Uma arquitetura para otimização do acesso em redes em malha sem fio

UMA ARQUITETURA PARA OTIMIZAÇO DO ACESSO À

INTERNET EM REDES EM MALHA SEM FIO

Instituto de Ciênias Exatas

Programa de Pós-Graduação em Ciênia da Computação

UMA ARQUITETURA PARA OTIMIZAÇO DO ACESSO À

INTERNET EM REDES EM MALHA SEM FIO

Dissertação apresentada ao Curso de

Pós-GraduaçãoemCiêniadaComputaçãoda

Uni-versidadeFederalde MinasGeraisomo

requi-sitoparialparaaobtençãodograu deMestre

emCiênia da Computação.

GLEICYAPARECIDA CABRAL

FOLHA DE APROVAÇO

Uma Arquitetura para Otimização do Aesso à Internet em Redes em

Malha Sem Fio

GLEICYAPARECIDA CABRAL

Dissertação defendidae aprovadapelabana examinadora onstituída por:

Dr. Geraldo Robson Mateus Orientador

Departamento deCiênia da Computação

UniversidadeFederal de MinasGerais

Dr. Célio ViniiusNeves de Albuquerque

Departamento deCiênia da Computação

UniversidadeFederal Fluminense

Dr. Rodney Rezende Saldanha

Departamento de Engenharia Elétria

UniversidadeFederal de MinasGerais

Dr. Antnio Alfredo Ferreira Loureiro

Departamento deCiênia da Computação

Redesemmalha semo(wireless meshnetworks) sãoredesdinamiamenteauto-organizadas

e auto-onguráveis ujosnósautomatiamente estabeleememantêm aonetividade entre

eles. Asredesemmalhasemopossuemtrêstiposdenós: lientes, roteadoresegateways. Os

roteadoreseosgateways têmpouaounenhumamobilidade. Osroteadoresformamaespinha

dorsal (bakbone) das redes em malha sem o. A omuniação emuma rede em malha sem

o é multi-salto (multi-hop), e as funionalidades de gateway/bridge dos nós possibilitam a

integração dediferentes redes,tais omo, Internet, Wi-Fi,elular et.

Oplanejamento de redes emmalha semo envolve muitas variáveisomo topologia,

mo-bilidade, tráfego,ustoeapaidade. Neste trabalhoépropostoummodelomatemátiopara

o problema de planejamento de redes em malha sem o. A solução do modelo onsiste em

determinar osaminhosde roteamento entrelientese gateways queminimizam osustosde

instalação dos roteadores utilizados e os ustos dos enlaes que fazem parte das rotas. São

realizadosexperimentosparavalidaçãodomodeloutilizandoopaotedeotimizaçãoomerial

CPLEX. Os experimentos mostram queoproblemade planejamento de redes emmalhasem

o é um problema omputaionalmente difíil. Neste trabalho também é desenvolvido um

simulador pararedes emmalha sem osobre osarabouçosde simulaçãoJiST eSWANS. O

algoritmode roteamento propostoenontrarotasquetambémminimizam osustosde

insta-laçãodosroteadoresutilizadoseosustosdosenlaesquefazempartedasrotas. Assoluções

apresentadas pelo simulador são omparadas om as soluções enontradas pelo CPLEX. O

simulador é robusto e eiente. Ele enontra boas soluções para os enários de simulação,

além de onseguir simularredes detamanho razoável.

Palavras-have:

Redes emmalha semo

Otimização

Modelomatemátio

Solução ótima

Simulação

Wireless meshnetworksaredynamiallyself-organizedand self-ongured,withthenodesin

thenetworkautomatiallyestablishingandmaintainingmeshonnetivityamongthemselves.

Wirelessmeshnetworksonsistofthreetypesofnodes: lients,routersandgateways. Routers

have minimal or no mobility. Routers form the bakbone of mesh networks. Multi-hop

ommuniation is used in wireless mesh network and the gateway/bridge funtionalities in

nodesenabletheintegrationofwirelessmeshnetworkswithvariousexistingwirelessnetworks

suhasInternet,Wi-Fi, ellular,et.

Wirelessmeshnetworksplanninginvolvesseveral variables asnetwork topology,mobility,

tra, ost and apability. This paper presents a mathematial model for the planning of

wireless mesh networks. Themodel solutiondeterminestheroutes between lientsand

gate-ways thatminimize theinstallation osts of the routers and the ostsof links that are part

of theroutes. Experiments are onduted for model evaluation using optimization software

CPLEX. Experimentsshowthattheplanningofwirelessmeshnetworksisaomputationally

diult problem. Inthis work is also developed a simulator for wireless meshnetworksover

the simulation frameworks JiST and SWANS. The proposed routing algorithm nds routes

that also minimize the installation osts of the routers and the osts of links that are part

of the routes. The simulation solutions are ompared with the solutions found by CPLEX.

The simulator isrobust and eient. It nds goodsolutions and itis able to simulate large

networks.

Keywords:

Wireless mesh networks

Optimization

Mathematial model

Optimal solution

Simulation

Agradeço aos meus pais pela dediação e apoio em todos os momentos. Agradeço ao prof.

GeraldoRobsonMateuspelospreiososdireionamentos aolongodaexeuçãodestetrabalho

e pelaoportunidadededesenvolverumtrabalho de pesquisa emonjunto. Agradeçoa todos

os professores e funionários do departamento de Ciênia da Computação da Universidade

Federal de MinasGerais pelaaolhidae peloompromisso em mantera qualidade assoiada

aos ursos e trabalhos do departamento. Quero agradeer também aos membros da bana

por teremaeito o onvitee olaboradoomo enriqueimento dotrabalho.

Agradeço a todos os alunos do LaPO (Laboratório de Pesquisa Operaional) pelas

on-tribuiçõesdadas aeste trabalho, pelo ompanherismo epor estaremsempre dispostos a

aju-dar. Agradeço também a todas as pessoas que trabalham omigo no laboratório Synegia

por olaborarem ontinuamente om o meu resimento prossional e pessoal. Finalmente,

agradeço aos meusirmãos, àminha família e atodasaspessoasquedireta ouindiretamente

ontribuíram paraonretizaçãodeste trabalho.

Sugestões,dúvidaseomentáriossobreestetrabalhosãobem-vindosepodemserenviados

1 Introdução 1

1.1 Arquiteturadasredes emmalha semo . . . 2

1.2 Caraterístiasdasredes emmalha semo. . . 4

1.3 Cenários deapliação. . . 5

1.4 Objetivo do trabalho . . . 6

1.5 Organização dotexto. . . 8

2 Trabalhos Relaionados 9 2.1 Coneitosepadrões . . . 9

2.2 Topologia . . . 9

2.3 Propagação desinal . . . 10

2.4 Múltiplosanais e múltiplas interfaes . . . 10

2.5 Atribuição de anais . . . 11

2.6 CamadaMAC. . . 11

2.7 Roteamento . . . 12

2.8 Qualidadede serviço . . . 13

2.9 Modelos . . . 13

2.10 Simulação . . . 13

2.11 Apliações . . . 14

3 Denição do Problema 16 3.1 Planejamento de redesem malhasem o . . . 16

3.2 Formulação matemátia . . . 17

4 Desenvolvimento 23 4.1 Simulador pararedes emmalha semo . . . 23

4.1.1 JiST . . . 24

4.1.2 Swans . . . 25

4.2 Osomponentes do simulador pararedes emmalha sem o . . . 27

4.2.1 Entrada de dados. . . 27

4.2.2 Cenário . . . 28

4.2.3 Nósda rede . . . 29

4.2.6 Apliação dogateway . . . 31

4.2.7 Modelo TCP/IP . . . 31

4.2.8 Roteamento . . . 31

4.2.9 Mobilidade . . . 32

4.2.10 Energia . . . 32

4.2.11 Probabilidade . . . 33

4.2.12 Estatístias . . . 33

4.2.13 Logger . . . 33

4.2.14 Geradorde arquivospara oCPLEX . . . 34

4.2.15 Dados desaída . . . 34

5 Resultados Computaionais 35 5.1 Soluçãoótima . . . 35

5.1.1 Geradorde instânias . . . 36

5.1.2 Cenários dostestesom oCPLEX . . . 37

5.1.3 Resultados doCPLEX . . . 37

5.2 Simulação . . . 43

5.3 Disussãodosresultados . . . 52

6 Conlusão e Trabalhos Futuros 54 6.1 Trabalhosfuturos . . . 55

1.1 Rede emmalha sem oom arquiteturainfra-estruturada. . . 3

1.2 Rede emmalha sem oom arquiteturaliente. . . 3

1.3 Rede emmalha sem oom arquiteturahíbrida. . . 4

1.4 Exemplo derede devizinhança. . . 6

1.5 Exemplo derede metropolitana.. . . 7

4.1 Arquitetura doarabouço de simulação JiST. . . 25

4.2 Arquitetura doSWANS. . . 26

4.3 Arquitetura dosimulador deredes emmalha sem o. . . 28

5.1 Primeiro enário de simulação. Em (a), é apresentado o resultado da simulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 45

