A Media Access Protocol for Wireless LAN’s

1. <Sensor Network Seminar 2007 > <출처 - ACM SIGCOM 1994 > A Media Access Protocol for Wireless LAN’s 2007. 5. 16 김 준 seojey00@hotmail.com

2. Agenda • 등장 배경 • Background • PARC’s Nano-Cellular Radio Net • CSMA • MACA • MACAW • Backoff Algorithm in MACAW • Multiple Stream Model in MACAW • Basic Msg Exchange in MACAW • Backoff Adjustment Algorithm • Conclusion

3. 등장 배경 • Wireless Network의 Shared Media Access가 중요 이슈로 부각됨 • Wireless Network Device의 성능 향상 • Wireless Medium은 공유되며 부족한 특징을 가짐 • Token based VS Multiple Access • MA is more robust • Token based 는 mobility를 적용하기 어렵다. • MACA의 업그레이드 • MACA가 가지는 문제점 해결 • MACA보다 성능 향상 방안 도출 • Xerox의 PARC nano-cellular Net 기반

4. Background – PARC’s Nano-Cellular Radio Net • PARC’s Nano-Cellular Radio Net 의 특징 • Near-field radio technology • 5 MHz • 구성 • Base Station(B) : 기지국 • pad(P) : 이동 단말 • Singlechannel • Transmission 은 B-P link만 . • SmallCell • 3~4 미터 • Inter-Channel Interference 가 적음 • Cell have just one B. • Source Location 정보 획득방식은 지원하지 않음. • Symmetric Communication

5. Background - CSMA • Carrier Sense Multiple Access • 전송 이전에 media 의사용 유무를 확인함으로써 collision을 회피하는 방식. • CSMA의 한계 • Hidden terminal problem • Receiver side collision • Exposedterminal problem • Receiver side unnecessary clear • Range info absence •  Receiver 측에서 발생하는 문제(collision , unnecessary clear)를 해결하는 것이 불가능

6. Background - MACA Set Clear RTS (S) (R) (X) CTS CTS RTS RTS (R1) (R2) (S1) (S2) CTS RTS • RTS/CTS • RTS (Ready to send) • CTS (Clear to send) • RTS-CTS exchange • pad 간의 Symmetry 한 특성을 이용 • HTP 해결 • ETP 해결 (notenough)

7. MACAW • MACAW • MACA의 업그레이드 버젼 • Control packet is 30 bytes • Retransmission 은 RTS 전송 후 CTS를 수신하지 못한 경우 발생 • Backoff Counter (BO) • Backoff function • Finc : BO 증가 func • Fdec : BO 감소 func

8. Backoff Algorithm in MACAW • Binary Exponential Backoff(BEB) • MACA에서 사용 • 방식 • Finc(x): MIN[2x,BOmax] • Fdec(x) : Bomin • Binary Exponential Backoff(BEB)’s problem • 일부 pad의 BO가 상대적으로 낮은 경우 문제 발생 • 성공 후 다시 BO가 BOmin이 되므로 계속하여 점유 • 다른 pad는 BO가 두배씩 증가 • 시간이 지날수록 더욱 심화됨 • 각 pad는 다른 pad의 congestion level에 대한 정보를 알수 없음 • 동일 cell 내의 pad간의 BO 값의 간격이 커짐.

9. Backoff Algorithm in MACAW • Backoff Algorithm in MACAW • 기존 BEB의 문제점을 해결 • Cell 내의 pad간의 BO 크기를 간격축소 방안 • Header field 에 송신자 BO 값 추가 • Packet 수신 성공시 MIN[BOs,BOr]을 새로운 BO 값으로 설정 • 각 pad 내의 변화폭을 축소 방안 • Multiple Increase Linear Decrease(MILD) 적용 • Finc(x): MIN[1.5x,BOmax] • Fdec(x) : MAX[x-1,BOmin,] • Contention 기간이 짧아짐

10. Multiple Stream Model in MACAW • MACA에서는 Single FIFO queue가 사용됨 • BP 와 PB가 BW를 절반씩 점유 • 각 방향당 Stream 개수가 고려되지 못함 • Low fairness • MACAW는 각 stream에 따라 개별적인 queue 사용 • BW는 stream 별로 나누어짐 • 각 pad가 동일한 fairness를 가지게 됨

