네트워크 시뮬레이션 공방

"WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(7) - MAC Throughput(3)"에서는 802.11g 24Mbps 환경에서 237Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보았다. 이번에는 동일한 환경(802.11g 24Mbps)에서 1,500Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보기로 하자. 동일한 환경이므로 MCS 레벨(QAM16 1/2)과 프로세싱 게인(MCS gain: -3.01dB, OFDM gain: 2.28dB)은 기존의 분석과 동일하다.
1,500Bytes의 MAC SDU 패킷을 전송할 때 송신 포트에서 내보내는 패킷의 크기는 1,500Bytes(MAC SDU 패킷) + 28Bytes(MAC 오버헤드) + 22.67usec * 24Mbps(PLCP 오버헤드) / 8 = 1,596Bytes(12,768bits)이다. (PLCP 오버헤드 계산에 대해서는 "WLAN PLCP 오버헤드 크기" 및 "WiFi에서의 throughput (5) - 802.11g 최대 throughput" 참조) MAC에서의 최대 전송 횟수는 기본값인 7이 적용된다.

이상의 정보로부터 BER별 MAC 사용자 패킷 전달률(Throughput)과 최대거리(distance)를 계산해보면 다음과 같이 예상할 수 있다.
- BER이 8.1x10^-6 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 100%, 이 때의 SNR은 10.63dB이므로 최대 거리는 약 694M.
- BER이 1.0x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 89.89%, 이 때의 SNR은 9.63dB이므로 최대 거리는 약 779M.
- BER이 1.6x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 60.93%, 이 때의 SNR은 9.43dB이므로 최대 거리는 약 797M.
- BER이 7.9x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 0.03%, 이 때의 SNR은 8.73dB이므로 최대 거리는 약 864M.

이제 시뮬레이션을 통해 이 예측을 확인해 보자. 2대의 WLAN 터미널 스테이션 노드를 배치하고, Physical Characteristics은 "Extended Rate PHY (802.11g)"로, Data Rate (bps)는 "24Mbps"로 설정한다. 트래픽은 1,500Bytes 크기의 패킷을 1초마다 발생시켜 다른 WLAN 터미널 스테이션 노드로 전송하도록 설정하였다.

694M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 송수신량이 동일(전달률 100%)하며, 이는 앞의 예측과 일치한다.

다음으로  779M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 89.89%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 89.50%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  797M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 60.93%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 58.50%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  864M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 0.03%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 0.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

"WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(5) - MAC Throughput(1)"에서는 802.11b 11Mbps 환경에서 237Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보았다. 이번에는 동일한 크기(237Bytes)의 MAC 사용자 패킷을 802.11g 24Mbps 환경에서 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보기로 하자.
Riverbed(OPNET) WiFi 모델에서 802.11g 24Mbps로 데이터 전송시 사용되는 MCS 레벨은 QAM16 1/2이며("WiFi MCS 레벨 (17.5 PL6 버전)" 참조), Processing Gain은 MCS 레벨에 의한 -3.01dB와 OFDM에 의한 2.28dB이다("WiFi MCS 레벨 프로세싱 게인 (17.5 PL6 버전)" 참조). Riverbed(OPNET)에서 사용하는 QAM16 1/2 MCS의 BER 커브는 다음 그림과 같다.

237Bytes의 MAC SDU 패킷을 전송할 때 송신 포트에서 내보내는 패킷의 크기는 237Bytes(MAC SDU 패킷) + 28Bytes(MAC 오버헤드) + 23.67usec * 24Mbps(PLCP 오버헤드) / 8 = 336Bytes(2,688bits)이다. (PLCP 오버헤드 계산에 대해서는 "WLAN PLCP 오버헤드 크기" 및 "WiFi에서의 throughput (5) - 802.11g 최대 throughput" 참조) MAC에서의 최대 전송 횟수는 기본값인 7이 적용된다.
이상의 정보로부터 BER별 MAC 사용자 패킷 전달률(Throughput)과 최대거리(distance)를 계산해보면 다음과 같이 예상할 수 있다.

- BER이 1.2x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 99.99%, 이 때의 SNR은 9.53dB이므로 최대 거리는 약 788M.
- BER이 4.1x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 93.92%, 이 때의 SNR은 9.03dB이므로 최대 거리는 약 834M.
- BER이 7.9x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 59.26%, 이 때의 SNR은 8.73dB이므로 최대 거리는 약 864M.
- BER이 3.9x10^-3 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 0.02%, 이 때의 SNR은 7.93dB이므로 최대 거리는 약 947M.

