A qualidade de enlaces entre nodos em uma rede sem-fio pode ser caracterizada pela probabilidade de que mensagens sejam transmitidas com sucesso. Em um enlace perfeito, todas as mensagens transmitidas são en- tregues sem erros, porém em enlaces de qualidade intermediária parte dessas mensagens são perdidas. Perdas de mensagens reduzem o desempenho de protocolos de comunicação, que devem assim poder avaliar as qualidades dos enlaces para possivelmente evitar aqueles cujas taxas de erros sejam superi- ores ao tolerado. Isso é ainda mais premente em protocolos que usam men- sagens de controle usadas em funções de manutenção, tais como roteamento, sincronização de operações nos nodos ou sua auto-organização em estruturas para fins de reserva de recursos.
Usualmente assume-se que a cobertura do sinal transmitido por um nodo seja circular, de forma que dentro de uma distância limite do transmis- sor suas mensagens são garantidamente recebidas. Como apontado em (LU; WU, 2009), existem protocolos propostos para redes sem-fio que adotam esse modelo em seus projetos, como protocolos baseados em posicionamento ge- ográfico. Esse modelo de sinal parte do princípio de que a qualidade do canal de comunicação é perfeita até uma certa distância do transmissor, a partir da qual essa qualidade decai e assim não se garante a entrega de mensagens. O problema com essa abordagem reside no fato de que o sinal não se propaga de forma homogênea em torno do transmissor, como discutido em (ZHAO; GOVINDAN, 2003), acarretando taxas distintas de perdas de mensagens em diferentes direções. Além disso, a qualidade de sinal pode variar no tempo, dependendo de condições do ambiente onde reside a rede e das próprias carac- terísticas da rede, tais como mobilidade. Assim, ao invés de se basear em um alcance de sinal equidistante em torno de um transmissor, protocolos pode- riam tomar melhores decisões se avaliassem continuamente a qualidade do enlace com cada um de seus nodos adjacentes.
O protocolo MAC proposto nesta tese depende de um estimador de qualidade de enlace para sua abordagem de auto-organização da rede. Se- gundo essa abordagem, grupos de nodos são formados para efetuar reserva de recursos, sendo um nodo coordenador responsável por comandar tanto o início do agrupamento (i.e. a formação do grupo ocorre em torno desse nodo) quanto sincronizar as transmissões dos nodos do grupo. Para que essa estru- tura seja estável, grupos devem ser formado por nodos com boa qualidade de enlace em relação a seus nodos coordenadores. Além disso, grupos devem se adaptar adequadamente a mudanças de topologia em consequência da mobi- lidade dos nodos. O estimador de qualidade de enlace deve ser assim capaz de oferecer estimativas acuradas e estáveis, mesmo devido a oscilações de
qualidade fortuitas causadas por interferências momentâneas entre nodos que se movimentam, e se adaptar em prazo condizente à taxa com que a topologia da rede se modifica.
Em uma rede sem-fio, a qualidade de um enlace pode ser estimada com base em uma ou mais propriedades mensuráveis. Um estimador de qua- lidade de enlace, genericamente denominado LQE (Link Quality Estimator), combina medições de propriedades selecionadas de forma a expressar a qua- lidade de um enlace por um número tipicamente no intervalo [qmin,qmax]. Se
dois enlaces Li e Lj forem caracterizados respectivamente por valores qi e
qj, o enlace Litem qualidade maior que Ljse qi>qj. Valores próximos ou
iguais a qminrevelam um enlace com baixíssima qualidade, e valores iguais a
qmaxcorrespondem a qualidade alta.