11. Basic Msg Exchange in MACAW • Error recovery • For Reliability • MACA 는 상위의 TCP 이용 • Timeout 가 0.5 sec로 고정 • MACAW는 DLL 이용 • Layer 2에서는 timeout period를 작은 값으로 변경 가능 • 동작 • RTS-CTS-Data-ACK • ACK를 수신하지 못하면 retransmission으로 reschedule • Retransmission시 RTS의 응답은 CTS 대신 ACK 이용 • RTS 전송후 timeout 때까지 CTS/ACK 중 어느 것도 오지 않으면 Finc • ACK 가 제대로 도착시 Fdec

12. Basic Msg Exchange in MACAW R1 S1 S2 R2 RTS RTS • Data Sending (DS) packet • RTS-CTS exchangesuccess 전달 • 정확한 data 전송 timing • 정확한 Data duration CTS Overhearing RTS DS DS Get data about connection Data Data RTS RTS CTS ACK Data Data • ETP 해결 방식 • Station이 RTS만 듣고 CTS를 듣지 못한 경우 • in sender’s range, but out of receiver’s range • Station can send others, but can not receive during data duration. • Data 전송에 관한 정확한 정보를 알 수 없는 것이 원인

13. Basic Msg Exchange in MACAW Setclear RTS S1 CTS (S1) (S2) (R2) (R2) X X CTS • Request for RTS (RRTS) • Clear 되어 CTS를 보내지 못하는 경우 • RTS를 보낸 Sender는 Finc 가 동작 • 현재 이용 stream이 계속해서 점유하고자 한다면 • RTS를 기존 점유 Stream 사이에 요청해야 함 • 사실상 어려움 • Sender 는 Finc 동작 • 계속 심화됨

14. Basic Msg Exchange in MACAW • RRTS • sender를 대신하여 receiver가 contention에 참가 • 동작 • 다음 Contention Period 까지 대기후 contention 참가 • Sender에게 RRTS 전송 • RRTS를 받은 Sender는 바로 RTS 전송 • RRTS를 들은 station은 충분히대기 • RTS-CTS exchange 성공 가능 최대시간까지 S1 R1 R2 S2 RTS CTS CTS DS RTS Clear Data BOincrease ACK RRTS RRTS RTS RTS Wait For RTS-CTS Exchange time CTS CTS Data

15. Basic Msg Exchange in MACAW • Multicast in MACAW • RTS-CTS exchange 는사용 불가능 • CTS 로 인한 collision 발생 • RTS-data • Multicast address를 통해 clear • Hidden Terminal Problem • Transmission 상태를 알려줄 수 없음

16. Backoff Adjustment Algorithm • Inter Cell Contention Level Copy • pad 간의 overhear로 인해 BO copy 발생 • 한 Cell의 높은 BO가 다른 Cell 한테 악영향을 줌. • 이러한 상황은 전송 받은 cell의 base station에게 다시 copy • 계속 확장 • Corrupt by noise and Offline pad • Congestion 상황이 아님에도 Finc동작. • Sender는 계속해서 시도 • BEB의문제점 • BO increase speed(x 1.5) > BO decrease speed( x-1) • 평균적인 BO는 decrease보다 increase에 의해 결정 • 따라서 BO가 증가하는 방향으로 확대되는 것은 치명적

17. Backoff Adjustment Algorithm RTS RTS (S) (S) <Case 2.> (R) X <Case 1.> (R) X CTS congestion congestion • Station의 BO 결정 룰 변경. • Congestion은 한 side의 상태에 따라 결정됨 • Case 1. • CTS fail • Receiver BO notchange • Case 2. • RTS fail • Sender BO not change

18. Conclusion • MACAW • PARC’s nano-Cellular Radio net 에 기반 • Basestation 과 pad 사이의 통신 처리 • MACA와 비교하여 Throughput 과 fairness 향상이 목적 • Advanced Backoff Algorithm • BO copy, MILD BEB • Multiple Stream Model • Separate Queue by each stream • Basic Msg exchange • RTS-CTS-DS-Data- ACK • RRTS