이제 시뮬레이션을 통해 이 예측을 확인해 보자. 2대의 WLAN 터미널 스테이션 노드를 배치하고, Physical Characteristics은 "Extended Rate PHY (802.11g)"로, Data Rate (bps)는 "24Mbps"로 설정한다. 트래픽은 237Bytes 크기의 패킷을 1초마다 발생시켜 다른 WLAN 터미널 스테이션 노드로 전송하도록 설정하였다. 788M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 99.99%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 100%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  834M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 93.92%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 93.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  864M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 59.26%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 57.50%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  947M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 0.02%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 0.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

"WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(5) - MAC Throughput(1)"에서는 802.11b 11Mbps 환경에서 237Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보았다. 이번에는 동일한 환경(802.11b 11Mbps)에서 1,500Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 전송할 때, MAC 사용자 계층의 패킷 전달률 관점에서 최대 통신 가능 거리는 어디까지인지를 살펴보기로 하자.
동일한 환경이므로 변조방식(CCK11)과 프로세싱 게인(0dB)은 기존의 분석과 동일하다. 1,500Bytes의 MAC SDU 패킷을 전송할 때 송신 포트에서 내보내는 패킷의 크기는 1,500Bytes(MAC SDU 패킷) + 28Bytes(MAC 오버헤드) + 192usec * 11Mbps(PLCP 오버헤드) / 8 = 1,792Bytes(14,336bits)이다. (PLCP 오버헤드 계산에 대해서는 "WLAN PLCP 오버헤드 크기" 참조) MAC에서의 최대 전송 횟수는 기본값인 7이 적용된다.

이상의 정보로부터 BER별 MAC 사용자 패킷 전달률(Throughput)과 최대거리(distance)를 계산해보면 다음과 같이 예상할 수 있다.
- BER이 2.2x10^-5 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 99.99%, 이 때의 SNR은 7.75dB이므로 최대 거리는 약 966M.
- BER이 8.1x10^-5 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 92.78%, 이 때의 SNR은 7.25dB이므로 최대 거리는 약 1,024M.
- BER이 1.4x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 63.58%, 이 때의 SNR은 7.0dB이므로 최대 거리는 약 1,053M.
- BER이 7.8x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 0.01%, 이 때의 SNR은 6.25dB이므로 최대 거리는 약 1,149M.

이제 시뮬레이션을 통해 이 예측을 확인해 보자. 2대의 WLAN 터미널 스테이션 노드를 배치하고, Physical Characteristics은 "Direct Sequence"로, Data Rate (bps)는 "11Mbps"로 설정한다. 트래픽은 1,500Bytes 크기의 패킷을 1초마다 발생시켜 다른 WLAN 터미널 스테이션 노드로 전송하도록 설정하였다.
966M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 99.99%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 100%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  1,024M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 92.78%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 93.50%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  1,053M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 63.58%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 65.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로  1,149M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 0.01%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 0%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

WiFi 인터페이스를 사용하는 노드들간의 기본적인 통신 가능거리에 대해서는 "WiFi 모델에서의 통신 가능 거리"에서, 확산이득과 Reception threshold의 영향에 대해서는 "WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(2)"에서, delay의 영향에 대해서서는 "WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(3)"에서 살펴본 바 있다.
이러한 기존의 분석에서는 BER 기준으로 10^-4을 사용하였다. 그러면, BER이 10^-4만 만족하면 항상 통신이 잘 이루어지는 것일까? 그렇지는 않다. BER 10^-4은 분석을 위해 필자가 임의로 정한 기준이었을 뿐이며 실제로는 각 시험 환경에 따라 달라질 수 있다.
이번에는 MAC 사용자 계층을 기준으로 99.9%의 패킷 전달률을 유지할 수 있는 최대 거리는 어디까지인지를 살펴보기로 하자. 802.11b 11Mbps 환경에서 237Bytes 크기의 MAC 사용자 패킷을 100Kbps로 전송하는 경우를 가정하였으며, 명기한 항목외에는 Riverbed(OPNET) WLAN 노드 모델의 기본 설정을 그대로 사용였다. 또한, 지형모델(TMM)을 적용하지 않았으며, 아무런 interference 신호도 존재하지 않을 경우로 한정하였다.
Riverbed(OPNET) WiFi 모델에서 802.11b 11Mbps로 데이터 전송시 사용되는 모듈레이션 방식은 CCK11이며("WiFi MCS 레벨 (16.1 버전)" 및 "WiFi MCS 레벨 (17.5 PL6 버전)" 참조),Processing Gain은 0 이다("WiFi 변조 방식별 프로세싱 게인 (16.1 버전)" 및 "WiFi MCS 레벨 프로세싱 게인 (17.5 PL6 버전)" 참조). Riverbed(OPNET)에서 사용하는 CCK11 변조방식의 BER 커브는 다음 그림과 같다.

