[Link Layer] MAC protocols

Media Access Control (MAC)

two types of link 

- point to point

- broad cast (shared wired or wireless link) - 대부분

 

MAC protocols

• channel partitioning : TDMA(time), FDMA(frequency)
• Random Access : Allow collisions

OFDMA (LTE/5G)

다른 시간대, 다른 주파수를 사용하기 때문에 서로 소통에 지장이 가지 않는다

 

TDMA는 시간만, FDMA는 주파수만 분할한 것이다

결국 핵심은 user들이 충돌이 되지 않도록 서로 다른 주파수 자원을 할당하는 것이다

 

OFDMA에서는 현재 분할된 곳에서 single user가 해당 부분을 사용할 수 있다.

random access는 한 명의 user가 아니라 여러 user들이 그 곳을 쓰려고 시도할 수 있다. -> 즉 충돌이 발생할 수 있다.

 

Random Access MAC protool specifies

• How to detect collisions : 충돌 감지
• How to recover collisions : 충돌 수습

-> ALOHA(pure & slotted) / CSMA

 

Slotted ALOHA

보내는 시점이 임의의 시간이 아니라, 정해진 slot 시작 부분에 맞춰서만 패킷을 전송할 수 있다.

세명이 동시에 신호를 보내서 충돌이 난 것이다

서로 간섭을 일으켜서, base station이나 wifi 입장에서는 세명이 보낸 패킷들이 전부 에러가 나서 사용할 수 없다

 

각각의 노드가 랜덤하게 일정 시간을 기다렸다가 패킷을 보낸다 

 

장점 : highly decentralized (중앙 집중 방식이 아니다) -> simple

단점 : wasting slots (낭비가 많다)

 

대부분 어떤 상황에서 사용하는가?

AP가 있을 때, 노트북이나 스마트폰이 있는지 AP는 알지 못한다.

노트북과 스마트폰이 최초의 패킷을 받기 전에는, 존재를 알지 못한다

즉, 존재를 알지 못하기 때문에 스케쥴을 짤 수 없다. 이럴 때 random access를 사용한다

 

 

p : 각각의 슬롯에서 패킷을 보낼 확률 / access를 시도할 확률

Each user will transmit with prob = p

Prob[A & B transmit] = \(p^2\)

Prob[no one transmit] = \((1-p)^2\)

Prob[A transmits]  = \(p(1-p)\)

Prob[B transmits] = \(p(1-p)\)

 

결국 성공적으로 access가 될 확률

Prob [Success] = 2p(1-p) = f(p)

우리가 성공적으로 access할 최대 확률을 얼마인가?

f'(p) = 0(미분) -> 2-4p = 0 => p = 1/2

 

for N users

Prob[success] = \(N p(1-p)^{N-1}\)

이때 최대 p=1/N이다

N->∞ 가 되면, f(p) -> 1/e이다.

따라서 efficiency = 0.37 = 37%

 

Pure (unslotted) ALOHA

synchronization 하지 않은 상태에서 보낸다 -> slot이 없는 상태

충돌 될 확률이 더 높아진다

 

당시 2 user 경우를 생각해보자 (frame길이는 같다고 가정)

충돌하는 경우는 t ∈ [\(t_0, t_0+1\)] ∪ [\(t_0-1, t_0\)]

 

Prob[Success for A] = Prob [A transmit] x Prob[no other transmission in [\(t_0, t_0+1\)] ] x Prob[no other transmission in [\(t_0-1, t_0\)]]

= \(p(1-p)^{N-1} \times (1-p)^{N-1}\)

= p(1-p)^{2(N-1)}

 

for N users

Prob[sucess] = \(N p(1-p)^{2(N-1)}\)

efficiency = 1/2e = 0.18

 

CSMA / CD

조금 더 규칙을 정해두고 하는 random access

Carrier sensing

• detect whether another node is transmitting (채널을 감지하여 idle 상태라고 감지하면 보냄)

CD

• 동시에 말하고 있는 상황이 발생을 한다면, 자신이 전송하는 것을 중단하고 쉬었다가 전송
• collision detected in short time

Ethernet => CSMA/CD

• 다른 노드가 transmit 하고 있다면, transmit 하지 않음 (carrier sensing)
• collision이 detects 되면 빠르게 transmitting을 stop 한다 (collsion Detection)
• random 한 time 동안 기다렸다가 보냄 (random access)