TRANSMISSÃO DE SINAIS DE VÍDEO COM TECNOLOGIA WIMAX:
ESTUDO DA CAMADA MAC POR MEIO DE SIMULAÇÃO
Gabriel
Nicoletti
Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC
gncl@puccamp.edu.br
David Bianchini
Sistemas de Telecomunicações – Gestão de Redes e Serviços
CEATEC
davidb@puc-campinas.edu.br
Resumo: Em função do grande interesse atual para
tráfego multimídia, onde voz, vídeo e dados conver-gem para um tráfego digital, que devem atender pa-râmetros de qualidade específicos, este trabalho buscou estudar a transmissão de vídeo quando feita por meio de enlace de rádio com tecnologia WiMAX fixo e identificou que os parâmetros de banda, perda de pacotes e jitter são muito críticos. A partir de da-dos obtida-dos em experimentos de transmissão real foi possível construir-se uma base de informações que viabilizam a modelagem do sistema desejado. Desta forma analisaram-se diferentes situações através da simulação propiciada pelo software ARENA com mo-delagem para os parâmetros de perda de pacotes e variação do tempo de atraso, jitter.
Palavras-chave: WiMAX, streaming de vídeo,
simu-lação
Área do Conhecimento: Engenharias IV –
Engenha-ria Elétrica - telecomunicações - 3.04.06.00-5.
1. 1. INTRODUÇÃO
A atual expansão da Internet vem exigindo dos pro-vedores de acesso investimentos constantes para atender a demanda que cresce muitas vezes além do planejado. Acompanha também este processo a chegada de novos serviços, a diminuição de custos de equipamentos de informática e a grande atração que aplicações de vídeo exercem sobre a sociedade. Dentre estas se observa o grande interesse de se baixar vídeos presentes no YouTub, transmitir seus próprios vídeos criados com câmeras digitais, e a expectativa que aos poucos se concretiza de utiliza-ção de sinais de TV via rede, em suas diversas ca-racterísticas, dentre elas a transmissão de sinais de televisão por Internet Protocol (IP) denominado IPTV. Dentre as soluções de acesso à Internet estão pre-sentes as ofertas feitas pelas redes metropolitanas de TV por assinatura, via cabo coaxial, ou provedor de serviços de telefonia com pares de fios e modems XDSL e, ainda, em muitos casos aonde estas redes
não chegam, as possibilidades via enlace de rádio com a tecnologia WiMAX.
Dentro deste quadro, este trabalho tem por objetivo estudar parâmetros de desempenho desta solução via rádio WiMAX com foco nas características de sua camada de acesso ao meio (MAC).
1.1. QoS – Qualidade de Serviço
A abordagem relativa à qualidade deve considerar três aspectos importantes: intrínseco, percebido, e avaliado O primeiro aspecto se refere à própria rede sendo descrito por parâmetros objetivos. O percebido se refere à qualidade vista pelo usuário, e isso se efetua numa transmissão de vídeo quando se usa de artifícios como armazenar o vídeo por um período de tempo, e deslocar sua exibição de alguns segundos antes de liberá-lo ao usuário de forma a garantir sua reprodução adequada. Por último, o avaliado se volta para o tempo em que o usuário, se manterá utilizan-do o serviço [1]
Uma transmissão de vídeo via enlace de rádio en-contra dificuldades para a garantia da qualidade. O meio de propagação pode levar a uma alta taxa de perdas de pacotes, em condições ruins pode diminuir muito a taxa de envio e até mesmo gerar um atraso entre pacotes (jitter) excessivo. Ainda assim,mesmo em um meio adequado, considera-se que um funcio-namento incorreto da camada MAC poderia com-prometer a qualidade.
