Canal de Retorno para Redes Ad Hoc em TV Digital

Canal de Retorno para Redes Ad Hoc em TV Digital

Mailson Sousa Couto1

1_{Programa de P´os-Graduac¸˜ao em Ciˆencia da Computac¸˜ao, UERN/UFERSA}

Mossor´o – RN – Brasil

mailsoncouto@gmail.com

Abstract. This paper presents the concepts of interactivity on the channel and shows the architecture for data exchange between users and the network of Digi-tal TV, highlighting key features and patterns of communication offered by the government. In this article we will examine the feasibility of a wireless network to implement the return channel. For this analysis, we chose the Ad Hoc network that is affordable and provides a flexible solution, with the IEEE 802.11b. The simulation performance for the return channel consisted of test transmission of data packets in a multihop environment, analyzing the output of data flow. Resumo. Este trabalho apresenta os conceitos sobre o canal de interatividade e mostra a arquitetura para a troca de dados entre os usu´arios e a emissora da TV Digital, destacando as principais funcionalidades e padr˜oes de comunicac¸˜ao. Neste artigo, vamos analisar a viabilidade de uma rede sem fio para implemen-tar o canal de retorno. Para esta an´alise, foi escolhida a rede Ad Hoc que tem baixo custo e provˆe uma soluc¸˜ao flex´ıvel, com a tecnologia IEEE 802.11b. A simulac¸˜ao de desempenho para o canal de retorno consistiu em testes de trans-miss˜ao de pacotes de dados em um ambiente multihop, analisando a vaz˜ao do fluxo de dados.

1. Introduc¸˜ao

O Sistema Brasileiro de Televis˜ao Digital - SBTVD surgiu como uma alternativa para promover a inclus˜ao digital por meio da televis˜ao, baseado no fato de que 90% das residˆencias brasileiras possuem uma televis˜ao, ou seja, quase 65 milh˜oes de aparelhos no pa´ıs [Montez and Becker 2001]. O SBTVD oferece um novo caminho de acesso `as informac¸˜oes para uma grande parte da populac¸˜ao brasileira, que ainda n˜ao conta com os servic¸os digitais.

Para cumprir o objetivo de inclus˜ao digital no pa´ıs ´e necess´ario uma plataforma tecnol´ogica que disponibilize a interatividade, por meio de ferramentas que permitam um meio de comunicac¸˜ao entre os usu´arios e um sistema de provimento de servic¸os e aplicac¸˜oes, isto ´e, a TV Digital deve possuir um canal de interatividade.

Atrav´es do canal de interatividade, tamb´em chamado de canal de retorno, s˜ao exe-cutadas as funcionalidades necess´arias ao estabelecimento da comunicac¸˜ao e transporte de informac¸˜oes relativas aos aplicativos que podem ser oferecidos na TV Digital. Den-tre os novos servic¸os que ir˜ao ser ofertados aos usu´arios, podem ser citados: com´ercio eletrˆonico, jogos e acesso `a Internet.

O canal de retorno pode utilizar as mais diferentes tecnologias dispon´ıveis, como: ADSL, GSM, WiMax e PLC [Zimermann 2007]. Neste artigo, ´e analisada

a viabilidade de uma rede Ad Hoc para um canal de retorno, utilizando a tec-nologia com padr˜ao IEEE 802.11 [Santos et al. 2010]. A conectividade e a capaci-dade das redes Ad Hoc ´e tema de v´arios estudos para avaliac¸˜ao de desempenho [Bettstetter 2002],[Villela and Duarte 2004].

As redes locais sem fio (Wireless Local Area Networks - WLANs) est˜ao sendo amplamente usadas no acesso m´ovel aos servic¸os oferecidos pelas redes fixas, como a Internet. As principais caracter´ısticas dessas redes s˜ao a simplicidade e robustez e sua grande vantagem ´e o baixo custo de operac¸˜ao. Esta tecnologia tende a desempenhar um importante papel no acesso sem fio `a Internet, oferecendo uma soluc¸˜ao eficiente para a transmiss˜ao de dados fim-a-fim em banda larga para ambientes fechados, como por exem-plo: prac¸as de alimentac¸˜ao, hot´eis, aeroportos, e terminais interativos para TV Digital.

2. Canal de Retorno

O canal de interatividade ´e formado por dois canais de comunicac¸˜ao: o canal de descida, onde transitam as informac¸˜oes enviadas da emissora para o usu´ario; e o canal de retorno, que estabelece a comunicac¸˜ao do usu´ario com a emissora [CPqD 2006]. Tais canais s˜ao ilustrados na Figura 1.

Figure 1. Diagrama do Canal de Retorno

O canal de descida estabelece a comunicac¸˜ao no sentido emissora-usu´arios por meio do fluxo de transporte. J´a o canal de retorno realiza a comunicac¸˜ao no sentido inverso, ou seja, no sentido usu´ario-emissora e ´e composto por qualquer tecnologia de redes de acesso que estabelec¸a essa ligac¸˜ao.