5.2 Segundo enário de simulação. Em (a), é apresentado o resultado da simulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 47

5.3 Tereiro enário de simulação. Em (a), é apresentado o resultado da simulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 47

5.4 Quartoenáriodesimulação. Em(a),éapresentadooresultadodasimulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 48

5.5 Quintoenáriodesimulação. Em (a),éapresentadooresultadodasimulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 48

5.6 Sexto enário de simulação. Em (a), éapresentadoo resultado dasimulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 49

5.7 Sétimoenáriodesimulação. Em(a), éapresentadooresultadodasimulação. Em (b), asolução ótimaenontrada peloCPLEX. . . 50

5.1 Cenários denidos paraostestesom oCPLEX. . . 37

5.2 Variaçõesde araterístias onsideradas paraasinstânias. . . 38

5.3 Gap etempo deexeuçãoparaasinstânias dotipop. . . 39

5.4 Gap etempo deexeuçãoparaasinstânias dotipom. . . 39

5.5 Gap etempo deexeuçãoparaasinstânias dotipog. . . 40

5.6 Resultados paraasinstâniasdo tipo p . . . 41

5.7 Resultados paraasinstâniasdo tipo m . . . 41

5.8 Resultados paraasinstâniasdo tipo g . . . 42

5.9 Informaçõessobre osroteadoresparaosexperimentosde simulação. . . 44

5.10 Demanda doslientes paraoprimeiro experimento de simulação. . . 45

5.11 Demanda doslientes paraosegundo experimento de simulação. . . 46

5.12 Demanda doslientes paraotereiro experimento desimulação. . . 47

5.13 Demanda doslientes paraooitavo experimento de simulação. . . 50

5.14 Desriçãodosenários dostestesde apaidade do simulador. . . 51

Introdução

Osuessoomerialdasredes Wi-Fi[Wi-FiAlliane (1997 )℄eosavanços emmuitas

tenolo-giassem otêm emparteestimuladoodesenvolvimentodasredesemmalhasemo(wireless

mesh networks). Esta tenologia ainda está se desenvolvendo e visa omplementar a

infra-estruturaabeada omumbakbone semo paraprover aessoàInternet paranósmóveisou

usuários emáreas resideniais ede esritórios.

As redes em malha sem o possuem três tipos de nós: lientes, roteadores e gateways.

Ao ontráriodasredes Wi-Fi, om ada ponto de aessoonetado om a redeabeada, nas

redesemmalhasem osomenteumsubonjunto depontosdeaessoestãoonetadosàrede

abeada. Todosospontosdeaessoonetadosàredeabeadasãohamadosdegateways. Os

pontos de aesso quenão possuem onexõesom a redeabeada diretamente sãohamados

roteadores. Os roteadoresseonetamaos gateways por meiodo paradigmada omuniação

multi-salto (multi-hop). Em uma rede em malha sem o, os roteadores repassam o tráfego

uns paraosoutros a mdeestabeleere manter aonetividade narede.

Paraaumentara exibilidadedasredes emmalha semo,osroteadores são, geralmente,

equipados ommúltiplas interfaesde redesem o quepossuemumaou maistenologiasde

aesso. Asfunionalidadesdegateway/bridge nosnóspossibilitamaintegração dasredes em

malha sem oom redesexistentes omoInternet,Wi-Fi, elularet.

Asredesemmalhasemosãoumatenologiapromissoraparaapróximageraçãoderedes

sem o. Muitos enários de apliação estão estimulando seu rápido desenvolvimento. Uma

rede emmalha sem o objetiva proveronexõesbanda largapara umaomunidade om um

número elevado de usuáriosrequisitando aessoàInternet. Assim,apaidade é umoneito

have para as redes em malha sem o. Nestas redes, a apaidade é impatada por vários

fatores, taisomo, atopologia, opadrãodetráfego,a densidade denósdarede, onúmerode

anais e ovalor depotênia de transmissão utilizado.

Apesar das apliações das redes em malha sem o pareerem atraentes, um trabalho

onsiderável nas amadas do modelo de omuniação em rede é ainda requerido antes da

implantação em larga esaladestas redes. Proveraesso banda larga parauma omunidade

requer mínima largura de banda e requisitos de qualidade de serviço (QoS). Entretanto, os

estesrequisitos. Assim,paragarantirosuessodasredesemmalhasemo,épreisoinvestir

em pesquisase remodelar osprotoolos de omuniação para aumentar a apaidade destas

redes.

Váriosonsórios deindústriasestãoagoraativamenteenvolvidosna pesquisasobreredes

em malha sem o, e vários grupos de padronização do IEEE vêm trabalhando na denição

de novos padrões para estas redes. O oneito de redes em malha sem o om multi-saltos

é apliável de redespessoais (Personal Area Networks - PAN), emqueasdistânias entre os

nósdaredeédenomáximo10metros,aredesmetropolitanas(MetropolitanArea Networks

-MAN),emqueadistâniaentreosnósdaredepodehegara5quilmetros. Muitasempresas

omo Notel Networks e Strix Systemsestão ofereendo soluções de redes em malha sem o

paraautomaçãopredial,aessoàInternetdepequenaelargaesalaet. Desdesuaonepção,

as redes emmalha sem o têm atraído a atenção de vários grupos de pesquisadores. Alguns

exemplossãooprojetoRoofnet doMIT(MassahusettsInstitute ofTehnology)[Biketetal.

(2005 )℄, o projeto de rede em malha sem o da Mirosoft [Mirosoft (2005 )℄ e o projeto

brasileiro ReMesh [UFF(2006 )℄.

Aspróximas seçõesdisutem aspetosomoaarquitetura, asaraterístiase osenários

de apliação dasredesem malhasem o.

1.1 Arquitetura das redes em malha sem o

As redes em malha sem o possuemtrês diferentes tipos de nós: lientes, roteadores e

gate-ways. Umroteador éequipadoommúltiplas interfaesderedequepodemterdiferentes

te-nologias de aessosemo. Comparadoom umroteador semo onvenional, osroteadores

das redes em malha sem o podem atingir a mesma obertura utilizando uma potênia de

transmissão menoratravésdaomuniaçãomulti-salto. Apesardestadiferença,osroteadores

onvenionais e osroteadores de redes em malha sem o são onstruídos om um hardware

bemsimilar.

Nas redes em malha sem o, somente os gateways estão onetados à rede abeada,

provendo aessoà Internet. Os roteadores onetam-se aos gateways através do paradigma

da omuniação multi-salto. Osroteadores repassam o tráfego uns paraos outros para

esta-beleeremanteraonetividade. Notequeosroteadoresegateways têmumprojetosimilar,

om aexeçãodequeosgateways onetamdiretamenteomaredeabeada eosroteadores

não.

Os lientes das redes em malha sem o demandam aesso à Internet e também podem

trabalhar omo roteadores. Entretanto, asfunionalidades de gateway/bridge não estão

pre-sentes nestes nós. Além disso, os lientes normalmente possuem somente uma interfae de

rede. Como onseqüênia,ohardware e osoftware dosnóslientespodemserbemmais

sim-ples doquedosroteadores. Háumagrandevariedadededispositivoslientes emomparação

om osroteadores. Oslientes podemserlaptops, desktops,PDAs, elulares et.

Figura 1.1 mostraa arquitetura infra-estruturada de umarede emmalha sem o. As linhas

sólidas e pontilhadasindiam, respetivamente, enlaesom esem o.

Figura 1.1: Rede emmalha sem oom arquiteturainfra-estruturada.

