A wireless ad hoc network consists of mobiles that self-configure to set up the network without the aid of any pre-deployed infrastructure. In this dissertation, we have studied medium access control (MAC) protocol for wireless ad hoc networks and proposed two MAC protocol, considering energy efficiency and variable bit rate (VBR) traffic.
One is the energy-efficient MAC, which is based on scheduling and reservation for power saving. Energy efficiency is an important issue in wireless ad hoc networks because the battery power of a mobile is limited. When the offered data traffic is heavy, the proposed MAC protocol protects mobiles from collisions and subsequent retransmissions that cause the additive energy consumption of battery. We assign priority to low power (LP) mobiles to reduce the possibility that LP mobiles terminate their communications. We evaluate the performance of our proposed MAC with respect to the number of delayed slots, the channel utilization, and the energy efficiency. We derived the fair threshold energy level for the pseudo base station (PBS) reselection, which can increase communication time among mobiles. We showed that there is a need to set the smaller value of $E_{th}$ for the energy efficiency as the number of mobiles increases.
The other is the Multi-Code (MC) MAC considering VBR traffic with delay bound. MC MAC is a sort of multiple channel MAC. The MC MAC which simultaneously allocates multiple data codes to the sender after the exchange of RTS/CTS/ACK messages through common code, enhances the previous multi-channel MACs. We develop the queueing model of MC MAC in single hop and multi-hop environments and analyze the effects of the number of data codes and the coverage area of radio signal in terms of throughput, access delay, and the dropping probability of VBR traffic. The performance of MC MAC is improved as the total bandwidth is divided into more data codes and the wider radio coverage makes the performance of MC MAC degrade. We perform the computer simulations to evaluate the behavior of our MC MAC in real environment. From simulation results, we verify that MC MAC outperforms single data channel (SDC) MAC in case of supporting VBR packets. The better performance of MC MAC can be acquired if we set the proper value of backoff rate, D, adaptively according to system load.
무선 ad hoc 네트워크에서는 이미 설치된 인프라가 없이도 단말간에 망을 구성하여 통신할 수 있다. 본 논문에서는 무선 ad hoc 네트워크에서 매체접근제어 (MAC) 프로토콜에 관한 연구를 수행하여 에지지 효율과 VBR 트래픽을 고려하여 2개의 MAC 프로토콜을 제안하였다. 먼저 energy-efficient MAC을 제안하였다. 단말의 배터리 에너지는 유한하기 때문에 무선 ad hoc 망에서 에너지 효율은 중요한 이슈중의 하나이다. 제안된 MAC에서 단말간의 통신은 스케줄링과 예약방식으로 이뤄지며, 시스템에 부과된 부하가 클 경우에도 충돌과 이에 따른 재전송으로 인해 발생하는 에너지 소모를 줄인다. 지연된 슬롯의 수, 채널 이용율, 에너지 효율의 척도를 가지고 제안된 MAC의 성능을 평가하였다. PBS는 일반 단말을 관장하는데 PBS의 선정 및 재선정은 임계치 에너지 레벨(threshold energy level)을 기준으로 행해진다. 단말이 동일한 배터리 에너지양을 가지고 통신을 시작한 경우에, 통신가능 시간을 향상시키기 위한 단말의 `공평한 임계치 에너지 레벨`을 유도하였다. 유도 결과의 정확성을 컴퓨터 시뮬레이션 결과와 비교하여 확인하였다. 단말의 수가 증가하는 경우 임계치 에너지 레벨의 값을 작게 설정하면 배터리 에저지 효율을 높일 수 있다. 두번째로 다코드(Multi-Code: MC) MAC을 제안하였다. MC MAC은 제한된 지연 요구 사항을 가진 VBR 트래픽을 효과적으로 수용한다. MC MAC은 패킷의 데이터 전송 요청에 따라 동시에 여러개의 데이터 코드를 할당한다. MC MAC의 동작은 데이터 코드를 획득하기 위해 RTS/CTS/ACK 메시지를 교환하는 시그널링(signalling) 과정과 할당된 데이터 코드를 통해 충돌없이 데이터를 전송하는 데이터전송 (data transmission) 과정으로 구성된다. MC MAC의 성능을 분석하기 위해 단일 홉 환경과 멀티홉 환경에서 큐잉 모델을 개발하였다. 이를 토대로 데이터 코드의 개수와 라디오 신호의 전송 영역 크기에 따른 MC MAC의 성능을 분석하였다. 동일한 대역을 다수의 데이터 코드로 나눌수록 MC MAC의 성능이 향상되었지만 시스템의 복잡도는 증가하였다. 라디오 전송 영역이 줄어들면 무선 자원의 재활용 효과가 발생하여 throughput이 증가하지만, 송수신 단말간의 홉수를 증가시켜 전송 지연이 증가한다. 단말의 이동성, 트레픽의 라우팅 등을 고려한 실제 환경과 유사한 환경에서, 제안한 MC MAC의 성능과 과거 연구된 다채널 MAC의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비교하였다. 제안된 MC MAC은 throughput, 평균 접근 지연, VBR 패킷 폐기율 측면에서 기존의 다채널 MAC에 비해 개선된 성능을 보여주었다.
