Novos algoritmos para controle de admissão de chamadas para o serviço de voz sobre IP em redes locais sem fio infraestruturadas

Departamento de Engenharia de Teleinformátia

Programa de Pós-graduação em Engenharia de Teleinformátia

Novos Algoritmos para Controle de

Admissão de Chamadas para o Serviço de

Voz sobre IP em Redes Loais Sem Fio

Infra-Estruturadas

Autor

Júlio Fernandes Pimentel

Orientador

Prof. Dr. FranisoRodrigoPorto Cavalanti

Dissertação apresentadaàCoordenação

do Programa de Pós-graduação em

Engenharia de Teleinformátia da

Universidade Federal do Ceará omo

parte dos requisitos para obtenção do

grau de Mestre em Engenharia de

Teleinformátia.

Fortaleza Ceará

N

os últimos anos, observou-se o surgimento e a rápida disseminação da tenologia WLAN IEEE 802.11 que integrou-se ao merado atual e tornou-se

popular omo rede de banda larga sem o de aesso à Internet. Paralelamente, o

serviçodeVoIPapresentaumadasmaiorestaxasderesimentodentreasapliações

deInternetdaatualidade. Graçasàonvergênia destasduastendênias,aredita-se

que o serviço de VoIP em redes WLAN venha a ser uma importante apliação de

Internet.

Entretanto,oefeitoavalanhe foiidentiadoomoumgraveproblemapassível

de oorrer emuma rede WLAN funionando próximo ao seu limite de apaidade,

naqual aadmissão de um novo usuáriopode vir a provoar a degradaçãode todas

assessõesVoIPpré-existentes. Neste ontexto,oontrole deadmissãode hamadas

foiidentiado omoum nihoa ser explorado.

A avaliação de desempenho de quatro algoritmos de CAC foi realizada neste

trabalho. Dois deles foramenontrados na literaturapesquisada,um deles baseado

numa equação teória (EQA) e o outro na taxa de utilização do anal (CBA). Os

outros dois algoritmos representam as propostas inovadoras desta dissertação, um

delessebaseianaFERmédia dosistemanoenlaedireto(FEA) eoutronataxade

utilizaçãodobuer de transmissão doponto de aesso (BSA).

OFEAdemonstrou um melhoraproveitamentodos reursos darede emrelação

aosalgoritmosde CACseleionadosdaliteratura. Noentanto,estealgoritmosupõe

adisponibilidade da medidapreisa da FER no ponto de aesso. Já om oBSA, o

efeitoavalanhe foipratiamenteeliminado,possibilitandoaobtençãodosmelhores

ganhosdentre todos osalgoritmosavaliados. Alémdisso, suaimplementaçãoémais

simples e a obtenção damétria de deisão se dá diretamente no próprioponto de

I

n the last years, the IEEE 802.11 WLAN has beome very popular and widely deployed for Internet aess. On the other hand, voie over IP is one of the fast

growingInternetappliationstoday. Thankstotheonvergeneofthesetwotrends,

it is believed that VoIP over WLAN is expeted to beome an important Internet

appliation.

However, the so alled avalanhe eet has been identied as a real problem

in a WLAN, when operating near its apaity limit, in whih the admission of an

additionalallmayresultinunaeptableQoSforalltheongoingVoIPonnetions.

In this ontext, the all admission ontrol has been pointed out as an interesting

researhissue.

We have proeed the performane evaluation of four CAC algorithms. Two of

themwerefoundinspeializedliterature,onebasedonatheoretialequation(EQA)

and the other based on the hannel busyness ratio (CBA). The other algorithms

representtheinnovativeproposalsofthiswork,onebasedonthemeasureddownlink

FER(FEA) andthe other basedonthe transmissionbuer utilizationratio (BSA).

The resoure alloation provided by the FEA is more eient than the

one provided by EQA or CBA. However, this algorithm onsiders the aurate

availability of the downlink FER metri at the aess point. The BSA has almost

eliminated the avalanhe eet ahieving the best gains interms of apaity and

resourealloationwhenomparingwithallthealgorithmsevaluated. Additionally,

the pratial implementation of the BSA is very simple and the deision metri is

Ao Prof. Dr. Franiso Rodrigo Porto Cavalanti por ter sido meu orientador

desdeo períododa graduação.

Aos olegas do GTEL pelo ompanheirismo, proporionando um ambiente de

trabalho bastante salutar. Não poderia deixar de agradeer de maneira espeial

ao olega Viente Ângelo de Sousa Jr. pelo entusiasmo om o qual ele assumiu o

papel de meu o-orientador, mesmoque extra-oialmente, e aos olegas Leonardo

SampaioCardoso, André Ribeiro Braga,Alex PereiradaSilva,Elvis MiguelGaleas

StananellieCarlosHéralesMoraisde Limapelasdisussõesténias, omentários

esugestões.

Aos meus familiares e à Caroline Beserra de Castro, pelo inentivo e apoio

inondiional.

Lista de Figuras x

Lista de Tabelas xi

Lista de Arnimos xii

1 Introdução 1

1.1 Motivação e Objetivo . . . 1

1.2 Metodologia . . . 3

1.3 Contexto de Desenvolvimento daDissertação . . . 4

1.4 Produção Cientía eContribuições . . . 4

1.5 Estrutura da Dissertação . . . 5

2 Voz sobre IP em Redes Loais sem Fio 7 2.1 Vozsobre IP . . . 7

2.1.1 Componentes Serviço de Vozsobre IP. . . 9

2.1.2 Medidas de Qualidadedo Serviço de Vozsobre IP . . . 9

2.2 Redes Loais sem Fio . . . 10

2.2.1 Camada Físiado Padrão IEEE 802.11a . . . 12

2.2.2 Camada de Aesso aoMeio doPadrão IEEE 802.11 . . . 13

2.3 Problemas de Desempenho do Serviço de Voz sobre IP em Redes Loais sem Fio eRevisão de Literatura . . . 15

2.4 Sumário . . . 17

3 Modelagem do Sistema e Ferramenta de Simulação 19 3.1 Caraterístias Gerais da Ferramentade Simulação . . . 20

3.1.1 Estrutura doSimulador . . . 21

3.1.2 Gereniamentode Eventos . . . 21

3.2 Considerações Sobre o Canalde Rádio . . . 22

3.2.1 Interferênia . . . 23

3.2.2 Curvas de Enlae de Rádio . . . 24

3.3.1 Modelo de Tráfego para oServiço de VoIP . . . 28

3.4 Resultados de Validação . . . 29

3.4.1 Resultados de ValidaçãodaCamada MAC . . . 29

3.4.2 Avaliaçãoda Cobertura e SNR. . . 31

3.5 Sumário . . . 32

4 Desempenho do Serviço de Voz sobre IP em Redes WLAN 35 4.1 Denição doCenário eMétrias de Simulação . . . 35

4.1.1 Cenário de Simulação . . . 35

4.1.2 Métrias de Avaliação doSistema . . . 37

4.2 Caraterização do Serviço de VoIP emRedes WLAN . . . 39

4.3 Sumário . . . 46

5 Controle de Admissão de Chamadas para o Serviço de VoIP em Redes WLAN 47 5.1 Desrição dos Algoritmos de CAC para o Serviço de VoIP . . . 48

5.1.1 Algoritmo de CAC Baseado na Estimação Teória da Capaidade daRede (EQA) [1℄ . . . 48

5.1.2 Algoritmo de CAC Baseado na Taxa de Utilização do Canal (CBA) [2℄ . . . 50

5.1.3 Novo Algoritmo de CAC Baseado naFER (FEA) . . . 51

5.1.4 NovoAlgoritmode CACBaseadonoPerentualde Utilização do Buer doTransmissor (BSA) . . . 52

5.2 Avaliaçãode Desempenho dos Algoritmosde CAC . . . 53

5.2.1 Avaliação de Desempenho dos Algoritmos de CAC Seleionados daLiteratura . . . 53

5.2.2 Avaliaçãode Desempenho dos Algoritmosde CACPropostos . 56 5.3 Sumário . . . 69

6 Conlusões e Perspetivas 73

2.1 Arquitetura de um sistemaWLAN . . . 12

2.2 Meanismode Aesso Básio. . . 15

3.1 Estrutura FunionaldaFerramentade Simulaçãode redes WLAN. . . 22

3.2 Gereniador de Eventos. . . 23

3.3 Taxa de Erro de Paote. . . 24

3.4 Curvasde Adaptação de Enlae para aCamada PHY.. . . 25

3.5 Curvasde validação: teório (pontilhado)versus simulado (símbolos). 31 3.6 Distribuição dos modos OFDM em torno do AP. Efeito do sombreamentodesonsiderando. . . 32

3.7 Distribuição dos modos OFDM em torno do AP. Efeito do sombreamentoadiionado ao daperda de perurso. . . 33

4.1 Ilustraçãodas onexõesde umaredeWLANnomodoinfra-estruturado. 36 4.2 Exemplo de urva de apaidade. . . 38

4.3 Comportamento temporal do sistema em termos do número de usuários onetados eda FER médiado enlae direto.. . . 40

4.4 Detalhe do omportamento temporal do sistema em termos do número de usuários onetados simultaneamente e da FER média do enlaedireto.. . . 41

