衝突回避機能を備えたキャリア検知多重アクセス

コンピュータネットワークにおける衝突回避機能付きキャリア検知多重アクセス（CSMA/CA）は、キャリア検知を使用するネットワーク多重アクセス方式ですが、ノードはチャネルが「アイドル」であると検知された後にのみ送信を開始することで衝突を回避しようとします。^[1]^[2]送信する場合、ノードはパケットデータ全体を送信します。

これは、パケット送信中に無線送信機が受信機の感知を低下させる（オフにする）ため、衝突検出CSMA/CDによる代替手段が不可能な無線ネットワークにとって特に重要です。

CSMA/CAは隠れノード問題のため信頼性が低い。^[3]^[4]

CSMA/CA は、データリンク層で動作するプロトコルです。

詳細

衝突回避は、衝突ドメイン内のすべての送信ノード間でチャネルをある程度均等に分割することで、 CSMA方式のパフォーマンスを向上させるために使用されます。

キャリアセンス: 送信する前に、ノードはまず共有メディアをリッスンして (ワイヤレスネットワークでワイヤレス信号をリッスンするなど)、別のノードが送信しているかどうかを判断します。隠れノード問題とは、この段階では検出されない別のノードが送信している可能性があることを意味します。
衝突回避: 別のノードが受信された場合、そのノードが送信を停止するまで一定時間 (通常はランダム) 待機してから、空いている通信チャネルを再度リッスンします。

この時点で、共有メディアへのアクセスを仲介するために、送信要求/送信可(RTS/CTS) をオプションで使用できます。これにより、隠れたノードの問題がいくらか軽減されます。たとえば、ワイヤレスネットワークでは、アクセスポイントは一度に 1 つのノードにのみ送信可を発行します。ただし、ワイヤレス802.11実装では、通常、すべての送信に RTS/CTS を実装するわけではありません。完全にオフにするか、少なくとも小さなパケットには使用しません (RTS、CTS、および送信のオーバーヘッドは、小さなデータ転送には大きすぎます)。
送信: メディアがクリアであると識別された場合、またはノードが送信可能であることを明示的に示す CTS を受信した場合、フレーム全体を送信します。CSMA/CDとは異なり、ワイヤレスノードが送信と同時にリッスンするのは非常に困難です (送信によりリッスンしようとする試みが無視されます)。ワイヤレスの例を続けると、ノードはアクセスポイントからパケットが受信され、正しくチェックサムされたことを示す確認パケットの受信を待機します。このような確認がタイムリーに到着しない場合は、パケットが他の送信と衝突したと想定され、ノードは再送信を試みる前にバイナリ指数バックオフの期間に入ります。

CSMA/CA はさまざまな有線通信システムで使用されていますが、複数のステーションがアクセスポイントを認識できるが、お互いを認識できないという共通の問題を解決するため、無線 LANでは特に有効です。これは、送信電力、受信感度、および AP に対する距離と場所の違いによるものです。^[5]これにより、ステーションは別のステーションのブロードキャストを「聞く」ことができなくなります。これは、いわゆる「隠れノード」または「隠れステーション」問題です。^[6]802.11ベースの標準を使用するデバイスは、衝突回避 (RTS/CTS ハンドシェイク、ポイント調整機能とも呼ばれます) の利点を享受できますが、デフォルトではそうではありません。デフォルトでは、指数バックオフ(または分散調整機能) と呼ばれるキャリアセンシングメカニズムを使用します。これは、ステーションが送信前に別のステーションのブロードキャストを「聞く」ことを試行することに依存しています。 CAまたはPCFは、AP（またはアドホックネットワークの「受信機」）がステーションに要求（送信要求/送信許可）後に一定期間の送信の排他的権利を付与することに依存しています。^[7]

CSMA-CA では、互換性のない規格や重複する送信周波数が使用されている場合でも、チャネルが「アイドル」であるかどうかを判断する必要があります。規格によると、同じチャネル上の 802.11/Wi-Fi 送信機の場合、送信機はノイズフロアより 3 dB 上でも互いを検出できる場合は、交代で送信する必要があります(20 MHz チャネルの熱ノイズフロアは約 -101 dBm です)。^[8]一方、送信機は、受信信号強度がしきい値 P _thを下回る場合、互換性のない規格の送信機や重複するチャネルの送信機を無視します。非Wi-Fi 6システムの場合、しきい値 P th は -76 ～ -80 dBm です。^[9]

IEEE 802.11 RTS/CTS 交換

CSMA/CA は、送信者 S が送信する送信要求(RTS) パケットと、意図された受信者 R が送信する送信可(CTS) パケットの交換によってオプションで補完することができます。これにより、送信者、受信者、またはその両方の範囲内にあるすべてのノードに、メインの送信中は送信しないように警告します。これは、IEEE 802.11 RTS/CTS交換として知られています。RTS/CTS の実装は、ワイヤレスネットワークでよく見られる隠れノード問題を部分的に解決するのに役立ちます。 ^[10]^[11]

