Roteamento de Dispositivos Móveis para
Auxílio à rede 5G
Ouro Preto 2016
Roteamento de Dispositivos Móveis para
Auxílio à rede 5G
Dissertação apresentada ao Instituto de Ciências Exatas e Biológicas da Universi-dade Federal de Ouro Preto, para a ob-tenção de Título de Mestre em Ciência da Computação, na área de redes ad hoc. Orientador: Ricardo Augusto Rabelo de Oliveira
Ouro Preto 2016
Catalogação: www.sisbin.ufop.br
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Augusto Rabelo Oliveira.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Instituto de Ciências Exatas e Biológicas. Departamento de Computação. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação.
Área de Concentração: Ciência da Computação.
1. Redes locais sem fio. 2. Roteamento (Administração de redes de
computadores). 3. Dispositivos móveis. I. Oliveira, Ricardo Augusto Rabelo . II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Titulo.
amigos do Laboratório iMobilis pelas risadas, brincadeiras e incentivo. À UFOP pelo espaço disponibilizado e verba para minhas pesquisas. Aos moradores, ex-moradores e frequentadores da gloriosa República Ninho do Amor, minha casa em Ouro Preto. Por último e mais importante, agradeço à minha família e minha noiva pelo apoio durante todo este tempo.
A rede celular Long Term Evolution (LTE) - 4G - atual não permite que os dispo-sitivos móveis que a utilizam se comuniquem diretamente, apenas na presença de uma estação base - base station (BS). Contudo, a quantidade de dados que eles estão trans-mitindo cresce a cada dia. Aplicações que consomem áudio e vídeo são cada vez mais comum nesses dispositivos, trazendo maiores desafios no tráfego de dados no núcleo da rede celular 4G. O próximo passo na rede celular é possibilitar que os dispositivos móveis compartilhem seus dados entre eles em uma banda licenciada. Com essa mo-dificação, a comunicação pode ser feita sem que uma BS esteja presente, diminuindo o tráfego no núcleo da rede. A rede celular 5G permitirá aos usuários compartilharem dados entre eles sem a necessidade de uma BS, i.e., eles podem se comunicar direta-mente utilizando uma comunicação dispositivo-a-dispositivo - device-to-device (D2D), através de uma banda licenciada. Com a comunicação D2D, espera-se que a rede celular 5G diminua a carga no núcleo da rede trazendo mais comunicação à sua borda. Isso pode ser alcançado fazendo com que os dispositivos na rede encaminhem conteúdos que não precisem ser enviados à BS. Dentro das tecnologias atuais, Wi-Fi Direct é uma que permite aos dispositivos se comunicarem diretamente. Contudo, ela não suporta comunicação multi-saltos além de ter seu alcance diminuído quando os dispositivos se movimentam. Desta forma, neste trabalho, pudemos: i) expandir o uso da tecnologia Wi-Fi Direct para que a informação enviada por um dispositivo possa passar por ou-tros (multi-saltos) criando uma rota entre dois dispositivos quaisquer, ii) propor um novo protocolo de roteamento, chamado Contact-and-Social Behavior (CSB), para re-des ad-hoc e iii) comparar a carga produzida por um cenário LTE puro com um D2D puro. Os resultados mostram que mesmo com desafios, é possível rotear dispositivos utilizando Wi-Fi Direct. Além do mais, o cenário LTE puro traz muito mais carga à
The actual Long Term Evolution (LTE) cellular network (4G) does not allow devices to communicate directly, only with the presence of a base station (BS). Although, mobile devices are facing a growth on the data they share. Applications that consumes audio and video are a common place on these mobile devices, bringing a major issue on data traffic at the core of the actual 4G cellular network. The next step on the cellular network is allow mobile devices share their contents among themselves on a licensed bandwidth. This change makes possible the communication without the need of a BS, therefore takes away some traffic on the core. The 5G cellular network will allow users share data among themselves without the need of a BS, i.e., they may communicate directly with each other on a device-to-device (D2D) fashion using a licensed bandwidth. With D2D communication, the 5G cellular network is expected to offload the core network by bringing more communication to the edge of the network. This can be achieved by making the devices on it to forward some contents that does not need be sent to the BS. One technology that allows devices to communicate directly is Wi-Fi Direct. However, it does not supports multi-hop communication and when devices are moving, its reach decais. Therefore, on this work we could: i) expand the use of Wi-Fi Direct technology so the information send by one device can go through others (multi-hop) creating a route between any two devices, ii) propose a new routing protocol, namely Contact-and-Social Behavior (CSB), for ad-hoc networks, and iii) compare the load produced on pure LTE scenario with a pure D2D one. The results show that even with challenges, it is possible to route devices using Wi-Fi Direct. Moreover, the pure LTE scenario brings much more load to the network compared with the pure D2D. Keywords: Ad-hoc networks, routing, mobile devices, Wi-Fi Direct, 5G
2.1 Rede celular Oficina (2013). . . 10
2.2 Evolução da Rede celular News (2014). . . 12
2.3 Comunicação DC-OC no 5G. . . 17
2.4 Comunicação DR-OC em 5G. . . 18
2.5 Comunicação DR-DC em 5G. . . 19
2.6 Comunicação DC-DC em 5G. . . 20
2.7 Problema de vários caminhos até o destino . . . 23
2.8 Arquitetura de uma rede 802.11( Tel (2016)). . . 24
2.9 Sequência de criação de grupos. Camps-Mur et al. (2013) . . . 30
2.10 Troca de mensagens na descoberta de serviços. Menegato (2015). . . 32
2.11 Exemplo de tabela de roteamento tab (2016) . . . 36
2.12 Requisiçao de rota no AODV. . . 40
2.13 Resposta de rota no AODV. . . 42
2.14 Nó intermediário já possui rota para o destino. . . 43
2.15 Requisiçao de rota no AODV. . . 45
3.1 Comunicação entre grupos. Casetti et al. (2014) . . . 53
4.1 Requisiçao de rota no CSB. . . 62
6.1 Mensagens enviadas x Quantidade de tablets no flooding . . . 87
6.2 Mensagens recebidas x Quantidade de tablets no flooding . . . 88
6.3 Mensagens RREQ enviadas x Quantidade de tablets no AODV . . . 89
6.4 Mensagens RREQ tipo 1 recebidas x Quantidade de tablets no AODV . 90 6.5 Mensagens RREP tipo 1 recebidas x Quantidade de tablets no AODV . 91 6.6 Mensagens RREQ enviadas x Quantidade de tablets no AODV-BR . . . 92
6.7 Mensagens RREQ tipo 1 enviadas x Quantidade de tablets no AODV-BR 92 6.8 Mensagens RREP tipo 1 enviadas x Quantidade de tablets no AODV-BR 94 6.9 Mensagens RREQ enviadas x Quantidade de tablets no LAR. . . 95
6.10 Mensagens RREQ tipo 1 recebidas x Quantidade de tablets no CSB. . . 97
6.11 Mensagens RREQ enviadas x Quantidade de tablets no CSB. . . 97
6.12 Mensagens RREQ enviadas em cada cenário por 30 nós. . . 99
6.13 Mensagens RREQ tipo 1 recebidas em cada cenário cenário por 30 nós. . 100
6.14 Mensagens RREP tipo 1 recebidas em cada cenário cenário por 30 nós. . 100
6.15 Mensagens RREQ enviadas em cada cenário cenário por 45 nós. . . 101
6.16 Mensagens RREQ tipo 1 recebidas em cada cenário cenário por 45 nós. . 102
6.17 Mensagens RREP tipo 1 recebidas em cada cenário cenário por 45 nós. . 103
6.18 Comparação da carga usando RWP com 30 dispositivos. . . 106
6.19 Comparação da carga usando RPGM com 30 dispositivos. . . 106
6.20 Comparação da carga usando RWP+RPGM com 30 dispositivos. . . 107
6.21 Comparação da carga usando RWP com 45 dispositivos. . . 108
6.22 Comparação da carga usando RPGM com 45 dispositivos. . . 108
2.1 Componentes da arquitetura Wi-FI Direct: Fonte: Silva (2013) . . . 27
5.1 Valores dos parâmetros para LTE . . . 81
1 Introdução 1 1.1 Contextualização . . . 1 1.2 Problema . . . 4 1.3 Objetivos . . . 4 1.3.1 Objetivos gerais. . . 4 1.3.2 Objetivos específicos . . . 5 1.4 Justificativa . . . 5 1.5 Contribuições . . . 6 1.6 Estrutura da Dissertação. . . 7 2 Referencial Teórico 9 2.1 Redes Celulares . . . 9 2.1.1 Evolução . . . 11 2.2 5G . . . 13 2.2.1 Modos de controle . . . 15 2.2.2 Nossos cenários . . . 21
2.3 Redes Wi-Fi (IEEE 802.11) . . . 22
2.3.1 Redes com Infraestrutura . . . 23
2.3.2 Redes ad-hoc . . . 24
2.4.3 Formação de grupo . . . 28 2.4.4 Descoberta de Serviços . . . 31 2.4.5 Segurança . . . 31 2.4.6 Gerência de energia . . . 33 2.5 Algoritmos Distribuídos . . . 34 2.6 Roteamento . . . 35 2.7 Roteamento ad-hoc . . . 35 2.7.1 Flooding . . . 38 2.7.2 AODV . . . 38 2.7.3 AODV-BR . . . 43 2.7.4 LAR . . . 44 2.8 Padrão de mobilidade . . . 46 3 Trabalhos Relacionados 49 3.1 Utilização de centralidade para encontrar novos pares em redes 5G . . . 49
3.2 Informações de redes sociais para alocação de recursos em SCN . . . 50
3.3 SDN em 5G . . . 50
3.4 Visão do Wi-Fi Direct . . . 51
3.5 Definição confiável de GO . . . 51
3.6 Comunicação multi-grupo sobre Wi-Fi Direct . . . 52
3.7 Roteamento em IMSN . . . 53
3.8 Comparação de protocolos de roteamento utilizando simulação e Testbed 54 3.9 Comunicação ad-hoc com mobilidade . . . 55
4.2 Pseudocódigo . . . 67 5 Testes e Implementação 72 5.1 Limitações . . . 74 5.2 Background . . . 74 5.3 Protocolos . . . 75 5.4 Mensagens . . . 76 5.4.1 CSB . . . 77 5.4.2 Andoid . . . 78 5.4.3 Omnet++ . . . 80 5.4.4 Cubieboard . . . 82 6 Resultados 85 6.1 Comparação real-simulado . . . 86 6.1.1 Flooding . . . 86 6.1.2 AODV . . . 89 6.1.3 AODV-BR . . . 92 6.1.4 LAR . . . 94 6.1.5 CSB . . . 96
6.2 Simulando redes mais densas . . . 98
6.2.1 30 nós . . . 98
6.2.2 45 nós . . . 101
6.3 Cubieboard . . . 104
7.2 Trabalhos futuros . . . 112
Introdução
1.1
Contextualização
De acordo com Mitra and Agrawal (2015), as tecnologias de comunicação celular evo-luíram rapidamente desde 2G Global System for Mobile - GSM (Scourias(1994)) - até a 4G Long Term Evolution - LTE (Ekstrom et al.(2006)). O principal motivo para isso foi a necessidade de mais largura de banda e de menor atraso. Segundo Oficina(2011), em 2020 é esperado que por volta de 50 milhões de dispositivos estejam conectados à rede celular, eEri(2015) diz que, comparando com 2014, isso trará muito mais tráfego nessas redes.