4.5 Atraso de aesso do enlaereverso. . . 41

4.6 Atraso de aesso do enlaedireto. . . 42

4.7 Taxa de perda de paotes doenlae reverso. . . 42

4.8 Taxa de perda de paotes doenlae direto. . . 43

4.9 Taxa de paotes desartados pela amada MAC, atingido o número máximo permitidode retransmissões. . . 43

4.10 Taxa de paotesdesartados pelobuer doterminaltransmissor. . . 44

4.11 Taxa de paotes desartados pelo buer de playout do reeptor em ada enlae separadamente. . . 45

4.12 Perentual de usuáriossatisfeitos emada enlae separadamente. . . . 45

4.13 Curvade satisfação para oserviço de VoIP. . . 46

5.4 Taxa de usuáriosbloqueados. . . 55

5.5 Perentual de usuáriossatisfeitos. . . 55

5.6 Atraso de aesso médio doenlae direto. . . 56

5.7 FER médiadoenlae direto. . . 57

5.8 Taxa de usuáriosbloqueados. . . 57

5.9 Curvasde satisfaçãopara o algoritmoFEA. . . 58

5.10 Evolução temporalda FER médiado sistema. . . 59

5.11 Evolução temporaldo númerode usuáriosonetados ao sistema. . . 60

5.12 Comportamentotemporal dosistema sem meanismo de CAC. . . 61

5.13 Detalhe omportamentotemporaldosistema sem meanismo de CAC. 62 5.14 FER médiadoenlae direto, buer om apaidade para 300 paotes. 63 5.15 FER médiadoenlae direto, buer om apaidade para 500 paotes. 63 5.16 FER médiadoenlae direto,buer om apaidadepara 1000 paotes. 64 5.17 Taxa de usuáriosbloqueados, buer om apaidade para 300 paotes. 64 5.18 Taxa de usuáriosbloqueados, buer om apaidade para 500 paotes. 65 5.19 Taxade usuáriosbloqueados,buer omapaidadepara1000paotes. 65 5.20 Curvas de satisfação para o algoritmo BSA, buer om apaidade para 300 paotes. . . 66

5.21 Curvas de satisfação para o algoritmo BSA, buer om apaidade para 500 paotes. . . 67

5.22 Curvas de satisfação para o algoritmo BSA, buer om apaidade para 1000 paotes. . . 68

5.23 Evolução temporaldo buer de transmissãodo AP. . . 68

5.24 Evolução temporalda FER médiado sistema. . . 69

5.25 Evolução temporaldo númerode usuáriosonetados ao sistema. . . 70

2.1 Atributosde CODECs omumente utilizados[3℄. . . 9

2.2 Parâmetros daamada PHY dopadrãoIEEE 802.11a. . . 12

2.3 Parâmetros doDCF espeíos para o IEEE 802.11a. . . 14

3.1 Tabela de Dimensionamentode Cobertura para oIEEE 802.11a. . . . 28

4.1 Prinipaisparâmetros de onguraçãodoenário de referênia. . . 37

5.1 Overhead por paote enviado levando em onta a taxa média de

ACK Aknowledgement

AP Aess Point

CAC Controle de Admissão de Chamadas

CODEC Codiador-Deodiador

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Aess / Collision Avoidane

CTS Clear-to-Send

DCF Distributed Coordination Funtion

DIFS Distributed InterframeSpae

FER Frame Error Rate

GTEL Grupo de Pesquisas emTeleomuniaçõessem Fio

IEEE Institute of Eletrial and EletronisEngineers

IP Internet Protool

ISI Inter-SymbolInterferene

ISO International Organization for Standardization

ITU-T International Teleommuniations Union-Teleommuniation

LAN Loal Area Network

MAC Medium Aess Control

OFDM Orthogonal Frequeny Division Multiplexing

OSI Open System Interonnet

PCF Point Coordination Funtion

PER Paket Error Rate

PHY PhysialLayer

QoS Quality of Servie

RTP RealTime Protool

STA Station

TCP Transport ControlProtool

UDP User Datagram Protool

UFC Universidade Federaldo Ceará

VoIP Voie over IP

WLAN Wireless LoalArea Network

Wi-Fi Wireless Fidelity

Capítulo

1

Introdução

1.1 Motivação e Objetivo

Nosúltimosanos,observou-seosurgimentoearápidadisseminaçãodatenologia

de redes loais sem o (WLAN, Wireless Loal Area Network) que integrou-se ao

meradoatualetornou-sepopularomoredede bandalargadeaessoàInternet. A

tenologiaWLAN maispopularfoi apadronizadapeloIEEE (Instituteof Eletrial

and Eletronis Engineers), denominada IEEE 802.11, também onheida omo

Wi-Fi (Wireless Fidelity). Anteriormente vistas apenas dentro de empresas, as

redes WLAN são de fato uma realidade resente nos meios residenial, omerial,

industrialeemáreapúblias. Estas redes ganharampopularidadepelaaltataxade

transmissão,robustez,baixoustoepelafailidadedeinstalaçãoeusoemambientes

doméstios,empresariais, omeriais, et.

Paralelamente,oserviçodevozsobreIP(VoIP,VoieoverIP)apresentaumadas

maiores taxas de resimento dentre as apliações de Internet da atualidade. Este

serviço tem duas vantagens prinipais em relação ao serviço de voz prestado pelas

operadoras de telefonia onvenional. A primeira delas é que, utilizando ténias

avançadas de ompressãode vozeompartilhamentode banda emredes omutadas

porpaote,oVoIP apresentaumaeiênia dousodalargurade bandalargamente

superioraodaredetelefniaonvenionalaumustoreduzido. Alémdisso,oVoIP

failitaa riação de novos serviços que ombinam omuniação de voz om outras

mídias e apliações de dados omo vídeo, white boarding e ompartilhamento de

arquivos.

isso se torne realidade, no entanto, dois problemas ténios neessitam ainda ser

soluionados:

◮

Baixa apaidade do sistema WLAN - Estudos realizados em [1,37℄

indiam que a apaidade de prover serviços de voz é bastante limitada nas

redesWLAN atuais. Isto sedá basiamente por dois fatores:

•

elevado overhead adiionado aos paotes de VoIP, de tamanho

relativamente reduzido, pelos abeçalhos das amadas da pilha de

protoolosatravessadas pelomesmo;

•

ineiênia inerentedo protoolo de aessoao meio utilizadopelas redes

WLAN.

◮

Coexistênia om outros tipos de serviço - O desempenho do VoIP

é signiativamente afetado pela oexistênia om outros tipos de tráfego

geradospor apliaçõestradiionais omo WWW ee-mail, entre outros [79℄.

Não obstante a reduzida apaidade ofereida pelo sistema, outro aspeto deve

aindaserobservado. Estudosrealizadosem[7,10℄mostramque,noasodeumarede

funionando próximo ao seu limite de apaidade, a admissão de um novo usuário

pode provoar adegradação de todas as sessões pré-existentes, levando o sistema à

instabilidade.

Portanto, torna-se evidente que em uma rede dinâmia, onde onstantemente

novas sessões são iniiadas e outras nalizadas, um meanismo de ontrole de

admissãosefazneessário. Destaforma,esseontrolede admissãode hamadastem

omo objetivo prinipal funionar omo um habilitador da tenologia, permitindo

que a rede permaneça funionando satisfatoriamente, dada uma mudança pontual

naarga ofereida.

Na literaturapesquisada foramenontrados modos de prover o serviço de VoIP

por meio de funionalidades do novo padrão WLAN IEEE 802.11e [1114℄. Este

padrão foi nalizado reentemente, emnovembro de 2005, e provê suporte de QoS

(QualityofServie)paraestasredes. Noentanto,algumtempoaindaseráneessário

atéqueequipamentosompatíveisom essepadrãoestejamdisponíveisnomerado.

Alémdisso,mesmodepoisde disponíveisemlarga esala,asubstituição dos pontos

Portanto, os estudos realizados nesta dissertação têm omo prinipal objetivo

propor alternativas eientes de ontrole de admissão neessárias à implantação

imediata do serviço de VoIP nas redes WLAN em funionamento na atualidade.

Estas são baseadas nas tenologias IEEE 802.11 a/b/g, uja adoção e implantação

éampla. Alémdisso, estas propostas visampromover modiações exlusivamente

nosoftware degerêniadopontodeaesso,nãoenvolvendo,assim,ustosadiionais

om asubstituição dos equipamentos existentes narede.

A seqüênia de ações neessárias para alançar este objetivo é enumerada a

seguir:

◮

CaraterizardinamiamenteodesempenhodoserviçodevozsobreIPemredes

WLAN;

◮

Avaliar o desempenho de ténias existentes de ontrole de admissão de

hamadasde VoIP emredes WLAN;

◮

Propor um algoritmobaseado na minimizaçãoda taxade paotes perdidos;

◮

Proporum algoritmobaseado nautilizaçãodobuer de transmissãodoponto

de aesso;

◮

Comparar o desempenho dos algoritmos propostos om o das ténias

existentes avaliadas anteriormente.