[Fonte: Akyildiz etal.(2005)℄

A arquitetura infra-estruturada possui roteadores formando umainfra-estrutura para os

lientes. Obakbone dasredes infra-estruturadas pode seronstruído utilizando vários tipos

de tenologias sem o. Entretanto, o padrão mais utilizado é o IEEE 802.11. Por meio

dos gateways, os roteadores podem ser onetados à Internet. Esta arquitetura permite a

integração das redes emmalha sem o omoutras redes sem o existentes, atravésdas

fun-ionalidadesdegateway/bridge dosnós. Clientesonvenionais ominterfaeethernetpodem

ser onetadosaosroteadores pormeio de enlaesethernet.

A arquitetura infra-estruturada é o tipo mais omumente utilizado. Por exemplo, redes

de vizinhança (neighborhood networks) podem ser onstruídas utilizando esta arquitetura.

Nestas redes, os roteadores são oloados nos telhados das asas em uma vizinhança e eles

servemomopontos deaessoparaosusuários nasasas eruas.

Figura1.2: Rede emmalha semo omarquitetura liente.

dispositivoslientes. Nestaarquitetura,osnóslientespossuemfunionalidadesderoteamento

e onguraçãoquepossibilitamadisponibilizaçãodeapliaçõesparaoslientesdarede. Nas

redes em malha sem o om arquitetura liente, um paote é repassado pelos nós até que

alane o nó de destino. A arquitetura liente normalmente utiliza somente uma tenologia

de rádio nosdispositivoslientes.

AFigura 1.3mostraa arquiteturahíbrida. Estaarquitetura éa ombinação das

arquite-turasinfra-estruturada eliente. Oslientespodemaessararedepormeiodosroteadoresou

atravésdeoutroslientes. Enquanto ainfra-estrutura darede(bakbone)provêonetividade

om outras redes, tais omo, Internet, Wi-Fi, elular et; a apaidade de roteamento dos

lientes possibilita aumentar aonetividade ea obertura dentrodarede emmalhasem o.

Figura1.3: Rede emmalha sem o omarquiteturahíbrida.

[Fonte: Akyildiz etal.(2005)℄

1.2 Caraterístias das redes em malha sem o

Asprinipais araterístias dasredesem malhasem o sãoapresentadas a seguir.

Auto-organização e auto-onguração: o bakbone das redes em malha sem o provê

larga obertura,onetividade e robustezparaarede. A arquiteturada redeé exível,

possibilitandoquea implantação eonguração sejam fáeis. Nas redesemmalha sem

o,nãoexiste umnódo qualdependatodaarede. Osnósenviammensagensbroadast

unsparaosoutrosearedeéauto-organizada. Sehouverproblemasomumnóqualquer,

osoutros nósdesobrem umaminhode roteamento alternativo. Dessaforma,asredes

em malhasem o sãotolerantesa falhas.

fazendoumreúsodasfreqüêniasdetransmissãomaiseiente. Outroobjetivoéprover

onetividade entre lientes que não possuemenlaes om visadadireta. Paraatender

a estesobjetivos, aomuniação nasredesem malhasem o émulti-salto.

Interoperabilidade om redes sem o existentes: asfunionalidadesdegateway/bridge

dosgateways e roteadores dasredesemmalha sem opermitemaintegração devárias

redesexistentesomoWi-Fi,Internet,redeselulareset. Usuáriosdeumadestasredes

podem utilizar serviços providos pelas outras redes através da infra-estrutura sem o

dasredes emmalha.

Nós lientes atuando omoroteadores: nasredesemmalhasemo,osnóslientes

tam-bémpodemtrabalhar omo roteadores,repassando tráfego de outros nóslientes para

os roteadores sem o. A apaidade de roteamento dos nós lientes aumenta a

one-tividade e a obertura da rede, uma vez que os nós lientes que estão fora do alane

dosroteadores podemutilizar outrosnóslientes para teremaessoà Internet.

Número de usuários e volume de tráfego: asredes em malha sem o têmpor objetivo

prover onexões banda larga à Internet para omunidades om tamanhos razoáveis.

Assim, a rede tem que ser apaz de aomodar um grande número de usuários. Em

uma rede em malha sem o, o volume de tráfego é alto, prinipalmente por ausa da

transmissão de dados multimídia. Por isso, os algoritmos de roteamento preisam ser

esaláveis, favoreendoo balaneamento dearga.

Conentração de tráfego ao longo de ertos aminhos: nas redes em malha sem o,

o tráfego está onentrado ao longo dos aminhos que seguem diretamente para os

gateways.

Mobilidade e onsumo de energia dependentes do tipo de nó: osroteadorestêmpoua

ou nenhuma mobilidade e não possuem restrições de energia. Já os lientes possuem

restriçõesde energia e ummodelode mobilidade assoiado.

Múltiplos rádios: a apaidade dasredes emmalha sem o pode ser inrementadaom a

utilização de múltiplos rádios pelos roteadores sem o. Assim, é possível transmitir e

reeberinformaçãosimultaneamente atravésde umaatribuição deanais queminimize

a interferênia na rede.

Protoolo de roteamento adaptativo: emrazãodasdiferençasdemobilidade eonsumo

de energiaentreosnóslienteseroteadores,é neessáriodenir umprotoolo de

rotea-mentoadaptativoquesuportelienteseroteadoressendoutilizadospararepassartráfego

na rede.

1.3 Cenários de apliação

A Figura 1.4mostra um exemplo de rede de vizinhança (neighborhood network). Nestas

redes, nãohá umponto de aessoàInternet paraada usuário. A redepossuialgunspontos

de onexão om a Internet quesão ompartilhados pelos usuários. Com isso, osreursos são

utilizados ommaiseiênia eosustossão menoresparaada usuário.

Figura1.4: Exemplo derede devizinhança.

[Fonte: Akyildiz etal.(2005)℄

AFigura1.5 mostraumexemplodo oneitoderede emmalhasem oapliadoàsredes

metropolitanas. A apaidade de auto-organização de uma rede em malha sem o reduz a

omplexidadedeimplantaçãoemanutençãodarede. Eobakbone daredeprovêumasolução

viável para os usuários de aesso à Internet em qualquer lugar, a qualquer hora. Além da

implantação de redes paraaesso àInternet, épossívelonstruir idades digitais, ofereendo

infra-estrutura deomuniação semo,em ambientemetropolitano, a todososidadãos.

1.4 Objetivo do trabalho

Asredesemmalhasemoonsistememumaáreadepesquisareenteomváriostópiosque

ainda preisam ser explorados. Asredes em malha sem o introduzem um novo paradigma

de aesso à Internet. A informação disponível em qualquer lugar, a qualquer momento.

Neste novo enário, o prinipal objetivo éaumentara apaidade e a onabilidade da rede,

reduzindo o usto para o usuário nal. Assim, para alançar este objetivo, o planejamento

uidadoso da redeé umatarefa muitoimportante.

Oplanejamento de umaredeonsiste emdeterminar a quantidade dereursos neessária

paraatenderàdemandaporomuniaçãodoslientes. Eainda,omodeveserfeitaaaloação

Figura1.5: Exemplode redemetropolitana.

[Fonte: Akyildiz etal.(2005)℄

topologia, mobilidade, tráfego,ustoe apaidade.

Nestetrabalhoéexaminado oproblemadeplanejamento deredesemmalhasemo. Este

problema visaatender a demanda doslientespor aessoà Internet. A solução do problema

onsiste naesolhadeumsubonjuntoderoteadores semoparaompor oroteamento entre

os lientes e os gateways. A proposta do trabalho não é estudar om profundidade algum

aspetodeste problema, mas sim, apresentaruma visãogeral e orrelaionar vários aspetos

envolvidos omo problema.

Oproblemaabordadonestetrabalhopossuiaestruturatípiadeumproblemade

otimiza-ção: umou maisobjetivosquedevemserminimizados, sujeitos aum onjunto derestrições.

Assim, na primeira parte do trabalho, é proposto um modelo matemátio para o problema

de planejamento de redes emmalha sem o. No modelo, umsubonjunto de roteadores sem

o om mínimo usto de instalação deve seresolhido paraatender à demanda dos lientes.