237Bytes의 MAC SDU 패킷을 전송할 때 송신 포트에서 내보내는 패킷의 크기는 237Bytes(MAC SDU 패킷) + 28Bytes(MAC 오버헤드) + 192usec * 11Mbps(PLCP 오버헤드) / 8 = 529Bytes(4,232bits)이다. (PLCP 오버헤드 계산에 대해서는 "WLAN PLCP 오버헤드 크기" 참조) MAC에서의 최대 전송 횟수는 기본값인 7이 적용된다.
이상의 정보로부터 BER별 MAC 사용자 패킷 전달률(Throughput)과 최대거리(distance)를 계산해보면 다음과 같이 예상할 수 있다.

  - BER이 8.1x10^-5 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 99.98%, 이 때의 SNR은 7.25dB이므로 최대 거리는 약 1,024M.
  - BER이 2.5x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 94.94%, 이 때의 SNR은 6.75dB이므로 최대 거리는 약 1,084M.
  - BER이 4.4x10^-4 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 69.31%, 이 때의 SNR은 6.5dB이므로 최대 거리는 약 1,116M.
  - BER이 2.1x10^-3 일 때: MAC 사용자 패킷 전달률 0.10%, 이 때의 SNR은 5.75dB이므로 최대 거리는 약 1,217M.

이제 시뮬레이션을 통해 이 예측을 확인해 보자. 2대의 WLAN 터미널 스테이션 노드를 배치하고, Physical Characteristics은 "Direct Sequence"로, Data Rate (bps)는 "11Mbps"로 설정한다. 트래픽은 237Bytes 크기의 패킷을 1초마다 발생시켜 다른 WLAN 터미널 스테이션 노드로 전송하도록 설정하였다.
1,024M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 99.98%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 100%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로 1,084M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 94.94%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 95.50%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로 1,116M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 69.31%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 71.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

다음으로 1,217M 거리에 두 노드를 배치하였을 때의 결과는 다음 그림과 같다. 앞의 예측(전달률 0.10%)과는 미세한 차이가 있는 결과(전달률 약 0.25%)이나, 오차범위 내로 볼 수 있다.

17.5 PL6 버전("OPNET Modeler 17.5 PL6 발표" 참조)에서 프로세싱 게인은 MCS 레벨별 프로세싱 게인과 OFDM에 의한 프로세싱 게인의 합으로 계산된다. MCS 레벨별 프로세싱 게인은 MCS 레벨("WiFi MCS 레벨 (17.5 PL6 버전)" 참조)에 따라 지정된 수식을 사용하여 계산된다. OFDM에 의한 프로세싱 게인은 대역폭과 Guard Internal 값으로부터 계산된다.

BER 커브를 조회할 때 입력값으로 사용하는 SNR은 수신 SNR이 아니라 수신 SNR에 프로세싱 게인(Gain)이 더해진 실효(Effective) SNR이다. OPNET 16.1 버전("OPNET Modeler 16.1 PL1 발표" 참조)에서 사용하는 변조 방식별("WiFi MCS 레벨 (16.1 버전)" 참조) 프로세싱 게인을 살펴보면 다음 표와 같다.

"WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(2)"에서 1Mbps의 Data rate인 경우에 대해 프로세싱 게인 값으로 10.414를 적용한 것도 이 때문이었다.

Riverbed(OPNET) Modeler WLAN 모델에서 사용되는 BER 커브는 17.5 PL6 버전부터 코딩률(Coding Rate)를 반영한 방식으로 변경되었다("OPNET Modeler 17.5 PL6 발표" 참조). 따라서, 17.5 PL6 버전부터는 변조(Modulation)에 따른 BER 커브("WiFi MCS 레벨 (16.1 버전)" 참조)가 아니라, MCS(Modulation & Coding Scheme) 레벨에 따른 BER 커브라고 볼 수 있다.
17.5 PL6 버전에서 사용되는 데이터 전송 속도별 MCS 레벨을 살펴보면 다음과 같다.

코딩률이 추가되었기 때문에, 동일한 데이터 전송 속도를 사용하더라도 17.5 PL6 이후 버전에서는 사용되는 MCS 레벨이 17.5 PL5 이전 버전과는 약간 다르다. 또한, 17.5 PL6 버전에서 추가된 MCS 레벨의 BER 커브는 전 버전에서 사용되던 유사한 MCS 레벨의 BER 커브와 값이 꽤 다르므로, 시뮬레이션 결과 해석시 유의하여야 한다. 즉, 동일한 WiFi 설정을 가지는 시나리오를 수행하더라도 17.5 PL6 전 버전과 이후 버전에서 실행한 결과는 다를 수 있다.