O canal de retorno pode ser compreendido como a via de transmiss˜ao que ´e respons´avel pela comunicac¸˜ao das aplicac¸˜oes interativas no Terminal de Acesso, com servidores de aplicac¸˜ao que formam os Provedores de Conte´udo, no lado da trans-miss˜ao do sinal de TV. Atrav´es dele cada usu´ario pode, individualmente, enviar e receber informac¸˜oes e solicitac¸˜oes.

O governo brasileiro selecionou cinco tecnologias eleg´ıveis para a TV digital que podem ser utilizadas para o canal de retorno: IEEE 802.11,CDMA 1xEV-DO, WiMAX, PLC, e ADSL [Montez and Becker 2001]. O IEEE 802.11 soluc¸˜ao Ad Hoc, ´e detalhada na Sec¸˜ao 3. Entre estas, h´a tecnologias com e sem fios. A Tabela 1 resume as principais caracter´ısticas das cinco tecnologias, considerando o atual cen´ario brasileiro.

Uma das grandes vantagens da arquitetura do canal de retorno ´e a variedade de alternativas tecnol´ogicas para a implementac¸˜ao do acesso [Margalho et al. 2007]. Essa diversidade de opc¸˜oes tem a caracter´ıstica de adequar a tecnologia aos diferentes cen´arios geogr´aficos, populacionais e socioeconˆomicos. Tamb´em ´e poss´ıvel a inclus˜ao de novas tecnologias de acesso sem a exclus˜ao daquelas que atualmente est˜ao em uso.

Table 1. Caracter´ısticas das Tecnologias para o Canal de Retorno

IEEE 802.11 Ad Hoc CDMA 1xEV-DO WiMax PLC ADSL Custo da In-fraestrutura N˜ao estrutu-rada

Alta M´edia Alta Alta

Disponibilidade da Rede

Alta, com 20% dos n´os ligados

Alta Alta Alta Muita Alta

Alcance Centenas de Metros Dezenas de Km Dezenas de Km Centenas de Metros Poucos Km

3. Estudo de caso

Em uma rede Ad Hoc sem fio, elimina-se a infraestrutura de rede, onde os terminais se comunicam via r´adio e s˜ao respons´aveis pela func¸˜ao de roteamento, possibilitando a comunicac¸˜ao em cen´arios multihop, al´em da comunicac¸˜ao ponto-a-ponto. Assim, o modo Ad Hoc representa uma soluc¸˜ao flex´ıvel e de baixo custo para o canal de retorno, al´em de ser auto-organiz´avel e auto-configur´avel.

Para o canal de retorno Ad Hoc, um n´o de transmiss˜ao pode ser um set-top box ou terminal de acesso. Necessariamente, o aparelho dever´a conter uma porta de comunicac¸˜ao ligada `a Internet. Cada n´o deve ser capaz se comunicar com o gateway, diretamente ou atrav´es de v´arios saltos. O sinal da emissora de TV ´e enviado por difus˜ao terrestre e as informac¸˜oes de interatividade voltam atrav´es do canal de retorno.

Essas redes apresentam-se como uma boa soluc¸˜ao para cen´arios em que a rede fixa n˜ao est´a dispon´ıvel, ou onde ´e necess´aria a implantac¸˜ao r´apida de servic¸os de telecomunicac¸˜oes, como em cen´arios de cat´astrofes. Al´em disso, por sua facilidade de implantac¸˜ao, seu custo menor e sua escalabilidade tornam-se tamb´em atrativas para o servic¸o de caminho de retorno do canal de interatividade do sistema de TV Digital, dado que o n´umero de usu´arios deste sistema ´e vari´avel no tempo e no espac¸o e a topologia Ad Hoc consegue se adaptar a essa condic¸˜ao.

Apesar da vantagem do custo reduzido para a implantac¸˜ao, o uso de uma rede Ad Hoc como um canal de retorno tem uma desvantagem, ou seja, a conectividade. Dife-rente das outras tecnologias, a rede Ad Hoc pode n˜ao estar dispon´ıvel, pois depende de comunicac¸˜ao com m´ultiplos saltos. A conectividade da rede Ad Hoc depende da quan-tidade de terminais de acesso de uma regi˜ao, seu alcance de transmiss˜ao e o intervalo de tempo de acesso. O n´umero de terminais est´a relacionado com a densidade populacional da regi˜ao.

3.2. Tecnologia 802.11

O uso dos produtos com tecnologia 802.11 cresceu muito nos ´ultimos anos, principal-mente nas redes residenciais e corporativas. O tr´afego que predomina nesse tipo de rede ´e o TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol), semelhante ao tr´afego das redes locais cabeadas.

O padr˜ao IEEE 802.11 vem sendo desenvolvido por v´arios grupos de pesquisas que tˆem como objetivo prover melhorias como qualidade de servic¸o (Quality of Service -QoS) e novas aplicac¸˜oes [J´unior 2003]. Uma das suas extens˜oes ´e o 802.11b que opera na faixa de 2,4 GHz em canais de 20 MHz, com capacidade de transmiss˜ao de 11 Mbps.

