chapter  4
MAC Protocols for Millimeter-Wave Wireless LAN and PAN
ByT. Chen, H. Woesner, I. Chlamtac
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Contents 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.2 Classification of Wireless MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3 State of the Art in Millimeter-Wave Based

MultiAccess Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 4.4 Challenges of Millimeter-Wave Based MAC Design . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.4.1 Physical Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.4.1.1 Carrier Sensing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.1.2 Hidden Terminals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4.1.3 Spatial Reuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.4.2 Resource Allocation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.4.2.1 Bandwidth Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4.2.2 Power Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 4.4.2.3 Rate Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.4.3 QoS Provisioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.4.4 Handover. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.5 Candidate Millimeter-Wave MAC Protocols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.5.1 802.11n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.5.1.1 Channel Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4.5.1.2 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.5.1.3 Bandwidth Allocation and QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.5.1.4 Error Control Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.5.2 HiperLAN/2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 4.5.2.1 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 4.5.2.2 Channel Access, Bandwidth Allocation,

and QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.5.2.3 Error Control Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.5.3 802.15.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.5.3.1 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.5.3.2 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 4.5.3.3 Channel Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.5.3.4 Bandwidth Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 4.5.3.5 QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.3.6 Error Control Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

4.5.4 IEEE 802.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.5.4.1 Frame Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 4.5.4.2 Channel Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 4.5.4.3 Bandwidth Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.5.4.4 QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 4.5.4.5 Error Control Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.5.5 MPCP MAC Protocol for 60 GHz System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 4.5.5.1 WiGEE Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4.5.5.2 Medium Access Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 4.5.5.3 Channel Access, Bandwidth Allocation,

and QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.5.5.4 Error Control Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.5.6 Comparison of Candidate MAC Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.6 Directions of Millimeter-Wave WLAN and WPAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 4.7 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.1 Introduction Intensive efforts in research, development, regulation, and standardization have paved the way for a massive usage of millimeter-wave bands in shortrange communications. In 2001, the U.S. Federal Communications Commission (FCC) set aside a continuous block of 7 GHz spectra between 57 and 64 GHz for license-free wireless communications. Japan has released the 59-66 GHz band for unlicensed usage. In Europe, there is a consideration by the European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT) to allocate 54-66 GHz for the same purpose. Research activities in signal processing, system packaging, and front-end design make low-cost SiGe-based millimeter-wave front ends feasible. The standard activities in

IEEE 802.15.3c working group and the recent announcement of 60-GHz single-chip radio front ends show the age of millimeter-wave wireless local area networks (WLANs) and wireless personal area networks (WPANs) is coming.