UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ

MESTRADO EM TELECOMUNICAÇÕES

Avanços da Qualidade de Serviço (QoS)

em Redes Local Wireless – IEEE 802.11

Curitiba

2003

Avanços da Qualidade de Serviço (QoS)

em redes local wireless – IEEE 802.11

ernandes aparecio saraiva

Trabalho da disciplina Comunicação de Dados do Curso de Pós-Graduação em Telecomunicações, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná.

Prof.º Eduardo Parente Ribeiro

CURITIBA

2003

1. Introdução

A comunicação conhecida como wireless (sem fio), é hoje um meio bastante difundido e amplamente utilizado em redes locais e metropolitanas de comunicações de dados. IEEE 802.11 padroniza as redes locais de comunicação sem fio, denominadas WLAN (Wireless Local Área Network) como redes compartilhadas que transmitem informações através de ligações de RF (Rádio Freqüência). A principal característica da WLAN é sua simplicidade, escalabilidade e robustes às falhas. Podendo ser configurada no modo ad hoc (anúncio) onde todas as estações wireless dentro da escala de comunicação comunicam-se diretamente entre si, ou no modo infra-estrutura, tendo todas as estações conectadas a um sistema de distribuição DS (Distribution System) através de um ponto de acesso AP (Access Point), que por sua vez interconecta e possibilita a comunicação entre as estações. O padrão IEEE 802.11 original provê velocidade de até 2Mb/s na freqüência de 2.4 GHz e banda ISM (industrial, scientific and medical). Posteriormente avanços levaram a publicar o padrão IEEE 802.11b que extendia à velocidades de até 11Mb/s na mesma banda, bem como o padrão IEEE802.11a que utilizando-se do OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) na camada física pode conseguir taxas de até 54Mb/s na faixa de freqüência de 5GHz.

As WLANs tem como importante característica suportar aplicações com qualidade de serviço (QoS), trafegando sinais de vídeo, áudio, voz sobre IP (Internet Protocol) em tempo real, entre outras aplicações de multimídia. Muitos pesquisadores tem mostrado interesse em desenvolverem novos esquemas de meios de acesso suportando QoS. Atualmente grupos trabalham no novo padrão 802.11e, um avanço da subcamada MAC (Medium Access Control) original para suportar QoS. A subcamada original 802.11 WLAN MAC emprega a função distribuída da coordenação DCF (Distributed Coordination Function) baseado no sentido de acesso múltiplo evitando colisão CSMA/CA (carrier sense multiple Access / Collision Avoidance) de acesso ao meio.

Para suportar QoS no 802.11 WLAN, o padrão IEEE 802.11e adiciona nova função denominada função de coordenação híbrida HFC (Hybrid Coordenation Function) que inclue a livre disputa controlada e a disputa baseada no método de controle de acesso ao canal com o simples protocolo de acesso de canal. O HFC usa a disputa baseada no método de acesso ao canal chamado de avanço DCF ou EDCF (Enhanced Distributed Coordination Function) que opera simultaneamente com o mecanismo de acesso ao canal controlado que por sua vez é baseado no mecanismo central de inserção.

2. Mecanismos de Acesso ao Meio

A arquitetura do padrão IEEE802.11 inclue a definição da subcamada MAC e da camada física PHY (PHyfical Layer). A subcamada original MAC 802.11 tem dois mecanismos de acesso: o DCF e o PCF (Point Coordenation Function). DCF usa CSMA/CA, o melhor maneira conhecida para transmissão de dados assíncrono. O PCF usa o método de inserção controlada central para suportar transmissões assíncronas. A DCF é o mecanismo básico de acesso ao meio para os dois modos de configuração da WLAN. Na modalidade da função distribuída da coordenação (DCF) cada estação verifica se o meio está desocupado antes de tentar transmitir. Se o meio estiver desocupado por um período de espaço de distribuição entre quadros DIFS (Distributed InterFrame Space), que para o 802.11b é de 50us, a transmissão inicia-se imediatamente. Se o meio é determinado como ocupado, a estação aguarda até o fim da corrente transmissão. Na seqüência seleciona um número aleatório chamado ‘backoff timer’ com intervalo de 0 até o tamanho da janela de disputa CW (contention Window) e o decrementa cada vez que observa o meio desocupado para um intervalo de tempo denominado ‘slot time’. Assim que o ‘backoff timer’ zerar, a estação inicia a transmissão. Se não obter sucesso, considera-se como tendo ocorrido colisão.