1.2 Metodologia

Uma rede WLAN apresenta omponentes e proessos uja natureza aleatória

deve ser apropriadamente apturada nos modelos. Uma abordagem puramente

analítia deste ambiente demandaria tantas simpliações que a desrição dos

proessos envolvidos aria omprometida. Por outro lado, a ondução de

experimentos om o sistema real, na maioria dos asos, é um proedimento

dispendioso e,porvezes, inviável. Istoé válido para os problemas emquestão.

Neste aso, a simulação omputaional do sistema surge omo a ferramenta

mais indiada para realização da análise de apaidade e qualidade de serviço. A

simulação da adeia ompleta de omuniação, desde o nível de bits e símbolos da

amadafísiaaté osníveisderede oudeapliação, noentanto,demandariaesforços

de métodos espeíos paraadequar osresultados de nívelde enlaeaos de sistema

utilizandoosresultados obtidos noprimeiroomo entradas para o segundo.

Estetipodemetodologiafoiamplamentedisutidaemdiversostrabalhos[1520℄

e será adotada aqui, utilizando, portanto,resultados obtidos através de simulações

de enlae omoentradas para a avaliação dodesempenho em nível sistêmio.

O núleo deste trabalhorefere-se à avaliação de desempenho em nível sistêmio

deténias de ontrolede admissãoparaoserviçode vozsobreIPemredesWLAN.

A metodologia adotadapara abordaras questões relaionadasa este tema onsiste

de duas etapas. Primeiramente, é realizado um estudo das ténias de ontrole

de admissão de hamadas, tendo em vista a resolução dos problemas enumerados

na seção anterior. Em seguida o seu desempenho é avaliado através de simulações

sistêmiasdinâmias. Estas simulações têm omo objetivo a modelagem ompleta

darede WLAN, emulando sua infraestrutura om opontode aesso,os serviços de

rádio, as estações e suas interações (nasimento e morte de usuários, esquema de

aessoao meio, funçõesde gerênia de reursos de rádio, et).

1.3 Contexto de Desenvolvimento da Dissertação

Esta dissertação foi desenvolvida junto ao GTEL do Departamento de

Engenharia de Teleinformátia da UFC. Este grupo vem trabalhando na

onsolidação de pesquisa apliada e desenvolvimento na área de teleomuniações

naUFC através de projetos om pareiros aadêmios e dosetor industrial.

O trabalho aqui apresentado está em onsonânia om o projeto atualmente

desenvolvidopeloGTEL:UFC.10-ADVANCEDCOMMOMRADIORESOURCE

MANAGEMENT FOR MULTI-ACCESS MULTI-SERVICES WIRELESS

NETWORKS. Este projeto foi iniiado em junho de 2004 om duração até

junho de 2006 e está enquadrado no ontexto da ooperação ténio-ientía om

aErisson doBrasil.

1.4 Produção Cientía e Contribuições

Durante o período de atividades que resultaram na produção deste trabalho

foi desenvolvida uma riteriosa ferramenta de simulação de redes WLAN IEEE

802.11a. O autor desta dissertação foi o prinipal desenvolvedor desta ferramenta,

partiipandodiretamentede todooproesso de modelagem,implementação,teste e

projetoUFC.10 daooperação ténio-ientía om aErisson do Brasil.

Inlui-setambémomoontribuiçãodestetrabalhoaaraterizaçãodinâmiado

desempenho doserviço de voz sobre IP emredes WLAN IEEE 802.11a.

No entanto, a prinipal ontribuição desta dissertação foi a proposição de dois

novos algoritmosde ontrole de admissão para o serviço de voz sobre IP em redes

WLAN IEEE 802.11. Estes algoritmosse baseiam na taxa de paotes perdidos no

enlae direto e na utilização do buer de transmissão do ponto de aesso omo

métriasde deisão.

Alguns trabalhos na área de pesquisa em foo, om publiação em ongresso

naionaleinternaional,foramproduzidos esão listadosabaixo:

◮

Avaliação de Desempenho do Padrão IEEE 802.11a em Ambiente

Outdoor, J.F. Pimentel, R. L. de Laerda Neto, W. C. Freitas Jr., F. R. P.

Cavalanti e J. C. M. Mota, XXI Simpósio Brasileiro de Teleomuniações,

Belém,Brasil,Setembro 2004.

◮

Performane of Aess Seletion Strategies in Cooperative Wireless

Networks using Geneti Algorithms, Viente A. de Sousa Jr., R. A. de

O.Neto, F. de S.Chaves, L.S.Cardoso, J.F. PimenteleF. R.P.Cavalanti,

WirelessWorld Researh Forum, Paris, França, Dezembro 2005.

1.5 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação está estruturada damaneira desritaa seguir:

◮

Capítulo 2 - traz uma desrição geral sobre as duas prinipais tenologias

emergentes abortadas nesta dissertação, o VoIP e as redes WLAN.

Iniialmente, é apresentado o serviço de voz sobre IP, desde os seus oneitos

maisgeraisaté osrequisitosde qualidadeaeitáveisparaoseufunionamento.

Segue-se, ainda, uma desrição detalhada dopadrão para redes loais sem o

IEEE802.11edoseu suplementoparaaamadafísiaIEEE802.11a. Aonal

desteapítulosãoenumeradososproblemasrelaionadosaofunionamentodo

VoIP emredes WLAN e algumas propostas de soluçãosão apresentadas.

◮

Capítulo 3 - apresenta a ferramenta de simulação de redes WLAN

implementada. Suamodelagemédesritaomriquezadedetalhes,assimomo

◮

Capítulo 4 - fornee uma araterização dinâmia do desempenho da rede

WLAN na qual nenhum meanismo de ontrole de admissão é utilizadopara

o serviço de VoIP. Este resultado servirá de enário de referênia para as

avaliações dos meanismos de ontrole de admissão realizadas no apítulo

seguinte.

◮

Capítulo5 - apresenta dois meanismos de ontrole de admissãoseleionados

da literatura e dois algoritmos propostos neste trabalho. Em seguida, estes

meanismossão avaliados eomparados entre si.

◮

Capítulo 6 - fornee um resumo das onlusões e ontribuições obtidas dos

estudose análises realizadas nesta dissertação. Além disso, perspetivas para

Capítulo

2

Voz sobre IP em Redes Loais sem

Fio

Reentemente, o serviço de VoIP em redes WLAN surgiu omo uma opção

simplese eonmia de proverserviços de voz através de redes sem o. Aredita-se

que a onvergênia destas duas tenologias experimente altas taxasde resimento

em um futuro próximo[21℄.

No entanto, o suporte a voz provido pela rede WLAN impõe desaos

signiativos, uma vez que as araterístias de desempenho das amadas MAC

(Medium Aess Control) e PHY (Physial Layer) são bastante inferiores às das

redesxasabeadas. Destaforma,asapliaçõesde VoIPemredesWLAN trazemà

tona questões relaionadas à arquitetura do sistema, apaidade darede e ontrole

de admissão,provisãode QoS, et.

O apítulo está dividido da seguinte maneira. Uma desrição do serviço de

VoIP é feita na seção 2.1, na qual são apresentados os prinipais omponentes e

medidasdequalidadedoserviço. Emseguida,naseção2.2,sãodesritasasamadas

MAC e PHY denidas pelo padrãode redes WLAN IEEE 802.11a. Finalmente, os

problemas relaionadosà onvergênia destasduas tenologiassão apresentados na

seção 2.3.

2.1 Voz sobre IP

Grande parte do volume de informações transportadas pelas redes públias de

omuniação é voz. Para prover este serviço, normalmente são utilizadas redes

dalargurade banda [22℄.

Por outro lado, ainda sob a ótia do uso da largura de banda, as redes que

fazem uso da tenologia de omutação de paotes baseadas na Internet são muito

mais eientes. No entanto, estas últimas neessitam de uma implementação mais

elaborada para poder transportar voz.

Neste ontexto, surge o VoIP, uma tenologia que permite estabeleer

onversações telefnias em uma rede IP, tornando a transmissão de voz mais um

dos serviços suportados pela rede de dados. Desta forma, o VoIP busa prover a

qualidadede voz observada na rede omutada por iruitoatravés daeienterede

omutada por paote.

Algumas das prinipais vantagens do serviço de VoIP em relação ao serviço de

voz prestado pelas operadoras de telefonia onvenional inluem:

◮

Eiênia douso da largurade bandalargamentesuperior;

◮

Softwares de baixo usto (ou mesmo gratuitos) para PCs e PDAs;

◮

Disponibilidade resente de onexões de banda larga, inlusive através de

hotspots WLAN;

◮

Failidade de riação de novos serviços que ombinam omuniação de voz

om outras mídias e apliações de dados omo vídeo, white boarding e

ompartilhamentode arquivos;

◮

Custoreduzido da hamada.