Hoje em dia, as aplicações são capazes de fazer transmissão de vídeo e compartilhar arquivos multimídia, pressionando os limites da rede celular. Além disso,Tehrani et al.
(2014) dizem que as novas aplicações precisarão de mais largura de banda por conta de seus novos usos, como jogos, redes sociais e vídeo conferências.
Contudo, a arquitetura da rede celular atual é centralizada, i.e., a comunicação entre dispositivos que a utilizam ocorre por intermédio de uma estação base - base station (BS). Isso faz com que o núcleo da rede celular (responsável pela comutação de chamadas e encaminhamento de mensagens) seja responsável por toda comunicação. Tudo isso,
junto com mais dispositivos móveis se comunicando e aplicações que requisitam mais largura de banda, faz com que o tráfego no núcleo aumente muito. Isso torna urgente uma alteração na arquitetura. Essa mudança vem na forma da rede 5G, que trará latência quase zero, conectividade o dia todo e todos os dias e alta qualidade de serviço - Quality-of-Service (QoS).
Uma das formas de alcançar tais objetivos é utilizar a comunicação dispositivo-a-dispositivo - device-to-device (D2D) - na rede. Esse estilo de comunicação, também chamado de ad-hoc, permite que as pessoas se comuniquem diretamente através de tecnologias sem fio.
Considere o cenário de uma conferência onde muitas pessoas estão participando. Usuários de dispositivos móveis desejam verificar a agenda do dia para saber sobre apresentações que estão sendo ministradas e, eventualmente, buscar informações sobre as que eles desejam comparecer. Essas informações podem estar disponíveis em pontos de transmissão que permitam aos usuários de dispositivos móveis se conectarem a eles e obter o dado desejado. Uma possível situação deste cenário é as pessoas se reunirem próximas a um desses pontos e buscar os dados. Dois problemas surgem disso: i) os usuários que não estão na área de cobertura podem não receber o dado e ii) eles precisam estar parados até que o dado seja transferido por completo, pois, enquanto se movem, eles podem sair da área de cobertura e não receber todo o dado. Por outro lado, os usuários podem se aproveitar de períodos do dia nos quais eles não se movem, como durante o almoço, para buscar informações. Porém, lugares nos quais as pessoas almoçam geralmente ficam lotados nesse período, sobrecarregando um possível local de transmissão. Uma solução para este problema é utilizar comunicação D2D. Com ela, a informação pode ser passada a um usuário através de outro que já a contenha.
No cenário acima, usuários e operadoras de rede podem tomar vantagem dessa ca-racterística. Os usuários podem se conectar com um ponto de transmissão e obter uma boa QoS mesmo que estejam em uma área com pouca cobertura. Isso é alcançado
uti-lizando outros dispositivos como pontos de transmissão para os dados que eles desejam obter ou compartilhar. Já as operadoras terão menos dados trafegando em sua rede, permitindo uma melhor QoS aos usuários.
Além das redes celulares, outros tipos de tecnologia sem fio são utilizadas para a co-municação entre dispositivos. Dentre essas tecnologias, o padrão IEEE 802.11 (Wi-Fi) possui um modo ad-hoc para que os dispositivos que o utilizam possam se comuni-car diretamente. Algumas plataformas, como a Linux Lin (2015), implementam essa funcionalidade. Segundo Camps-Mur et al. (2013), o modo ad-hoc do Wi-Fi não foi amplamente utilizado pelo mercado, o que o faz apresentar vários problemas para os cenários atuais, tais como, pouca eficiência em economizar energia dos dispositivos que a utilizam e baixa QoS. A pouca eficiência deste modo Wi-Fi trouxe a necessidade da criação de outras formas de comunicação ad-hoc. Neste contexto, a Wi-Fi Alliance desenvolveu a tecnologia Wi-Fi Direct. Esta tecnologia utiliza a interface Wi-Fi dos dispositivos para fazer a comunicação D2D. Hoje em dia, a utilização da comunicação D2D se dá apenas para compartilhar arquivos entre dispositivos que estejam próximos. Porém, essa proximidade nem sempre é garantida, i.e., usuários que desejam compar-tilhar informação podem nem sempre estar próximos uns dos outros.
Suponha um cenário comum onde usuários de dispositivos móveis se movem de um lugar para outro, seja indo de casa para o trabalho ou escola, voltando para casa, ou fazendo algum trabalho no intervalo. Contudo, dois usuários que moram juntos nem sempre vão para a mesma escola ou possuem o mesmo emprego, tomando, portanto, caminhos diferentes para seus destinos. Enquanto está a caminho de seu destino, um usuário pode cruzar com diferentes pessoas e, mesmo assim, querer compartilhar algo com seu companheiro. Encontrar uma rota entre dois dispositivos é uma grande pre-ocupação de protocolos de roteamento. Esses protocolos podem tirar vantagem de encontros oportunísticos com outros usuários que geralmente não tomam o mesmo ca-minho para achar uma rota melhor entre dois dispositivos.
Por outro lado, enquanto se movimentam para seu destino, os usuários geralmente têm o mesmo comportamento, ou seja, eles possuem um padrão de mobilidade. Esses padrões podem interferir nas possíveis rotas existentes entre duas pessoas, logo, afetar a qualidade da comunicação entre eles. Portanto, investigar como que diferentes padrões de mobilidade interferem na comunicação entre duas pessoas é uma grande preocupação na comunicação D2D.
Para que a comunicação possa ser feita entre usuários que não estão diretamente conectados, um protocolo de roteamento D2D deve ser utilizado. Esses protocolos permitem que o dado viaje através de outros dispositivos até que ele alcance o destino.
1.2
Problema
Existem vários trabalhos que descrevem a rede 5G além de outros que fazem imple-mentações em seus conceitos. Contudo, de acordo com nossos conhecimentos, poucos trabalhos comparam a diferença entre a carga de comunicação quando utiliza-se a rede celular com a comunicação D2D pura. Isso significa que, mesmo com a provável me-lhora na utilização de D2D, não existem muitos dados para mostrar isso. Portanto, o presente trabalho visa responder a seguinte pergunta: "a comunicação D2D realmente traz menos carga à comunicação de modo que ela possa auxiliar as redes celulares?".
1.3
Objetivos
1.3.1 Objetivos gerais
• Comparar a carga introduzida pela comunicação D2D pura com a carga ao utilizar uma BS dentro do cenário 5G;
• Propor um protocolo de roteamento que traga carga média aceitável em relação aos clássicos com diferentes cenários D2D.
