방향성 안테나를 사용하는 애드혹 네트워크를 위한 견고한 MAC 프로토콜

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카티와다 비풀라
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모바일 애드혹 네트워크는 통신 인프라를 갖추지 않은 분산 네트워크로서, 각 노드는 상황에 따라 라우터나 호스트 역할을 수행한다. MAC 계층은 공유 무선 매체에 대한 접근을 제어함으로써 인접 노드 상호간 통신을 관리하는 기능을 수행한다. 최근 애드혹 네트워크에서의 방향성 안테나의 채용이 크게 증가하고 있다. 방향성 안테나를 사용하는 애드혹 네트워크에서의 MAC 프로토콜은 공간 재사용, 전송 범위, 네트워크 용량을 증대시키는 잠재력을 지니고 있으며, 무방향성 안테나 시스템에서의 부정적 현상들을 크게 경감시켜 준다. 그러나 은폐 터미널 문제, 수신 불가(deafness), 이웃 노드 발견, 방향성 전파 감지의 취약점 등과 같은 제반 문제들을 안고 있다.
본 논문에서는 일차적으로 방향성 안테나를 사용하는 애드혹 네트워크를 위한 기존의 MAC 프로토콜들을 폭 넓게 조사 분석한다. 방향성 안테나를 사용하는 애드혹 네트워크를 위한 다양한 MAC 프로토콜들을 조사하고, 주요 특성과 네트워크 성능 측면에서 비교 분석한다. 그리고 다중 방향성 안테나를 사용하는 다중 채널 MAC (MCMDA) 프로토콜을 새롭게 제안한다. 제안한 MCMDA는 은폐 터미널 문제와 수신 불가 현상을 감소시킴으로써 방향성 전송의 이용률 및 네트워크 용량을 크게 증대시켜 준다. 각 노드는 다중 채널과 다중 안테나의 결합에 의해, 하나의 노드에서 송신과 수신이 동시에 일어날 수 있도록 다중 인터페이스를 장착하고 있다. 다중 인터페이스, 다중 채널, 다중 안테나의 상호 결합은 네트워크 용량을 더욱 증대시키고 방향성 안테나 사용에 따른 부담을 경감시켜 준다. 제안한 MCMDA는 무방향성 전송과 방향성 전송 모두를 사용하며 채널을 예약하기 위해서 뿐만 아니라 은폐 터미널 및 수신 불가 문제를 감소시키기 위하여 제어 패킷인 DRTS, DCTS, VCTS를 사용한다.
제안 프로토콜은 NS-2.33 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 그 성능이 광범위하게 평가되었다. 제안 프로토콜은 네트워크 전송률 및 종단간 지연 시간의 측면에서 일반적인 IEEE 802.11 DCF 뿐만 아니라 방향성 안테나를 사용하는 DMAC과 비교해서도 대폭적인 성능 향상을 나타내었다.|A mobile wireless ad hoc network is an infrastructureless distributed network, where each node can be a router or a host depending upon the situation. The Medium Access Control (MAC) layer is responsible for managing the communication between adjacent nodes by controlling access to the shared wireless medium. In recent years, the employment of directional antennas in ad hoc networks has increased significantly. MAC protocols in ad hoc networks with directional antennas have the potentiality of higher spatial reuse, larger coverage range and larger network capacity, which mitigates the negative effects associated with omni-directional antenna systems. However, they also suffer from some issues like hidden terminal problems, deafness, neighbor discovery, flaws with directional carrier sensing, etc.
In this thesis, an extensive study of MAC protocols for ad hoc networks using directional antennas is presented first. Various existing MAC protocols for ad hoc networks with directional antennas are investigated and compared in terms of major characteristics and network performance. Then, we propose a robust MAC protocol, multi-channel MAC using multiple directional antennas (MCMDA), which makes the better utilization of directional transmission and aims in increasing the network capacity, reducing the negative effects of hidden terminal problems and deafness. In the proposed protocol, each node is equipped with multiple interfaces such that concurrent transmissions and receptions take place in a node at the same time. The combination of multiple channels with directional antennas is also used at each node. The combined use of multiple interfaces with multiple channels and directional antennas can further improve the network capacity and, to a larger extent, mitigate the burdens related with the use of directional antennas. The proposed MCMDA uses both omni-directional and directional modes of communication and uses DRTS, DCTS and VCTS control packets not only to reserve a channel but also to reduce the hidden terminal and deafness issues.
The proposed protocol is evaluated through computer simulation using NS-2.33. It achieves significant performance improvement in comparison to the popular Directional MAC (DMAC) as well as IEEE 802.11 DCF in terms of network throughput and end-to-end delay.
Alternative Title
A Robust MAC Protocol for Ad Hoc Networks using Directional Antennas
Alternative Author(s)
Bipula Khatiwada
Chosun University, College of Electronics and Information Engineering
일반대학원 컴퓨터공학
Moh, Sangman
Awarded Date
Table Of Contents
List of Figures iv
List of Tables v
Abbreviations and Notations vi
초록 (Abstract in Korean) ix

I. Introduction 1

II. Background Concepts 5
A. Ad Hoc Networks 5
1. Mobile Ad Hoc Networks (MANETs) 6
2. Wireless Mesh Networks (WMNs) 6
3. Wireless Sensor Networks (WSNs) 7
B. MAC Protocols in Wireless Ad Hoc Networks 8
C. Antennas 10
1. Omni-directional Antennas 10
2. Directional Antennas 11
a. Sectorized Systems 11
b. Diversity Systems 12
c. Smart Antenna Systems 12
D. MAC Issues with Directional Antennas 14
1. Hidden Terminal Problem 14
a. Hidden Terminal due to Asymmetry in Gain 14
b. Hidden Terminal due to Unheard RTS/CTS 15
2. Deafness 16
3. HoL Blocking Problem 18
4. Neighbor Location and Neighbor Discovery 19

III. Related Works 20
A. Conventional Protocols 20
B. Comparison 32

IV. System Model 37
A. Network Model 37
B. Antenna Model 39

V. The Proposed Protocol 42
A. Overall Operation 42
1. RTS-CTS Handshaking 44
2. Use of Vertically opposite CTS (VCTS) 45
3. The Working Scheme 45
B. State Transition 47
C. Channel Allocation 49

VI. Performance Evaluation 51
A. Simulation Environment 51
B. Simulation Results and Discussion 54

VII. Conclusion and Future Works 63

References 65

Acknowledgements 69
Chosun University, College of Electronics and Information Engineering
카티와다 비풀라. (2010). 방향성 안테나를 사용하는 애드혹 네트워크를 위한 견고한 MAC 프로토콜.
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General Graduate School > 3. Theses(Master)
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  • Embargo2010-08-25
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