A Performance Comparison of Single-Radio MultiChannel Medium Access Control Protocols

Abstract

Single-radio multi-channel Medium Access Control (MAC) protocols aim to transmit in parallel on distinct channels while reducing the hardware cost. Although a variety of MAC protocols have been proposed in this context, no detailed classification and performance comparison is available. In this paper, we first classify previous efforts by their rendezvous characteristics as singleand multi-rendezvous protocols. Multirendezvous protocols have the capability of supporting simultaneous handshaking on different channels whereas with single-rendezvous protocols only asynchronous channel negotiations are allowed. Then, we further classify these protocols according to their spectrum decision mechanisms. We demonstrate the functionality of singleand multi-rendezvous protocols under different scenarios via extensive simulations. Our findings show that multi-rendezvous protocol performs better when the transmission range is low and less number of channels is available. Single-rendezvous protocols, on the other hand, are more suitable for networks with larger traffic loads due to their slot-based decision-making schemes. Keywords— medium access control (MAC), multi-channel, ad hoc network. I. G R Günümüzde kullan lan kablosuz a teknolojisinin büyük bir k sm , IEEE 802.11 standard na dayanmaktad r. IEEE 802.11'de bulunan Da t lm Koordinasyon Fonksiyonu (DCF), MAC katman nda tek bir kanal kullan r. Bundan dolay , tek bir kanaldaki a trafi i yükü, yüksek oranda paket çarp mas na ve performans n dü mesine neden olmaktad r. Çok kanall yap n n telsizlerin kanal de i tirme özelli i ile birlikte kullan lmas , farkl kanallarda e zamanl aktar m sa lamak için yayg n bir yakla md r. Bu nedenle, çok kanall yap daki ileti im, daha az kar l kl giri im, daha yüksek mekânsal yeniden kullan m ve geli mi a verimlili i ile sonuçlanmaktad r. Çok kanall ileti imde i levselli i artt rmak için birçok çal ma önerilmi tir [1]. Bu yakla mlar, al c say s na ve/veya tokala ma yöntemlerine göre kategorize edilebilirler. Çok al c vericinin etkin oldu u çok kanall MAC protokolleri daha güvenilir olsa da, her bir dü üm için birden fazla radyo sa lamak donan m maliyetini art rmaktad r. Güvenilir ileti imi minimum maliyet gözeterek ara t rmak için, bu çal mam zda yaln zca tek telsiz çok kanall MAC protokollerini incelemekteyiz. Tek telsiz çok-kanall MAC protokollerinin s n fland r lmas , Tablo I de gösterildi i gibidir. Tek telsiz çok kanall MAC protokolleri, kabul edilen el s k ma prosedürüne ba l olarak tek veya çok randevulu olarak s n fland r labilirler [12]. Tek randevulu MAC için yakla mlardan biri, veri kanal anla malar için kaynak ve var (S-D) çiftleri aras nda ortak bir kontrol kanal n n kullan lmas d r [13]. Atanm Kontrol Kanal (DCC) protokolleri, tokala ma amac yla ortak bir kontrol kanal , iletimler için ise çoklu veri kanallar n kullanmaktad rlar. Tek bir telsiz ile ortak bir kontrol kanal n n kullan lmas kanalda sadece bir S-D çiftinin tokala abilmesine sebep olmaktad r. E zamanl olmayan tokala ma nedeniyle, DCC tabanl protokoller tek telsizli a larda tek randevu i levselli i sa lar. Benzer ekilde, ortak bir kontrol kanal ve çoklu veri aktar m kanallar aras nda geçi yaparak iletimdeki de i im dönemlerini gözeten bölünmü faz protokolleri de bulunmaktad r [2], [4]. Bölünmü faz protokolleri DCC tabanl protokoller gibi, tek telsizli a larda (tokala ma için) kontrol kanal ve (iletimler için) veri kanallar aras nda geçi yapmak için tek bir al c -verici kullanmaktad rlar. 978-1-7281-7206-4/20/$31.00 ©2020 IEEE Umuralp Kaytaz Elektrik ve Elektronik Mühendisli i Koç Üniversitesi stanbul, Türkiye ukaytaz@ku.edu.tr Sinem Çöleri Elektrik ve Elektronik Mühendisli i Koç Üniversitesi stanbul, Türkiye scoleri@ku.edu.tr Seyhan Uçar InfoTech Arastirma Gelistirme Laboratuvari Toyota Motor Kuzey Amerika Kaliforniya, ABD seyhan.ucar@toyota.com