4. 에드 혹 무선 매체 액세스 프로토콜

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4. 에드 혹 무선 매체 액세스 프로토콜

4.1 개요

• MAC 프로토콜은 무선과 같은 공유 매체의 효율적 사용을 제공하는

규칙들 또는 프로시쥬어들의 집합이다 .

• 한정된 무선자원의 이용을 극대화하며 , 서비스별 QoS 를 보장할 목적으

로 사용자들의 데이터 전송을 관리하는 프로토콜

4.4.1 동기 MAC 프로토콜

• 동기 MAC 프로토콜에서 , 모든 노드들은 동시에 동기 되어진다 .

• 이것은 정규 비컨을 방송하는 타이머 마스터에 의해 성취된다 .

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4.1.2 비동기 MAC 프로토콜

• 채널 액세스를 조정하기 위하여 더 많은 분산 제어 메커니즘이 사용된다 .

• 감추어진 터미널 문제 , p. 40, 그림 4.1 참조

4.2 에드 혹 채널 액세스에서 문제들

4.2.1 감추어진 터미널 문제• ALOHA, 슬롯 ALOHA, CSMA, IEEE 802.11 등과 같은 경쟁 기반 프로토콜에

서 발견되는 잘 알려진 문제

• 두 개의 모드가 같은 수신 노드에게 정보 전송을 시도할 때 수신 노드에서

데이터 충돌이 발생한다 . 두 노드들은 서로 감추어졌다고 한다 .

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• 충돌을 피하기 위해 , 수시자의 모든 이웃 노드들에게 그 채널이 사용될 것이라

는 것이 통지되어져야 할 필요가 있다 .

• 이것은 제어 메시지를 사용하여 그 채널을 예약함으로써 성취될 수 있다 .

• 데이터 전송을 원한다는 것을 표시하기 위하여 RTS (Request To Send) 메시지

가 어떤 노드에 의해 전송될 수 있다 .

• 수신 노드는 CTS(Clear To Send) 메시지를 사용하여 승낙을 전송함으로써

이 전송을 허용할 수 있다 .

• 그러한 메시지들의 방송 성질 때문에 , 송신자와 수신자의 모든 이웃들은 그

매체가 사용 중일 것이라는 것을 알게 될 것이다 . 그러므로 전송으로부터

그것들을 보호하고 충돌을 피한다 .

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• 감추어진 노드 문제 해결을 위한 RTS-CTS 핸드쉐이크 사용

RTS

CTSCTS

Data

ACKACK

A A

A A

B B

BB

C C

C C

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4.2.2 RTS-CTS 해결책의 문제점

• RTS 와 CTS 제어 메시지가 다른 노드에 의해 보내졌을 때 충돌이 발생한다 .

• RTS-CTS 방법의 불완전성

A B C D

Tim

e RTS

CTS

RTS

충돌RTS

CTS

충돌A 에서 B로의 패킷 전송

RTS 재전송

C 에서 충돌을 알지못하므로 데이터 전송

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4.2.3 노출된 노드 문제

• 이웃 노드들로부터 데이터 전송을 도청하는 것은 하나의 노드가 다른 노드들로

의 전송을 금지시킬 수 이다 . 노출된 노드 문제

• 노출된 노드는 송신기의 범위내의 노드이나 수신자의 범위 밖에 있다 .

• 노출된 노드 문제

A B C D

- C 는 D 에게 전송 중- B 는 이것을 도청하고 , 블록 된다 .

- B 는 A 에게 전송을 원하나 C 에 의해 블록 되어 있다 .

- 대역폭이 낭비된다 .

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• 노출된 노드 문제에 대한 해결책은 분리된 제어와 채널의 사용 또는 지향성

안테나의 사용이다 .

• 노출된 노드 문제 해결을 위한 지향성 안테나 사용

A B C D

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4.3 수신자 - 주도형 MAC 프로토콜

• MAC 프로토콜은 동작으로 동기 또는 비동기로 분류할 수 있다 . 그것은

통신 요청을 누가 시작하는가에 의해 역시 분류될 수 있다 .• 수신자 ( 노드 B) 가 송신자 ( 노드 A) 를 먼저 교신하고 , 데이터 수신할 준

비가 되었다는 것을 송신자에게 알린다 .RTR

Data

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4.4 송신자 - 주도형 MAC 프로토콜

• 송신자 - 주도형 MAC 프로토콜은 송신자가 전송할 데이터를 가지고 있

다는 것을 수신자에게 알려 통신을 시작할 것을 요구한다 .

RTS

Data

RTS

CTS CTS

Data

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4.5 기존의 에드 혹 MAC 프로토콜

4.5.1 충돌 회피 다중 액세스 (MACA)

• MACA 는 아마추어 패킷 무선망을 위하여 Phil Karn 에 의해 원래 제안

• MACA 는 three-way 핸드쉐이크 , RTS-CTS-Data 를 사용한다 .