1.3.2 Objetivos específicos
• Simular cenários D2D e LTE e coletar a carga que cada cenário traz à rede; • Utilizar dispositivos móveis Android formando uma rede para fazer seu
rotea-mento;
• Utilizar e extrapolar as ferramentas disponíveis para a plataforma Android de modo que o roteamento seja possível;
• Modificar algumas funcionalidades para que o roteamento aconteça de forma mais satisfatória;
• Encontrar e entender diferentes implementações do Wi-Fi modo ad-hoc disponí-veis e fazer o roteamento de dispositivos nessas implementações;
• Utilizar informações de relação entre usuários para criar rotas entre eles.
1.4
Justificativa
Aplicações que trocam mensagens e arquivos podem se beneficiar da comunicação D2D. Elas podem fazer a troca de informações sem que a rede celular ser acessada, i.e., trocá-las diretamente utilizando a proximidade dos dispositivos. Contudo, o grande problema da rede celular LTE é sua centralidade, i.e., a comunicação é sempre feita em um ponto central da rede. O fato de que cada vez mais pessoas possuem um dispositivo móvel que se comunica com a rede celular levará a uma carga muito grande na rede. Junto com isso, vários aplicativos demandam cada vez mais largura de banda, aumentando o tráfego, o que fará com que, se nada for feito, a QoS para os usuários seja muito baixa.
A forma de contornar isso é mudar a arquitetura da rede celular para a 5G. Nessa arquitetura, dentre as mudanças que trarão uma melhora na QoS está a possibilidade de comunicação D2D entre os dispostivios que a utilizam. Utilizar a comunicação D2D na rede permite que dispositivos que queiram compartilhar dados entre eles não os envie para o núcleo da rede, diminuindo o tráfego na rede. Por outro lado, as operadoras são resistentes a utilizar a comunicação D2D pois isso pode diminuir seus lucros. Na comunicação D2D, os usuários não utilizam a rede celular, portanto não podem ser tarifados. No entanto, criar formas de permitir a comunicação D2D na rede pode ser benéfico à elas pois, através dessas formas, mais usuários utilizarão a rede.
Por outro lado, usuários que queiram compartilhar dados podem não estar no al-cance um do outro, o que torna necessário a utilização de protocolos de roteamento D2D. Esses protocolos levam em consideração a mobilidade dos usuários para criar rotas e transmitir dados. Além disso, diferentes protocolos utilizam diferentes métri-cas na hora de criar as rotas, fazendo com que cada um seja recomendável para um determinado cenário.
Outro ponto é que diversos tipos de dispositivos se comunicam através de uma tec-nologia sem fio e possuem diferentes características. Desta forma, um mesmo protocolo de roteamento pode se comportar de maneira diferente em cada tipo de dispostivo. Criar um protocolo que possa se sobrepor a esses desafios é de extrema importância para introduzir a comunicação D2D na rede 5G.
1.5
Contribuições
Com a realização deste trabalho pudemos mostrar que a carga final ponto-a-ponto vai ser menor se a comunicação D2D for utilizada na infra-estrutura ao invés de somente a comunicação com a BS. Isso nos diz que, se utilizarmos a comunicação D2D como auxílio à comunicação celular normal, muita carga poderá ser retirada da rede. Além disso,
um protocolo de roteamento ad-hoc, de nome Contact and Social Behavior (CSB), foi proposto e provou ser o mais indicado para diferentes cenários, trazendo uma carga média aceitável e realizando suas funções em cada cenário.
Por fim, nosso trabalho nos rendeu duas publicações:
• MARINHO, R. P.; MENEGATO, U. B. ; OLIVEIRA, R. A. R. . Mobile Devices Routing Using Wi-Fi Direct Technology. In: Proceedings of The Eleventh Ad-vanced International Conference on Telecommunications, 2015, Brussels, 2015. v. 8. p. 83-89 de Qualis B1;
• MARINHO, R. P.; MENEGATO, U. B. ; OLIVEIRA, R. A. R. . IMSN Routing on Wi-Fi Direct Enabled Devices. In: Proceedings of The 13th ACM Internatio-nal Symposium on Mobility Management and Wireless Access, Cancún, 2015 de Qualis B3.
1.6
Estrutura da Dissertação
O restante do texto é divido da seguinte forma: o Capítulo 2 mostra os conceitos que utilizamos na produção do trabalho. No Capítulo 3 são apresentados trabalhos relacionados. No Capítulo 4, é discutido e apresentado o protocolo proposto por nós durante nosso trabalho. O Capítulo5mostra como foram implementados os protocolos utilizados nos diferentes cenários utilizados. O Capítulo6mostra os resultados obtidos durante o trabalho, e por último o Capítulo 7 fala sobre as conclusões e trabalhos futuros.
Referencial Teórico
Neste capítulo serão definidos os conceitos utilizados no trabalho. Na Seção 2.1é apre-sentada a arquitetura básica das redes celulares. Já a Seção 2.2 apresenta a rede 5G assim como seus objetivos, desafios e possíveis soluções. A Seção 2.3 apresenta as redes Wi-Fi, suas vantagens, desvantagens e algumas de suas características. As Sub-seções 2.3.1 e 2.3.2 apresentam as redes com infraestrutura e ad hoc, respectivamente. A Seção 2.4descreve o funcionamento da tecnologia Wi-Fi Direct assim como sua ar-quitetura e todos os mecanismos disponíveis para ela executar suas funcionalidades. A Seção 2.5explica o que são e como funcionam os algoritmos distribuídos. A Seção 2.6
explica o funcionamento dos protocolos de roteamento. Já a Seção 2.7 explica e mos-tra o funcionamento de alguns protocolos de roteamento ad-hoc. Por fim, a Seção 2.8
mostra como os padrões de mobilidade funcionam e mostra quais foram utilizados neste trabalho.
2.1
Redes Celulares
As redes celulares são redes destinadas à comunicação de uma ou mais estações móveis. Elas possuem este nome pois são baseadas em células que proveem o serviço de telefonia
móvel. Para se conectar a uma dessas células, o usuário deve estar dentro do raio de alcance de uma BS. Essas BSs são ligadas às Base Station Controller - BSC (Ishida et al. (2005)), que são as controladoras das BSs. SegundoTeleco(2016):
A BSC é a controladora das BSs, e sua função é alocar um canal para a duração da chamada, monitorar as chamadas visando qualidade e potência transmitida pela BTS ou a estação móvel.
As BSCs são conectadas a um Mobile Switching System - MSC (Ishida et al. (2005)). Os MSCs são as centrais da rede e fazem o encaminhamento e comutação das chamadas e das mensagens dos dispositivos que fazem parte da rede. A Figura 2.1 ilustra uma rede celular.
Figura 2.1: Rede celularOficina (2013).
Pela evolução nos dispositivos móveis e tecnologias de comunicação, a rede celular também precisou evoluir, desde a primeira geração (1G), passando pela segunda (2G)
e terceira (3G) chegando até a atual quarta geração (4G).
2.1.1 Evolução
As redes celulares 1G utilizavam sinal analógico para comunicação. Nesta rede, apenas voz podia ser trafegada, além de ser muito suscetível à clonagem. Utilizava AMPS - Ad-vanced Mobile Phone Service - na comunicação utilizando FDMA - Frequence Division Multiple Access - e operava na faixa de 800MHz.
Nas redes 2G já é possível trafegar dados digitais e obter acesso de baixa velocidade à Internet. A rede 2G mais difundida foi a GSM - Global System for Mobile Communi-cation - que utiliza TDMA - Time Division Multiple Access - e CDMA - Code Division Multiple Access - para transmitir dados de diferentes usuários. Nessa rede, as melhoras vieram na forma de codificação de voz mais poderosa, maior eficiência espectral, melhor qualidade de voz, facilidade na comunicação de dados e criptografia.
As redes 3G se baseiam em UMTS - Universal Mobile Telecommunications Service, que é a evolução do GSM. Desta forma, a compatibilidade com as redes 2G foi mantida. Essas redes evidenciaram ainda mais a ênfase dada ao tráfego de dados com o aumento de velocidade em relação à rede 2G.
Com as redes 4G diminui-se a complexidade da infraestrutura, permitindo apenas tráfego de dados digitais, retirando os dados analógicos, que ainda são permitidos nas redes 2G e 3G. Elas utilizam a tecnologia LTE para se comunicar, o que aumenta a velocidade de transmissão de dados.
Já as redes 5G virão para suprir a demanda de largura de banda e latência que o crescente número de usuários de dispositivos móveis necessitarão. Ainda não existem padrões definidos sobre como as redes 5G irão funcionar, porém a infraestrutura da rede não será muito modificada em relação à 4G. A Figura 2.2 mostra a evolução das redes celulares em termos de dispositivo e algumas de suas características.