Diversos estimadores de qualidade de enlace foram propostos na li- teratura. Segundo um estudo comparativo no escopo de roteamento em re- des de sensores sem-fio (BACCOUR et al., 2009), estimadores baseados em hardware, como LQI (Link Quality Indicator) , RSSI (Received Signal Strength Indicator) e SNR (Signal to Noise Ratio), não são considerados acurados visto que não levam em conta todo o conteúdo de uma mensagem recebida, além de avaliarem somente mensagens recebidas com sucesso (i.e. não consideram erros de recepção, que são importantes para avaliar a qualidade de enlace). Já estimadores baseados em software baseiam-se na relação entre mensagens recebidas e/ou enviadas, buscando contar ou aproximar a taxa de mensagens recebidas ou a quantidade de retransmissões necessárias até uma recepção com sucesso. Como exemplos, os estimadores PRR (Packet Reception Ratio) e ARR (Acquitted Reception Rate) contabilizam a taxa de recepção, sendo o primeiro no receptor e o segundo no transmissor. Já o estimador RNP (Re- quired Number of Packets) (CERPA et al., 2005) conta o número médio de transmissões de mensagens necessárias até que ocorra uma recepção com su- cesso. O estimador WMEWMA (WOO; CULLER, 2003) aproxima o PRR usando uma aproximação exponencial entre o valor de PRR anterior e o PRR atual, calculado sobre um número predefinido de mensagens recebidas. Ou- tros estimadores buscam aproximar a taxa de recepção de mensagens fim-a- fim (i.e. considerando caminhos em uma rede multi-hop), como o estimador ETX (Expected Transmission Count) (COUTO et al., 2005) ou a quantidade de retransmissões necessárias, como o estimador four-bit (FONSECA et al., 2007). Para um protocolo MAC, o estimador de qualidade de enlace deve se concentrar nos enlaces entre nodos adjacentes, o que torna estimadores de qualidade fim-a-fim fora de escopo.
O protocolo MAC proposto nesta tese requer um estimador que pos- sibilite um nodo manter atualizadas as estimativas de qualidade de enlace em relação a todos seus nodos adjacentes. Além disso, essas estimativas devem
corresponder à qualidade bidirecional dos enlaces. Esses requisitos surgem da abordagem de auto-organização proposta, em que nodos se agrupam em torno de um nodo coordenador, sendo que os enlaces entre coordenador e no- dos membros devem ser de boa qualidade em ambas direções. Como discu- tido em (BACCOUR et al., 2009), estimadores baseados em hardware, além de não serem acurados, fornecem estimativas unidirecionais. Dentre os esti- madores de software considerados, PRR e WMEWMA são unidirecionais e assim fornecem estimativas incompletas. Esses estimadores implicitamente assumem que enlaces sejam simétricos, pois avaliam suas qualidades a partir de taxas de mensagens recebidas. O mesmo se pode concluir em relação aos estimadores RNP e ARR, apesar de usarem reconhecimentos para calcular taxas de mensagens entregues. Nesse caso, deve-se notar que mensagens de reconhecimento são usualmente menores que mensagens de dados, e assim têm probabilidades menores de sofrerem erros de transmissão. Os demais es- timadores citados (ETX e four-bit) fazem estimativas fim-a-fim, sendo mais adequados a protocolos de roteamento e não a protocolos MAC. Assim, ne- nhum dos estimadores considerados atende plenamente os requisitos identifi- cados para o protocolo MAC.
Como apontado em (BACCOUR et al., 2009), os estimadores investi- gados se baseiam em um única métrica de qualidade de enlace para aproximar a taxa de recepção ou número médio de mensagens transmitidas ou recebidas. Por se ampararem somente em uma métrica, são capazes de capturarem ape- nas um propriedade particular de um enlace e portanto o caracterizam parcial- mente. Segundo (BACCOUR et al., 2010), uma melhor caracterização pode- ria ser obtida se mais de uma propriedade de um enlace fosse medida para o cálculo de estimativa de qualidade, e com base nisso se propôs um novo estimador chamado F-LQE (Fuzzy Link Quality Estimador). Essa hipótese condiz com os requisitos identificados para um estimador para o protocolo MAC proposto nesta tese.
F-LQE
F-LQE é um estimador de qualidade de enlace proposto em (BACCOUR et al., 2010) como um "bloco de construção fundamental para redes de sen- sores sem-fio, de forma a possibilitar a implantação, gerenciamento de re- cursos e roteamento confiáveis". Ao invés de se basear em uma única pro- priedade de um enlace, que resulta em estimativas possivelmente não acu- radas, F-LQE usa quatro propriedades mensuráveis: i) entrega de pacotes, ii) assimetria, iii) estabilidade e iv) qualidade de canal. Ao combinar es- sas quatro propriedades, pretende-se obter uma estimativa de qualidade de enlace mais acurada. A qualidade total de um enlace é expressada por um valor de pertinência de um enlace no conjunto difuso dos enlaces de boa
qualidade, considerando as quatro propriedades citadas como variáveis lin- guísticas. Esse valor de pertinência, que se situa no intervalo [0,1], é ao final suavizado usando um filtro EWMA2para melhorar sua estabilidade (i.e. evi-
tar oscilações abruptas de valor).