2. CARACTERÍSTICA DA REDE WIMAX
As transmissões feitas por meio da tecnologia
Wor-ldwide Interoperability for Microwave Access
(Wi-MAX) tem como base a padronização do IEEE 802.16-2004. A arquitetura fixa se volta para atender acessos em redes metropolitanas alcançando áreas onde o atendimento pelas redes por cabo não o fa-zem. Em geral, um provedor de Internet estabelece uma comunicação com o seu usuário final, instalando neste uma antena, e no caso desta tecnologia, não é obrigatório que exista uma visada direta entre a as duas antenas, a instalada no provedor (BS - Base-Station) e aquela no usuário (SS - Subscriber
Stati-on). De forma geral o padrão IEEE 802.16 se apre-senta em três planos, específicos que são: ao plano do usuário, controle e gerência. [2]
2.1. A camada de acesso ao meio do padrão 802.16.
A camada de Controle de Acesso ao Meio, MAC (Médium Access Control) – encontra-se dividida em três subcamadas: a Subcamada de Convergência Específica - CS (Service - Specific Convergence
Sublayer), a Subcamada de Convergência Comum -
CPS (Common Part Sublayer) – e Subcamada de Segurança (Security Sublayer). Logo após a camada MAC, está presente a camada Física - PHY (Physical
Layer) [3].
Toda a comunicação que se estabelece, seja no sen-tido da estação Base (BS) para estação do usuário, ou cliente (SS) é controlada pela estação BS. Assim, antes que uma transmissão aconteça entre a BS e a SS se estabelece uma comunicação lógica, denomi-nada de conexão, entre as respectivas camadas MAC. Desta forma acontece a identificação da mes-ma, por meio de um identificador de conexão
(Con-nection Identifier – CID). A partir daí estabelece-se
um fluxo de serviço, unidirecional, de pacotes que trazem consigo um conjunto de parâmetros de quali-dade específico e uma identificação particular refe-rente ao fluxo de serviço (Service flow identifier – SFID).
O suporte à qualidade de serviço (QoS) é uma parte fundamental no projeto desta camada, que, além disto, deve também: providenciar a adaptação de tráfego de outras tecnologias, efetuar a multiplexação de fluxos de tráfego, prover o escalonamento e alo-cação dinâmica de recursos de transmissão, dar su-porte à segurança, exercer o controle de acesso e envio das informações e, por fim, o suporte as topo-logias de rede, tanto ponto-multiponto (PMP) como em malha (Mesh).
Um dos pontos importantes, dentro das funções da camada MAC, é a questão do escalonamento. Esta função é utilizada para definir a prioridade de trans-missão de através das conexões existentes. Cada conexão (definida pelo CID) se encaixa em uma classe pré-definida de escalonamento. Cada classe possui um conjunto de parâmetros que quantifica os seus pré-requisitos de QoS. Estes parâmetros são gerenciados através das mensagens de gerência do tipo DAS (Dynamic Service Addition) e DSC
(Dyna-mic Service Change). Quatro classes de serviço são
suportadas: Unsolicited Grant Service (UGS), Real
Time Polling Service (rtPS), Non-real-time Polling Service (nrtPS) e Best Effort (BE).
Neste trabalho, devido ao foco se voltar para trans-missão de vídeo, será dado uma atenção especial para duas delas, a saber:
• Real Time Polling Service (rtPS) – Esta classe
se volta para tráfego em tempo real com fluxo de taxa variável (pacotes de tamanho variável), co-mo é o caso do vídeo MPEG. Aqui a estação do assinante deve enviar requisições periódicas de largura de banda de acordo com as suas neces-sidades. A estação base concede a largura de banda por um determinado tempo. Nesta classe não é possível se utilizar de oportunidades de acesso aleatório de transmissão.
• Non-real-time Polling Service (nrtPS) – Que é a
classe voltada para tráfego armazenado e tole-rante a atraso com fluxo de taxa variável (paco-tes de tamanho variável), específico para vídeo armazenado MPEG. Por meio da oferta de fichas (polls) de transmissão unicast periodicamente, pode-se assegurar que o fluxo de tráfego terá oportunidades de transmissão mesmo que haja congestionamento.
Observando estas classes, a questão de concessão de bandas para transmissão no enlace de subida
(uplink), SS para BS, é feita pela BS, contudo a
re-quisição de banda é a maneira como a SS indica pa-ra uma BS que ela precisa de alocação de largupa-ra de banda. A BS também pode fazer o polling de largura de banda no enlace de subida, e nestas classes tanto a requisição por piggyback quanto por disputa são permitidas.
Um outro ponto essencial nas funções da camada MAC corresponde ao mecanismo de escalonamento visto ser ele que decide qual o próximo pacote que será servido na fila de espera. Antes disso ele é res-ponsável por distribuir a largura de banda da ligação pelos diferentes fluxos.
