An ad hoc network is a collection of wireless nodes forming a temporary network without the aid of an established infrastructure or a central control. In ad hoc networks, it is necessary to design an efficient medium access control (MAC) protocol through which wireless nodes can share a common broadcast channel. Currently, IEEE 802.11 MAC protocol is used as the MAC protocol for ad hoc networks. But IEEE 802.11 MAC protocol has some problems like the hidden node problem, exposed node problem, fairness problem and slow channel adaptation problem.
In this paper, we propose a new MAC protocol, termed the busy tone multiple access with adaptive backoff interval (BTMA/AB). Proposed BTMA/AB scheme uses a new busy tone multiple access method to solve hidden node problem and uses the adaptive backoff algorithm to solve fairness problem and slow channel adaptation problem. A node using the adaptive backoff algorithm determines contention window according to channel state and transmitting packet size. So the proposed adaptive backoff algorithm has fast channel adaptation property and fairness property.
We performed a simulation to study the performance of BTMA/AB and the performance was compared with IEEE 802.11 MAC protocol, distributed fair scheduling (DFS) and the dual busy tone multiple access (DBTMA). BTMA/AB performs better than IEEE 802.11 MAC protocol and DFS in terms of channel efficiency. BTMA/AB also shows better performance compared with IEEE 802.11 MAC protocol, DFS and DBTMA in terms of fairness and success rate of MAC layer transmission.
Ad Hoc 네트워크에서 무선 노드들이 통신을 하기 위해서는 한정된 무선 자원을 사용하게 된다. 무선 자원은 한정되어 있기 때문에, 노드들이 이러한 무선 자원을 어떻게 서로 공유할지에 대한 매체 접근 제어 (MAC : Medium Access Control) 방식은 Ad Hoc 네트워크의 전체적인 성능에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 현재 Ad Hoc 네트워크의 매체 접근 제어 프로토콜로 사용되고 있는 것은 IEEE 802.11 MAC 프로토콜이다. 802.11 MAC 프로토콜은 데이터 전송 요청 메시지 RTS (Request To Send)와 응답 메시지 CTS (Clear To Send), 종결 메시지 ACK (Acknowledgement)를 사용하여, 다른 무선 노드들의 간섭을 최소화시키는 방식의 매체 접근 제어 방식이다. 그러나 802.11 MAC 프로토콜은 Hidden node 문제와 Exposed node 문제를 지니고 있어서 채널 효율성이 크게 떨어지는 단점이 있다. 전송하는 프레임 (Frame) 길이에 관계없이 동등하게 무선 자원을 할당해주는 문제점과 최근에 전송된 노드에게 다음 무선 자원 활용의 우선권을 주는 특징을 가진 Backoff 알고리즘은 무선 자원을 공평하게 분배해주는 데도 문제점을 나타낸다. 또한 채널 상황에 대해서 "선 전송 후 적응"의 전략을 사용하는 Backoff 알고리즘은 채널 상황에 대해서 느리게 적응하는 단점을 보인다. 본 논문에서는 위에서 제시한 802.11 MAC 프로토콜의 문제점들을 해결하여, 효율적으로 매체 접근 제어를 할 수 있는 새로운 개념의 매체 접근 제어 프로토콜인 BTMA/AB (Busy Tone Multiple Access with Adaptive Backoff Interval)를 제안한다. 제안한 Busy Tone 방식의 매체 접근 제어 방식은 Hidden node 문제를 완전히 해결하고, 802.11 MAC 프로토콜에서 제기되는 Exposed node 문제도 부분적으로 해결한다. 또한 802.11 MAC의 Backoff 알고리짐인 BEB (Binary Exponential Backoff)를 개선시켜 적응 Backoff 알고리즘을 제안하여 제안한 BTMA/AB 프로토콜이 빠른 채널 적응과 공평한 무선 자원 할당의 특성을 가지도록 하였다. 제안된 방식의 성능은 모의실험을 통해서 기존의 802.11 MAC과 기존의 연구들인 DBTMA (Dual Busy Tone Multiple Access), DFS (Distributed Fair Scheduling) 등과 채널 효율성 (Channel Efficiency), MAC layer 데이터 전송 성공률 (Success Rate of MAC layer Transmission), 공평성 지수 (Fairness Inex) 측면에서 비교되었다. 공평성 지수와 MAC layetr 데이터 전송 성공률 측면에서 BTMA/AB가 802.11 MAC, DFS, DBTMA보다 우수한 성능을 보이며, 채널 효율성 측면에서는 BTMA/AB가 802.11 MAC, DFS보다 뛰어난 성능을 나타낸다.
