정 시간을 부여하고 이를 보장하기 위해 사용된다. TXOP 획득은 EDCA 경쟁에서 성공하거나 액세스 포인트로부터 QoS CF-Poll 프레임을 받음으로써 가능해지는데, 전자는 EDCA TXOP로 후자는 폴드(polled) TXOP라 불린다.
이와 같이 TXOP라는 새로운 개념을 이용해 임의의 한 스테이션이 프레임을 전송할 수 있도록 일정 시간을 부여하거나 강제적으로 전송 시간을 제한할 수 있다. TXOP의 전송 시작 시간과 최대 전송 시간은 액세스 포인트에 의해 결정되는데, EDCA TXOP의 경우 비콘 프레임에 의해, 폴드 TXOP 경우는 QoS CF-Poll 프레임에 의해 스테이션에 통보된다.
EDCA는 오직 경쟁 주기에서만 사용되는 반면에 HCCA는 이론적으로 경쟁 주기와 비경쟁 주기 모두에서 동작할 수 있다. 그러나 802.11e 표준안은 HCCA의 사용을 경쟁 주기에서만 권고하고 있는데, 이는 CF-Poll와 QoS CF-Poll을 사용하는 폴링 메카니즘의 동시 구현이 복잡하기 때문이다. 멀티캐스트 프레임과 브로드캐스트 프레임은 경쟁 주기 또는 비경쟁 주기 동안 액세스 포인트에 의해 전달되는데, 경쟁 주기에서는 EDCA를, 비경쟁 주기에서는 PCF를 사용한다.
경쟁 기반 채널 접근 방식(EDCA)
앞에서 살펴본 바와 같이 경쟁 기반 채널 접근 방식인 EDCA는 기존의 DCF를 강화해 8가지 종류의 사용자 우선 순위를 가지는 프레임에 대해서 차별화된 매체 접근을 허용하고 있다. 상위 계층으로부터 MAC 계층에 도착하는 각 프레임은 특정 사용자 우선 순위 값을 지니게 되며, 각각의 QoS 데이터 프레임 MAC 헤더에는 사용자 우선 순위 값이 실린다.
이들 우선 순위를 포함하는 QoS 데이터 프레임의 전송을 위해 802.11e QoS 스테이션은 4개의 AC(Access Category)를 구현한다. MAC 계층에 도착하는 프레임의 사용자 우선 순위는 서로 대응되는 하나의 AC로 할당된다(표 2). 이 표에 있는 사용자 우선 순위는 IEEE 802.11D 브리지 표준안에 명시돼 있다. 모든 AC는 각각의 전송 큐와 AC 패러미터를 가지는데, AC간 우선 순위의 차이는 서로 다르게 설정된 AC 패러미터 값으로부터 구현된다.
기본적으로 EDCA는 AC에 속한 프레임을 전송하기 위한 경쟁에 있어 DCF가 사용하는 DIFS, CWmin, CWmax 대신에 각각 AIFS[AC], CWmin[AC], CWmax[AC]를 사용한다. AIFS[AC]는 SIFS + AIFS [AC] 슬롯타임에 의해 결정되는데, 여기서 AIFS[AC]는 0보다 큰 정수값이다.
프 레임 전송 도중 스테이션간 충돌이 발생할 경우 새로운 백오프 카운터를 생성하는 EDCA의 백오프 과정은 기존의 DCF와 유사하다. EDCA에 각 AC별로 상이하게 할당되는 'PF(Persistence Factor) ∈ [1,16]' 라는 것을 추가한다. 만약 PF 값이 2인 경우는 DCF와 동일하게 CW(Contention Window) 크기가 지수함수적 증가를 보인다. 최근의 802.11e 드래프트에서는 PF를 기본값인 2로 고정했으며, 백오프 과정에서의 AC별 차별화는 다른 EDCA 패러미터를 사용하도록 했다.