Neste caso a janela de disputa CW é dobrada e novo procedimento de backoff é iniciado. O processo continuará até se obter sucesso na transmissão ou descartá-la.

O backoff time que é usado para determinar o intervalo de tempo que a estação espera antes de transmitir após ser indeferida sua tentativa de transmissão, é um número aleatório que está entre 0 e o tamanho de CW. O tempo de backoff é determinado da seguinte forma:

Backoff Time = Random() * Slot Time

Onde:

Random() é o inteiro pseudo aleatório extraído da distribuição uniforme sobre o intervalo [0,CW],

CW é o inteiro dentro da escala de valores das características CWmin e CWmax da camada física (PHY),

Slot Time é igual ao valor correspondente às características da camada físca (PHY).

Para o 802.11b o CWmin = 31 e Cwmax = 1203 e o Slot Time = 20 us

O valor inicial do CW deve ser igual ao valor de CWmin e adquire um próximo valor após cada tentativa de transmissão sem sucesso até CW atingir o valor de CWmax. Uma vez que CW atinja o valor de CWmax , deverá permanecer com este valor até ser inicializado. Isto fornece a estabilidade do protocolo de acesso sob condições de carga elevada. O CW deve ser reiniciado para o valor de Cwmin após cada tentativa de transmissão de pacote com sucesso. O procedimento de backoff é usado para reduzir a possibilidade de colisão quando selecionado um valor de backoff time aleatório diferente para diferentes estações.

O efeito deste procedimento de backoff é que múltiplas estações adiam e entram no backoff aleatório e a estação com o backoff time menor vencerá a disputa.

Assim, a função distribuída da coordenação (DCF) não diferencia o tráfego de dado e estação. Todas as estações e classes de tráfego tem a mesma prioridade de acesso ao meio WM (wireless medium).

Desta forma, diferentes atrasos e exigências de largura de banda não são suportados pelo uso da função distribuída da coordenação (DCF).

A função de coordenação de ponto (PCF) fornece um método de acesso ao meio livre da disputa. É um método de acesso ao meio de inserção com coordenador de ponto PC (Point Coordenator) que executa o papel de mestre da inserção. O coordenador de ponto (PC) reside no ponto de acesso (AP). Assim, a função de coordenação de ponto (PCF) é somente disponível e utilizada na configuração de rede no modo infra-estrutura. A função coordenadora de ponto (PCF) tem prioridade mais elevada que a função distribuída da coordenação (DCF), desde que comece sua transmissão após um tempo de espera mais curto que o espaço de tempo de distribuição entre os frames (DFIS). O intervalo de tempo de espera usado na função de coordenação de ponto (PCF) é chamado de PIFS (Pcf Inter-Frame Space), o qual é de 30us para o padrão 802.11b.

Uma vez que o ponto de acesso (AP) ganha o controle do meio WM (Wireless Medium), consulta uma lista de estações associadas. A lista de consulta é a lista das estações privilegiadas solicitada para frames dos dados durante o período de disputa livre.

Durante este período livre, uma estação pode transmitir somente se for consultada. Com a função de coordenadora de ponto (PCF), o período de disputa livre (CFP) e o período de disputa CP (Contention Period), são alternados no tempo. Durante o período de disputa livre (CPF) a função coordenadora de ponto (PCF) é usada para acesso ao meio, enquanto a função distribuída da coordenação (DCF) é usada durante o período de disputa (CP).