시뮬레이션을 진행하다보면, 가끔 전송오류가 없는 이상적인 환경이 필요할 때가 있다. 물론, Network Scale을 Logical로 선택하면 물리적인 조건에 전혀 영향을 받지않는 환경을 만들수 있지만, 이 경우에는 좌표 정보도 사용할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 좌표 정보는 사용하면서도 물리계층에서의 전송오류가 없는 환경이 필요할 때에는 PHY단을 약간 수정해주어야 한다.
WLAN 모델에서는 파이프라인 스테이지중 error 단계를 조금 수정해주면 전송오류(즉, 비트 에러)가 발생하지 않도록 만들 수 있다.

Riverbed(OPNET) Modeler WLAN 모델에서 사용되는 MCS(Modulation & Conding Scheme)는 데이터 전송 속도에 따라서 달라진다. 즉, 사용자가 설정해준 데이터 전송 속도에 의해 MCS 레벨이 선택되며, 시뮬레이션 도중에 동적으로 변화하지는 않는다.
16.1 버전에서 사용되는 데이터 전송 속도별 MCS 레벨을 살펴보면 다음과 같다(17.5 PL5 버전까지는 동일하다). 변조(Modulation) 방식만 구분되며, 코딩률(Coding Rate)은 구분되지 않기 떄문에 MCS로 표현하기에는 조금 부족한 면이 있다.

데이터 전송 속도가 11Mbps일 때 변조방식은 CCK11임을 표에서 확인할 수 있다. "WiFi 모델에서의 통신 가능 거리"에서 분석할 당시까지의 OPNET 버전에서는 WiFi 모델의 "Data Rate (bps)"의 기본값이 11Mbps였으며, CCK11 변조방식에 대한 BER 커브를 분석에 사용한 것은 이 때문이었다.

"WiFi 모델에서의 통신 가능 거리(3)"에서 살펴본 것처럼 WiFi 노드간의 최대 거리는 300미터로 가정되지만, 이보다 먼 거리의 노드들간에도 시뮬레이션은 별 문제없이 수행된다. 그러면, 송신 파워만 충분히 높다면 WiFi 인터페이스를 사용하는 장비들간의 통신 가능 거리에 제약은 없는 것일까? 그렇지는 않은데, 그 이유는 ACK Timeout 때문이다.
IEEE 802.11에서는 DATA 프레임을 송신하면 ACK 프레임을 수신해야만 하며, 지정된 시간안에 ACK가 수신되지 않으면 송신에 실패한 것으로 간주한다. 이 때 ACK가 수신되기를 기다리는 최대 시간이 ACK Timeout 이다. 따라서, 노드간의 거리가 너무 멀어서 ACK Timeout 시간안에 ACK를 수신할 수 없을만큼 propagation delay가 큰 경우에는 통신이 이루어지지 않는다.
표준[1]에 따르면, ACK Timeout은 SIFS, Slot time, PHY-RX-START-Delay의 합으로 구성(ACKTimeout = SIFS + Slot Time + PHY-RX-START-Delay)되며, propagation delay는 Slot time 내에 포함된 것으로 간주된다. 다음은 PHY 종류별 Slot time을 정리한 것이다[1]. Slot time을 구성하는 다른 요소들을 모두 무시한다 할지라도 Slot time이 그리 크지 않으므로, 장거리 전송을 수용할 수 있는 여지는 크지 않다. (802.11에서 propagation delay는 원래 1us 이하로 가정되었다는 점을 잊지말기 바란다.) Slot time과 ACK Timeout을 변경시켜 전송 거리를 증대시킬 수는 있으나[2], 이는 802.11 표준[1] 범위를 벋어난 것이다.

Riverbed(OPNET) Modeler에서 ACK Timeout 값은 상대방이 최저 속도로 ACK 프레임을 전송(transmission)할 때를 가정하고 계산되며, 이 시간안에 응답 프레임에 대한 수신이 시작되면 timeout은 발생하지 않는다(이 부분은 표준[1]과 조금 차이가 있다). 따라서, propagation delay가 최저 속도로 ACK 프레임을 전송하는 transmission delay 미만이면 정상적으로 동작하므로, 전송 거리에 상당한 여분이 있는 편이다.

"30Km 거리에 대한 WiFi 통신 시뮬레이션 실험"에서, 11g로는 통신이 잘 되는데 11a로는 통신이 되지않는 것도 이러한 이유때문인 것으로 생각된다.

[1] IEEE Std 802.11, "Wireless LAN MAC and PHY Specifications", IEEE, 2007.
[2] http://www.air-stream.org/Change_ACK