No entanto, algumasbarreirasà implantaçãodo serviço de VoIP inluem:

◮

Altaqualidade eonabilidadede funionamento darede onvenional;

◮

Aqualidadedoserviçode VoIPévariável. Este problema éaindamaisrítio

emredessem o, devidoàelevada freqüêniade perdade paotes, aos atrasos

mais longose aojitter maior;

2.1.1 Componentes Serviço de Voz sobre IP

Ao ser iniiadauma omuniação, osinal analógioproduzido pelavozhumana

preisa ser odiado no formato digital, para, emseguida, ser transmitido através

da rede IP. Esta, por sua vez, deve assegurar que a onversação seja transportada

emtemporealatravésdomeiodisponívelmantendoumaqualidadede vozaeitável.

A voz é odiada e omprimida, através do uso do CODEC

(Codiador-Deodiador). Este omponente é o responsável por transformar a

voz humana(analógia) emuma seqüênia de bits (digital)para transmissão numa

rede de dados, fazendo amostragens periódias no sinal de voz. A tabela 2.1 lista

osprinipaisatributos de alguns CODECs omumenteutilizados.

Tabela 2.1: Atributos deCODECs omumenteutilizados [3℄.

Code Taxa(kbps) Intervalo (ms) Payload (Bytes) Paotes/Segundo

G.711

64

20

160

50

G.723.1

5

.

3

30

20

33

G.723.1

26

.

3

30

24

33

G.729

8

10

10

50

O serviço de VoIP usa o protoolo IP para transmitir voz omo paotes de

dadossobreumaredeIP.Destaforma,umsistemaVoIPpode serimplementadoem

quaisquer redes que usem o protoolo IP: Internet, intranets e redes loais. Nesses

sistemasosinalde vozédigitalizado,omprimido,eonvertidoempaotesIP antes

de efetivamenteser transmitido pela rede.

OprotooloRTP (RealTime Protool) provê serviços de entregam-a-mpara

dados om araterístias de tempo real, tais omo áudio interativo e vídeo. As

apliações VoIP tipiamente rodam o RTP sobre UDP (User Datagram Protool)

nativodo protoolo IP.

2.1.2 Medidas de Qualidade do Serviço de Voz sobre IP

A qualidade de serviço do VoIP é inueniada basiamente por três fatores:

atraso,jitter eperda de paotes.

O atraso m-a-m é o tempo que a voz leva desde que foi emitida por quem

estáfalando até ser ouvidapeloseuinterloutor. Oatrasoesuas onseqüênias são

VoIP que apresentam um atraso superior ao máximo admissível são simplesmente

desartadosno buer de play-out doreeptor.

Ojitteréadiferençaentreotempoesperadodehegadadopaoteeseutempode

hegadareal. Dadoque ospaotessão geradosa uma taxaonstante, porexemplo,

aada20ms, éesperado queospaotesheguemaodestinoemintervalosde20ms.

No entanto, os equipamentos da rede podem provoar atrasos imprevisíveis entre

esses paotes.

Para ompensar estas variações noatraso, o terminalreeptor utilizaum buer

de play-out. Este buer é destinado à pré-aomodar os paotes reebidos de

forma que a reonstrução da voz não seja afetada pelo jitter [3℄. Nesta pesquisa,

é onsiderado que o buer de play-out é ongurado de tal forma que o jitter

é virtualmente eliminado dos paotes VoIP. Portanto, este trabalho não avalia o

omportamentodo jitter.

O desempenho do serviço de VoIP é medido em termos da taxa de perda de

paotes (FER, Frame Error Rate)), isto é, a porentagem de paotes que não

são entregues ao reeptor em tempo hábil. Na modelagem assumida, existem três

maneirasde se perder um paote:

◮

quandoéatingidoonúmeromáximoderetransmissõespermitidaspelaamada

MAC;

◮

quandoobuer doterminaltransmissor atingesua apaidademáxima enão

é mais apaz de aomodar em sua la de transmissão o paote reentemente

gerado;

◮

quandoexpira otempode desarte dopaote noreeptor.

Apesar da perda de paotes ser algo indesejável, erto grau perda pode ser

toleradasem omprometimentodainteligibilidade dafala [24℄.

2.2 Redes Loais sem Fio

Emomparaçãoàstradiionais LANs(LoalArea Network),asWLANsoperam

em um meio de omuniação difíil: elevada variação temporal e espaial de suas

propriedades devido ao desvaneimento, severa limitação de largura de banda

e regulamentações de freqüênia. Além disso, ainda deve prover mobilidade e

segurança.

System Interonnet)) omum para todos os produtos atualmente omerializados

(802.11a, 802.11be 802.11g)enenhuma garantiade QoS.

Toda a família IEEE 802.11 é omposta por duas amadas fundamentais: a

amada MAC e a amada PHY. Em 1997, a primeira versão do padrão IEEE

802.11 [25℄ foi lançada e espeiava um padrão na faixa de operação de 2,4 GHz

alançando taxas de até 2 Mbps. Em 1999, o padrão reebeu uma atualização,

passando a ontar om duas novas amadas PHY, IEEE 802.11a [26℄ e IEEE

802.11b[27℄. O padrãoIEEE 802.11a,queopera nafaixa de 5 GHz,espeiauma

amada PHY baseada em OFDM (Orthogonal Frequeny Division Multiplexing),

alançandotaxas de até 54 Mbps.

Do ponto de vista da arquitetura, a rede WLAN pode se apresentar de

duas formas distintas: infra-estruturada e ad-ho. Na onguração de rede

infra-estruturada, os terminais sem o estão onetados ao bakbone através do

ponto de aesso enquanto que na onguração ad-ho a omuniação é realizada

ponto-a-ponto.

A maioria das WLANs de hoje em dia são redes infra-estruturas. Nelas, a

transferênia de dados aontee sempre entre uma estação e um ponto de aesso.

Desta forma, o ponto de aesso é um nó espeial responsável pela aptura e

retransmissão das mensagens enviadas pelas estações. A transferênia de dados

nunaoorrediretamenteentreduasestações. Alémdisso,opontodeaessotambém

age omo uma ponte, onetando asestaçõesà rede IP xa.

A arquitetura básia de um sistemaWLAN infra-estruturadopode ser vista na

gura2.1. Os papéisdas entidades mostradas são:

◮

STA -ASTA(Station),éaestaçãoutilizadapelousuárioparaaessararede

WLAN.

◮

AP - O AP (Aess Point) é o ponto de aesso utilizado pelas STAs para

aessar outras estações ou a rede xa. Se omporta tal qual um STA porém

ofereeserviços de distribuição de dados.

◮

BSS - O BSS (Basi Servie Set), é o onjunto de estações que é ontrolado

poruma função de oordenação (geralmente papel de um AP).

◮

DS - O DS (Distribution System), dene a interonexão entre as BSSs de

formaariar um ESS.

PSfragreplaements

AP1

AP2

STA1

STA2

STA3

STA4 BSS1

BSS2

ESS

DS

Figura 2.1: Arquitetura deumsistemaWLAN

2.2.1 Camada Físia do Padrão IEEE 802.11a

A amada PHY do padrão IEEE 802.11a [26℄ utiliza modulação OFDM, que,

devidoa sua robustez em anais seletivosemfreqüênia, éum forte andidatopara

as futuras redes de omuniação sem o. A PHY é onstituída por 8 modos de

operação, omo desrito na tabela 2.2, podendo alançar taxas de transmissão de

6Mbps a54 Mbps.

Tabela 2.2: Parâmetros da amadaPHY do padrãoIEEE802.11a.

Vazão Taxa de BitsCodi- BitsCodi- Bytespor

(Mbps) Modulação Código ados por ados por Símbolo

Subportadora SímboloOFDM OFDM

6 BPSK 1/2 1 48 3

9 BPSK 3/4 1 48 4,5

12 QPSK 1/2 2 96 6

18 QPSK 3/4 2 96 9

24 16QAM 1/2 4 192 12

36 16QAM 3/4 4 192 18

48 64QAM 2/3 6 288 24

54 64QAM 3/4 6 288 27

de informação útil. As portadoras piloto são utilizadas para transmitir sinais

de referênia om o objetivo de pereber e minimizar os efeitos gerados por

variações que oorram na freqüênia e/ou na fase do sinal. Para eliminar a ISI

(Inter-SymbolInterferene),éinseridoumtempodeguardaentreossímbolosOFDM

adjaentes. Utilizando uma propriedade da transformada de Fourier para garantir

a ortogonalidade entre as subportadoras, o modulador OFDM transmite parte do

próximo símboloOFDM durante otempode guarda(prexo ílio).

2.2.2 Camada de Aesso ao Meio do Padrão IEEE 802.11

Para aessar o meio de omuniação, a família IEEE 802.11 provê dois

meanismos de aesso: PCF (Point Coordination Funtion) e DCF (Distributed

Coordination Funtion). O PCF é baseado em um protoolo MAC entralizado

promovendo o aesso ao meio sem ontenção. O DCF é o meanismo de aesso

ao meio fundamental do IEEE 802.11. Este último onsiste de um esquema de

aesso aleatório baseado no protoolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Aess

/ Collision Avoidane). O DCF permite duas ténias para a transmissão de

paotes: ométodode aessobásioeoRTS/CTS (Request-to-Send/Clear-to-Send).