Também são esolhidos os enlaes om os menores ustos de omuniação para ompor o

roteamentoentreoslienteseosgateways. Além disso,oslientes podemserutilizadosomo

roteadores nomodeloproposto. Asrestriçõesdomodeloestãorelaionadasomaapaidade

dos enlaes entre os nós e a energia dos lientes. Experimentos para validação do modelo

são realizados. Para abordar o problema de uma forma mais próxima do mundo real, é

de-senvolvido um simulador para redes em malha sem o na segunda parte do trabalho. Na

simulação, osmesmos ritériosda otimização(esolha dosroteadores omos menoresustos

de instalação e dos enlaes om os menores ustos de omuniação) são utilizados para o

planejamento, a implantação e a operação da rede em malha sem o. Porém, o problema

é abordado onsiderando os protoolos de omuniação em rede do modelo OSI (Open

são realizados experimentospara testaro desempenho do simulador onstruído. Assoluções

apresentadaspelosimuladorsãoomparadas àssoluçõesenontradasomaresoluçãodo

mo-delo matemátio. O objetivo é avaliaros resultados obtidos om a ferramenta de simulação

onstruída oma inorporaçãodosritérios daotimização.

1.5 Organização do texto

O restante deste trabalho está organizado da maneira desrita a seguir. O Capítulo 2 lista

os prinipais trabalhos da literatura e apresenta um panorama sobre o estado da arte. O

Capítulo 3 dene o problema de planejamento de redes em malha sem o e apresenta um

modelo matemátio para este problema. O simulador para redes em malha sem o

desen-volvidoneste trabalho é desritono Capítulo 4. No Capítulo 5,sãomostrados osresultados

dos experimentos realizados. Finalmente, no Capítulo 6 são apresentadas asonlusões e os

Trabalhos Relaionados

Esteapítuloapresenta umpanoramasobreredesemmalhasem o. Parafailitaro

entendi-mento,ostrabalhos foramagrupados porassunto e sãoapresentadosa seguir.

2.1 Coneitos e padrões

Em Akyildiz etal. (2005 ) e Nandirajuetal. (2007 ), há uma ampla disussão sobre as

a-raterístias, arquiteturas e enários de apliação dasredes em malha sem o. Também são

disutidososprinipais desaosrelaionadosom asamadas domodelo OSI(OpenSystems

Interonnetion) paraasredesem malha semo.

Em Lee etal. (2006 ), são apresentados os padrões propostos para os diferentes tipos de

redes em malha sem o. O padrão para as redes MAN (Metropolitan Area Networks) é o

IEEE 802.16. A família de padrões 802.11 é a mais utilizada para redes LAN (Loal Area

Networks). E para redes PAN (Personal Area Networks), estão sendo adotados os padrões

IEEE 802.15.5, Bluetooth eZigBee.

2.2 Topologia

A questãoda topologia dasredesem malha semo éabordadaemSo e Liang(2006 ). Neste

trabalho,osnósvizinhosooperamerepassampaotesunsaosoutros parapermitira

utiliza-çãodeummesmoaessoàInternetedistribuirosustosdeinstalaçãoentreavizinhança. Por

ausadotamanhodaáreadeobertura,váriasestaçõesrepetidorassãoinstaladaspara

repas-saro tráfegodosusuáriosnaisparaaestação rádio-baseevie-versa. Diferentes tenologias

de omuniação sem o sãoutilizadas na transmissão de informação entre osusuários nais

e asestaçõesrepetidoras, bemomo entre asestações repetidoras e a estação rádio-base. O

foo do trabalho é minimizar o número de estações repetidoras instaladas e o algoritmo de

deomposição de Benders foi utilizado para enontrar soluções ótimas para asinstânias do

problema. Comparandooproblemaqueaaboudeserdesritoomoproblematratadonesta

dissertação, observa-seque,emambosostrabalhos, osnósvizinhos ooperamparaquetodos

também onsidera que os lientes podem possuir diferentes tenologias de omuniação sem

o. Entretanto, asestaçõesrepetidoras(roteadoressemo) sempreutilizamumamesma

te-nologia deomuniação semonorepassedepaotes deinformaçãoentreeles. Alémdisso,o

foo dotrabalho é minimizar osustosdeinstalação dasestaçõesrepetidorase osustosdos

enlaesutilizadosparaatendimentodademanda. Aquinestadissertação,tambémsão

enon-tradas soluções ótimas para asinstânias, mas para isso é utilizado o paote de otimização

omerial CPLEX.

Em Tangetal. (2005 ), é estudado o ontrole de topologia onsiderando a interferênia e

o roteamento omQoS(Quality of Servie) emredesemmalha semo ommúltiplos anais

e tráfego dinâmio. Diferentes atribuições de anais podem levar a diferentes topologias de

rede. No trabalho, é apresentada uma heurístia para o problema de ontrole de

topolo-gia onsiderando a interferênia. A heurístia proura uma atribuição de anal para a rede

que leva a uma topologia om mínima interferênia. O trabalho também dene o problema

de roteamento onsiderando largura de banda. Este problema onsiste em enontrar rotas

para requisiçõesde onexões om requisitos de largura de banda. Uma heurístiapara este

problema também é apresentada. O algoritmo de roteamento proposto aqui nesta

disser-tação também enontra rotas onsiderando a largura de banda dasrequisições dos lientes.

A interferênia na redenão éonsiderada no problemaabordadoaqui nestetrabalho.

Em Peters etal. (2007 ), é apresentada uma lassiação de vários tipos de topologia e a

inuêniadestastopologiasemtermosdelatêniaeperdadepaoteemenáriosomhando.

Váriosesquemasdehando sãoestudados,eospontospositivosenegativossãoidentiados.

Oproblema abordadoaqui nestadissertaçãonão onsidera ohando.

2.3 Propagação de sinal

A simulação atua emumimportante papel na avaliação de protoolos de redes sem o.

En-quantoosprotoolossãosimuladosomrazoávelrealismo,apropagaçãodosinalem

transmis-sõessemoeamobilidadedosnósnãosão. Atualmente,apropagaçãodesinalemsimulações

é feita onsiderando os modelos free-spae e 2-ray [Rappaport, T. (1996 )℄. Tais modelos são

válidos somente para espaços abertos que não possuem olinas e edifíios muito altos. Em

Sridhara e Bohaek(2007 ),sãodisutidasténiasparapropagaçãodesinalemáreasurbanas

para ambientesde simulação.

No trabalho apresentado aqui nesta dissertação, é utilizado o modelo de propagação de

sinal2-ray,umavezqueoarabouçodesimulaçãoderedesemoutilizado(SWANS)

disponi-biliza apenas osmodelos depropagação free-spae e 2-ray.

2.4 Múltiplos anais e múltiplas interfaes

Múltiplos anais estão disponíveisparausono padrãoIEEE802.11. Múltiplos anais podem

aumentar a apaidade das redes sem o om múltiplos anais usando múltiplas interfaes.

Neste trabalho, onsidera-se que múltiplas interfaes estão disponíveis, mas o número de

interfaes disponíveis é menorque o número de anais disponíveis. Também éproposta uma

lassiação de heurístias de roteamento que possuemuma boa estratégiade atribuição de

interfae. No trabalho ainda é proposta uma nova heurístia de atribuição de interfae que

não requer modiações no padrão IEEE 802.11. Heurístias de roteamento que podemser

utilizadas oma estratégiade atribuiçãode interfaes proposta tambémsãoidentiadas.

A formulação matemátia apresentada aqui nesta dissertação onsidera que os lientes

podempossuirdiferentes interfaesde omuniação eapresentarem demanda paraada uma

delas. Entretanto,oproblematratado aquinão aborda aquestãodaatribuição deinterfaes.

2.5 Atribuição de anais

Em Marinae Das(2005 ),oproblemadeatribuição deanaisemredesemmalhasemo om

múltiplos rádios éabordado. Neste trabalho,a formulação parao problema deatribuição de

anaiséomparadaaoproblemadeontroledetopologia,mostrandoqueoproblemaabordado

é NP-ompleto. Osautores propõemumaheurístiagulosa paraoproblemade atribuiçãode

anais. Osresultados mostram quea interferênia na redeé reduzida onsideravelmente.

O problema de atribuição de anais em redes em malha sem o é, geralmente,

formu-lado omo um problema de programação inteira determinístio. Em Papadaki e Friderikos

(2008 ), é apresentada uma formulação para o problema baseada em programação dinâmia

omomponentesestoástios. A deomposição temporaléutilizada parareduzirotamanho

do problemainteiro. Além disso, ummétodo deprogramação dinâmiaaproximado

(approx-imate dynami programming - ADP) é usado para ataar o problema da dimensionalidade.

Os resultados numérios revelam que o algoritmo é melhor do que as melhores heurístias

onheidas para o problemaparadiferentestopologias deredes.