 
·AC를 이용한 트래픽 우선 순위 구현
EDCA의 채널 접근 방식도 DCF와 유사하다. 단, 각 AC별로 상이한 AIFS(Arbitration Inter Frame Space)와 CW를 유지한다(그림 3). 여기서 AIFS는 PIFS와 DIFS 보다는 큰 값이어야 하는데, 이는 적어도 SIFS 시간보다 크게 설정해 ACK 프레임 등의 전송을 보호하기 위함이다.
EDCA 패러미터 집합으로 일컬어지는 AIFS[AC], CWmin[AC], CWmax[AC] 등의 값은 액세스 포인트에 의해 비콘 프레임에 실려 각 스테이션에 통보될 수 있다. 기본적으로 AIFS[AC]와 CWmin[AC]의 값이 작을수록 높은 우선 순위를 가지며, 이에 따라 채널 접근 지연이 짧아져 주어진 트래픽 환경에서 보다 많은 대역을 사용한다.
이런 EDCA 패러미터들은 다양한 사용자 우선 순위 트래픽에서의 채널 접근을 차별화하기 위해 사용되는 중요한 수단이 되고 있다. 더불어 각 AC별 패러미터를 포함하는 EDCA 패러미터 값의 적절한 설정은 네트워크 성능을 최적화하는 동시에 트래픽의 우선 순위에 의한 전송 효과를 얻게 해준다. 따라서 액세스 포인트는 네트워크에 참여한 모든 스테이션에 공평한 매체 접근 보장을 위해 EDCA 패러미터에 대한 전체적인 관리와 조정 기능 수행이 요구된다.
802.11e MAC에 정의된 4개의 AC별 전송 큐는 하나의 스테이션 내에서 무선 매체 접근을 위해 각각 개별적인 EDCA 경쟁 개체로서 역할을 수행한다(그림 4). 하나의 AC는 자신의 AIFS 값을 가지고 독립된 백오프 카운터를 유지한다. 만약 동시에 백오프를 마친 AC가 하나 이상 존재할 경우에는 AC 간의 충돌은 가상 충돌 처리기(Virtual Collision Handler)에 의해서 조정된다. 가장 높은 우선 순위의 프레임이 먼저 선택돼 스테이션간 경쟁을 위해 전송되며, 다른 AC들은 CW 값을 증가시켜 다시 백오프 카운터를 갱신한다.
앞에서 언급한 바와 같이 802.11e는 특정 스테이션이 전송을 개시할 때 TXOP에 근거해 전송 시간을 정한다. 802.11e 액세스 포인트는 AIFS[AC], CWmin[AC], CWmax[AC] 등의 EDCA 패러미터와 EDCA TXOP 시간인 TXOP Limit [AC]를 비콘 프레임에 실어서 각 스테이션에 전달한다.
EDCA TXOP Limit 시간 동안에는 ACK와 연속되는 프레임 전송 간에 SIFS 간격으로 여러 개의 프레임을 동시에 전송할 수 있는데, 이와 같이 여러 개의 프레임을 동시에 전송하는 것을 'EDCA TXOP 버스팅(Bursting)'이라 부른다(그림 5).
TXOP Limit 시간 동안 우선 순위를 포함하는 두개의 QoS 데이터 프레임이 전송되는데, 이때 두개의 QoS 데이터 프레임과 ACK 프레임이 액세스 포인트에서 결정된 TXOP Limit 시간 내에 전송됨을 알 수 있다. EDCA TXOP 버스팅은 여러 개의 프레임을 전송할 때 반드시 TXOP Limit를 준수하기 때문에 EDCA TXOP 버스팅에 의해 전체 네트워크의 성능은 영향을 받지 않는다. 따라서 적절한 TXOP Limit 값의 선택은 전체 네트워크 성능을 향상시킬 수 있다.
다음 호에는 비경쟁 기반의 HCCA를 알아보고, 보다 나은 QoS를 제공하기 위해 제안된 802.11e의 각종 선택 기능에 대해 살펴본다.
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