O método de aesso básio é araterizado pela transmissão de um ACK

(Aknowledgement) logodepoisda reepção bem suedida de um paote de dados.

De maneiraadiional, a ténia onheida omo RTS/CTS permite que o terminal

quepretende transmitirreserve o meio para si,enviando um paotede requisição

RTS. O terminalde destino onrma o reebimento doRTS, enviando de voltaum

CTS. Em seguida, oorre a transmissão do paote de dados e o terminal reeptor

onrma aboareepção deste enviando um ACK.

Osestudosapresentadosnestetrabalhofoamapenasnométododeaessobásio

suportado pelo DCF do IEEE 802.11a. Desta forma, um terminal om um paote

prontopara sertransmitido monitoraaatividadedoanale seesteestiver livrepor

umintervalodetempoigualousuperior aumDIFS(DistributedInterframeSpae),

o terminal transmite. Caso o anal esteja oupado, o monitoramentoontinua até

que este esteja livre por um DIFS. Neste momento, o terminal gera um tempo de

espera aleatório,onheidoomo bako,paraminimizaraprobabilidadede olisão

om paotestransmitidos por outrosterminais.

ApósoDIFS,otempodeesperaédisretizadoeumterminalsópodetransmitir

meio e reativado quando o meio é detetado livre novamente por pelo menos um

DIFS.O terminaltransmite quando o ontador de bako atinge zero.

O DCF adota um esquema de bako exponenial. A ada tentativa de

transmissão, o intervalo de bako é esolhido aleatoriamente numa distribuição

uniforme no intervalo

(0

, w

−

1)

, onde

w

é hamada de janela de ontenção e seu

valor depende do número de tentativas de transmissão do paote. Iniialmente,

w

assume o valor da janela de ontenção mínima,

CW min

. Após ada transmissão

mal suedida, o valor de

w

é dobrado até que seja atingida a janela de ontenção

máxima

CW max

= 2

m

_{CW min}

.

Atabela2.3apresentaosprinipaisparâmetrosdoDCF espeíosparaoIEEE

802.11a.

Tabela 2.3: Parâmetros do DCFespeíosparao IEEE802.11a.

Parâmetro Valor Denição

SlotTime

9

µs

Duração do Slot detempo

SIFS

16

µs

Duração doSIFS

DIFS

34

µs

DIFS =SIFS+2.SlotTime

CWmin

15

Janela de Contenção Mínima

CWmax

1023

Janela deContençãoMáxima

RetryLimit

7

Limite Máximode Retransmissões

Um exemplo de operação do método de aesso básio é apresentado na gura

2.2. Ao nal da transmissão dopaote, oterminal B espera o período de um DIFS

e esolhe um valor aleatório para o bako antes de transmitir o próximo paote

(bako

= 7

,noexemplo). Noinstantedetempoindiadopelasetaoprimeiropaote

é gerado no terminal A. Este espera por um DIFS e transmite. Neste instante o

ontador de bako doterminal B ongela em4, só voltando a ser derementado

2.3. ProblemasdeDesempenhodoServiçodeVozsobreIPemRedesLoaissemFioeRevisãodeLiteratura 15 ?? EstaçãoA EstaçãoB DIFS DIFS DIFS DIFS Paote SIFS ACK ACK Meiooupado 0 1 2 3 4 5 6 7

slotdetempo

Slot 4: janeladebako ongelada

Figura 2.2: Meanismode Aesso Básio.

2.3 Problemas de Desempenho do Serviço de Voz sobre IP em

Redes Loais sem Fio e Revisão de Literatura

Como desrito anteriormente, o padrão IEEE 802.11a suporta taxas de

transmissão de até 54 Mbps. Por outro lado, uma sessão de VoIP requer era

de 64 kbps por uxo de dados (CODEC G.711). Baseado nestas informações, o

leitor desavisado é levado a rer que o número total de uxos VoIP simultâneos

suportados por uma rede 802.11a poderia hegar a 54 M/64 k = 844 uxos, o que

orreponde a422 sessões de VoIP (ada sessão VoIPé omposta pordois uxos).

No entanto, os tabalhos [3,5,7,28,29℄ mostram que a apaidade máxima de

onexões VoIP que uma rede IEEE 802.11a pode omportar se limita a algumas

dezenas. Isto se deve prinipalmente aos overheads introduzidos pelos abeçalhos

IP/UDP/RTP,abeçalhosdasamadasPHYeMAC,temposdebako,transmissão

depaotesde onrmação(ACK)e intervalosentre transmissõesde paotes(DIFS,

SIFS, entre outros).

Além da baixa apaidade, estudos realizados em [3,10℄ mostram que, no aso

de uma rede funionando próximo ao seu limite de apaidade, a admissão de um

novo usuário pode provoar adegradação de todas assessões pré-existentes.

Esta espéiede efeitoavalanhe oorredevido aodesbalaneamentode tráfego

entre os enlaes direto e reverso. Em uma rede WLAN infraestruturada, o AP

tráfego gerado individualmente por ada uma das estações. Com a adição do novo

usuário além da apaidade do sistema, o liente om maior arga é o primeiro a

ser prejudiado pelo meanismo de aesso ao meio DCF. Ou seja,o AP não é mais

apaz de entregar os paotes em tempo hábil fazendo om que a perda de paotes

alaneníveisinaeitáveispara todososuxosVoIPdoenlaedireto,resultandoem

uma qualidadede voz insatisfatóriapara todas as onexões.

OproblemadaapaidadelimitadadasredesWLANdeproverserviçosdetempo

realomooVoIPfoiabordadoextensivamenteemdiversostrabalhosenontradosna

literatura. Um apanhado dos estudos mais interessantes neste tema é apresentado

aseguir.

O PCF foi utilizado em [30,31℄ para prover serviços de tempo real em redes

WLAN. No entanto, o PCF não é suportado na maioria dos produtos enontrados

nomerado. Alémdisso, sua popularidadeé inexpressiva frente aoDCF.

ODCF foiabordadonos trabalhos [9,32,33℄nosquaisforaminvestigadas várias

estratégiasdemelhoriasdaapaidadedoVoIPatravésdemodiaçõesnoprotoolo

MAC utilizadopelas STAs.

Nesta dissertação, no entanto, deidiu-se abordar um tema ainda pouo

explorado na literatura. Ao invés de propor meios de aumentar a apaidade das

redesWLANparaoserviçodeVoIP,este trabalhoobjetivaavaliarmeanismospara

assegurar,de maneiraeiente,ofunionamentodosistemadentrodestafronteira

limitantee evitar o efeitoavalanhe desritoanteriormente.

Neste ontexto, a evideniada a neessidade da implementação de um

meanismo de ontrole de admissão. O prinipal objetivo deste meanismo é de

serviromo umhabilitador aofunionamentodatenologia,impedindoassim quea

entrada de um novo usuárioprovoque adegradação darede omo um todo.

Naliteraturapesquisada foramenontrados algunstrabalhos abordando otema

de ontrole de admissão para redes WLAN. No entanto, a maioria deles tratava

apenas o padrão IEEE 802.11e. Algumas propostas para este padrão podem ser

enontradas em[11,3441℄.

Apenas quatro esquemas de ontrole de admissão voltados ao padrão original

foramidentiados naliteraturapesquisada[1,2,10,42℄. Oprimeirodeles sebaseia

naequação desenvolvida em[1℄para determinaronúmeromáximode lientes VoIP

que um AP pode suportar. Em [2℄, faz-se uso da taxa de utilizaçãodo anal omo

propostos em [10,42℄, demandavammodiaçõesnaamada MAC dopadrão epor

esse motivonão foramonsideradospara avaliação.

Dado oreduzido número de trabalhos sobre o tema, identiou-se o ontrole de

admissão para o serviço de VoIP em redes WLAN IEEE 802.11 omo um niho a

ser explorado. Os esquemas avaliados, tanto os seleionados da literaturaomo os

propostos neste trabalho, são desritos emdetalhes noapítulo5.

2.4 Sumário

Neste apítulo foram desritas as duas tenologias que ompõem o erne deste

trabalho: oserviço de VoIP e o padrãode redes WLAN IEEE 802.11a.

Iniialmente, foram apresentados os prinipais omponentes e medidas de

qualidadedoserviço de vozsobre IP.Emseguida,foifeitauma explanaçãosobre as

amadasMACe PHY denidas pelo padrãode redes WLAN IEEE 802.11a.

Ao nal do apítulo, foram apresentados os problemas relaionados à

onvergênia destas duas tenologias. Dentre estes problemas, o meanismo de

ontrole de admissão para o serviço de VoIP em redes IEEE 802.11 foi identiado

omo um niho a ser explorado, dado o reduzido volume de publiações sobre o

tema.