2.2
5G
Alguns grupos, como METIS (METIS(2015)), 5G-PPP (5GPPP(2014)), 5GNOW (5GNOW
(2015)), EMPhatic (EMPHATIC (2013)), NEWCOM (NEWCOM (2015)), NYU WI-RELESS (Rappaport et al. (2013)), 5GIC (of Surrey(2015)), ETRI (ETRI (2015)), e 5Gforum (Forum(2015)), trabalham para o desenvolvimento do 5G, sendo que um dos grandes objetivos dessas redes é lidar com o grande número de dispositivos e conseguir escalar a conexão deles na rede. Além do grande número e diversidade de dispositi-vos, como smart phones, consoles de jogos e TVs de alta resolução irão utilizar a rede. Portanto, ela deve ser capaz de suprir a necessidade de todos eles.
Com esse elevado número de dispositivos, a quantidade de dados trafegados na rede também será muito grande. Esse número será na ordem de 100 vezes maior do que o número de 2014 (Panwar et al.(2016)). Desta forma, deve-se distribuir a taxa de dados utilizando novas arquiteturas, tecnologias e distribuição de dados a usuários ao ar livre e em ambientes fechados.
A utilização do espectro, dividindo-o em Up link e Down link, faz com que ele seja desperdiçado. Melhorar essa utilização se faz extremamente necessário. Logo, criar um método de controle de acesso que utilize o espectro de comunicação de forma mais eficiente é de extrema importância.
Os dispositivos móveis também deverão ser capazes de suportar diferentes Tecnolo-gias de Acesso a Rádio - Radio Access Technology RATs - e bandas devido aos diferentes padrões mundiais. Desta forma, será possível uma conexão ubíqua, outro objetivo im-portante das redes 5G. Junto com a conexão ubíqua, vários tipos de serviços utilizarão as redes 5G, inclusive serviços de tempo real. Esses serviços devem possuir latência praticamente zero e alta largura de banda, assim a QoS deve ser ótima para os diversos tipos de serviço. Além disso, as redes 5G deverão ter (Panwar et al.(2016)):
• 1000 vezes mais volume de dados móveis por área; • 10-100 vezes mais taxa de dados;
• latência de 1ms; • 100% de cobertura.
Dos objetivos surgem vários desafios. Além de ter que expandir a taxa de dados e a capacidade da rede, as redes 5G devem fazer com que o consumo de energia de seus elementos seja otimizado. Para a melhora na taxa de dados e na capacidade da rede, pode-se implantar mais BSs em uma área, utilizar bandas de frequências maiores e me-lhorar a conexão. Porém, esta solução faz com que o consumo de energia nos elementos da rede aumente. Para fazer com que o consumo fique dentro de um limite controlado, podemos utilizar, entre outros, densificação de rede ou instalação de pequenas célu-las, utilização massiva de Multiple-Input Multiple-Output - MIMO (UFRJ (2013)) - e comunicação D2D para tirar carga da rede.
Além disso, a flexibilidade e escalabilidade da rede também deverá ser melhorada. Esses aspectos são os mais destacados para o futuro da comunicação móvel. Além da quantidade de usuários que estarão disputando o meio para se comunicar, as tecnolo-gias de comunicação, serviços requisitados e tipos de dispositivos serão muito variados. Para isso, pode-se utilizar arquiteturas baseadas em Software Function Virtualization - SFV (Jain and Paul (2013)) - e Software Defined Network - SDN (Jain and Paul
(2013)).
Como vários dispositivos estarão utilizando a rede, a interferência surge como um grande problema. Porém, as técnicas de controle de interferência atuais podem não ter um bom desempenho nas redes 5G. A interferência pode vir de diversos lugares, por isso, uma técnica eficiente para sua minimização(em termos de evitar grande carga na rede) e confiável (em termos de detecção e decodificação) para alocação de canal, associação de célula e balanceamento de carga deve ser proposto.
Uma das formas de conseguir uma melhora de 1000 vezes na taxa de transmissão é utilizar ondas milimétricas - milimeter Wave ( mm-Wave), com um comprimento de onda na ordem do milímetros, como a frequência portadora junto com descargas opor-tunísticas em bandas não licenciadas, como o Wi-Fi. Junto com mm-Wave, a utilização massiva de MIMO fornecerá maior taxa de transferência de dados e disponibilidade garantida. Além disso, a técnica de modulação deve ser melhor do que a Orthogonal Frequence Division Multiplexing - OFDM (Pinto and Albuquerque (2004)). Esta téc-nica pode ser a Filter Bank Multi-Carrier - FBMC (Bellanger et al. (2010)), que é robusta à assincronia entre transmissor e receptor.
2.2.1 Modos de controle
Utilizando redes 5G, os usuários terão Conectividade Ubíqua, Latência Zero e Conexão Gigabit. Isso significa que os usuários estarão conectados à rede celular o tempo todo, com uma conexão de alta velocidade obtendo o dado quase instantaneamente.
Essas características serão alcançadas ao introduzir a comunicação D2D em uma camada mais baixa da rede. Dessa forma, a arquitetura 5G terá duas camadas: i) uma mais alta (macro célula) que lida com a comunicação normal das redes celulares, ou seja, entre dispositivos e BS e ii) uma mais baixa (célula pequena) lidando com a comunicação D2D. As vantagens ao utilizar células pequenas para se comunicar é que elas possuem uma maior taxa de dados e utilização eficiente do espectro, pois os dispositivos estarão mais próximos uns dos outros, e maior economia de energia e dinheiro. Contudo, uma desvantagem é que autenticações frequentes são necessárias já que os dispositivos podem se movimentar entre as células.
Com a introdução de D2D, novos tipos de comunicação são fundidas à celular. Um desses tipos é Comunicação Direta D2D com Estabelecimento de link Controlado por Operadoras Direct D2D communication with operator controlled link establishment -DC-OC (Tehrani et al.(2014)). Aqui, os dispositivos utilizam uma tecnologia D2D para
se comunicar entre eles sob uma rede celular ou controlado por uma operadora. Logo, a operadora ainda possui controle na comunicação. Esse controle se baseia principalmente em autenticação de acesso, controle de conexão, alocação de recurso e comunicação segura.
Junto com DC-OC,d mais três classificações existem: i) Transmissão por Dispo-sitivos com Estabelecimento de link Controlado por Operadoras - Device relaying with operator controlled link establishment(DR-OC), ii) Transmissão por Dispositivos com Estabelecimento de link Controlado por Dispositivos - Device relaying with device con-trolled link establishment (DR-DC) - e iii) Comunicação Direta D2D com Estabeleci-mento de link Controlado por Dispositivos - Direct D2D communication with device controlled link establishment (DC-DC). Nas próximas subseções esses tipos de controle são melhor explicados.
DC-OC
A primeira classificação (DC-OC) se baseia na ideia de que os dispositivos se comuni-carão diretamente utilizando uma tecnologia D2D. Contudo, o estabelecimento de link ainda é feito pela operadora. A Figura 2.3mostra este tipo de comunicação.
Dentro dessa comunicação dois modos podem ser destacados: i) modo D2D total-mente controlado, na qual a rede celular possui total controle sobre a comunicação D2D e ii) modo D2D fracamente controlado, em que a rede celular possui algum controle na comunicação, mas não completo. No primeiro modo, as funções de controle e de dados, como criação de conexão e manutenção e alocação de recursos fica a cargo da operadora. Neste tipo de controle, as conexões D2D compartilham a banda licenciada celular com as conexões celular normal. Desta forma, a rede pode atribuir recursos di-namicamente a cada conexão D2D como se fosse uma conexão celular normal, ou pode atribuir um pool de recursos dedicados para cada conexão D2D. Já no segundo modo, a rede apenas faz autenticação de acesso, permitindo os dispositivos se comunicarem
Figura 2.3: Comunicação DC-OC no 5G.
através de uma banda não licenciada, como Bluetooth ou utilizando uma portadora na banda licenciada.
DR-OC
Aqui, os dispositivos na borda da rede celular ou em uma área com baixa cobertura que queiram se comunicar com a BS se aproveitam de outros dispositivos que estão na cobertura da rede celular e agem como ponto de transmissão para se comunicar com a BS. Desta forma, os dispositivos podem obter uma melhor QoS e economizar bateria. A Figura 2.4 mostra este tipo de comunicação. Aqui, os dispositivos desejam se comunicar com a BS. Porém, se eles estiverem em uma área com cobertura baixa, muitos pacotes serão perdidos, fazendo com que a QoS seja baixa e desperdice bateria. Por isso, utilizar outro dispositivo que aja como ponto de transmissão até a BS para se comunicar com ela melhora esses problemas.
Figura 2.4: Comunicação DR-OC em 5G. DR-DC
Até aqui, a BS sempre esteve envolvida na comunicação, mesmo que esse envolvimento não seja muito forte. Porém, 5G permite comunicação D2D direta sem envolvimento da BS. A Figura 2.5mostra a comunicação.
Aqui e no próximo tipo de comunicação, a BS não está envolvida, i.e., ela não coordena o estabelecimento de link, a comunicação é inteira D2D. No estilo DR-DC, os dispositivos que queiram se comunicar utilizam outros dispositivos entre eles como pontos de transmissão para compartilhar dados. Assim, fonte e destino precisam utilizar seus recursos de forma que a comunicação não cause muita interferência em outros dispositivos.
