Wireless Multiple Access Protocols

Wireless Multiple Access Protocols Technological advances, coupled with the flexibility and mobility of wireless systems,are the driving force behind the anyone, anywhere, anytime features of networking. Atthe same time, we see a convergence of the telephone, cable and data networks into aunified network that supports multimedia  and real-time applications like voice andvideo   in   addition   to   data.   Medium   access   control   protocols   define   rules   for   orderlyaccess to the shared medium and play a crucial role in the efficient and fair sharing ofscarce wireless bandwidth. The nature of the wireless channel brings new issues likelocation-dependent carrier sensing, time varying channel and burst errors. Low powerrequirements and half duplex operation of the wireless systems add to the challenge.Wireless MAC protocols have been heavily researched and a plethora protocols havebeen   proposed.   Protocols   have   been   devised   for   different   types   of   architectures,different applications and different media. The challenges in the design wireless MACprotocols, classifies them based on architecture and mode of operation, and describestheir relative performance and application domains in which they are best deployed. Wireless Mac Issues The unique properties of the wireless medium make the design of MAC protocols verydifferent from, and more challenging than, wireline networks. The unique properties ofwireless systems and their medium are,  Half-Duplex Operation:  In wireless systems it is very difficult to receive data when the transmitter is sendingdata. This is because when a node is transmitting data, a large fraction of the signalenergy   leaks   into   the   receive   path.   This   is   referred   to   as   self-interference   Thetransmitted and received power levels can differ by orders of magnitude. The leakagesignal   typically   has   much   higher   power   than   the   received   signal,   which   makes   itimpossible   to   detect   a   received   signal   while   transmitting   data.   Hence,   collisiondetection is not possible while sending data and so Ethernet-like protocols cannot beused. Due to the half-duplex mode of operation, the uplink and downlink need to bemultiplexed in time (TDD) or frequency (FDD). As collisions cannot be detected by thesender, all proposed protocols attempt to decrease the probability of a collision usingcollision avoidance principles. Time Varying Channel:  Radio   signals  propagate  according   to   three   mechanisms:   reflection,   diffraction,   andscattering.   The   signal   received   by   a   node   is   a   superposition   of   time-shifted   andattenuated versions of the transmitted signal. As a result, the received signal powervaries as a function of time. This phenomenon is called multipath propagation. Therate of variation of the channel is determined by the coherence time of the channel.Coherence time is defined as time within which the received signal strength changesby 3 dB. When the received signal strength drops below a certain threshold, the nodeis said to be in fade. Handshaking is a widely used strategy to mitigate time-varyinglink quality. When two nodes want to communicate with each other, they exchange

small messages that test the wireless channel between them. A successful handshakeindicates a good communication link between the two nodes. Burst Channel Errors: As a consequence of the time-varying channel and varying signal strength, errors aremore   likely   in   wireless   transmissions.   In   wireline   networks,   the   bit   error   rates   aretypically less than 10-6 and as a result the probability of a packet error is small. Incontrast,   wireless   channels   may   have   bit-error   rates   as   high   as   10-3   or   higher,resulting in  a much  higher  probability of packet  errors.  In  wireline networks theseerrors are usually due to random noise. In contrast, the errors on a wireless link occurin   long   bursts   when   the   node   is   in   fade.   Packet   loss   due   to   burst   errors   can   beminimized by using one or more of the following three techniques  Smaller packets.  Forward error correcting codes.  Retransmission methods. A widely used strategy is to use link-layer retransmissions. Therefore, most protocolshave   immediate   acknowledgments   (ACK)   to   detect   packet   errors.   If   an   ACK   is   notreceived at the end of a transmission, the packet is retransmitted. Location-Dependent Carrier Sensing: It is well known that in free space, signal strength decays with the square of the pathlength. As a result, carrier sensing is a function of the position of the receiver relativeto the transmitter. In the wireless medium, because of multipath propagation, signalstrength decays according to a power law with distance. Only nodes within a specificradius   of   the   transmitter   can   detect   the   carrier   on   the   channel.   This   location-dependent carrier sensing results in three types of nodes in protocols that use carriersensing. Hidden Nodes:  A hidden node is one that is within the range of the intended destination but out ofrange of the sender. Consider the case shown in Figure. 

Figure: Location-dependent sensing, hidden nodes, exposed nodes and capture. Node A is transmitting to node B. Node C cannot hear the transmission from A. Duringthis transmission when C senses the channel, it falsely thinks that the channel is idle.If node C starts a transmission, it interferes with the data reception at B. In this casenode C is a hidden node to node A. Hence, hidden nodes can cause collisions on datatransmission. Exposed Nodes: Exposed nodes are complementary to hidden nodes. An exposed node is one that iswithin the range of the sender but out of range of the destination. Consider the casethat node B is attempting to transmit to A. Node C can hear the transmission from B.When   it   senses   the   channel,   it   thinks   that   the   charnel   is   busy.   However,   anytransmission by node C does not reach node A, and hence does not interfere with datareception   at   node   A.   In   theory,   C   can   therefore   have   a   parallel   conversation   withanother   terminal   out   of   range   of   B   and   in   range   of   C.   In   this   case,   node   C   is   anexposed node to node B. If the exposed nodes are not minimized, the bandwidth isunderutilized. Capture: Capture is said to occur when a receiver can cleanly receive a transmission from oneof two simultaneous transmissions, both within its range. In Figure when nodes A andD transmit simultaneously to B, the signal strength received from D is much higherthan that from A, and D's transmission can be decoded without errors in the presenceof transmission from A. Capture can improve protocol performance, but it results inunfair sharing of bandwidth with preference given to nodes closer to the BS. WirelessMAC protocols need to ensure fairness under such conditions.