De forma simplificada pode-se visualizar a operação da camada MAC do IEEE 802.16 no diagrama mos-trado na Figura 1.
Figura. 1 – Diagrama da camada MAC – 802.16 – sim-pli- ficada.
3. A ANÁLISE POR SIMULAÇÃO
A simulação corresponde em se replicar, em um computador, a seqüência de eventos de um sistema que se deseja estudar, por meio da construção de um modelo deste sistema. O propósito em se efetuar a simulação é o de representar o comportamento próprio e as interações dos elementos que o com-põem, de forma que se permita uma avaliação de seu desempenho [4].
Na construção do modelo é fundamental que se faça uma correta modelagem dos dados de entrada, ou seja, esses devem ter sua representação feita por uma seqüência de variáveis aleatórias independente e identicamente distribuídas. Em geral, esta distribui-ção pode ser aproximada por um modelo probabilís-tico conhecido [5].
O procedimento adotado seguiu o fluxograma apre-sentado no anexo I – Simulação - procedimentos.
3.1. Simulação por evento discreto com o softwa-re ARENA
Com base nos estudo teóricos feitos sobre transmis-sões de vídeo, e experimentos utilizando a tecnologia WiMAX realizados na primeira fase da Iniciação Ci-entifica, buscou-se acesso ao Software ARENA, ver-são 12.0, para elaboração de um modelo para simu-lação da transmissão de vídeo cujo objetivo é o estu-do da camada MAC.
Para montar um modelo, foram utilizados dados cole-tados tais como: diversos tempos de variação de a-traso (Jitter), tempo de transferência e quantidade de pacotes perdidos nas transmissões. A partir desses dados, foi possível extrair equações que os descrevi-am, por meio da função input analyser do software ARENA, e assim implementá-los no modelo de simu-lação.
Assim, o primeiro modelo foi elaborado, e à medida que se identificavam inconsistências na representa-ção da realidade, foi sendo refeito. O modelo que simula a relação com banda e perdas e variação de atraso, obtido na última fase desta pesquisa, se en-contra presente no anexo I – modelo em diagrama de blocos no software ARENA.
4. RESULTADOS
Nos estudos teóricos [2] verificou-se, de forma sucin-ta, que os dados a serem transmitidos passam pri-meiramente por uma verificação de banda disponível. Se não existir banda suficiente para a passagem do dado, ele é mandado a uma estação para tentativa de retransmissão. Caso não seja possível retransmi-tir, ele é descartado. Se for possível retransmiretransmi-tir, es-tes pacoes-tes, junto com aqueles que não precisaram de mais banda, estes vão para a verificação de jitter. O critério para análise do jitter se apoiou ainda em publicações que apresentam o valor de 0,1s como limite, e quando este tempo for superado o pacote deve ser descartado [6].
Caso não haja descarte, os pacotes passam por um processo de transferência e chegam ao final do pro-cesso. As equações utilizadas para comparações de necessidade de banda, verificação de jitter e perdas na transferência foram extraídas utilizando a ferra-menta do software ARENA, identificada por Process
Analyser, que consegue a partir de dados obtidos
nos experimentos realizados com os rádios WiMAX da Parks Netair 1102 SS- gerar a distribuição que melhor os representa.
O modelo elaborado e apresentado no anexo II per-mitiu verificar que a quantidade de entidades perdi-das em cada rodada da simulação (que representam a quantidade de pacotes perdidos numa transmis-são), era muito maior do que o visto nos dados for-necidos previamente.
Tabela 1: Tabela de Entidades enviadas e entidades perdidas na simulação. Entidades Entidades Enviadas Perdidas 25 2 49 5 77 6 104 8 128 11 152 14 177 17 206 20 233 22 264 23
Verifica-se que em média, nos dados obtidos pelo software ARENA (Tabela 1 e Figura 2), a perda de pacotes é de 8,89% do total, enquanto que nos da-dos obtida-dos em experiência WiMAX a perda de paco-tes varia de 0,8% a 0,9%.
Figura. 2: Relação entre os pacotes enviados versus perdidos no modelo adotado
Figura. 3: Comportamento dos pacotes (entidades) perdidos em experiência com antenas Wimax.