Cada uma das quatro seguintes propriedades consideradas por F-LQE se relaciona com uma métrica de qualidade de enlace:
i) Entrega de pacotes: relacionada à capacidade de um enlace en- tregar corretamente pacotes. Essa propriedade é capturada por alguns estimadores existentes, como PRR, WMEWMA e ETX, mas não por outros como RNP. F-LQE obtém a entrega de pa- cotes de um enlace a partir de medições de SPRR (Smoothed Packet Reception Ratio) , uma métrica derivada de WMEWMA. ii) Assimetria: informa a diferença de conectividade entre as di- reções comunicação de um enlace. Comunicação entre nodos em uma rede sem-fio é usualmente bidirecional, porém assime- trias se manifestam devido a diferença entre potências de trans- missão dos nodos, sensitividade de recepção e ruído de fundo. Alguns LQEs levam em consideração a assimetria, como ETX, mas outros como PRR, WMEWMA e RNP não. F-LQE calcula a assimetria medindo a diferença entre os valores de PRR de am- bos os sentidos de comunicação de um enlace, denominando-a ASL (ASymmetry Level).
iii) Estabilidade: essa propriedade indica a variabilidade da quali- dade do enlace, não sendo considerada por outros estimadores conhecidos. A estabilidade de um enlace, denominada SF (Sta- bility Factor), foi definida como o coeficiente de variação de PRR. O cálculo do valor de SF para um determinado enlace se faz dividindo o desvio padrão dos 30 últimos valores de PRR medi- dos por sua média, sendo que valores próximos de zero indicam um enlace estável.
iv) Qualidade de canal: denominada ASNR(Average Signal to Noise Ratio)e obtida por meio da média das medições da relação sinal- ruído SNR. Apesar do valor de ASNR não poder sozinho carac- terizar a qualidade de um enlace, ele pode aumentar a acurácia de uma estimativa de qualidade. Isso se deve a maior tolerância que um enlace com valor elevado de ASNR possui em relação a variações no ruído de fundo.
Figura 13 – Funções de pertinência para as variáveis linguísticas das pro- priedades de enlace no F-LQE. Fonte: (BACCOUR et al., 2010)
No F-LQE, cada uma das propriedades de enlaces é tratada como uma variável difusa. As variáveis linguísticas alta entrega de pacotes, baixa as- simetria, alta estabilidade e alta qualidade de canal dizem respeito respec- tivamente às variáveis difusas entrega de pacotes (SPRR), assimetria (ASL), estabilidade (SF) e qualidade de canal (SNR). A obtenção da estimativa de qualidade de enlace se faz pela combinação dessas quatro variáveis linguís- ticas com a seguinte regra de lógica difusa, traduzida em seguida para a equação 2.1 usando operadores fuzzy AND-LIKE (YAGER, 1988):
SE o enlace possui alta entrega de pacotes E baixa assimetria E alta estabilidadeE alta qualidade de canal ENTÃO possui alta qualidade
µ(i) = β ·min(µSPRR(i),µASL(i),µSF(i),µASNR(i))+
(1 − β) · mean(µSPRR(i),µASL(i),µSF(i),µASNR(i)) (2.1)
Na equação 2.1,µ(i) é a pertinência do enlace i ao conjunto dos en- laces de boa qualidade, e o parâmetroβ é uma constante no intervalo [0,1]. As funçõesµSPRR(i),µASL(i),µSF(i) eµASNR(i) representam a pertinência do
enlace i respectivamente aos conjuntos difusos de alta entrega de pacotes, baixa assimetria, alta estabilidade e alta qualidade de canal. Essas funções de pertinência são definidas por dois parâmetros que podem ser ajustados depen- dendo da aplicação, de forma que sejam representadas por funções lineares por partes, como mostrado na figura 13. A estimativa de qualidade de enlace finalmente é definida de acordo com a equação 2.2, resultando em valores no intervalo [0,1]. Esses são obtidos com a aplicação de um filtro EWMA, considerando um parâmetroα e uma janela de tamanho configurável.
LQ(i) = 100 · µ(i)
O estimador F-LQE apresenta características importantes para aten- der os requisitos identificados para o protocolo MAC proposto nesta tese. A combinação das propriedades de enlace selecionadas resulta em um esti- mador bidirecional potencialmente estável. Porém seu desempenho depende de ajustes de seus parâmetros, de forma que possa se adaptar adequadamente às mudanças de topologia características de uma rede com nodos móveis.