O apítuloa seguir desreve a modelagemda ferramenta de simulação de redes

Capítulo

3

Modelagem do Sistema e Ferramenta

de Simulação

As redes de omuniações modernas apresentam um grau de omplexidade

elevado. Esta omplexidade é reetida, por exemplo, na aleatoriedade intrínsea

dos diversos eventos relaionados ao funionamento destas redes, tornando sua

análiseteória uma tarefa demasiadamenteomplexa. Neste ontexto, a simulação

omputaionalsurge omo umaalternativaà soluçãodeste problema. Destaforma,

através de simulações que emulam o funionamento das redes, é possível se obter

umamelhoraraterizaçãodoseudesempenhoeavaliaroresultadode propostasde

melhorianamesma.

Atualmente existem diversas ferramentas de simulação de redes WLAN

largamente utilizadas e disponíveis no merado tais omo o QualNet [43℄,

OPNET [44℄, ou mesmo as de ódigo aberto omo o ns-2 [45℄. No entanto,

devido à neessidade de integração deste módulo om a ferramenta multi-sistêmia

desenvolvida no ontexto do projeto UFC.10, a utilização destas ferramentas foi

desartada.

Portanto,omoobjetivodeprovermeiosparaarealizaçãodosestudospropostos

nesta dissertação, e, ao mesmo tempo, atender às neessidades estratégias do

projeto UFC.10, o autor deste trabalho partiipou ativamente do desenvolvimento

de uma ferramenta de simulação de redes WLAN. Esta ferramenta tem omo o

objetivo avaliar de maneira quantitativa e qualitativa o desempenho das referidas

redesem um enárioo mais próximopossívelda realidade.

Uma primeira versão da ferramenta de simulação de redes WLAN foi

baseada num modelo de simulação estátio, desrito em [46℄, no qual o número de

usuáriosonetadosaosistemaeraxo,ouseja,nãohaviaoproessodenasimento

e morte dos mesmos. Foi utilizado ainda um modelo simples de geração de

tráfegoom paotesdetamanhoxo. Assumiu-sequeada terminalgeravapaotes

aleatoriamente e independentemente. O número de paotes gerados num dado

intervalodetemposeguiaumadistribuiçãodePoissone,onseqüentemente, otempo

entre hegadas onseutivas exponenialmente distribuído. Estudos e resultados

preliminaressão relatados em[47℄.

No entanto, esta versão estátia se mostrou inadequada para a realização dos

estudosque estariamporvir. Por exemplo,elanão permitiaarealização doestudo

dinâmiosobreoontroledeadmissãodosusuáriosnosistema. Alémdisso,omodelo

de geraçãode tráfego era bastante limitadoe não modelavade maneirasatisfatória

oomportamentode um usuárioreal.

Desta forma, a ferramenta de simulação sofreu um proesso de remodelagem e

seguiu novamente todo o ilo de desenvolvimento passando pela implementação,

teste e validação da mesma. Desta vez a ferramenta foi desenvolvida em

linguagemC++ dado o seu melhor desempenho omputaionalquandoomparada

ao Matlab

. Além disso, ela foi modelada utilizando-se oneitos de programação

orientada a objetos. Isto possibilitou um desenvolvimento onsistente, geral,

extensível e reutilizável do ódigo tornando-a uma poderosa ferramenta de

simulação.

Este apítuloestá estruturado daseguintemaneira. As araterístiasgerais da

ferramenta de simulação são apresentadas na seção 3.1. Emseguida, na seção 3.2,

são abordadas as questões relaionadas à modelagem doanal de rádio, tais omo,

modelode propagação,interferênia,dimensionamentode obertura,dentre outros.

A modelagem da fonte de tráfego, inluindo os detalhes de modelagem do serviço

de voz sobreIP, édesritanaseção 3.3. Finalmente,na seção3.4, são apresentados

algunsresultados de validaçãoda ferramentade simulação.

3.1 Caraterístias Gerais da Ferramenta de Simulação

Aferramentade simulaçãode redesWLAN,ousimplesmenteWLANSim,éuma

ferramenta dinâmia orientada a eventos disretos [48℄ baseada no padrão IEEE

802.11 [25℄. Nesta ferramenta de simulação foi implementado o meanismo básio

uso de um meanismode deferimentoexponenialdesritona seção 2.2.

O WLANSim tem omo objetivo araterizar melhor, permitir a avaliação

mais aprofundada do sistema WLAN e prover graus de liberdade neessários à

implementaçãodefunionalidadesdegerêniadereursosderádioavançadas. Desta

forma,oWLANSimestámaisfoadonapartesistêmiadarede,inluindooesquema

deaessoaomeioegerêniadosusuáriosedotráfego,emenosdireionadoàquestões

relaionadasà propagaçãoe efeitos provoados pelo anal rádio-móvel.

Uma ferramenta de simulação da amadaPHY foi desenvolvida separadamente

omoobjetivodeavaliarasaraterístiasrelativasaoenlaederádiodenidaspelo

IEEE 802.11a [26℄ e prover urvas de desempenho que são utilizadas omo dados

de entrada no WLANSim. Maiores detalhes sobre a ferramenta de simulação de

amadaPHY podem ser enontrados naseção 3.2.3.

3.1.1 Estrutura do Simulador

AestruturafunionaldaferramentadesimulaçãoderedesWLANéapresentada

nagura 3.1. A entrada de dados orresponde aos parâmetrosde onguração que

são iniializados de formaa ongurar e ontrolar a exeução das simulações, e.g.,

taxa de nasimento de usuários, mobilidade, modelos de tráfego, parâmetros da

amadas MAC e PHY, et. O bloo Sistema WLAN ontrola o gereniador de

eventos, ospontos de aessoe suas estações. Ogereniador de eventos éaprinipal

entidade funional da ferramenta de simulação. Ele é responsável por ontrolar o

uxo dalistade eventos e disparara exeuçãode ada um deles, nodevido tempo,

durantetodoo períodode simulação.

3.1.2 Gereniamento de Eventos

A ferramenta de simulação de redes WLAN segue um modelo de simulação

orientada aeventos disretos [48℄. Umadas propriedadesfundamentaisdos eventos

é o seu tempo de exeução que india o instante de tempo de simulação no qual

esteeventodeveser proessado. Umavezquetodasasmudançasde estadooorrem

apenasnostemposde exeuçãogravadosnoseventos, osperíodosde inatividadesão

omitidos.

O gereniador de eventos é ilustrado na gura 3.2. Os eventos são ordenados

em função dos seus tempos de exeução. Ogereniador aptura o primeiroevento,

i.e., aquele que possui o menor tempo de exeução, e transfere o ontrole para a

. . .

. . .

. . .

PSfragreplaements

Parâmetros

Configuração

SistemaWLAN

AP

STA

STA

AP Gereniador

deEventos Eventos

Interfae

Enlae

Sistema

Funionalidades

deRRM

Figura 3.1: Estrutura Funional da Ferramenta de Simulação de redes WLAN.

de introduzi-lo orretamentena sua listaordenada de eventos.

Posto que ada evento é auto-exeutável, o gereniador de eventosé indiferente

aotipo de evento que está sendo proessado. Esta araterístiaprovê uma grande

exibilidade ao gereniador, uma vez nenhuma mudança no seu funionamento é

neessária noaso de inlusão de um novo tipode evento emuma versão futura da

ferramenta.

3.2 Considerações Sobre o Canal de Rádio

Para efeito de simpliação, o retardo de propagação foi onsiderado onstante

para todos os terminais e é alulado tomando por base seu valor limite, i.e., o

retardo visto pelo terminal que se enontra na borda da élula. Esta abordagem

pessimista fornee um retardo de propagação de 0.2

µ

s para um raio de obertura

de 60m,omodesrito naseção3.2.5. Tambémnão foi onsideradaa existêniade

terminaisesondidos nem ainuênia do efeitoaptura.

Pelo mesmo motivo, onsiderou-se que todos os paotes de ACK são reebidos

orretamente. Estasuposiçãoébastanterazoávelquandoseonsideraqueospaotes

deACKsãotransmitidosutilizandoomodoOFDMmaisrobustoaerros,i.e.,aquele

...

PSfragreplaements

Evento

Evento Evento

Evento Evento Evento Evento

Evento

Novo

Evento Gera

NovoEvento CapturaEvento

InsereNovoEvento

Exeuta

Evento

ListadeEventos

Figura 3.2: Gereniadorde Eventos.

3.2.1 Interferênia

A interferênia gerada por fornos de miroondas, equipamentos de Bluetooth e

telefones sem o é um problema omum em redes WLAN operando na freqüênia

de 2,4 GHz. Este é o aso dos padrões 802.11b [27℄ e802.11g [49℄. Por exemplo, a

interferênia ausada por um telefone sem o próximo ao dispositivo WLAN pode

reduzir seu desempenho em até 60

%

[50℄. Além disso, nesta faixa de freqüênia só

háespaço para nomáximo três APs operandosem interferirementre si.