Roteadores om múltiplos rádio podem aumentar signiativamente o desempenho das

redes em malha sem o. Entretanto, uma atribuição de anais estátia pode degradar o

desempenho da redepor ausada interferênia. Em Ramahandranetal. (2006 ),é proposto

um algoritmo de atribuição de anais que onsidera a interferênia denominado BFS-CA

(Breadth First Searh Channel Assignment). O BFS-CA aumenta o desempenho da rede

minimizando a interferênia entre roteadores.

Assimomo ainterferênia eo hando,oproblema deatribuição deanais não étratado

aqui nesta dissertação.

2.6 Camada MAC

EmAharyaet al.(2004 ),éapresentadooprojetodetalhadoeaanálisededesempenhodo

pro-toolo MACA-P (Multiple Aess Collision Avoidane with Parallelism), umRTS/CTS

Funtion / Media Aess Control). O protoolo IEEE 802.11 DCF MAC não permite

qualquer transmissão paralela na vizinhança de um nó transmissor ou reeptor (para uma

transmissão em andamento). O protoolo MACA-P é um onjunto de aprimoramentos do

protoolo 802.11 que permite transmissõesem paralelo quando dois nós vizinhos são ambos

transmissores ou reeptores, sendo que, ada par (transmissor e reeptor) não são vizinhos.

O desempenho do MACA-P é avaliado através de simulação. A arga da rede (throughput)

utilizando o MACA-Pé omparada à argautilizando o protoolo 802.11RTS/CTS MAC.

Na simulação apresentada aqui nesta dissertação, os nós possuem apenas um rádio e a

amada MAC da rede onsiste em uma implementação do padrão 802.11b. Neste padrão,

a ada momento, ou o nó está enviando dados ou reebendo. Além disso, não oorrem

transmissõesparalelasnavizinhançadeumnótransmissoroureeptor(paraumatransmissão

em andamento).

2.7 Roteamento

EmDravesetal.(2004 ),ofooestánoroteamentoemredesemmalhasemo. Nestetrabalho,

são onsideradas redes sem o om nós estaionários, omo exemplo as redes sem o de

omunidade (Community Wireless Networks). O objetivo é esolher um aminho om alto

throughput entreumaorigemeumdestino. Amétria utilizadaatribuipesosparaosenlaes

baseado no tempo de transmissão esperado (Expeted Transmission Time - ETT) de um

paote sobre oenlae. OETT éuma função dataxa de perda elargura de banda do enlae.

Éestudadoodesempenho damétriaatravésdeumaredesemoom23nós,sendoqueada

nó está equipadooma tenologia802.11.

Notrabalho Bejerano etal.(2007 ), onsidera-sequeosnóslientes nãotêmmobilidade e

seonetamdiretamenteaosroteadores. Nesteaso,oalgoritmoderoteamentodeveomputar

o aminho entre ada roteador sem o e umgateway e aloara largura de banda neessária

paraatenderàdemandaassoiadaaoroteador. Oalgoritmo deroteamento propostoproura

maximizar autilizaçãodaredeatravésdobalaneamento dotráfegonarede. Nestetrabalho,

osresultados da simulação ambempróximos dassoluçõesótimas.

Na simulação apresentada aqui nesta dissertação, diferentemente dos trabalhos itados

aima,háummodelode mobilidadeassoiadoaosnóslientes. Noroteamento dasdemandas

entre lientes e gateways, o aminho de roteamento é ompletamente determinado antes do

iníio da transmissão dosdados. Oalgoritmo de roteamento propostoenontra as rotas que

levamà utilizaçãodos roteadores om osmenores ustos de instalação e dosenlaes om os

menores ustos de omuniação e om maior apaidade (largura de banda) não utilizada.

Uma rota somente é esolhida se a largura de banda que não está sendo utilizada para os

2.8 Qualidade de serviço

Em Hilario (2006 ), é proposto um arabouço de suporte à qualidade de serviço (QoS) em

redes emmalha sem o. Oarabouço éformado por umonjunto de meanismos quejuntos

permitemqueamídiatransmitidaapresentea qualidadedesejadapelousuário. Oarabouço

possui meanismos de espeiação de requisitos de qualidade de serviço por parte da

apli-ação, um meanismo de reserva de reursos que fornee garantias de largura de banda e

priorização de uxos multimídia e um meanismo de monitoramento e adaptação do uxo

que permite que a transmissão dos dados se adapte às ondições da rede e apresente o

de-sempenho desejado pelo usuário. Neste trabalho, são feitas simulações no ambiente ns-2 e

os resultados são omparados om os resultados do arabouço de QoS para redes ad ho

INSIGNIA.

No trabalho apresentado aqui nesta dissertação, não há nenhum suporte à qualidade de

serviço em redesemmalha sem o.

2.9 Modelos

Muitos dos trabalhos enontrados na literatura onentram-se em resolver problemas

rela-ionados a algum aspeto das redes em malha sem o. Há pouos trabalhos dediados na

deniçãodeummodeloquearaterize,simultaneamente,váriosaspetosdasredesemmalha

sem o.

A determinação da loalização dos gateways é um fator rítio para o desempenho das

redes em malha sem o. Em Qiuetal. (2004 ), é apresentado um modelo matemátio para

o problema de loalização dos gateways. Os algoritmos de solução propostos onsideram o

layout da rede, as demandas dos usuários, araterístias dos enlaes sem o, propagação e

interferênia. Os algoritmos também são projetados paraprover tolerânia a falhas e tratar

variaçõesdaargadetrabalho narede. Osalgoritmospropostossãoavaliadosanalitiamente

e através desimulação.

No trabalho apresentadoaqui nesta dissertação, a loalização dosgateways édenida de

forma aleatória.

2.10 Simulação

O simulador ns-2 tem suporte limitado para simular redes em malha sem o que utilizam

o padrão 802.11. No trabalho Mhatre (2007 ), são aresentadas novas funionalidades às

amadas físia e MAC do ns-2. As novas funionalidades são: omputação da interferênia

umulativa em SINR (Signal to Interferene and Noise Ratio), um módulo de fading e um

arabouço para aestimativa daqualidade de umenlae.

A simulação apresentada aqui nesta dissertação é desenvolvida utilizando os arabouços

um meanismoparaestimativa da qualidadede umenlae.

2.11 Apliações

Em Biketetal.(2005 ),éavaliada ahabilidadedeumaarquiteturapararedesemmalhasem

o prover aesso à Internet de alto desempenho enquanto demanda pouo planejamento de

implantação egereniamento deoperação. Estetrabalho apresentao projetoeaavaliaçãode

desempenho de umaredeemmalha sem oreal denominada Roofnet. Osroteadores da rede

sãooloadosnostelhadosdeedifíiosemumaáreadequatro kilmetrosquadradospróximo

ao ampus do MIT em Cambridge, Massahusetts. O projeto onta om 37 roteadores que

demandam pouo esforço de instalação e manutenção por parte dos pesquisadores. Uma

avaliação do desempenho mostra que a rede Roofnet trabalha bem. Othroughput médio da

rede éigual a 627Kbps.

OMeshNet [Universityof California, Santa Barbara(2005 )℄trata-se de umaredesemo

instalada no ampus da universidade om 25 nós equipados om rádios 802.11a/b/g. Os

nós são distribuídos em ino andares dentro do prédio da engenharia. A rede está sendo

utilizada para o desenvolvimento de protoolos e sistemas para operações robustas de redes

semomulti-salto. Espeiamente,aredeestásendoutilizadaparaonduzirpesquisassobre

protoolosde roteamento esaláveis,gereniamento eientederedese soluçõesde QoS para

redes sem omulti-salto.

A Mirosoft Researh tem um projeto de pesquisa em redes em malha sem o

denomi-nadoSelf-Organizing Neighborhood Wireless MeshNetworks. Ofoodesteprojetoépesquisar

tenologiasqueviabilizem essetipo deredea médioe longoprazo. AMirosoftdisponibiliza

no seusite [Mirosoft (2005 )℄sua implementação de redeemmalha sem o omdistribuição

gratuitaparaserutilizadoprinipalmenteporinstituiçõesaadêmias. Estasoluçãofoi

imple-mentadaatravésde uma amadahamada Mesh Connetivity Layer ou simplesmenteMCL.