3. Função híbrida da Coordenação (HCF) e

Função Distribuída da Coordenação Avançada (EDCF)

Algumas aplicações de camada mais elevadas como dados, vídeo e áudio tem diferentes necessidades de largura de banda, atraso, variação e perda de pacotes. Entretanto no mecanismo de a função distribuída da coordenação (DCF) do 802.11, todas as estações a dados tem o mesmo fluxo de prioridade para acessar o meio. Não há nenhum mecanismo de diferenciação para suportar a transmissão de canal de dados com exigências de qualidade de serviço (QoS) diferentes. Para suportar aplicações com qualidade de serviço sobre o padrão 802.11 WLANs, o grupo de trabalho IEEE802.11 está atualmente desenvolvendo um padrão chamado IEEE802.11e, o qual avança o padrão original 802.11 MAC para suportar aplicações com exigências de qualidade de serviço (QoS). O padrão ascendente adiciona novo mecanismo de acesso meio, a função híbrida da coordenação (HCF), a qual existe simultaneamente com a DCF/PCF para compatibilidade inversa. A função híbrida da coordenação (HCF) baseou a disputa em métodos de acesso de disputa livre, controlando o acesso ao meio por um protocolo de acesso único.

A função híbrida da coordenação (HCF) combina funções do DCF e PCF com alguns mecanismos de avanços específicos do frame, para permitir uma configuração uniforme na troca de frame a usadas na transferência de qualidade de serviço (QoS) durante o período de disputa (CP) e o período de disputa livre (CFP). A função híbrida da coordenação (HCF) usa o método de disputa ao canal de acesso chamado de EDFC que opera simultaneamente com o mecanismo controlador de canal de acesso em um mecanismo de consulta.

A qualidade de serviço (QoS) é realizada com a introdução de categorias de tráfego TCs (Traffic Categories). A função distribuída da coordenação avançada (EDCF) fornece acesso distribuído diferenciado ao meio wireless para oito prioridades de estações. O acesso ao canal pela função distribuída da coordenação avançada (EDCF) define mecanismos da categoria de acesso AC (Access Category) que fornece sustentação para as prioridades das estações. Cada estação pode ter até quatro (4) categorias de acesso (AC) para suportar oito prioridades do usuário UP (User Priorities). Uma ou mais prioridades de usuário são asseguradas para uma categoria de acesso (AC). Uma estação alcança o meio baseado na categoria de acesso (AC) do frame a ser transmitido. O mapa das prioridades das categorias de acesso é definido na tabela 1.

Cada categoria de acesso (AC) é uma variação avançada da função distribuída da coordenação. TXOP é o intervalo de tempo quando determinada estação tem o direito imediato de transmitir no meio (WM). Para garantir uma categoria de acesso (AC) com prioridade mais elevada lhe é atribuída uma curta janela de disputa, e na maioria dos casos, a prioridade elevada poderá transmitir antes da AC de baixa prioridade. Isto é feito ajustando os limites mínimo e máximo da janela de disputa (CW), da categoria de acesso (AC), das quais são computados diferentes valores para diferentes AC’s.

Diferentes espaços entre frames IFS (InterFrame space) são introduzido de acordo com a categoria de acesso (AC). Similar ao DCF se o meio for detectado para estar no mecanismo EDCF, a transmissão pode iniciar imediatamente. Se não a estação aguarda até o final da corrente transmissão no meio WM. Após indeferida a estação espera por períodos de AIFS da categoria de acesso (AC) para partir os procedimentos de backoff. O intervalo de backoff é agora um número aleatório extraído do intervalo [1, CW(AC)+1]. Cada categoria de acesso (AC) dentro de uma única estação comporta-se como uma estação virtual. Resolve o acesso ao meio (WM) e independentemente de partir seu tempo de backoff , após ter detectado o meio desocupado para ao menos AIFS. Colisão entre categoria de acesso (AC) dentro de uma única estação é resolvida dentro da própria estação, tais que os frames dos dados da categoria de acesso elevado e avaliado receba o TXOP, e os frames de dados das categorias de acesso de baixa prioridade, comportam-se como se houvesse uma colisão externa ao meio (WM). O relacionamento de tempo para a Função Distribuída da Coordenação Avançada (EDCF) é mostrada na figura 2.