パフォーマンス

CSMA/CA のパフォーマンスは、ノード間でデータを送信するために使用する変調技術に大きく依存します。研究によると、理想的な伝播条件 (シミュレーション) では、ネットワーク負荷が軽い状況で CSMA/CA および IEEE 802.11 RTS/CTS 交換と組み合わせて使用すると、直接拡散スペクトル(DSSS) がネットワーク上のすべてのノードに対して最高のスループットを提供します。周波数ホッピング拡散スペクトル(FHSS) は、スループットに関しては DSSS に大きく遅れをとりますが、ネットワーク負荷がかなり重くなるとスループットは高くなります。ただし、無線伝播要因により、実際の状況ではスループットは一般的に同じです。^[4]

使用法

GNET – 初期の独自LANプロトコル
Apple の LocalTalk は、 3 バイトの妨害信号を使用して電気バス上にCSMA/CA を実装しました。
802.11 RTS/CTS は、WLANの短い送信要求と送信許可メッセージを使用して仮想キャリアセンシングを実装します(ただし、 802.11 は主に物理的なキャリアセンシングに依存します)。
IEEE 802.15.4（ワイヤレスPAN）はCSMA/CAを使用する
NCR WaveLAN – 初期の独自無線ネットワークプロトコル
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ITU -T G.hn標準は、既存の家庭内配線 (電力線、電話線、同軸ケーブル) を使用して高速 (最大 1 ギガビット/秒) のローカルエリアネットワークを作成する方法を提供し、保証されたサービス品質を必要としないフローのチャネルアクセス方法として CSMA/CA (具体的にはCSMA/CARPバリアント) を使用します。

参照

参考文献

^ 「連邦規格 1037C」。Its.bldrdoc.gov 。 2012年9月9日閲覧。
^ 「American National Standard T1.523-2001、Telecom Glossary 2000」。Atis.org。2008年3月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月9日閲覧。
^ 「カタルーニャ工科大学によるさまざまな CSMA/CA IEEE 802.11 ベースの実装の研究」(PDF)。2012 年 3 月 6 日のオリジナル(PDF)からアーカイブされました。2012 年 9 月 9 日に取得。
^ ab Viral V. Kapadia; Sudarshan N. Patel; Rutvij H. Jhaveri (2010). 「異なる手法とプロトコルを使用した隠しノード問題と解決策の比較研究、Journal of Computing」。arXiv : 1003.4070 [ cs.NI]。
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^ 「WiFi と無線周波数物理学におけるチャネル結合 | ネットワークコンピューティング」。
^ IEEE 802.11 WLAN における隣接チャネル干渉の影響 - Eduard Garcia Villegas;エレナ・ロペス＝アギレラ。ラファエル・ビダル;ジョセップ・パラデルス (2007)
^ Comer, Douglas. (2009). コンピュータネットワークとインターネット。アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: Pearson Education Inc. ISBN 0-13-504583-5。
^ 「MIT 講義 - 通信システム工学。Eytan Modiano 博士」(PDF)。2010 年 6 月 13 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2012 年 9 月 9 日に取得。

コンピュータネットワーク：システムアプローチ。ピーターソン＆デイビー。モーガン・カウフマン、バーリントン、マサチューセッツ州、米国。ISBN 978-0-12-385138-3。pp128–139

外部リンク

[federalstandard-1] 「連邦規格 1037C」。Its.bldrdoc.gov 。 2012年9月9日閲覧。

[atis-2] 「American National Standard T1.523-2001、Telecom Glossary 2000」。Atis.org。2008年3月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月9日閲覧。

[3] 「カタルーニャ工科大学によるさまざまな CSMA/CA IEEE 802.11 ベースの実装の研究」(PDF)。2012 年 3 月 6 日のオリジナル(PDF)からアーカイブされました。2012 年 9 月 9 日に取得。

[eunice-4] Viral V. Kapadia; Sudarshan N. Patel; Rutvij H. Jhaveri (2010). 「異なる手法とプロトコルを使用した隠しノード問題と解決策の比較研究、Journal of Computing」。arXiv : 1003.4070 [ cs.NI]。

[5] Kaixin Xu、Mario Gerla、Sang Bae。「アドホックネットワークにおける IEEE 802.11 RTS/CTS ハンドシェイクはどの程度効果的か?」(PDF)。UCLA。2012年9 月 28 日閲覧。

[6] 「キャリアセンシングと干渉はWi-Fiのパフォーマンスにどのような影響を与えるのか？」(PDF) 。 2023年3月15日閲覧。

[7] Park, Kihong. 「ワイヤレス講義ノート」(PDF) . Purdue . 2012 年9 月 28 日閲覧。

[8] 「WiFi と無線周波数物理学におけるチャネル結合 | ネットワークコンピューティング」。

[vilegas-9] IEEE 802.11 WLAN における隣接チャネル干渉の影響 - Eduard Garcia Villegas;エレナ・ロペス＝アギレラ。ラファエル・ビダル;ジョセップ・パラデルス (2007)

[rtscts-10] Comer, Douglas. (2009). コンピュータネットワークとインターネット。アッパーサドルリバー、ニュージャージー州: Pearson Education Inc. ISBN 0-13-504583-5。

[MIT-11] 「MIT 講義 - 通信システム工学。Eytan Modiano 博士」(PDF)。2010 年 6 月 13 日のオリジナルからアーカイブ(PDF) 。2012 年 9 月 9 日に取得。