- 송신자는 채널을 예약하기 위하여 수신자에게 먼저 RTS 를 전송한다 .

- 이것은 전송으로부터 송신자의 이웃 노드들을 블록한다 .

- 수신자는 전송을 승인하기 위하여 전송자에게 CTS 를 전송한다 .

- 이것은 전송으로부터 수신자의 이웃 노드들을 블록킹 한다 .

- 송신자는 데이터 전송을 진행한다 .

• MACA 는 통합된 전력 제어 특징을 가진다 .

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- MACA 의 핵심 특성은 CTS 패킷이 도청되었을 때 MACA 는 송신기를 금지

한다 .

- 채널의 지리적 재사용을 허용

예 ) 만일 노드 A 가 노드 B 에 데이터 패킷을 전송했다면 , A 는 B 에 도달하기 위하여

얼마나 많은 전력이 필요한지 안다 . 만일 노드 A 가 다운스트림 노드 C 로부터 어떤

RTS 에 대한 노드 B 의 응답을 도청했다면 , A 는 이 시간 동안 완전히 휴지 상태로 있

을 필요가 없다 . 노드 B 에 도달하기 위하여 사용된 수준 보다 그것의 전송 전력을

낮춤으로써 노드 A 는 더 낮은 전력으로 이 시간 동안에 다른 이웃 노드들과 통신

할 수 있다 .

• 두 개 이상의 모바일들이 동시에 RTS 를 전송하면 , 충돌이 일어난다 . 그러한

모바일들은 무작위로 선택된 인터벌 동안 기다릴 것이고 , 다시 시도하고 , 매번

시도에 대해 평균 인터벌을 두 배로 한다 .

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• RTS-CTS 주기는 경쟁 주기 (contention period) 이고 , 데이터 전송은 경쟁 - 자유

(contention-free) 주기 중에 일어난다 .• MACA 에서 사용된 제어 핸드쉐이크의 예

RTS CTS Data

Blocked

from TX

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4.5.2 MACA-BI (By Invitation)

• MACA-BI 는 two-way 핸드쉐이크를 사용한다 .

• 여기서 RTS 는 없다 . 대신에 , CTS 메시지는 RTS (Ready To Receive) 로 개명

되었다 .

• MACA-BI 에서 , 노드가 수신자로부터 invitation 을 받지 않는 한 데이터를 전송

할 수 없다 . 수신 노드는 소스가 전송할 데이터를 가지고 있는지 알 필요가 없

다 . 수신자는 노드가 수신자에게 전송할 데이터를 가지고 있는지를 예측해야

한다 . Invitation 의 적절성이 통신 성능에 영향을 준다 .

• Invitation 의 전송을 조절하기 위하여 소스에서 패킷 큐와 패킷 도착율의 예측

을 제안

• CBR MACA-BI 은 효율성은 높다

Bursty traffic MACA-BI 성능은 MACA 보다 좋지 않다 .

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RTR Data

Blocked

from TX

Blocked

from TX

• MACA-BI 제어 핸드쉐이크의 예

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• MACA 와 MACA-BI 간의 차이

(1) MACA

TX

RX

TX

RX

RTR RTR RTR

Data Data Data

Data Data DataRTS RTS RTS

CTS CTS CTS

Time

Time

(2) MACA-BI

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• MACA-BI 는 하나의 제어 메시지를 사용하기 때문에 전송 /수신 반환

시간을 감소시켰다 .

4.5.3 PAMAS (Power-Aware Multi-Access Protocol with Signaling)

• 별개의 시그널링 채널을 추가로 갖는 MACA 프로토콜에 기초한 프로토콜이다 .

• PAMAS 는 패킷을 활동적으로 송신하거나 수신하지 않는 노드들을 선택적으로

전력을 끊어서 배터리 전원을 보존한다 .

• 노드 A 가 노드 B 에게 데이터 전송을 원할 때 , 그것은 RTS 메시지를 먼저 보내

고 wait-for-CTS 상태로 들어간다 . 만일 CTS 메시지가 도착하지 않으면 노드

A 는 binary exponential backoff 상태에 들어가고 , 나중에 RTS 전송을 시도한

다 .

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만일 CTS 메시지가 도착하였다면 , 노드 A 는 transmit-data 상태에 들어간다 .

CTS 메시지를 전송한 수신 노드 B 는 await-data 상태에 들어간다 . 만일 데이

터가 실제 도착하기 시작하면 , 노드 B 는 시그널링 채널을 통하여 busy tone

전송을 시작할 것이고 receive-data 상태에 들어간다 .

• 어떤 노드가 전력을 끊기는 것을 강요하는 조건

- 만일 어떤 노드가 전송할 패킷이 없다면 , 그것의 이웃 노드들 중 하나가 전송

중 이면 그것은 전원을 꺼야 한다 .