A MCL é um driver que implementa um adaptador virtual de rede. A rede em malha sem

o queestiverdisponívelparaonexão iráapareer para ousuário omoumenlae adiional

de rede, porém virtual. A MCL éimplementada entreasamadas deenlae e de rede. Para

asamadas maisaltas,ela é vistaomo maisumenlae Ethernet, emboraseja virtual. Para

as amadas mais baixas, a MCL aparee apenas omo um outro protoolo que está sendo

exeutado aima do nível físio. O protoolo de roteamento utilizado foi desenvolvido pela

Mirosoft e éhamado deLink Quality Soure Routing Protool ou LQSR. Eleé umaversão

modiada do protoolo Dynami Soure Routing. O DSR foi estendido para que pudesse

suportar várias métriasde qualidadede enlae emúltiplos rádios.

O trabalho de Kashyap etal. (2007 ) apresenta um estudo sobre o problema de suporte

a hamadas VoIP (Voie-over-Internet) em umarede em malha sem o. Neste trabalho são

propostas soluçõesparao ontrole de admissãode hamadas (CAC)e aseleção de rotapara

as hamadas de VoIP. A abordagem apresentada avalia se as restrições de apaidade (ou

desempenho.

OReMesh[UFF(2006 )℄foiaprimeiraexperiêniauniversitáriabrasileirabemsuedidana

onstruçãoderedesemmalhasemo. Nesteprojetofoidesenvolvidoumprotótipoderoteador

sem o om o objetivo de demonstrar na forma de prova de oneito a viabilidade de uma

rede de aesso universitário faixa larga sem o. Além dos omponentes de hardware, foram

desenvolvidas soluçõesemsoftware paragerêniada redeemmalha sem o,autentiação de

usuáriose suporteàqualidadede serviço. Duasredesemmalhasem oindependentesforam

implantadas: umaredeinternaàsinstalaçõesdoprédiodaengenhariadaUniversidadeFederal

Fluminense (UFF) e outra externa na vizinhança de São Domingos, próximo ao ampus da

Praia Vermelha da UFF. A rede de aesso universitária da UFF está em operação desde o

Denição do Problema

Asredesemmalhasemopossuemváriasaraterístias,eháumvastoonjuntodeaspetos

relaionados omo planejamento, a implantação ea operaçãodestasredes. Neste apítuloo

problema de planejamento de redes emmalha semo serádelineado utilizando a linguagem

matemátia. Assim, espera-seobter umadenição aurada para oproblema abordadoneste

trabalho. Com a formulação matemátia do problema, é possível resolvê-lo utilizando o

fer-ramental matemátio disponível na literatura, e assim, omeçar uma investigação sobre o

problema. Alémdisso, omodelomatemátioseráutilizado paraapoiarodesenvolvimento do

simulador para redes em malha sem o. A seção 3.1 desreve o problema de planejamento

de redes emmalha sem o, ea seção 3.2apresenta o modelo matemátioproposto paraeste

problema.

3.1 Planejamento de redes em malha sem o

As redesem malha semo surgemomo umatenologia promissora paraa próximageração

das redes sem o e estão inspirando vários enários de apliação, tais omo, as redes de

vizinhança e asredes metropolitanas. Há aindamuitos tópiosde pesquisa em abertosobre

esteassunto. Nestetrabalho,éabordadooproblemadeplanejamento deredesemmalhasem

o.

Oplanejamento éumatarefarealizadaantesda implantaçãodaredee onsisteem

deter-minar aquantidadedereursos neessáriaparaatender àdemandaestimadaparaoslientes.

Oplanejamento deumaredenãoé umatarefa simples,umavezqueenvolvemuitas variáveis

omo: topologiadarede,mobilidade,modelodetráfego,ustoeapaidade. Afaltade

plane-jamentopodeoasionaranãoaloaçãodosreursosneessáriosparaoompletoatendimento

da demanda dos lientes, ou, do ontrário, a aloação de mais reursos que o neessário,

aarretando emdesperdíio dereursos e elevaçãode ustos.

O problema de planejamento de redes em malha sem o visa atender à demanda dos

lientesporaessoàInternet,onsiderandoaminimizaçãodeustos. Nestetrabalho,

onsidera-se quedeve serfeito o planejamento de umarede emmalha sem o ujos nóssãoequipados

multi-salto e os nós lientes podem atuar omo roteadores. Há um valor assoiado à

a-paidade máxima de ada enlae de omuniação da rede. Tambémhá restrições de energia

assoiadas aosnóslientes.

Asolução doproblemadeplanejamento deredesemmalha semoonsistenaesolhade

um subonjunto de roteadores sem o om mínimo usto de instalação parafazer o

atendi-mento da demanda dos lientes por aesso à Internet. Além disso, a solução também deve

apresentar os aminhos de roteamento entre os lientes e gateways. Os aminhos de

rotea-mento sãoesolhidosonsiderando aminimização dosustosde omuniação entre osnós.

Apróximaseçãoapresenta aformulaçãodoproblemaabordadonestetrabalho emtermos

dasvariáveis,parâmetros, ritériosde otimizaçãoe restrições.

3.2 Formulação matemátia

Dada uma área D onde deve ser disponibilizadoo serviço (área de obertura), um onjunto

de nóslientes I,um onjunto de roteadores sem o J e um onjunto de gateways L om a

função dedisponibilizaraessoàInternet,sendotodosnóssemmobilidade,omoordenadas

de loalização (x,y) dentro da área D e om um determinado número de interfaes de rede

K e anais de omuniação disponíveis por interfae; o problema de planejamento de redes

em malha sem o onsiste em seleionar um subonjunto de roteadores sem o de mínimo

usto que maximize a obertura e a onetividade dentro da área D, isto é, o subonjunto

de roteadores seleionados deve atender a demanda dos lientes para ada interfae de rede

disponível. Oproblemadeplanejamentoderedesemmalhasemodeveráinformaroroteador

sem o

j

∈

J

que atende a demanda do liente

i

∈

I

pela interfae de rede

k

∈

K

. Além

disso,deveráexistirumaminho deomuniaçãoentreoroteador

j

epelomenos umgateway

l

∈

L

.

Oproblemadeplanejamento deredesemmalhasemodevegerarasoluçãominimizando

asomadosustosdosenlaesdaredeutilizados,respeitandosempreoslimitesdeapaidade

de ada enlae. Além disso, deve respeitar asrestrições deenergia dos nóslientes. E ainda,

se existirem lientes

i

∈

I

que não estejam no alane de omuniação de nenhum roteador

sem o

j

∈

J

,a demandadesteslientesé atendida utilizando-se omoroteador algumoutro

liente

o

∈

I

queestejanoraiodeomuniaçãode

i

enoalanedeomuniaçãodepelomenos

umroteador sem o

j

∈

J

. Oliente

o

deve possuirenergia suientepara oatendimento da

sua própria demanda e da demanda do liente

i

assoiadoa ele. Na modelagem sendo feita

aqui, onsidera-seque ademanda doslientesjá éonheida.

Antesde ontinuar a desriçãodo modelo, serão apresentadas algumasnotações.

A

Cli

−

Cli

: onjunto deenlaes queonetamnóslientes.

A

Cli

−

Rot

: onjunto de enlaesqueonetamnós lientes e nósroteadoressem o.

A

Rot

−

Rot

: onjunto de enlaesqueonetam nósroteadoressem o.