Existem alguns parˆametros dentro do padr˜ao 802.11b que podem ser alterados para melhorar o desempenho da rede e, entre eles, est´a o protocolo RTS/CTS que utiliza o mecanismo de fragmentac¸˜ao de dados (RTS Threshold). Para analisar a vaz˜ao de uma rede Ad Hoc sem fio multihop e a influˆencia da configurac¸˜ao RTS Threshold na vaz˜ao da rede para o canal de retorno, foi simulado um teste descrito na pr´oxima sec¸˜ao.

3.3. Testes e Resultados Finais

Para a realizac¸˜ao dos testes foi utilizado o Network Simulator (NS-2) [NS-2 2006] para determinar a vaz˜ao da rede Ad Hoc sem fio num ambiente multihop, analisando a in-fluˆencia do mecanismo de controle de acesso do padr˜ao 802.11b, Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance(CSMA/CA), mantendo-se o parˆametro RTS Threshold em seu valor m´aximo [Bianchini 2002].

O procedimento para a simulac¸˜ao consistiu em configurar dois terminais Ad Hoc, sendo um como servidor e outro como cliente, e a partir disso gerar tr´afego UDP utili-zando a taxa de transmiss˜ao m´axima de 11 Mbps e tamanho de pacote igual a 1470 bytes, em um intervalo de tempo de um minuto. Na Figura 2, s˜ao apresentados os valores m´aximos de vaz˜ao da rede (Mbps) em func¸˜ao do n´umero de hops empregado, sem RTS.

Figure 2. Valores da vaz ˜ao da rede em func¸ ˜ao do n ´umero de hops

O pr´oximo teste determinou a vaz˜ao da rede Ad Hoc sem fio num ambiente multi-hop (de 1 a 5 multi-hops), verificando a influˆencia do mecanismo de controle de acesso do padr˜ao 802.11b (CSMA/CA), variando-se o valor do parˆametro RTS Threshold. O mesmo procedimento de teste anterior foi seguido e os resultados s˜ao mostrados na Figura 3.

Figure 3. Vaz ˜ao em func¸ ˜ao dos valores de RTS Threshold

Utilizando a topologia com 2 hops, o resultado mostrou que a maior vaz˜ao foi obtida com o mecanismo RTS desabilitado. Para os testes com 3, 4 e 5 hops a comunicac¸˜ao entre os terminais foi interrompida, sendo necess´ario diminuir a taxa de transmiss˜ao para que ocorresse a comunicac¸˜ao.

De acordo com os resultados obtidos observa-se que a vaz˜ao total ´e utilizada quando o parˆametro RTS Threshold ´e alterado para um valor maior que o tamanho do pacote a ser enviado, que ´e de 1490 bytes, e neste caso, o protocolo RTS/CTS n˜ao ´e ati-vado. Quando os valores do RTS Threshold s˜ao menores que o tamanho do pacote, o protocolo RTS/CTS ´e ativado e existe uma diminuic¸˜ao na vaz˜ao por conta do aumento na quantidade de mensagens de controle que s˜ao trocadas.

Ap´os os testes usando a simulac¸˜ao da rede Ad Hoc sem fio, fica claro que as configurac¸˜oes do padr˜ao IEEE 802.11b, utilizando RTS Threshold alteram a vaz˜ao na rede Ad Hoc. Compreende-se tamb´em que o aumento da quantidade de hops na rede Ad Hoc sem fio, faz com que o valor da vaz˜ao seja reduzido, e isso influencia o fluxo de dados para o canal de retorno.

4. Conclus˜ao

O SBTVD traz para a populac¸˜ao mais uma ferramenta de acesso a informac¸˜oes, sendo que a TV Digital ir´a atingir um grande n´umero de brasileiros, pois a televis˜ao est´a em quase todos os lares do pa´ıs. Uma grande parte dos benef´ıcios que a TV Digital pode oferecer s´o ser´a poss´ıvel com a utilizac¸˜ao do canal de retorno, fazendo a comunicac¸˜ao entre os usu´arios e as emissoras.

Uma caracter´ıstica importante para o sucesso do SBTVD ´e a opc¸˜ao da utilizac¸˜ao do canal de retorno por meio de v´arias tecnologias dispon´ıveis, sendo uma opc¸˜ao do usu´ario aquela que seja mais adequada de acordo com a sua necessidade de uso.

Deve-se considerar, ainda, que este ser´a um sistema complexo, com grande mul-tiplicidade de redes e de servic¸os, que ter´a, certamente, exigˆencias adicionais de gerˆencia de redes, interconex˜ao e seguranc¸a. O canal de retorno n˜ao se caracterizar´a pelo padr˜ao, mas sim por sua finalidade social, oferecendo um leque de recursos interativos ao usu´ario. A simulac¸˜ao apresentada no artigo foi baseada em uma rede sem fio que possui

caracter´ısticas de baixo custo e flexibilidade que s˜ao importantes para o canal de retorno no SBTVD. A rede Ad Hoc, funcionando com tecnologia 802.11b em um cen´ario multi-hop pode ter sua vaz˜ao reduzida a partir de alguns parˆametros de rede, comprometendo o fluxo de dados para o canal de retorno.

References

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