A comunicação por redes sem fio se vale usualmente de sinais de trans- missão eletromagnéticos transmitidos em difusão (broadcast). Cada nodo possui um módulo de rádio, por onde suas transmissões são efetuadas, e por onde são recebidas as transmissões de outros nodos. Neste trabalho consideram-se apenas módulos de rádio com transmissão de sinal omnidire- cional. Um nodo recebe as transmissões de outro nodo se estiver no alcance de seu sinal - quer dizer, se a intensidade do sinal na recepção for suficiente
para sensibilizar seu o receptor de seu rádio. O sinal de transmissão tem sua intensidade reduzida proporcionalmente a pelo menos o quadrado da distân- cia de sua origem. Além disso, obstáculos no meio de propagação, e ruídos eletromagnéticos, podem contribuir negativamente para seu alcance. Assim, cada nodo possui uma vizinhança composta por um conjunto de nodos que está no alcance de seu sinal de transmissão, e consequentemente onde coli- sões podem acontecer.
Numa rede sem fio, as colisões ocorrem na recepção do sinal. Se dois ou mais sinais de transmissão se interferirem ao chegarem em um determi- nado nodo, este poderá não identificar um sinal válido. Curiosamente, um sinal de transmissão pode sofrer colisão ao chegar em um nodo, porém pode ser recebido corretamente em outro nodo. Como cada sinal de transmissão tem sua intensidade reduzida à medida que se afasta de sua origem, pode ter intensidade suficiente para interferir em um nodo, porém não em outro. Como consequência, cada nodo possui um conjunto de nodos com que pode colidir, composto pelos nodos cujos sinais têm intensidade suficiente para interferir em algum nodo de sua vizinhança.
Um nodo que faz uma transmissão não tem como saber diretamente se houve ou não colisão. Usualmente não se pode comparar o sinal transmitido com o sinal presente no meio de propagação, pois o transceiver1é unidire-
cional. Mesmo que se usassem dois transceivers, o sinal transmitido teria uma intensidade significativamente maior, comparada com outros sinais, e assim a interferência poderia não ser percebida. Desta forma, a detecção de colisões precisa ser feita por meios indiretos, como mensagens de confirmação.
O conjunto de nodos com que um nodo pode colidir é formado por aqueles diretamente em seu alcance, e pelos demais que estão no alcance destes. Se o alcance em relação a um nodo for descrito como um salto, esse conjunto pode ser definido como sendo composto pelos nodos que estão a até dois saltos. Note-se que nessa definição um salto está relacionado com o alcance de sinal obtido, e não com uma distância predeterminada. Um possível problema se refere a colisões causadas por transmissões simultâneas de dois nodos que estão fora de alcance mútuo, porém com um nodo receptor a um salto de ambos - i.e. um nodo transmissor está a dois saltos do outro. Como os transmissores estão fora de alcance, não há como detectarem suas transmissões; neste caso, os transmissores estão escondidos um do outro. Na figura 1 o nodo A transmite para o nodo C, e o nodo B transmite para D. Como C está no alcance tanto de A quanto B, uma transmissão simultânea destes dois irá causar uma colisão em C.
Um outro problema relacionado acontece quando dois transmissores 1dispositivo que transforma o sinal de rádio recebido da antena em corrente elétrica no mó- dulo de rádio, e vice-versa
Figura 1 – Problema dos nodos escondidos
que estão a um salto um do outro precisam transmitir ao mesmo tempo para dois receptores distintos. Na figura 2, o nodo B quer transmitir para D, porém C está transmitindo para A. O nodo B irá esperar até que C termine sua trans- missão, para então transmitir para D. No entanto, se C e B transmitissem simultaneamente, não haveria colisão, pois tanto D está fora do alcance de C quanto A está fora do alcance de B. Este problema, chamado de nodos expos- tos, reduz a utilização do meio de transmissão por impedir que transmissões não-conflitantes sejam feitas ao mesmo tempo.
Uma rede sem-fio composta de nodos que se movimentam apresenta uma topologia dinâmica. Nodos que estão em seus alcances de transmis- são, em um determinado momento, podem não mais estar a partir de um instante futuro, e vice-versa. Isso significa também que a densidade de trans- missões pode variar no espaço ao longo do tempo. Protocolos MAC que usem reserva de recurso, consequentemente, precisam renegociar as reservas quando a topologia se alterar, o que adiciona atrasos aos tempos de transmis- são de mensagens. Para protocolos MAC baseados em contenção, a proba- bilidade de colisão pode variar à medida que a topologia se modifica, o que tem o poder de aumentar ou reduzir o atraso esperado para transmissão de mensagens. Em ambos os casos, o protocolo MAC precisa ser projetado de forma a ter um desempenho aceitável dentro de determinados limites para a mobilidade dos nodos.
Redes sem-fio em modo ad hoc carecem de controle central por definição, o que significa que em princípio não existem nodos com papéis preestabele- cidos de coordenação para as transmissões dos demais nodos. Numa rede infra-estruturada um ou mais nodos servem como referência aos demais, o
Figura 2 – Problema dos nodos expostos
que pode auxiliar na alocação de recursos e na resolução de conflitos. Na ausência de tal facilidade em modo ad hoc, o protocolo MAC deve implantar estratégias de acesso ao meio e resolução de conflitos totalmente distribuí- das. Para protocolos baseados em reserva de recursos, a negociação para a alocação de recursos entre nodos implica alguma forma de consenso, que tem um custo em número de mensagens trocadas e tempo para conclusão.
Para protocolos MAC que adotam a segmentação de tempo, i.e. trans- missões somente podem iniciar em instantes reconhecidos previamente por todos os nodos, a sincronização das transmissões se torna um problema fun- damental. Os nodos devem manter temporizadores para demarcar os instantes de transmissão, os quais devem estar sincronizados com uma precisão mí- nima. Como temporizadores dependem de relógios que podem progredir a taxas diferentes (drift rate), a sincronização dos relógios precisa ser efetu- ada a intervalos regulares, ou mesmo constantemente, usando trocas de men- sagens ou transmissões de nodos vizinhos como referência. Desta forma, o problema da sincronização implica a adoção de um protocolo para sincroniza- ção de relógios, a ser incorporado ao protocolo MAC.
As próximas subseções apresentam uma revisão de protocolos MAC para redes sem fio que contribuíram na proposta desta tese, discutindo suas capacidades de atenderem requisitos de tempo-real de transmissões, mesmo quando confrontados com a mobilidade dos nodos.
MAC
Baseado em disputa (contention-based)
Baseado em
reserva de recursos Híbrido
CSMA/CA Black Burst TDMA Z-MAC IEEE 802.15.4 (GTS)
Figura 3 – Exemplos de protocolos MAC de acordo com a classificação do mecanismo de acesso ao meio