A

Rot

−

Gat

Asvariáveisdoproblemadeplanejamentoderedesemmalhasemosãodesritasaseguir.

x

k

ij

(

1

seonó liente i é atendido peloroteador semo j utilizando ainterfae k

0

asoontrário

x

′

k

ij

n

demanda do nólientei paraa interfae k queéatendida peloroteador sem o j

y

j

(

1

seo roteador semo j atendea demandade pelomenos umlientei

0

asoontrário

y

′

k

j

(

1

seoroteador j atende ademanda depelomenos umlientei pelainterfae k

0

asoontrário

z

jpq















1

seo enlae

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

_∪

_A

Rot

−

Gat

₎

faz parte darota entre onó roteador j e

umgateway qualquer darede

0

aso ontrário

z

_jpq

′

n

demanda atendida pelo roteador j quepassapeloenlae

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

_∪

_A

Rot

−

Gat

₎

w

k

io

(

1

sea demanda doliente i pelainterfae k éatendida atravésdo lienteo

0

aso ontrário

w

′

k

io

n

demanda doliente i pelainterfae k queé atendida atravésdo lienteo

t

k

i















1

seo liente i está noalane de omuniação de pelo menos umroteador

j

∈

J

utilizando ainterfae k

0

aso ontrário

Aseguir sãodenidos osparâmetros domodelo.

a

k

_ij















1

seo nóliente i estáno alane deomuniação doroteador semo j utilizando

ainterfae k

0

aso ontrário

a

′

_io

k















1

seo nólientei está no alane deomuniação dolienteo utilizando a

interfae k

b

k

_j

(

1

seo roteador sem oj possuia interfae de omuniação k

0

aso ontrário

d

k

_i

n

demandado nólientei paraa interfae k

c

j

n

ustode instalação do roteador sem oj

v

pq

n

ustodo enlaeentre osnós p e q,tal que,

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

_∪

_A

Rot

−

Gat

₎

u

pq

(

apaidade máxima do enlaeentre osnósp e q,tal que,

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

_∪

_A

Rot

−

Gat

₎

h

k

_ij

n

ustodo enlae entre onó liente i e onó roteador j para ainterfae k

g

_io

k

n

usto do enlaeentreosnóslientes i e o para a interfae k

n

k

_j

(

númeromáximo de nóslientes quepodemseratendidos pelo roteador j utilizandoa

interfae k

ε

t

k

ij

(

quantidade de energia gasta natransmissão de 1unidade de demandautilizando a

interfae k do nólientei atéo nój (nó lienteou nóroteador)

ε

r

k

(

quantidade deenergia gasta na reepção de 1unidade dedemanda utilizando a

interfae k

ξ

i

n

quantidade totalde energia do nóliente i

Sobreosparâmetros

c

j

,

v

pq

,

h

k

ij

e

g

k

io

,háobservaçõesaseremfeitas. Oparâmetro

c

j

pode

representaro usto monetário de instalação dosroteadores ou umoutro valor quediferenie

os roteadores, omo exemplo, uma medida da failidade de instalação e manutenção dos

dispositivos. Os parâmetros

v

pq

,

h

k

ij

e

g

k

io

podem representar tanto o usto monetário da

omuniação entredois nósda redequanto adistânia entre doisnós, ou ainda, algum valor

relaionado om aqualidade doenlae entredois nós.

Osparâmetros

a

k

ij

e

a

′

_k

io

indiam seumdado nóestánoalane deomuniação deoutro.

Estesvalorespodemserdenidosatravésdeumafunçãoqueonsiderediferentesomponentes

omo, porexemplo,adistânia,ainterferênia,a propagaçãodosinal, apotênia máximade

transmissão et.

Aformulaçãomatemátiaqueserá apresentadaa seguirainda possuioutrostrês

parâme-tros:

α

,

β

e

γ

. Estes parâmetros são utilizados no ajuste de unidades de medida na função

objetivo. Elestambémpodemserutilizadosnaponderaçãodosdiferentesustospresentesna

função objetivo.

no-E

q

₍

_A

₎

: onjunto de enlaes que hegam ao nó roteador ou gateway

q

∈

(

J

∪

L

)

e per-tenem ao onjunto

A

.

S

q

₍

_A

₎

: onjunto deenlaes quedeixam o nó roteador ou gateway

q

∈

(

J

∪

L

)

e pertenem ao onjunto

A

.

U: valorbemgrande omparado aosdemaisvaloresdo problema.

Aformulação matemátiaparao problemaé apresentada aseguir.

min f

=

X

j

∈

J

c

j

y

j

+

α

X

j

∈

J

X

pq

∈

(

A

Rot−Rot

_∪

_A

Rot−Gat

₎

v

pq

z

jpq

(3.1)

+

β

X

ij

∈

A

Cli−Rot

X

k

∈

K

h

k

_ij

x

k

_ij

+

γ

X

io

∈

A

Cli−Cli

X

k

∈

K

g

k

_io

w

k

_io

Sujeitoa:

X

j

∈

J

a

k

_ij

x

′

_ij

k

=

d

k

_i

t

k

_i

+

X

oi

∈

A

Cli−Cli

w

′

_oi

k

,

∀

i

∈

I,

∀

k

∈

K

(3.2)

x

k

_ij

≤

y

′

_j

k

,

∀

i

∈

I,

∀

j

∈

J,

∀

k

∈

K

(3.3)

X

i

∈

I

a

_ij

k

x

k

_ij

≤

n

k

_j

y

_j

′

k

,

∀

j

∈

J,

∀

k

∈

K

(3.4)

X

pq

∈

E

q

₍

_A

Rot−Rot

₎

z

_jpq

′

−

X

qr

∈

S

q

₍

_A

Rot−Rot

_∪

_A

Rot−Gat

₎

_{, r}

₆₌

_j

z

_jqr

′

= 0

,

(3.5)

∀

j

∈

J,

∀

q

∈

(

J

−

j

)

X

qr

∈

S

q

₍

_A

Rot−Rot

_∪

_A

Rot−Gat

₎

z

′

_jqr

=

X

i

∈

I

X

k

∈

K

x

′

_ij

k

(3.6)

q

=

j,

∀

j

∈

J

z

_jpq

′

≤

u

pq

y

p

,

∀

j

∈

(

J

−

q

)

,

∀

pq

∈

A

Rot

−

Rot

(3.7)

z

_jpq

′

≤

u

pq

y

q

,

∀

j

∈

(

J

−

q

)

,

∀

pq

∈

A

Rot

−

Rot

(3.8)

X

j

∈

J

(

z

_jpq

′

+

z

_jqp

′

)

≤

u

pq

,

∀

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

∪

A

Rot

−

Gat

)

(3.9)

z

_jpq

′

≥

z

jpq

,

∀

j

∈

J,

∀

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

∪

A

Rot

−

Gat

)

(3.10)

y

′

_j

k

=

b

k

_j

y

j

,

∀

j

∈

J,

∀

k

∈

K

(3.12)

x

′

_ij

k

≤

U a

k

_ij

x

k

_ij

,

∀

i

∈

I,

∀

j

∈

J,

∀

k

∈

K

(3.13)

X

io

∈

A

Cli−Cli

w

′

_io

k

= (1

−

t

k

_i

)

d

k

_i

,

∀

i

∈

I,

∀

k

∈

K

(3.14)

w

_io

′

k

≥

w

k

_io

,

∀

io

∈

A

Cli

−

Cli

,

∀

o

∈

(

I

−

i

)

,

∀

k

∈

K

(3.15)

w

_io

′

k

≤

U a

′

_io

k

w

_io

k

,

∀

i

∈

I,

∀

io

∈

A

Cli

−

Cli

,

∀

k

∈

K

(3.16)

t

k

_i

≤

X

j

∈

J

a

k

_ij

,

∀

i

∈

I,

∀

k

∈

K

(3.17)

U t

k

_i

≥

X

j

∈

J

a

k

_ij

,

∀

i

∈

I,

∀

k

∈

K

(3.18)

X

k

∈

K

X

io

∈

A

Cli

−

Cli

ε

t

k

io

w

′

_k

io

+

X

k

∈

K

X

oi

∈

A

Cli

−

Cli

ε

r

k

w

′

_k

oi

(3.19)

+

X

k

∈

K

X

j

∈

J

ε

t

k

ij

x

′

_k

ij

≤

ξ

i

,

∀

i

∈

I

x

k

_ij

, y

j

, z

jpq

, w

io

k

, t

k

i

∈ {

0

,

1

}

, x

′

_k

ij

, y

′

_k

j

, z

′

jpq

, w

′

_k

io

≥

0

,

∀

i

∈

I,

∀

j

∈

J,

∀

k

∈

K,

∀

io

∈

A

Cli

−

Cli

,

∀

pq

∈

(

A

Rot

−

Rot

∪

A

Rot

−

Gat

)

Oproblema de planejamento de redes emmalha sem o onsiste em minimizar a função

objetivof (equação3.1) ompostapelasoma dosustosdeinstalação dosroteadores semo

esolhidosedosustosdosenlaesentrelientes, entreroteadoreseentrelienteseroteadores

utilizados para atender asdemandas doslientes.

A equação 3.2 garante quea demanda do liente i e asdemandas dos lientes

o

∈

I

que

nãoestãonoalanedeomuniaçãodenenhumroteadorequerepassamsuasdemandaspara

o liente i sãoatendidaspelos roteadores.