DC-DC
Aqui, fonte e destino estão na área de alcance de cada um, ou seja, eles possuem comunicação direta, como mostrado na Figura 2.6.
Figura 2.5: Comunicação DR-DC em 5G.
Portanto, eles precisam assegurar que sua comunicação não cause interferência entre outros dispositivos na mesma camada ou com dispositivos na camada macro célula. Desafios
Apesar de essa mudança na arquitetura trazer melhorias na comunicação, ela também traz mais desafios. Dependendo da situação, a informação que um dispositivo manda pode ou não ir através de outros dispositivos. Isso traz um problema de segurança: assegurar que outro dispositivo não irá corromper ou até copiar o dado que está passando por ele. Outro grande desafio é a interferência entre dispositivos se comunicando por D2D e os dispositivos se comunicando na rede celular. Com a introdução de D2D, mais dispositivos irão competir pelo canal, interferindo na comunicação de todos. E, por último, mas não menos importante, as operadoras devem dar incentivos aos usuários para que eles utilizem seus dispositivos como pontos de transmissão e mesmo assim cobrarem os usuários pelo acesso à rede.
Figura 2.6: Comunicação DC-DC em 5G.
todos dispositivos que irão servir de pontos de transmissão sejam conhecidos. Isso pode ser alcançado criando uma lista de dispositivos confiáveis, na qual a informação só passará pelos dispositivos nessa lista. A lista pode conter dispositivos que estão no mesmo grupo, como em uma empresa ou amigos. Outra maneira é permitir que dispositivos que desejam participar como pontos de transmissão se autentiquem na BS e, após essa autenticação, permitir sua participação como ponto de transmissão.
Com as comunicações DR-OC e OC-D2D, o problema de interferência é trivial. Como a BS participará do estabelecimento de link, ela pode garantir que a comunica-ção dos dispositivos irá causar menos interferência possível em outros dispositivos. O principal desafio é nas outras duas comunicações: DR-DC e DC-DC. Nessas comunica-ções, não existe a entidade central, dessa maneira, os dispositivos devem garantir essa mínima interferência no mesmo nível de comunicação (D2D) e no nível de comunicação mais alto (com BS). Isso pode ser alcançado por abordagens diferentes, como pooling de recursos, jogos não cooperativos ou de barganha e admissão de controle e alocação de energia.
A grande vantagem em utilizar D2D em redes celulares é utilizar algum dispositivo como ponto de transmissão para se comunicar com outros que estejam em uma área com pouca ou sem cobertura. Contudo, os usuários que utilizarão seus dispositivos como pontos de transmissão utilizarão seus recursos, e.g., bateria, armazenamento e banda. Então a questão que as operadoras devem responder é "pagar pelo que?", i.e., como eles irão cobrar os usuários que transmitirão a informação. Se o usuário achar que essa cobrança não é justa, eles voltarão a utilizar as tecnologias D2D não pagas e não licenciadas. Contudo, permitir que as operadoras controlem a comunicação D2D traz vantagens como mais segurança e uma melhor QoS, logo elas devem receber por isso. No cenário DR-OC, como o nó de transmissão utilizará seus recursos, a operadora pode dar alguns descontos na conta mensal ou serviços grátis de acordo com a quantidade de dados que ele transmitirá. Do ponto de vista da operadora, é razoável que a cobrança ocorra, já que usuários que estavam em áreas nas quais não utilizariam a rede celular poderão fazer isso agora.
No DC-OC, o problema é em quanto do espectro os usuários utilizarão. Na perspec-tiva da operadora, elas querem maximizar o lucro, enquanto os usuários querem utilizar mais espectro. Dessa maneira, o grande problema é otimizar esses interesses. Isso pode ser alcançado utilizando leilões ou teoria de jogos. Como no DC-DC e DR-DC, a ope-radora não controla a comunicação, não faz sentido em cobrar os usuários. Ao invés disso, eles podem entrar em um acordo.
2.2.2 Nossos cenários
O cenário escolhido para a comunicação D2D foi o DR-DC, i.e., os dispositivos se comunicam entre eles com outros dispositivos como pontos de retransmissão e controlam toda a comunicação. Este cenário foi escolhido pois ele é o único no qual os dispositivos se comunicam diretamente e um protoco de roteamento é necessário. Isso pelo fato de que, neste cenário, os dispoistivos serão responsáveis por toda a comunicação, como
ocorre na D2D. Enquanto para o LTE, o cenário é o usual: dispositivos se conectam à BS e compartilham dados por ela.
2.3
Redes Wi-Fi (IEEE 802.11)
O termo Wi-Fi é uma marca licenciada originalmente pela Wi-Fi Alliance, conjunto de empresas que se juntaram para que um padrão nas normas e especificações do padrão IEEE 802.11 fosse estabelecido e, assim, facilitasse sua disseminação. O termo refere-se a um conjunto de especificações para interconexão entre dispositivos em uma rede local sem fio (WLAN - Wireless Local Area Network) utilizando o Padrão IEEE 802.11 (IEEE
(2016)). Estas redes transmitem os dados por sinais de radiofrequência, ou seja, ondas eletromagnéticas. A flexibilidade do Wi-Fi é tão grande que se tornou viável a imple-mentação de redes que fazem o uso desta tecnologia nos mais variados lugares. Assim, é comum encontrar redes Wi-Fi disponíveis em hotéis, aeroportos, rodoviárias, shoppings, escolas, universidades, etc. Para utilizar essas redes, basta ao usuário ter um laptop, smartphone ou qualquer dispositivo que tenha uma interface de comunicação sem fio.
Apesar disso, as redes Wi-Fi apresentam algumas dificuldades em seu uso/implementação. Uma dessas dificuldades é a redução de sinal pela atenuação das ondas. Como os dispo-sitivos se comunicam por radiofrequência, eles podem sofrer interferência de outros que também utilizam essas ondas na mesma frequência. O sinal emitido por um dispositivo perde sua força quando passa por alguma matéria qualquer (água, concreto, pessoas, etc.), fazendo com que o sinal se atenue. Existe também o problema de vários cami-nhos, no qual o sinal em um ponto pode vir de ondas diferentes que sofrem refração e reflexão de outros pontos. Isso pode fazer com que em um ponto o sinal se atenue pois o caminho que as ondas levaram para chegar a ele faz com que elas tenham fases destrutivas ou pode fazer com que o sinal se intensifique, quando as ondas que chegam em um ponto possuem fases construtivas. A Figura 2.7mostra esse problema.
Figura 2.7: Problema de vários caminhos até o destino
Nela, uma fonte envia o sinal e existe um obstáculo no caminho de propagação dele. Devido à reflexão do sinal quando ele encontra as paredes, em cima e em baixo na figura, os sinais refletidos podem se encontrar em mais de um lugar. Apesar de o sinal ser o mesmo (vindo da fonte), pode ocorrer que no ponto 1, a combinação dos sinais refletidos tenha uma força maior do que no ponto 2, fazendo assim que o sinal seja melhor no ponto 1 do que no ponto 2 apesar de saírem da mesma fonte.
2.3.1 Redes com Infraestrutura
Neste modo de rede, como o nome diz, é necessário haver uma infraestrutura pré-estabelecida para que a comunicação entre os terminais que a utilizam possa ocorrer. A existência de um elemento que conecte os dispositivos à rede cabeada é necessária. Esse elemento, chamado de ponto de acesso - Access Point (AP), normalmente um roteador, serve de conexão entre os dispositivos da rede e a rede em si. Eles são elementos especiais que são responsáveis pela captura e retransmissão das mensagens enviadas pelos dispositivos. Quando um usuário deseja utilizar a rede sem fio, este entra no alcance do AP e e se conecta a ele para que possa enviar e receber informações da rede. Nunca duas estações se conectam diretamente.
O dispositivo que se conecta a um AP é chamado de station - STA. Essas STA se conectam aos AP e criam os chamados Basic Service Set - BSS, que são as redes Wi-Fi. Cada BSS é identificado por um nome para que as STAs possam saber a qual rede desejam se conectar e em qual rede estão eventualmente conectadas. Esse identificador recebe o nome de Service Set Identifier - SSID. Além das BSSs, existem os Extended Service Set - ESS, que são vários BSSs conectadas por uma mesma rede. A Figura2.8 mostra essa divisão.
Figura 2.8: Arquitetura de uma rede 802.11( Tel(2016)).
Nessa figura, é posível observar mais uma divisão da rede, o IBSS - Independent Basic Service Set. Essa divisão ocorre quando pelo menos duas STAs se conectam umas às outras e se comunicam entre elas, de forma ad-hoc.