Analisando estes dados e a discrepância dos resul-tados obtidos com o modelo, para com os obtidos em situação real de transmissão, considerou-se que as divergências se devem a:
• Inconsistência no formato dos dados de chegada de entidades, que possivelmente não são com-patíveis com os dados da realidade.
• A equação utilizada é uma adaptação daquela extraída da ferramenta Process Analyzer do software ARENA, que foi obtida a partir dos da-dos reais sobre variação de jitter. Quando utiliza-da, identificou-se que o programa perdia 100% dos pacotes de dados, levando a hipótese de e-xistir incorreções na equação obtida para repre-sentação das variações de atraso, jitter.
Para correção de tais fatores, seria recomendável, no caso:
• A disponibilidade de mais tempo para aprimora-mento do estudo do uso de ferramentas do soft-ware ARENA, tais como uso da ferramenta
Se-quence e a verificação da possibilidade de extrair
o tempo de demora para retransmissão do paco-te, a fim de produzir um efeito mais realístico do
jitter.
• Refazer todo o processo de simulação e com as antenas WiMAX buscar nova coleta dos dados, a fim de obter-se uma equação precisa sobre a chegada dos dados de entrada e uma verificação do limite aceitável de jitter para perda de pacotes. O limite de comparação, previamente utilizado, foi retirado de artigos científicos. Porém, com um novo processo de simulação seria possível retirar um valor exato desse limite.
• O estudo mais aprimorado sobre as equações obtidas com o Process Analyzer do Software ARENA, pois elas são feitas para o próprio soft-ware (ex: Beta [0.1,0.002]). O entendimento des-sas equações levaria a possíveis adaptações no modelo aqui proposto.
5. 6. CONCLUSÕES
Os objetivos deste trabalho de Iniciação Científica, considerando a metodologia e análise de um proble-ma de pesquisa, foram alcançados. Ressaltando, contudo que o modelo de simulação de transmissão de streaming de vídeo utilizando tecnologia WiMAX ainda não esteja representando fielmente a realidade exigindo e mais estudos visando o aprimoramento são necessários para sua validação. Embora o pro-cesso de análise e elaboração esteja coerente, o mesmo exige um maior número de rodadas e ajustes para alcançar o ponto ideal a que se propõe o mode-lo elaborado. Identificou-se, embora sem a precisão desejada, que os parâmetros de variação de banda, perda de pacotes e jitter, têm grande influência na qualidade final da transmissão.
O processo de simulação, embora útil devido seu baixo custo, é um processo complexo. Isto ocorre por que, além de exigir dados precisos da realidade e exigir que sua distribuição seja corretamente identifi-cada, solicita ainda um grande número de rodadas, discussões e aprimoramentos. Em fim, um profundo domínio sobre a natureza do sistema em questão e
do problema tratado, o que exige um extenso período de tempo para deixá-lo fiel à realidade.
6. AGRADECIMENTOS
À FINEP que propiciou o Laboratório de Sistemas Rádio – LabSira, pelo qual houve a disponibilização rádio WiMAX e software ARENA.
7. REFERÊNCIAS
[1] Marchese, M. (2007), QoS over heterogeneous
networks. England: John Wiley & Sons.
[2] Andrews, J. G. et al. (2007), Fundamentals of
Wi-MAX: understanding broadband wireless network-ing. USA. Pearson Education, Inc.
[3] Nuaymi. L. (2007), WiMAX- technology for
broad-band wireless access. England: John Wiley &
Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester. [4] Portugal, L. S. (2005), Simulação de tráfego –
conceitos e técnicas de modelagem. Rio de
Janei-ro: Interciência,.
[5] Chwif, L.; Medina, A.C. (2006), Modelagem e
si-mulação de eventos discretos teoria e aplicações.
São Paulo: Ed. dos Autores.
[6] Chen, Y; et al. Requirements of Network
applica-tions. Capturado online em 12/02/10 de
<http://enpub.fulton.asu.edu/ye/Published_Journal _Papers/Ye_48B.pdf.>
Anexo I
1- Simulação - procedimentos.
(Fonte: Banks, Carlson e Nelson 1995, p.14)
2 - Modelo em diagrama de blocos no software ARENA.