A prioridade de acesso ao meio do EDCF no 802.11e é realizado atribuindo diferentes CWs e diferentes AIFS para diferentes ACs. Unidades de dados são agora entregues com os exemplos múltiplos de backoff dentro da estação. Cada exemplo de backoff é parametrizado com parâmetro específico TC. O valor típico de limite da janela de disputa (CW) e AIFS para diferentes categorias de acesso (AC) em parâmetros de qualidade de serviço (QoS) configurados, são amostrados na tabela 2. O gerenciamento do mecanismo de acesso controlado HCF do canal, controla o acesso ao WM usando um HC que tem uma prioridade média mais elevada de acesso do que o EDFC. Isto permite que transfira seus dados e aloque TXOPs às estações.

O protocolo de transferência de HCF é baseado em um esquema de solicitação controlado por um HC que opera no AP. O HC ganha o controle do WM enquanto necessitar emitir o tráfego de QoS às estações e à edição QoS (+) CF-solicita às estações, esperando um tempo mais curto entre transmissões do que as estações usando um EDCF ou um DCF. Os valores da duração usados na troca do frame de qualidade de serviço (QoS) arranjam-se em seqüência à reserva do meio por um período de tempo maior que o tempo do fim da seqüência, para permitir a continuação de um vetor de alocação da rede (transferência NAV) protegida dos CF pela concatenação de estouros de disputa livres.

Esta reserva extra de WM permite que o HC inicie um TXOP subseqüente com risco reduzido da colisão porque todas as estações à exceção do suporte de TXOP e do HC não poderão começar a superá-los até um intervalo de DIFS mais atrasado do que o fim da última transferência dentro do TXOP.

4. Simulação de avaliação

A simulação para avaliação dos resultados utilizou um módulo padrão de OPNET 802.11b PHY com taxa de dados máxima até 11 Mb/s simular o meio wireless. Quando o MAC 802.11 original foi modificado para suportar o mecanismo de EDCF, para simplificar foi simulado a função do acesso de EDCF e não considerou outros parâmetros do tráfego tais como TXOPs. Toda categoria de acesso que começa o acesso ao meio transmite um pacote e libera então o canal para a categoria de acesso seguinte. Todas as características de PHY foram de acordo com os parâmetros diretos do spectrum de propagação da seqüência 802.11b (DSSS) PHY, em que CWmin = 31, CWmax = 1023, e Slot Time = 20 µs. Todas as quatro classes do tráfego foram alimentadas na camada MAC mais elevada; estas corresponderam a AC(0), a AC(1), a AC(2) e a AC(3), respectivamente.

Na simulação supôs que cada classe de tráfego tem uma parcela igual do tráfego total dos dados nos termos dos pacotes médios do número gerados pelo tempo da unidade. Os pacotes tiveram o mesmo tamanho de 1024 bytes e permanecido constante durante a simulação. Os pacotes de AC(0), AC(1), e AC(2) foram gerados de acordo com o processo de Poisson com uma estadia média igual a 0,0001 s, em AC(3) os pacotes foram gerados em uma taxa constante para simular uma fonte da voz.

A figura 5 mostra que o acesso ao meio médio atrasa para categorias de acesso (AC) diferente no mecanismo da EDCF. Como mostrado, a categoria de acesso (AC-3) que têm o acesso ao meio médio menor atrasa em relação à AC(0) que é maior.

Na Fig. 6 podemos ver que AC(3) têm o valor mais elevado, quando o AC(0) for o mais baixo. Estes resultados são como esperados desde que o EDCF diferencia as classes do tráfego e suporta o acesso da prioridade. Assim, as categorias do tráfego de elevada prioridade têm um acesso ao meio menor atraso e mais largura de faixa.

5. Conclusão

O mecanismo de acesso ao meio detalhado como EDCF e HCF do padrão avançado do IEEE802.11e apresentado, avalia que a função distribuída da coordenação avançada (EDCF), sustenta a qualidade de serviço (QoS), conforme resultados da simulação apresentados nas figuras 5 e 6, mostrando que a EDCF apresenta bons resultados diferenciando a prioridade de acesso ao meio.

6. Referências

QoS Enhancement in IEEE802.11 Wireless Local Area – IEEE Comm. Magazine Jun/03