O protocolo HCT-MAC depende de um estimador de qualidade de en- lace (LQE) para a formação de clusters. Como apresentado na seção 4, as abordagens de formação de clusters usam medições de qualidade de enlace para decidir que agrupamentos de nodos devem ser formados. Assim, es- timativas mais precisas de qualidade de enlace favorecem escolhas de bons cluster-heads e nodos membros.
Um estimador de qualidade de enlace (LQE) deve atender certos re- quisitos para melhor atender as necessidades do HCT-MAC. Além das pro- priedades de estimadores de qualidade de enlace discutidas na seção 2.4, outras características são necessárias devido ao uso em MANET. Como a topologia da rede pode mudar frequentemente, devido à mobilidade dos no- dos, a medição de qualidade de enlace deve ser feita continuamente. O LQE deve assim se adaptar rapidamente às mudanças de topologia que impliquem alteração nas qualidade dos enlaces. Porém o LQE deve evitar que flutuações momentâneas nas qualidades de enlace produzam variações significativas em suas estimativas, o que poderia causar instabilidades na formação de clus- ters. Assim, optou-se pelo estimador F-LQE, apresentado na seção 2.4, com algumas modificações para uso com o HCT-MAC.
O estimador F-LQE combina quatro propriedades de enlaces, calcu- ladas a partir de medições baseadas em quadros recebidos: entrega de quadros, assimetria, estabilidade e qualidade de canal. Todas são medidas continua-
mente, e armazenadas em um histórico com os valores recentes. Elas devem ser calculadas para cada enlace, o que significa que um nodo calcula seus valores para cada um de seus nodos vizinhos. No entanto, para que o F- LQE possa ser usado com o HCT-MAC algumas adaptações precisam ser realizadas.
• Entrega de quadros: depende da métrica SPRR (Smoothed PRR), que contabiliza os quadros de fato recebidos comparados com os que foram transmitidos. Para implementá-lo no HCT-MAC, devem-se in- cluir números de sequência nos quadros transmitidos. Com isso, os nodos receptores podem comparar as quantidades de quadros de fato recebidos e os intervalos nos números de sequência desses quadros. A relação entre esses dois valores fornece o PRR, que após uma suaviza- ção com aproximação exponencial é transformado no SPRR. A com- paração entre quadros recebidos e transmitidos se faz aplicando-se aos números de sequência uma janela de tamanho configurável, de forma a considerar somente os números de sequência mais recentes.
• Assimetria: mais difícil de se obter, pois depende da medição de PRRup e PRRdown. PRRdown pode ser conseguido como subproduto do cál- culo de Packet delivery. No entanto, PRRup corresponde a PRRdown calculado pelo nodo vizinho. Como um nodo transmite tipicamente um quadro por ciclo, para se obter PRRup cada nodo deve incluir em seus quadros os valores calculados de PRRdown para cada um de seus nodos vizinhos, com respeito ao ciclo de transmissão anterior. Isso claramente não se mostra viável, pois a quantidade de nodos vizinhos pode apresentar grande variabilidade, chegando a atingir dezenas, o que demandaria muito espaço no cabeçalho do HCT-MAC. Assim, a pro- priedade Assimetria não é calculada na implementação do F-LQE no HCT-MAC.
Três problemas podem ser identificados na utilização do F-LQE pelo HCT-MAC. O primeiro diz respeito à assimetria que não pode ser calculada pois não há como se obter o valor de PRRup no HCT-MAC. Porém é essa métrica embutida no F-LQE que lhe confere a capacidade de capturar a bidi- recionalidade de um enlace, um requisito identificado para o estimador a ser usado pelo HCT-MAC. No entanto, a abordagem por votação em parte com- pensa essa deficiência, visto que um nodo deve ser votado pelos seus vizinhos para que se torne cluster-head, e apenas votos de vizinhos com boas qualida- des de enlace são aceitos. O segundo problema trata da responsividade do es- timador às variações de qualidade dos enlaces devido às variações de distância entre nodos. Dentre as métricas do F-LQE, a principal afetada pela variação
na distância é ASNR, que expressa a qualidade de canal. Porém a suaviza- ção feita no cálculo de ASNR com uma média das últimas w medições, ape- sar de estabilizarem seus valores e evitarem oscilações súbitas, reduzem sua resposta a variações na intensidade de sinal devido a variações de distâncias entre nodos. No HCT-MAC isso foi atenuado reduzindo-se o valor de w e assim aumentando-se a responsividade de ASNR. Por fim, o F-LQE efetua as atualizações em suas métricas a partir da recepção de mensagens, porém o HCT-MAC precisa que sejam feitas com base nos ciclos de transmissão transcorridos. Essa modificação foi necessária porque a auto-organização em clusters implica a avaliação contínua das qualidades de enlaces entre nodos, uma vez que esses valores são usados tanto no processo de votação quanto de auto-eleição. Assim, ausências de mensagens de um determinado nodo devem ser contabilizadas como mensagens perdidas.
4 AUTO-ORGANIZAÇÃO EM CLUSTERS
4.1 INTRODUÇÃO
No HCT-MAC a auto-organização se realiza pelo agrupamento de no- dos para fins de alocação de time-slots de superquadros, o que os habilita a acessarem o meio em modo livre de disputa. Esses agrupamentos, denomina- dos clusters, são formados quando um nodo se torna cluster-head e aloca um superquadro. Em seguida, nodos em torno desse cluster-head alocam time- slots de seu superquadro. A formação de um cluster portanto ocorre em duas etapas: i) a escolha de seu cluster-head e ii) o ingresso de nodos comuns. Como os requisitos fundamentais desse MAC são a transmissão de quadros em tempo limitado e conhecido, assim como a reconfiguração em tempo es- perado previsível, a formação de clusters precisa ser breve, uma vez que se enquadra como uma reconfiguração na rede.
Um cluster pode ser criado por eleição do cluster-head dentre um con- junto de nodos que se veem sozinhos. Uma classificação de esquemas de formação de clusters descrita em (YU, First Qtr. 2005) identifica propostas que levam em consideração posição geográfica ou conectividade, balancea- mento da quantidade de nodos por cluster, menor manutenção, eficiência no uso de energia e mobilidade dos nodos. Existe um overhead para formação e manutenção de clusters, por causa das mensagens de controle e dos diversos passos de iteração envolvidos em muitos desses esquemas. Como deseja-se aqui uma configuração rápida, o esquema de criação de cluster deve envolver uma negociação mínima entre nodos. Assim, as abordagens investigadas para o HCT-MAC prescindem de consenso entre nodos, evitando a manutenção de estados entre conjuntos de nodos.
Um elemento chave na estrutura de um cluster é o cluster-head, um nodo especial responsável por iniciar as transmissões no escopo de um clus- ter, contabilizar time-slots utilizados e ociosos, e reportar aos nodos membros que transmissões foram bem sucedidas (i.e. foram por ele detectadas). O iní- cio de um cluster ocorre quando um nodo se torna cluster-head, reservando um superquadro dentro do ciclo de transmissão e divulgando sua existência por meio de quadros beacon. O cluster completa sua formação quando no- dos avulsos no alcance do cluster-head detectam seu superquadro e passam a utilizar seus time-slots, tornando-se assim membros de cluster. Idealmente o cluster-head deve ser o nodo com melhores qualidades de enlace para seus nodos adjacentes dentro da região coberta pelo cluster. Com isso se reduz a probabilidade de erros de manutenção do cluster, que poderiam ocorrer se
transmissões do cluster-head não fossem recebidas por alguns nodos e vice- versa.