2.3.2 Redes ad-hoc
Nas redes ad-hoc (mundo (2009)), não é necessário a existência de uma infraestrutura para seu funcionamento. Cada estação se comunica diretamente com a outra, sem a necessidade de um AP. Duas estações que não estão dentro da área de cobertura uma da outra só se comunicam se existirem outras estações entre elas que possa enviar a mensagem. Aqui, a complexidade das estações é maior, pois cada uma tem que
imple-mentar os mecanismos necessários para a comunicação. Por este motivo, redes ad-hoc são indicadas principalmente em situações onde não se pode, ou não faz sentido instalar uma rede fixa, como em situações de desastres, conferências e campos de batalha.
Uma vantagem deste tipo de rede é a rápida instalação, já que não é necessária nenhuma infraestrutura para que seja estabelecida tal rede. Os nós de uma rede ad-hoc podem se mover arbitrariamente. Deste modo, a topologia da rede muda frequente-mente e de forma imprevisível, fazendo com que os nós devem ser capazes de se adaptar a essas mudanças. Porém, esta característica traz uma nova vantagem. Estas redes são tolerantes a falhas, já que novas rotas são criadas a todo tempo.
Uma versão ad-hoc para o Wi-Fi já foi produzida. Contudo, o projeto não foi muito a diante pois possuía vários problemas, como na QoS e em suas taxas de comunicação. Hoje existe uma iniciativa Linux para, utilizando a interface Wi-Fi, fazer a comunicação direta entre dispositivos. Porém, essa iniciativa utiliza um dispositivo com AP da rede com os demais se conectando a ele, sem que seja possível fazer a comunicação totalmente P2P. Essa implementação utiliza toda a infraestrutura do padrão Wi-Fi para criar um grupo de comunicação. Nessa implementação, o dispositivo que faz o papel de AP não é fixo, ou seja, um dispositivo pode ser AP em um grupo mas pode ser um cliente em outro.
Além dessa forma de criação de redes ad-hoc, existem outras mais populares, como o Wi-Fi Direct, que discutiremos na próxima seção.
2.4
Wi-Fi Direct
Com cada vez mais dispositivos móveis disponíveis, a comunicação direta entre eles se tornou mais usual. Algumas tecnologias, como o Bluetooth (UFRJ(2010)), fazem esse tipo de comunicação. Contudo, seu alcance é limitado e sua taxa de transmissão é baixa (apesar de existirem versões com essas características melhoradas).
A tecnologia Wi-Fi Direct (Alliance (2016)) foi criada pela Wi-Fi Alliance para facilitar o uso e implementação de redes ad-hoc. Ela utiliza a interface Wi-Fi do dispo-sitivo para que ele possa participar e criar esses tipos de rede. Por isso, essa tecnologia já nasceu com alcance e taxa de transmissão maiores, vindas da interface Wi-Fi. Ela implementa a comunicação P2P sobre o modo infraestrutura do padrão IEEE 802.11, herdando todas as características que esse padrão possui. Uma dessas características é definir um dispositivo para servir de AP para os outros (clientes) se conectarem, for-mando grupos P2P. Porém, diferente do padrão IEE 802.11, esses papéis são atribuídos dinamicamente, logo todos os dispositivos devem implementar as duas funções. Além disso, segundoSilva(2013), um mesmo dispositivo pode, ao mesmo tempo, ser AP em um grupo e cliente em outro. De acordo com Camps-Mur et al. (2013), isso pode ser feito de duas formas: i) o dispositivo possui interfaces diferentes, desse modo ele se co-necta como cliente em uma interface e se torna AP por outra e ii) o dispositivo utiliza técnicas de virtualização dividindo o canal por tempo.
2.4.1 Arquitetura
Como discutido brevemente no começo desta seção, os dispositivos que utilizam Wi-Fi Direct se comunicam através da criação de grupos. Esses grupos são chamados de Grupos P2P. Os dispositivos são divididos em três categorias:
• P2P Device • P2P Client • P2P GO
O P2P Device é quem cria logicamente os outros dois elementos, inclusive seus endereços físicos, o P2P GO (P2P Group Owner) é quem atua como AP para esse grupo e o P2P Cliente são os dispositivos que se conectam ao P2P GO. Apesar de
que todo P2P Cliente e P2P GO serem P2P Device, cada um desses elemento é uma entidade diferente( Silva(2013)).
Os papéis de P2P GO e P2P Client são definidos após uma fase de negociação e antes do início da comunicação. Segundo Silva(2013):
Uma vez definidos os papéis e estabelecido o P2P GO, o funcionamento no nível de enlace é o mesmo da rede Wi-Fi tradicional, tendo clientes legados conectados ao P2P GO inclusive.
A Tabela2.1mostra os papeis que cada elemento tem na arquitetura.
Elemento Descrição
P2P Devices Implementa os papéis P2P GO e P2P Client; Responsável pela negociação dos papéis; Suporte ao Wi-Fi Protected Setup (WPS); Pode suportar operação concorrente com WLAN. P2P Client Implementa o papel do cliente
P2P GO Implementa o papel P2P GO;
Deve prover funcionalidades equivalentes a um Ap; Deve prover registro WPS;
Pode prover conexão entre clientes associados;
Pode prover acesso a WLAN para os clientes por roteamento. Tabela 2.1: Componentes da arquitetura Wi-FI Direct: Fonte: Silva(2013) Outra similaridade que o P2P GO possui com o AP na rede com infraestrutura é que ele é responsável por atribuir endereços IPs para os P2P Clients. Isso é feito ao executar um servidor Dynamic Host Configuration Protocol - DHCP. Ele também é responsável por anunciar através de beacons, e deve suportar serviços de economia de energia para seus clientes associados, da mesma forma que o AP tradicional( Camps-Mur et al.(2013)). Além disso, ele é o único Gateway para outras redes. Apesar de os papéis serem escolhidos dinamicamente, o papel de P2P GO não pode ser transferido dentro de um grupo, ou seja a saída (ou eventual queda) do P2P GO acarreta no fim do grupo( Silva(2013)).
2.4.2 Descoberta de dispositivos
Antes de os papéis serem definidos e o grupo ser formado, os dispositivos devem primeiro reconhecer outros dispositivos em sua redondeza que também possuem a tecnologia Wi-Fi Direct ativa.
A descoberta é dividida em duas partes: i)scan e Descoberta.
Na fase de scan os dispositivos procuram, ativa ou passivamente, por grupos p2p já formados. Essa procura é a mesma da procura tradicional em redes Wi-Fi. Na procura ativa, eles enviam mensagens de procura e esperam alguma resposta. Já na passiva eles apenas ficam esperando beacons de algum P2P GO chegarem( Camps-Mur et al.
(2013)). Caso não recebam nenhuma mensagem, eles passam para a fase de descoberta. Nela, os P2P Devices escolhem um dos chamados canais sociais - canais 1, 6 ou 11 - na banda de 2.4 GHz, como sendo seus canais de escuta. Então ele alterna entre os estados de escuta e procura. No de procura, o P2P Device executa uma procura ativa enviando mensagens em cada um dos canais. No estado de escuta, o P2P Device, aguarda a chegada de mensagens no canal escolhido previamente. Quando receber uma mensagem, ele a responde. O tempo no qual cada estado fica ativo, é aleatório, ficando, porém, entre 100 ms e 300 ms(Camps-Mur et al. (2013)).
2.4.3 Formação de grupo
Assim que pelo menos dois P2P Devices se encontram, eles podem partir para a for-mação de grupo. A forfor-mação de grupo se resume a quem será o P2P GO. Isso se dá de três maneiras:
• Standard • Autonomous • Persistent
Standard
Está é a forma padrão de se criar um grupo e se dá com uma implementação de confirma-ção de três vias. O nome que se dá a essa negociaconfirma-ção é Requisiconfirma-ção/Resposta/Confirmaconfirma-ção de Negociação de GO. No fim dessa negociação, os P2P Devices concordam em quem será o P2P GO e em qual canal das bandas 2.4 GHz ou 5 GHz o grupo vai ope-rar( Camps-Mur et al. (2013)). A definição é baseada em um número de quatro bits, chamado de número de intenção, que os P2P Devices enviam um ao outro, sendo que, quem enviar o maior número se torna o P2P GO. Esse número pode variar de 0 a 15 e é atribuído aleatoriamente. Para casos de empate, um bit de quebra de empate, ati-vado aleatoriamente, é enviado na requisição da negociação do GO( Camps-Mur et al.
(2013)).
Após a definição dos papéis, o P2P GO estabelece uma comunicação segura através do WPS e então atualiza o servidor DHCP para atribuir os endereços IPs aos P2P Clients( Camps-Mur et al.(2013)).
Autonomous
Nesta forma, um P2P Device cria um grupo e se elege P2P GO. Assim que este grupo estiver estabelecido, inicialmente com apenas um dispositivo (o P2P GO), ele envia mensagens de beacon para que outros P2P Devices que estejam realizando a procura tradicional do Wi-Fi, possam identificá-lo e se conectarem a ele. Neste caso, não existe a fase de negociação de GO, logo ela vai direto para o estabelecimento de comunicação segura e a atribuição de IPs( Camps-Mur et al. (2013)).