Por outro lado, o padrão IEEE 802.11a [26℄ opera na freqüênia de 5 GHz que

é relativamente livre de interferênia de outros equipamentos [50,51℄. Além disso,

esteo padrãopermitequeum número maiorde APspossam oexistirnuma mesma

áreasemausarinterferêniaentreeles. Estudosrealizadosem[52℄mostraramquea

apaidadede uma rede WLAN omposta por múltiplas élulasno padrão 802.11a

pode ser até oito vezes maior que uma no 802.11b orrespondente, graças à sua

reduzida interferênia o-anal.

Com base nos argumentos aima, as simulações realizadas no WLANSim

desonsideram a existênia de fontes externas de interferênia e a interferênia

3.2.2 Curvas de Enlae de Rádio

Comointuitode determinarseuma transmissãofoibemsuedida, oWLANSim

faz uso de urvas de enlae. A gura 3.3 apresenta as urvas utilizadas no

mapeamento entre a PER (Paket Error Rate) e o valor de SNR (Signal-to-Noise

Ratio) perebido, para todos os oito modos OFDM denidos pelo padrão IEEE

802.11a. Cadaum destes modos orresponde a umataxa de transmissão espeía,

omomostrado natabela2.2.

0

5

10

15

20

25

30

10

−3

10

−2

10

−1

10

0

Modo 8

Modo 7

Modo 6

Modo 5

Modo 4

Modo 3

Modo 2

Modo 1

PSfragreplaements

SNR [dB℄

PER

Figura 3.3: Taxade Errode Paote.

A gura 3.4 mostra as urvas de vazão de dados da transmissão orrente

em função da SNR perebida. Estas urvas são utilizadas no proedimento de

adaptaçãode enlae,desrito naseção 3.2.3. É importanteobservar que omodo3,

orrespondenteàtaxadetransmissãode12Mbps,nãoofereeumaopçãoeientede

vazão, tornando-senesse enário um modonão esolhido pelaadaptação de enlae.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

10

20

30

40

50

60

Modo 8

Modo 7

Modo 6

Modo 5

Modo 4

Modo 3

Modo 2

Modo 1

PSfragreplaements

SNR [dB℄

V

azão

[Mbps℄

Figura 3.4: CurvasdeAdaptação deEnlae para a CamadaPHY.

paraassimulaçõessistêmias. Esta ferramentabaseia-senanormadopadrãoIEEE

802.11a [26℄ para a transmissão de dados em um anal sujeito a ruído aditivo

gaussiano brano. Maiores detalhes sobre esta ferramenta, desenvolvida no âmbito

doGTEL, podem ser obtidos em[47℄.

3.2.3 Interfaeamento entre o Nível Sistêmio e o Nível de Enlae

As urvas de enlae apresentadas na seção 3.2.2 são utilizadas a ada nova

tentativa de transmissão de paote. Com base no valor de SNR perebido, estas

urvas determinama taxae a PERda transmissão orrente.

O padrão IEEE 802.11a dene oito modos OFDM que orrespondem às taxas

de transmissão de 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 e 54 Mbps. A ada nova tentativa

de transmissão o meanismo de adaptação de enlae deve determinar a taxa da

transmissãoorrente. AesolhadomodoOFDM,eonseqüentementesuarespetiva

forneeráa vazão máxima apartir das urvas mostradas nagura 3.4.

Uma vez determinado o modo OFDM, e a respetiva taxa de transmissão, é

neessário determinar a probabilidadeda transmissão ser bem suedida, ou seja, a

PER. Analogamente, a PER também é determinada om base na SNR perebida.

A gura3.3 ilustraos valores de PER para todos os modos de operaçãoOFDM.

3.2.4 Modelo de Propagação

Tradiionalmente, os modelos de propagação são utilizados para predizer a

potêniamédia dosinal reebido a uma dadadistânia dotransmissor, assimomo

sua variabilidade em torno de uma região próxima a um ponto em partiular.

Os modelos que predizem a potênia média do sinal para uma dada distânia

de separação entre o transmissor e o reeptor são onheidos omo modelos de

desvaneimento de larga esala [53℄. Por outro lado, os modelos que araterizam

utuações rápidas na potênia do sinal reebido ao longo de pequenas distânia

dedesloamento(pouos omprimentos deonda) oude urtaduração (na ordemde

miro-segundos)sãohamadosdemodelosdedesvaneimentodepequenaesala[53℄.

Uma vez que não é foo desta dissertação avaliar questões relaionadas à

propagação, preferiu-se utilizar um modelo de perda de perurso simples para o

desvaneimento de larga esala, omo desrito em [54℄ e [53℄. Contudo, os efeitos

do desvaneimento de pequena esala foram onsiderados apenas na urva que

relaiona a taxa de erro de paote om a SNR, apresentada na gura 3.3, obtida

onsiderando-se um anal om multiperursos. O modelo utilizado neste trabalho

onsidera perda de perurso no espaço livre

L

f ree

, medida em dB, para distânias

inferioresà distâniade referênia

d

0

:

L

f ree

(

d

) = 32

,

4 + 20

·

log(

f

) + 20

·

log(

d

) [dB]

,

(3.1)

sendo

f

a freqüêniadada em GHze

d

adistânia emmetros.

Apartirdesteponto,aperdade perurso

L

(

d

)

éexpressaemfunçãodadistânia

através de um expoentede perda de perurso

n

,e pode ser esritaomo:

L

(

d

) =

L

f ree

(

d

0

) + 10

·

n

·

log(

d/d

0

) [dB]

.

(3.2)

Oefeitodosombreamentoreeteasvariaçõesloaisdapotêniareebidadevido

edesvio padrão

σ

= 4 dB [53,55℄.

3.2.5 Dimensionamento de Cobertura

Odimensionamentode oberturasefazneessárioparaadeterminaçãodoponto

real de operação do sistema. O prinipal resultado desta análise é a estimação

do raio de obertura que depende tanto do modelo de anal quanto do padrão de

amadaPHY doIEEE802.11utilizado. Este resultadoébaseado naperdamáxima

de propagação permitida [56℄. Os prinipais parâmetros levados em onta para

araterizar, de uma maneira simpliada, o alane, tanto do enlae direto omo

doreverso, numa rede IEEE 802.11aestão ilustradosna tabela 3.1.

O primeiropasso neessário para o dimensionamentode obertura é espeiar

um limiarmínimo de SNR requerida. Considerou-se que ovalormínimoadmissível

deSNRseriaaquelequeorrespondesseaumaprobabilidadede erronatransmissão

de 10

%

. Com base nagura 3.3, hegou-se ao valorde 9.785 dB. Maiores detalhes

sobre asurvasde PERpodem ser obtidas naseção 3.2.3.

Adiionalmente foi introduzida uma margem ontra sombreamento. Esta

margemvisaassegurarqueumaproporçãode99

%

dosusuáriosnaáreadeobertura

daélula experimentem uma SNR aima dolimiardeterminadoanteriormente.

Atabela3.1trazumapanhadogeraldodimensionamentodeobertura,inluindo

nãosomenteosparâmetrosmastambémasequaçõesutilizadasnoseuálulo. Como

resultado nal hegou-se a uma raiode obertura de aproximadamente60 m.

3.3 Fonte de Tráfego

O omportamentodinâmioda ferramenta de simulação de redes WLAN supõe

aentrada esaída de usuários. Esse proesso de nasimento de usuáriosé modelado

naformadeumproessodePoissonqueapresentatempoentrehegadas deusuários

na rede segundo uma distribuição exponenial negativa, esteja o novo usuário

demandandoumasessãodetransferêniadedadosoudevozsobreIP.Namodelagem

realizada,ageraçãodeadatipode tráfegoéindependente, istoé,paraadatipode

tráfego

i

há um proesso de Poissonom taxamédia de hegadas

λ

i

. Aonaserem,

osusuáriossão distribuídosdemaneirauniformedentrodoraiode oberturadoAP

denido em3.2.5.

A amadade apliaçãoé a mais altado modelo de referênia daOSI. De modo

Tabela 3.1: Tabelade Dimensionamento de Cobertura parao IEEE802.11a.

Parâmetro Valor Unidade NotaçãoeCálulo

Transmissor

PotêniaMáximadeTransmissão 20 dBm

a

Ganho daAntena 0 dBi

b

PerdasnoCabo 0 dB

c

PotêniaIsotrópiaRadiadaEquivalente 20 dBm

d

=

a

+

b

−

c

Reeptor

DensidadedeRuídoTérmio -174 dBm/Hz

e

FiguradeRuído 13 dB

f

LarguradeBandado Canal 30 MHz

g

DensidadedeRuídonoReeptor -161 dBm/Hz

h

=

e

+

f

PotêniadoRuído -86.23 dBm

i

=

h

+ 10

·

log(

g

·

10

6

₎

SNR MínimaRequerida 9.785 dB

j

Sensibilidade doReeptor -76.44 dBm

k

=

i

+

j

Expoente dePerdadePerurso 3.0 -

l

MargemContraSombreamento 3.5 dBm

m

PerdadePropagaçãoPermitida 96.44 dB

n

=

d

−

k

−

m

PlanejamentoeDimensionamento

Freqüênia deOperação 5.0 GHz

o

DistâniadeReferênia 10.0 m

p

PerdadePerursoatéoBreakpoint 66.38 dB

q

= 32

.

