Performance analysis of the carrier-sense multiple access protocol for future generation wireless networks

Abstract

Taşıyıcı dinleyen çoklu erişim (CSMA) protokolünün farklı biçimleri IEEE 802.11 ve Ethernet standardı gibi pek çok haberleşme protokolünde kullanılmıştır. Bunlara ek olarak, son zamanlarda, CSMA tabanlı çoklu erişim kontrolü mekanizmalarının algılama ağları ve akustik su altı ağları gibi farklı haberleşme senaryolarında kullanılması önerilmiştir. Günümüze kadar olan yaygın kullanımına rağmen, CSMA protokolünün performansı bu yeni karşılaşılan ağ senaryoları açısından derinlemesine incelenmemiştir. Biz bu tezde CSMA protokolünün performansını üç farklı açıdan inceliyoruz: yüksek yayılım gecikmeli ağlarda veri iletim performansı, büyük ağlarda gecikmelere hassas uygulamalar açısından kısa dönemli denkserlik ve pil ile çalışan cihazlar açısından veri iletim hızı ile enerji verimliliği arasındaki ödünleşim. İlk olarak, CSMA protokolünün performansı yüksek yayılım gecikmeli ağlar açısından incelenmiştir. Son zamanlarda bu tip kanallarla su altı akustik ağlarda ve geniş alanları kapsayan yer üstü kablosuz ağlarda karşılaşılmaktadır. Fakat, bu tip kanallarda CSMA performansının matematiksel modeli bilinmemektedir. Biz önce iki birimli bir CSMA kanalı için bir yarı-Markov modeli önerip daha sonra bu modeli her hangi sayıda birim için genişlettik. Bu modeli kullanarak, maksimum ağ veri iletim hızını ortalama yayılım gecikmesinin, d, ve ağdaki birim sayısının, N, bir fonksiyonu olarak elde ettik. Önerdiğimiz model N sonsuza giderken toplam ağ kapasitesinin ile azaldığını göstermektedir. Her birim için optimum yoklama kanal sıklığı 1/N ile azalmakta ve N sonsuza giderken toplam optimum yoklama hızı 1/d den hızlı azalmaktadır.İkinci olarak, büyük bir CSMA ağının kısa dönemli denkserliğinin ağ büyüklüğü ve yoğunluğuyla azalıp azalmadığını inceliyoruz. Elde ettiğimiz sonuçlar şöyle sıralanabilir: (a) kısa dönemli denkserliğin kabul edilebilir sınırları içerisinde kalarak elde edilebilen maksimum veri hızı (kısa dönemli denkser kapasite) bir birimin komşularının sayısının artmasıyla azalmaktadır. (b) kısa dönemli denkser kapasite rastgele bir ağ grafiği için ağ büyüklüğüne zayıf bir şekilde bağlıyken ızgara grafiğinde daha kuvvetli bir bağlılık gözlenmektedir. Bunlara ek olarak istatistiksel fizik literatüründen büyük sistemlerde uzun mesafeli ilintiler üzerine olan ilgili sonuçları sunduk ve bu sonuçlarla CSMA sistemlerinin kısa dönemli denkserliği arasındaki ilişkiye işaret ettik. Üçüncü olarak, bir CSMA ağının enerji verimliliğini bir birimin enerji harcamasını veri hızının bir fonksiyonu olarak modelleyerek inceledik. CSMA ağını çok yüksek ya da çok düşük veri hızlarında işletmenin artan kanal dinleme veya uyku maliyetleri yüzünden enerji açısından verimsiz olduğunu gösterdik. Bu iki zıt durum arasında dengeyi bularak sınırlı bir enerji bütçesi için gönderilen bit sayısını en büyük yapan enerji-optimum kanal dinleme hızını ve enerji-optimum veri hızını türettik. Tek atlamalı durum için, enerji-optimum toplam veri hızının kanalı paylaşan birim sayısıyla beraber arttığını gösterdik. Çok atlamalı durum için, enerji-optimum veri hızının ağın çakışma grafiğinin derecesiyle azaldığını gösterdik. Her iki durumda da enerji-optimum kanal dinleme için gereken güç miktarı arttıkça azalmaktadır. Ayrıca, enerji-optimum veri hızının maksimum veri hızına kıyasla oldukça küçük olduğu ve çok atlamalı durumda bu farkın çakışma grafiğinin derecesi arttıkça arttığı gösterilmiştir.Anahtar sozcukler: Kablosuz aglar, kablosuz coklu erisim, tasyc dinleyen coklu erisim, enerji verimliligi, su alt aglar, ksa donemli denkserlik, yaylm gecikmesi

Variants of the carrier-sense multiple access (CSMA) protocol has been employed in many communications protocols such as the IEEE 802.11 and Ethernet standards. CSMA based medium access control (MAC) mechanisms have been recently proposed for other communications scenarios such as sensor networks and acoustical underwater networks. Despite its widespread use, the performance of the CSMA protocol is not well-studied from the perspective of these newly encountered networking scenarios. We here investigate the performance of the CSMA protocol from the point of three different aspects: throughput in networks with large propagation delay, short-term fairness for delay sensitive applications in large networks and energy efficiency-throughput trade-off in networks with battery operated devices. Firstly, we investigate the performance of the CSMA protocol for channels with large propagation delay. Such channels are recently encountered in underwater acoustic networks and in terrestrial wireless networks covering larger areas. However, a mathematical model of CSMA performance in such networks is not known. We propose a semi-Markov model for a 2-node CSMA channel and then extend this model for arbitrary number of users. Using this model, we obtain the optimum symmetric probing rate that achieves the maximum network throughput as a function of the average propagation delay, d, and the number of nodes sharing the channel, N. The proposed model predicts that the total capacity decreases with 1/d as N goes to infinity when all nodes probe the channel at the optimum rate. The optimum probing rate for each node decreases with 1/N and the total optimum probing rate decreases faster than 1/d as N goes to infinity.Secondly, we investigate whether the short-term fairness of a large CSMA network degrades with the network size and density. Our results suggest that (a) the throughput region that can be achieved within the acceptable limits of short-term fairness reduces as the number of contending neighboring nodes increases for random regular conflict graphs, (b) short-term fair capacity weakly depends on the network size for a random regular conflict graph but a stronger dependence is observed for a grid topology. We also present related results from the statistical physics literature on long-range correlations in large systems and point out the relation between these results and short-term fairness of CSMA systems. Thirdly, we investigate the energy efficiency of a CSMA network proposing a model for the energy consumption of a node as a function of its throughput. We show that operating the CSMA network at a very high or at a very low throughput is energy inefficient because of increasing carrier-sensing and sleeping costs, respectively. Achieving a balance between these two opposite operating regimes, we derive the energy-optimum carrier-sensing rate and the energy-optimum throughput which maximize the number of transmitted bits for a given energy budget. For the single-hop case, we show that the energy-optimum total throughput increases as the number of nodes sharing the channel increases. For the multi-hop case, we show that the energy-optimum throughput decreases as the degree of the conflict graph of the network increases. For both cases, the energy-optimum throughput reduces as the power required for carrier-sensing increases. The energy-optimum throughput is also shown to be substantially lower than the maximum throughput and the gap increases as the degree of the conflict graph increases for multi-hop networks.Key words: Wireless Networking, Wireless Multiple Access, Carrier-sense Multiple Access, Energy Eciency, Underwater Networks, Short-term Fairness, Propagation Delay.