Persistent
Durante a fase de negociação tradicional de GO, os dispositivos podem declarar o grupo como persistent utilizando uma flag nas mensagens de requisição, resposta e confirma-ção de GO. Desta forma, após a definiconfirma-ção de P2P GO, os papéis ficam armazenados e
sempre que, os P2P Devices se encontrarem, eles terão os mesmos papéis.
Esse procedimento faz com que as negociações de grupo subsequentes sejam mais rápidas. Quando os P2P Devices, na fase de descobrimento, se identificarem como pertencentes a um grupo persistent, um dos dois inicia o procedimento para convidar o outro, desta forma, não existe a negociação por quem será o P2P GO. Além disso, o estabelecimento de uma comunicação segura é mais rápido pois as credenciais de rede também são armazenadas e reutilizadas. A Figura 2.9 mostra como os processos de criação de grupo são feitos.
2.4.4 Descoberta de Serviços
Como a tecnologia Wi-Fi Direct é utilizada para conectar dispositivos diversos, alguns podem oferecer serviços diferentes além da Internet (serviço disponibilizado pelo Wi-Fi tradicional). Estes serviços variam desde troca de arquivos, impressão ou até mesmo Internet, e outros P2P Devices podem se conectar a ele para utilizar tal serviço.
O Wi-Fi Direct possui suporte para a descoberta de serviços no nível de enlace( Camps-Mur et al. (2013)). Com isso, os dispositivos podem descobrir os serviços disponibi-lizados antes de se conectarem e decidir com quem formar um grupo. Para isso, a tecnologia utiliza o protocolo Generic Advertisement Protocol (GAS) para transportar mensagens de descoberta de serviço produzida em um nível mais alto, e.g., UPnP ou Bonjour, para o nível de enlace( Camps-Mur et al. (2013)). De acordo com Menegato (2015):
O GAS é um protocolo de camada de enlace implementado com o uso de quadros ativos públicos, ele permite dois dispositivos 802.11 não-associados trocar consultas de um protocolo de alto nível. O GAS é implementado para funcionar como um container genérico, provê fragmentação e remontagem e permite ao dispositivo que recebe a consulta identificar o protocolo sendo transportado.
A Figura 2.10 mostra a troca de mensagens quando dois dispositivos estão desco-brindo os serviços que o outro possui.
2.4.5 Segurança
Como em toda comunicação, segurança é um item fundamental para que informações não sejam recebidas por outros. Como dito na Seção 2.4.1, o P2P GO utiliza o WPS para garantir a segurança na comunicação. No Wi-Fi Direct, o WPS é implemen-tado através de uma mensagem de confirmação na tela do dispositivo. A conexão só
Figura 2.10: Troca de mensagens na descoberta de serviços.Menegato (2015) ocorre quando o usuário do dispositivo autoriza a conexão, pressionado o botão para confirmação. O WPS é baseado no WPA-2 e utiliza Advanced Encryption Standard (AES)-CCMP como chave de encriptação. Além disso, utiliza uma chave previamente compartilhada (Pre-Shared Key -PSK) gerada aleatoriamente para autenticação múlti-pla(Camps-Mur et al. (2013)).
O P2P GO deve implementar um Registrar interno, enquanto o P2P Client im-plementa um Enrollee( Camps-Mur et al. (2013)). A última sequência da Figura 2.9
mostra essa negociação. Na primeira fase, o P2P GO, fica encarregado de gerar e enviar as credencias de rede, como chaves de segurança, ao P2P Client. A segunda fase ocorre quando houve uma desconexão e os dispositivos se encontram novamente. O P2P Cli-ent se reconecta ao P2P GO utilizando as novas credenciais, o que, no caso de o grupo ser persistent, faz com que os dispositivos pulem a primeira parte e vão diretamente à
autenticação( Camps-Mur et al. (2013)).
2.4.6 Gerência de energia
Um dos pontos fracos dos dispositivos móveis é sua bateria. Pelo fato de eles não pode-rem ficar conectados à uma fonte de energia o tempo todo, gerenciar e conseguir salvar o máximo de energia em uma conexão é um fator muito importante, principalmente para o P2P GO.
Os P2P Clients podem se beneficiar dos mecanismos já existentes para economia de energia providos pelo Wi-Fi tradicional. Contudo, ele não prevê mecanismos de economia de energia para os APs, já que nas redes tradicionais ele sempre estarão conectados à energia. Com isso, o Wi-Fi Direct define dois mecanismos de economia de energia para o P2P GO: i) economia de energia oportunística e ii) aviso de saída (Notice of Absence - NoACamps-Mur et al. (2013).
• Economia de energia oportunística: Nesta forma de economia de energia, o P2P GO para de receber e enviar mensagens baseado em informações enviadas pelos P2P Clients. Assim, ele aproveita algumas janelas nas quais os P2P Clients avisam que não irão enviar nenhuma mensagem e também entra no modo de economia de energia.
• NoA: Nesta forma, ao invés de o P2P GO esperar por informações vindas dos Clientes sobre janelas sem mensagens, ele mesmo notifica os P2P Clients que durante um certo período de tempo ele não receberá nem enviará nada. Aqui, de tempo em tempo, o P2P GO informa aos P2P GO que em uma janela de tempo, ele ficará inativo, portanto não será possível trafegar mensagens.
2.5
Algoritmos Distribuídos
O termo algoritmos distribuídos foi originalmente designado para referenciar algoritmos que executavam em diferentes processadores distribuídos geograficamente. Porém, o termo evolui e passou a referenciar algoritmos que executam em diferentes processadores através de troca de mensagens(Silva(2013)).
Operações de trocas de mensagens podem ser usadas para construir protocolos para suportar funções de processo e padrões de comunicação como a invocação de métodos remotos. Através do estudo das funções e padrões de comunicação pode-se projetar protocolos de comunicação adequados, baseados em trocas de mensagens reais e evi-tando redundância( Coulouris et al. (2011)). De acordo com Coulouris et al. (2011), estes protocolos devem suportar os dois paradigmas de comunicação comumente usados em programas distribuídos:
• Comunicação Cliente-Servidor: onde as mensagens de requisição e resposta são a base para a chamada de procedimento remoto
• Comunicação em grupo: onde uma mesma mensagem é enviada para vários pro-cessos
O roteamento pode ser visto como um algoritmo distribuído, já que ele deve exe-cutar em diferentes processadores, nos dispositivos ou nós da rede, e a comunicação é feita através de mensagens (informação sobre os dispositivos na rota). Além disso, o roteamento pode ser feito em um cenário Cliente-Sevidor, onde a mensagem é passada para um nó central (AP ou GO) e ele responde com a rota, ou também pode ser feito por uma comunicação em grupo em um cenário totalmente ad-hoc no qual todos os nós participam na criação da rota.
2.6
Roteamento
O roteamento é uma das partes mais importantes das redes. Com ele, é possível fazer com que dois dispositivos que não estejam conectados diretamente se comunicarem. O papel do roteamento é achar um caminho (rota) entre dois dispositivos ou dois grupos diferentes.
A maioria dos protocolos de roteamento existentes foi feita para redes com infra-estrutura, ou seja com um AP. Esses protocolos armazenam tabelas contendo as in-formações necessárias para saber como seguir a rota até que a mensagem chegue no destino. Essas tabelas armazenam, além do IP do destino, para qual dispositivo en-caminhar a mensagem (quem será o responsável por fazer a mensagem chegar mais perto do destino), por qual interface do dispositivo fonte a mensagem deve ser enviada (Wi-Fi, Ethernet, etc.) e a métrica utilizada para avaliar a rota. Geralmente, a métrica utilizada é a quantidade de saltos, ou seja, por quantos dispositivos a mensagem deve passar para chegar no destino, que a mensagem levará para ser entregue. Com menos saltos, provavelmente a mensagem chegará mais rápido ao destino. A Figura2.11 mos-tra esse mecanismo. Nela, a tabela armazena a rede destino para que o AP daquela rede envie a mensagem a quem irá recebê-la. Além disso, armazena a interface de saída junto com a distância, em saltos, que ele está da rede.
2.7
Roteamento ad-hoc
Dentro dos protocolos de roteamento existentes, existem os protocolos de roteamento para redes ad-hoc, ou seja, redes que não dependem de infraestrutura para serem for-madas e lidam com movimentação dos nós da rede. Estes protocolos funcionam de maneira diferente dos protocolos de redes com infraestrutura e podem ser divididos, quanto à política de criação de rotas, em proativos e reativos.
disposi-Figura 2.11: Exemplo de tabela de roteamento tab(2016)
tivos da rede. Desta forma, assim que uma informação estiver pronta para ser enviada, uma rota é selecionada. Para tal, assim que um nó entra na rede, ele se identifica com os vizinhos e requisita suas tabelas de roteamento. Com essas informações ele cria uma própria tabela para ele. Os vizinhos, por sua vez, adicionam o novo nó em suas tabelas. A atualização de rotas nos outros nós da rede se dá de duas formas: i) parcialmente e ii) completa. Na atualização parcial, os nós enviam apenas as rotas que foram atua-lizadas desde a última atualização. Este caso engloba a entrada ou saída de um nó na rede ou a descoberta de uma rota melhor para um determinado nó. Já na atualização completa, os nós enviam toda sua tabela na rede para que os outros fiquem cientes. A atualização parcial ocorre com mais frequência em intervalos menores, já a completa com menos frequência em intervalos maiores.