Umlientei somentepodetersuademandapelainterfaederedek atendidapeloroteador

j,seoroteadorj possuiainterfae deredek efoiesolhidoparaserinstalado(restrição3.3 ).

Além disso, o número de lientes atendidos por um roteador j deve ser menor ou igual ao

númeromáximodelientesquepodemseratendidospeloroteador j,onsiderandoainterfae

k (restrição 3.4).

Asequações 3.5 e 3.6 garantem que a demanda que hega a umnó roteador q é igual à

diferente de zero passando pelo enlae pq, se os roteadores sem o p e q foram instalados.

A soma das demandas que passam pelo enlae pq tem que ser menor que a apaidade do

enlae (restrição 3.9). As restrições 3.10 e 3.11 indiam que somente pode haver demanda

atribuída ao roteador j passando peloenlae pq,se oenlae pq foiesolhido parafazerparte

do roteamento entre oroteador j e umgateway.

Aequação3.12dene ovalordavariável

y

′

_k

j

. Arestrição3.13garantequesomentehaverá

demanda do liente i pela interfae k atendida peloroteador semo j, seo lientei está no

alane de omuniação doroteador j e i foiatribuídoa j.

A demanda total de um liente i repassada para outros lientes é igual à sua demanda

original(equação3.14 ). Asretrições3.15e3.16asseguramquesomentepassarádemandapelo

enlae io, se o liente i está no alane de omuniação do liente o e o liente i repassará

parte ou todaa suademandaparao liente o.

Asrestrições3.17 e 3.18garantem umvalor binárioparaa variável

t

k

i

. A inequação3.19

estárelaionada omarestriçãodeenergia dosdispositivoslientes. Asomadaenergiagasta

na transmissão da demanda do liente i para outros lientes, da energia gasta na reepção

da demanda de outros lientes e da energia gasta na transmissão da demanda do liente

i para roteadores sem o deve ser menor ou igual à energia total do dispositivo liente i.

É interessante notar que um liente i ou envia sua demanda para outros lientes ou para

roteadores sem o. Entretanto, foi modelada apenas uma inequação para a restrição de

energia.

Asvariáveis

x

′

_k

ij

, y

′

_k

j

, z

′

jpq

, w

′

_k

io

foram denidas omo variáveis não negativas porque as

re-striçõesdo modeloasseguram queestasvariáveis somentepodem assumirvaloresinteiros. A

redução do número de variáveis inteirasfailita aresolução do problema.

Agora que o problema abordado neste trabalho já foi melhor denido, é o momento de

propor métodosde solução paraeste problema. O modelomatemátio propostopode ser

re-solvidoutilizandoalgumpaotedeotimização. Nestetrabalho,omodeloéresolvidoutilizando

oCPLEX[Ilog,In.(2008 )℄. OCapítulo5desreveemdetalhesaresoluçãodoproblemaom

o uso do CPLEX. Analisando a formulação matemátia apresentada nesta seção, veria-se

que importantes aspetos das redes em malha sem o não são tratados nesta abordagem.

Aspetos omo mobilidade dos nós lientes, modelos e protoolos de omuniação et.

tam-bémdevemseronsiderados em umaabordagem queseaproxima domundo real. Assim,no

próximo apítulo, são desritos osomponentes e o funionamento do simulador para redes

Desenvolvimento

Esteapítulodesreveofunionamentodosimuladorpararedesemmalhasemodesenvolvido

neste trabalho.

Uma simulação onsiste em imitar, durante determinado período de tempo, a operação

de umsistemaou deumproesso domundoreal. A simulaçãoédesenvolvidaa partir deum

modeloparaosistemasendoestudado. Omodelo,normalmente,tomaaformadeumonjunto

deonsideraçõesrelaionadasaoperaçãodosistema. Asimulaçãopodeserusadatantoomo

umaferramentadeanáliseparapreveroefeitodemudançasemsistemasjáexistentes, quanto

omo uma ferramenta para prever o desempenho de novos sistemas antes mesmo que estes

sejam onstruídos e implantados.

A seção 4.1 apresenta a proposta do simulador, e a seção 4.2 detalha osprinipais

om-ponentesdo simuladorpara redesem malhasem o desenvolvido nestetrabalho.

4.1 Simulador para redes em malha sem o

OCapítulo3desreveoproblemadeplanejamentoderedesemmalhasemoeapresenta um

modelomatemátioparaesteproblema. Atéaqui,oproblemaemestudofoitratadodeforma

estátia. Todososparâmetrossãoonheidosantesdeiniiaraprouraporumasoluçãopara

oproblema. Paraabordaroproblemadeumaformamaisdinâmiaepróximadomundoreal,

é desenvolvido umsimulador pararedes emmalha semo.

Paraoprojetodosimulador,onsidera-sequeháumonjuntodenósroteadoresegateways

que podemser utilizadosparao atendimento da demandadoslientes. O objetivo ésimular

uma rede em malha sem o om nós lientes requisitando aesso à Internet. O simulador

tem queser apaz de esolher um subonjunto de nós roteadores e gateways paraompor o

roteamentodasdemandasentrelientesegateways. Aesolhadosroteadoresegatewayséfeita

om basenosmesmos ritérios de otimização(esolha dosroteadores omosmenores ustos

de instalação e dos enlaes om os menores ustos de omuniação) do modelo matemátio

apresentado no Capítulo 3. Porém, na simulação, o problema é abordado onsiderando os

protoolos de omuniação em rede do modelo OSI (Open Systems Interonnetion), um

lientes (requisições)estão distribuídasao longo dotempo.

O simulador foi onstruído na linguagem Java [Sunmirosystems (2008 )℄ utilizando os

arabouços JiST (Java in Simulation Time) e SWANS (Salable Wireless Ad ho Network

Simulator) [RimonBarr etal.(2005 )℄.

JiST é um simulador de eventos disretos que roda sobre uma máquina virtual Java

padrão. Ele é um protótipo de uma nova abordagem de propósito geral para onstrução

de simuladores de eventos disretos, hamada simulação baseada em máquina virtual. A

plataforma de simulação resultante é muito eiente. O JiST é exível e transparente. A

transparênia é um benefíio have: não é neessário esrever o ódigo em uma linguagem

espeía de simulação. O JiST modia o ódigo esrito em Java, no nível de byteode,

aresentando semântia de tempo de simulação. Assim, simulações JiST são esritas em

Java, ompiladas usando um ompilador padrão Java e rodam sobre uma máquina virtual

padrão Java.

OSWANS é umsimulador de redesem o esalávelonstruído sobre aplataforma JiST.

Ele foi riado para validar a onstrução de simuladores que utilizam a abordagem baseada

em máquina virtual e ser uma alternativa em relação às ferramentas de simulação de rede

existentes. OSWANSé organizadoomoomponentesindependentes desoftwarequepodem

ser ombinados para formar umaredesem o ompleta. O SWANS temasmesmas

arate-rístias dossimuladores de rede ns2 [DARPA etal. (1995 )℄ e GloMoSim [UCLA (1999 )℄. O

SWANS é eiente eapresenta baixo onsumo de memória.

Assubseçõesa seguirapresentamumadesriçãomaisdetalhada dosarabouçosde

simu-lação JiST e SWANS.

4.1.1 JiST

O JiST (Java in Simulation Time) é um arabouço de simulação baseado em Java que

exe-uta simulações de eventos disretos de forma eiente e transparente. O JiST onsiste em

uma nova abordagem para onstrução de simuladores em que a semântia da simulação é

introduzidana exeuçãopelamáquinavirtual.

A prinipal distinção entre o JiST e outros sistemas de simulação é que om o JiST não

é preiso esrever o ódigo da simulação em uma linguagem espeía. O JiST introduz a

semântia deexeuçãopor tempo desimulação emprogramasesritosemJavapadrão eeles

são exeutados sobre uma máquina virtual padrão. O JiST onverte uma máquina virtual

padrão emumsistemade simulaçãode forma transparente.

A arquitetura do JiST, mostrada na Figura 4.1, onsiste de quatro omponentes: um

ompilador, ummodiadorde byteode, umkernel desimulação eumamáquinavirtual. Os

programas de simulação são esritos em Java padrão e ompilados utilizando o ompilador

padrãodalinguagemJava. Aslassesompiladassãomodiadaspelomodiadordebyteode

para inorporar a semântia de tempo de simulação e serem exeutadas sobre o kernel de

simulação. O programa de simulação, o modiador de byteode e o kernel são esritos em