4 + 20

·

log

(

o

) + 20

·

log

(

p

)

RaiodeCobertura 60 m

r

=

p

·

10

(

n

−

q

)

/

(10

·

l

)

onsideradamaisrelevantenaanálisededesempenhode sistemassemo, éemulada

porum modelode tráfego adequado.

Desta forma, ada novo usuário que nase nosistema gera tráfego na forma de

uma sessão om araterístias adequadas às suas peuliaridades. Ao término da

sua respetiva sessão, oorre a morte do usuário liberando assim os reursos do

sistema

3.3.1 Modelo de Tráfego para o Serviço de VoIP

O modelo de tráfego para o serviço de VoIP é baseado no modelo de atividade

de voz de dois estados om fator de atividade de voz médio de aproximadamente

50

%

.

Foi esolhido o CODEC G.711 pela sua simpliidade e utilização amplamente

difundida. O G.711 suporta voz odiada a 64 kbps durante os períodos de fala.

Otempoentre doispaotesontínuos éde20ms, orrespondendo aumataxade 50

paotesporsegundo. O tamanho dopayload para o CODEC G.711 é

64000

/

(50

×

RTP[57℄,UDP[58℄eIP[59℄. Narealidade,estasamadasnãoforamimplementadas

na ferramenta de simulação, mas sua inuênia é apturada através da adição dos

seusrespetivosabeçalhos(40bytesparaoasodoIPv4)nopaoteVoIP.Nenhum

esquemade ompressão de abeçalhofoi utilizado neste trabalho.

A denição do ITU-T G.114 [24℄ e a referênia [60℄ reomendam que o atraso

m-a-m na transmissão de um paote VoIP seja inferior a 150 milissegundos.

Este atraso orresponde à soma dos atrasos de odiação e empaotamento, de

propagação na rede abeada, de enleiramento na interfae da rede sem o, de

aesso aoanal e de propagação nomeio sem o. À soma destes três últimosdá-se

onome de atraso de aesso.

No AP, o atraso de aesso de um paote VoIP orresponde ao tempo entre a

suahegadanoAPaté asua transmissãobemsuedida atravésdarede WLAN.Na

STA,este atrasoorresponde aotempoomputadodesde ageraçãodopaote até a

sua transmissão bemsuedida.

Oatraso de aesso pode ser failmentemedidodentrodarede WLAN. Porisso,

preferiu-seonsiderar que os demais atrasos inorremnuma ontribuição onstante

de 50 ms, andoos 100 msomo o limiarmáximo para oatraso de aesso. Desta

forma,um paote quehegar ao seu destino apóseste tempoé desartado.

Vale ressaltar que tanto os paotes que atingem o número máximo de

retransmissõespermitidopelaamadaMACquandoosquesãodesartadosnobuer

dotransmissor são perdidos e,neste aso, oseus atrasos de aesso orrespondentes

não são onsiderados omométria dasimulação.

Além disso, a porentagem máxima tolerável de paotes perdidos deve ar em

torno de 1

%

a 3

%

para assegurar a qualidade davoz reebida [2℄. Neste trabalho

foi onsiderado omo aeitável uma porentagem de perda de paote de 2

%

. Este

parâmetrodene a satisfaçãodo usuário.

3.4 Resultados de Validação

3.4.1 Resultados de Validação da Camada MAC

Em[61℄édesritoum modelosimples,eaomesmotempobastantevalioso,para

avaliar a vazão (razão entre a quantidade de bits de informação útil e o tempo

neessário à sua transmissão) de uma rede WLAN, sob ondições de saturação,

nala de transmissão. Desta forma, sob a hipótese de anal de transmissão ideal,

i.e.,sem perdade paotesedesonsiderando-se aexistêniade terminaisesondidos

ea oorrênia do efeitoaptura, a vazão de saturação

S

é dada por:

S

=

P

s

P

tr

E

(1

−

P

tr

)

σ

+

P

tr

P

s

T

s

+

P

tr

(1

−

P

s

)

T

c

.

(3.3)

Naequação(3.3),

E

éotamanhoútildopaotede dados,onsideradoonstante

paratodososterminais;

P

tr

éaprobabilidadedeexistirpelomenosumatransmissão

em um determinado slot de tempo;

P

s

é a probabilidade de uma transmissão ser

bemsuedida, dado que existe apenas uma estação transmitindo no anal; e

σ

é a

duração de um slot de tempo vazio.

T

s

é o tempo médio que o anal permanee

oupadodevidoaumatransmissão bemsuedida, e

T

c

éotempomédioqueoanal

permanee oupado devido auma olisão.

Asexpressõesparaoálulode

P

tr

,

P

s

,

T

s

e

T

c

sãodadasem[61℄. Noentanto,as

expressões apresentadas no referido artigo para o álulo de

T

s

e

T

c

dizem respeito

exlusivamenteaopadrão IEEE 802.11b. Segundo [62℄, as expressões adaptadas ao

IEEE802.11a, ambas em mirossegundos, são mostradas aseguir:

T

s

=

T

DAT A

+

SIF S

+

δ

+

ACK

+

DIF S

+

δ

(3.4)

T

c

=

T

DAT A

+

DIF S

+

δ

(3.5)

sendo,

T

DAT A

= 20 + 4

·

₃₆

_.

_{75 +}

_E

BpS

(3.6)

ACK

= 20 + 4

·

₁₆

_.

₇₅

BpS

(3.7)

δ

omputa o atraso de propagação do sinal de rádio e

BpS

orreponde ao número

de bytesporsímboloOFDM, de aordo oma tabela2.2. OstemposdoDIFSe do

SIFS denidos pelo padrãoé 34

µ

se 16

µ

s, respetivamente.

Para efeitode validação daferramenta de simulaçãosistêmia, osresultados da

equação (3.3) foram omparados àqueles obtidos pelo WLANSim, em regime de

saturação e sob hipótese de anal ideal. Também onsiderou-se todos os terminais

operandonomesmomodoOFDM,ouseja,transmitindoàmesmataxa. Foiutilizado

um paotede tamanho xo

E

= 1024

bytes.

A gura 3.5mostra avazão dosistema emfunção donúmero de estações. Para

os quatro modos de operação veriados, os resultados de simulação (símbolos)

0

5

10

15

20

25

30

5

10

15

20

25

30

35

Modo 8

Modo 5

Modo 3

Modo 1

Teórico

PSfragreplaements

Número de Terminais

V

azão

de

Saturação

[Mbps℄

Figura 3.5: Curvasde validação: teório(pontilhado)versus simulado (símbolos).

3.4.2 Avaliação da Cobertura e SNR

AindanoontextodevalidaçãodoWLANSimfoiavaliadaadistribuiçãoespaial

daqualidadedosinalreebido. Baseadonofatodequeainterferênianãoestásendo

onsideradanestetrabalho,aqualidadedosinal reebidopodeser araterizadaem

termosuniamenteda SNRperebida.

As guras3.6e 3.7apresentam umadistribuição espaialdaSNR perebida em

torno do AP. As regiões diferentes (ores) indiam o modo de transmissão OFDM

queum terminalexperimentaria seloalizadonaquele determinadoponto. Ou seja,

um terminal loalizadona região orrespondente aomodo8 transmitiria à taxa de

54Mbps.

Na gura 3.6, o efeito do sombreamento foi desonsiderado. Neste aso, a

transmissão em ada um dos modos OFDM se daria em regiões bem delimitadas.

−150

−100

−50

0

50

100

150

−150

−100

−50

0

50

100

150

PSfragreplaements

X [m℄

Y

[m℄

modo 1

modo 2

modo 4

modo 5

modo 6

modo 7

modo 8

Figura 3.6: Distribuição dos modos OFDM em torno do AP. Efeito do sombreamento

desonsiderando.

Oefeitodo sombreamento foi adiionadoao daperda de perursonagura 3.7.

Observa-se que a SNR perebida por uma STA partiular é drastiamente afetada

pelas variaçõesno sinal reebido deorrentes do sombreamento.

3.5 Sumário

Neste apítulofoidesritaamodelagemutilizadanaferramentade simulaçãode

redes WLAN, uma ferramenta dinâmia orientada a eventos disretos baseada no

padrãoIEEE 802.11. Suas araterístias prinipais foram apresentadas, inluindo

aindaa modelagemdo analde rádio eda fonte de tráfego.

Além disso, foram realizados estudos de validação desta ferramenta de

simulação. Osresultadosobtidosdemonstraramaoerêniaepreisãodaferramenta

implementada.

De posse da ferramenta de simulação testada e validada, será realizada no

apítulo seguinte uma araterização do desempenho do serviço de voz sobre IP

−150

−100

−50

0

50

100

150

−150

−100

−50

0

50

100

150

PSfragreplaements

X [m℄

Y

[m℄

modo 1

modo 2

modo 4

modo 5

modo 6

modo 7

modo 8

Figura 3.7: Distribuição dos modos OFDM em torno do AP. Efeito do sombreamento