Uma vantagem deste tipo de protocolo é que assim que necessário, pode-se enviar o dado. Contudo, o espaço de armazenamento necessário é maior, já que cada nó conhece rotas para todos os outros. Alguns exemplos desse tipo de protocolo são:
• Optimized Link State Routing Protocol(OLSR) (Abolhasan et al.(2004));
• Destination-Sequenced Distance-Vector Routing(DSDV) (Mahdipour et al.(2009)); • Clusterhead Gateway Switch Routing (CGSR) (Al-Ghazal et al.(2007))
Já os protocolos reativos são aqueles que, antes de enviar um dado, necessitam descobrir uma rota entre origem e destino. Desta forma, esses protocolos não possuem informação prévia do estado da rede. Para criar uma rota, se inicia a fase de descoberta de rota. Esta fase se caracteriza pelo envio de mensagem de requisição de rota até que ela alcance o destino ou um nó que tenha uma rota para o destino. Em ambos casos, uma mensagem de resposta de rota é enviada de volta à origem para que ele crie a rota e envie o dado.
Uma vantagem deste tipo de protocolo é que pouco espaço de armazenamento se faz necessário, já que haverá rotas apenas para os dispositivos que foi feita a descoberta de rota. Porém, o tempo necessário para enviar o dado é maior, já que a rota possivelmente não estará disponível na hora do envio do dado. Alguns exemplos desse tipo de protocolo são:
• Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) (Perkins and Royer(1999)); • AODV-Backup Route (AODV-BR) (Lee and Gerla(2000));
• Location-Aided Routing (LAR) (bae Ko and Vaidya(1998)).
Para o nosso trabalho escolhemos os protocolos do tipo reativo por três motivos: i) ocupam menos espaço de armazenamento, ponto crítico em muitos dispositivos móveis, ii) a atualização de rotas é feita de forma oportunística, sem a necessidade de iniciar um processo para tal e iii) os cenários testados são cenário com a densidade (quan-tidade de dispositivos) alta, o que faz a utilização de um protocolo proativo menos indicada por conta da constante atualização de rotas e sobrecarga da rede. Além disso,
desenvolvemos testes com o protocolo flooding pois ele é um protocolo que nos dá uma base de comparação com os demais pois ele sempre encontra a melhor rota e converge rapidamente.
2.7.1 Flooding
No protocolo flooding, os nós participantes da rede apenas encaminham as mensagens enviadas por seus vizinhos sem nenhum controle. O que traz uma carga de dados muito grande. Desta forma, dois nós que não sejam vizinhos mas que possuam um em comum, podem se identificar como pertencentes à rede.
Porém, com este algoritmo, temos a garantia de que a mensagem será enviada pelo melhor caminho entre dois nós, já que a mensagem passará por todos os nós da rede.
2.7.2 AODV
O protocolo AODV é um protocolo do tipo reativo. Neste tipo de protocolo, um nó saberá se existe uma rota até o destino após uma fase de descobrimento de rota. Esta fase é iniciada quando um nó s quer se comunicar com um nó d na rede. Se s não possui uma rota para d a fase de descobrimento de rota é iniciada. Primeiro o nó s envia a seus vizinhos uma mensagem RREQ (Route Request) por broadcast. A mensagem possui os identificadores de s e d e o identificador do último nó que enviou a mensagem (quando s envia a mensagem, esse campo conterá s). Ela é replicada pelos nós intermediários também por broadcast. Esses nós atualizam o campo de quem encaminhou a mensagem com seu identificador. Essa informação será armazenada na tabela de rotas dos dispo-sitivos que receberem a mensagem para que eles saibam para quem enviar a resposta. A mensagem de resposta é criada em dois casos:
1. A mensagem chega em d
Nos dois casos uma mensagem RREP (Route Reply) é criada. Esta mensagem possui os identificadores de s e d e o identificador do último nó que encaminhou a mensagem RREQ. Tanto no encaminho da mensagem RREQ quanto no encaminho da mensagem RREP, os nós intermediários aproveitam e atualizam as rotas para os nós fonte (s), quando encaminhando a RREQ, e destino (d), quando encaminha a RREP.
A Figura 2.12 mostra o processo de encaminhamento de requisição. Nela, um nó F envia uma requisição a outro nó D através de um nó intermediário,X. Podemos ver na Figura 2.12(b) que, ao receber a requisição, X adiciona uma rota para F de um salto com o próximo nó a receber a mensagem sendo F, ou seja, quando X quiser se comunicar com F, X sabe que ele está a um salto de distância (vizinho) e que deve enviar a mensagem para F.
(a) Início da requisição.
(b) Chegada da requisição.
Figura 2.12: Requisiçao de rota no AODV.
Já a Figura 2.13mostra o processo de atualização na resposta à uma requisição. A Figura2.13(a)mostra o dispositivo D atualizando sua tabela com a entrada para F, ou
seja, ele também aproveita a mensagem para criar uma rota. Além disso, essa figura mostra que, para D, a rota para F possui dois saltos (X e F ) e o dispositivo que ele deverá encaminhar a mensagem é X. A Figura 2.13(b) mostra que X, assim como na requisição, aproveita a mensagem e cria uma rota para D. Já na Figura 2.13(c)mostra como F armazena a rota final para D.
(a) Início da resposta.
(b) Chegada da resposta.
(c) Final.
Já a Figura2.14mostra o caso no qual o nó intermediário já possui uma rota para o destino. Desta forma, quando a requisição chega em X, ele atualiza sua tabela inserindo a rota para F e responde F com a rota que ele possúi.
Figura 2.14: Nó intermediário já possui rota para o destino.
Se algum nó deixar a rede, seja por problemas de conexão, desconexão voluntária ou outra razão, uma mensagem RERR (Route Error) é criada. Ela é enviada pelo nó que identificou o problema para comunicar os nós da rede que o nó não está mais disponível. Desta maneira, assim que um nó receber a mensagem ele remove toda rota que contiver o nó problemático da tabela de rotas.
2.7.3 AODV-BR
O AODV-BR é uma modificação do AODV clássico. Com essa modificação os nós produzem rotas alternativas para um destino. Quando um nó recebe uma mensagem RREP, ele armazena a informação de rota desta mensagem, assim rotas alternativas podem ser encontradas.
RREP. Porém, diferentemente de AODV-BR tradicional, a informação foi utilizada para um nó decidir se irá enviar suas mensagens RREP ou não.
Quando um nó recebe alguma mensagem RREP ele armazena informação sobre o nó ao qual a mensagem é destinada - o nó que iniciou o descobrimento de rota - e o número de saltos nela. Com essa informação em mãos, quando um nó deseja enviar uma mensagem RREP ele primeiro checa se já existe uma rota para o dispositivo origem. Caso nenhuma rota seja conhecida, o nó envia sua mensagem. Porém, caso uma rota seja conhecida para a origem, o nó verifica se a quantidade de saltos da mensagem é menor que a armazenada. Caso seja, ele atualiza sua tabela e envia a mensagem, se não for ele descarta.
2.7.4 LAR
O algoritmo LAR, assim como o AODV, é um algoritmo reativo. Ele também utiliza mensagens RREQ e RREP para criar rotas. Contudo, diferentemente de AODV, ele utiliza informação sobre posicionamento geográfico dos dispositivos para se comunicar. Quando um dispositivo s deseja se comunicar com outro d, s precisa de informações de onde d estava em um instante 𝑡0. Essas informações são posicionamento geográfico
(latitude - 𝑋𝑑e longitude - 𝑌𝑑), direção (𝐷𝑑) e velocidade de movimento (𝑉𝑑). Baseado
nestas informações, quando s deseja se comunicar com d em um instante 𝑡1 (𝑡1 > 𝑡0),
ele calcula a possível área onde d possa estar em 𝑡1. Esta área é um círculo centrado
em 𝑋𝑑 e 𝑌𝑑com raio 𝑉𝑑(𝑡1− 𝑡0).
Com esta área criada, uma requisição é enviada aos vizinhos de s. Quando os vizinhos recebem a mensagem, ele verifica se ele se encontra na área especificada. Se ele está, continua propagando a requisição, caso não esteja, descarta a mensagem. A resposta ocorre do mesmo jeito que em AODV (Subseção2.7.2).
A Figura 2.15 mostra esse processo. As setas na figura representam a direção de movimentação de cada nó. Neste cenário, F deseja se comunicar com D. Para tal, ele
envia a requisição para seus vizinhos X e N. Como apenas X está dentro da possível área que D estará, ele continuará a encaminhar a mensagem. Já N a descartará.
(a) Início da requisição.
(b) Encaminhamento da requisição.