- 만일 어떤 노드가 전송할 패킷을 가지고 있으나 이웃 노드들 중 최소한 하나

가 전송 중이고 다른 하나가 수신 중이면 , 그것은 송수신기 전력을 끊어야 한

다 .

• PAMAS MAC 인터페이스와 전력 - 인식 로직 , p. 51, 그림 4.12 참조

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4.5.4 DBTMA(Dual Busy Tone Multiple Access)

• Standford 대학의 F. Tobagi 교수는 감추어진 터미널 문제를 해결하기 위하여

BTMA(Busy Tone Multiple Access) 를 제안하였다 .

• BTMA 는 어떤 집중화된 기지국이 다중 모바일 호스트들을 서비스하는 무선 랩

탑 망 구조에 의존한다 . 기지국이 특정 모바일 호스트로부터 패킷을 수신하였

을 때 , 그것은 그것의 무선 셀 내의 모든 다른 노드들에게 busy tone 신호를 보

낸다 .

• Cornell 대학의 Z. Haas 교수는 이 개념을 무선 에드 혹 망에 적합하게 하였다 .

DBTMA 에서 , 두 개의 out-of-band busy tones 가 어떤 출력 전송의 이웃 노드

들을 공지하는데 사용된다 . 덧붙여 , 하나의 공유 채널은 데이터 채널과 제어 채

널로 더 쪼개진다 .

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하나의 busy tone 은 transmit busy 를 나타내고 , 반면에 다른 하나는

receive busy 를 나타낸다 .

• DBTMA 의 작동 원리

- 전송을 원하는 에드 혹 노드는 먼저 RTS 메시지를 전송한다 . 수신 노드가 이

메시지를 받았을 때 준비 되었는지를 결정하고 데이터를 수용할 것이고 , 그

것은 CTS 메시지에 따르는 receive busy tone 메시지를 전송한다 .

- Receive busy tone 을 수신한 모든 이웃 노드들은 전송이 금지된다 .

- CTS 메시지를 수신하면 , 그 소스 노드는 데이터 전송 이전에 주변 노드들에

게 transmit busy tone 메시지를 전송한다 . Transmit busy tone 을 수신한 이

웃 노드들은 전송이 금지되고 어떤 전송이 수신되면 무시할 것이다 .

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• DBTMA 의 원리

Node A

(Source)

Node B

(Receiver)

Transmit Bust Tone

of Node A

Receiver Bust Tone

of Node B

RTS

RTS CTS

CTS Data

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4.6 MARCH (Media Access with Reduced Handshake)

• 무지향 안테나를 사용한 에드 혹 이동망과 관련된 도청 특징을 이용한

새로운 MAC 프로토콜 , MARCH 이 [21]에서 제안되었다 .

• MARCH 는 제어 오버헤드 량을 감소시킴으로써 무선 다중 홉 망에서 통

신 성능을 향상시켰다 . 다른 수신자 - 주도형 프로토콜과 달리 , MARCH

는 어떤 트래픽 예측에 의지하지 않고 동작한다 . MARCH 는 요구되는

핸드쉐이크 회수를 감소시키기 위하여 무지향 안테나의 방송 특성을

이용한다 . MARCH 에서 , 어떤 노드는 CTS 패킷 도청으로 인해 그것의

이웃 노드들에서 데이터 패킷 도착의 긍정응답을 얻는다 . 그것은 중계

되어질 데이터에 대한 invitation 을 시작할 수 있다 .

• MARCH 프로토콜에서 사용되는 핸드쉐이크 메커니즘

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RTS1

CTS1CTS1

Data

CTS2 CTS2

DataData

CTS3 CTS3

DataData

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• RTS-CTS 핸드쉐이크는 첫 번째 홉 후에 하나의 CTS 핸드쉐이크로

감소된다 .

• l 홉스의 에드 혹 라우트에 대해 , 소스에서 목적지까지 데이터 패킷을

보내는데 필요한 핸드쉐이크의 개수는 MACA 에서 2l, MACA-BI 에서

l 이나 MARCH 에서는 (l +1) 이다 .

• MARCH 내의 RTS-CTS 메시지는 다음 정보를 포함한다 .

- 송신자와 수신자의 MAC 주소

- 라우트 식별 번호 (RTID)

• MAECH 에서 , MAC 계층은 그 노드가 관여하는 라우트들 뿐만 아니라

그러한 라우트들 내의 다운스트림과 업스트림 이웃들에 대한 정보를

유지하는 테이블을 액세스해야 한다 .

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4.7 결 론

• MAC 프로토콜 논의 • MAC 프로토콜 설계에서 고려되어 할 문제 • 이동성 지원 , 높은 성능이 필요

4. 에드 혹 무선 매체 액세스 프로토콜

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