ESQUEMAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO DE CHAMADAS
EM REDES IEEE 802.16
Eduardo Castilho Rosa, Paulo Roberto Guardieiro
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG – Brasil castilhorosa@gmail.com, prguardieiro@ufu.br
Resumo - Este trabalho apresenta a arquitetura de provisão de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) em redes WiMAX (Padrão IEEE 802.16), com ênfase nas diversas formas de controle de admissão de chamadas, trazendo um levantamento e uma comparação entre algumas das principais propostas de CAC (Call Admission Control) encontradas na literatura.
Palavras-Chave – CAC, IEEE 802.16, QoS, WiMAX,
CALL ADMISSION CONTROL SCHEMES
IN IEEE 802.16 NETWORKS
Abstract - In this paper we present the QoS-Provisioning System in WiMAX networks (IEEE 802.16 standard), emphasizing the various forms of call admission control and brings a comparative analysis of the main proposals for CAC in the literature.1
Keywords - CAC, IEEE 802.16, QoS, WiMAX. I. INTRODUÇÃO
As redes de acesso sem fio em banda larga (BWA –
Broadband Wireless Access), como, por exemplo, o padrão
IEEE 802.16 ou WiMAX (Worldwide Interoperabiliy for
Microwave Access), provêem conectividade fixa e móvel
entre uma estação de assinante (SS – Subscriber Station) e seu provedor de serviços de Internet (ISP – Internet Service
Provider) através de uma estação base (BS – Base Station).
Essa infraestrutura é um complemento para as redes de acesso cabeadas, tais como, as baseadas em “cable modem” e xDSL, no que se refere à última milha, e vem sendo uma opção de acesso alternativa e bastante promissora em razão dos baixos custos de implantação e as altas taxas de transmissão que se consegue [1].
A principal característica das redes WiMAX é o tratamento diferenciado do tráfego gerado pelas aplicações, fundamental para a provisão de qualidade de serviço (QoS –
Quality of Service). Esse tratamento é garantido através de
mecanismos de escalonamento de pacotes nas SSs e BSs, políticas de policiamento de tráfego e controle de admissão
de chamadas. Para possibilitar maior competitividade entre os fabricantes de equipamentos de redes, esses mecanismos não são definidos pelo padrão. Sendo assim, o padrão possibilita a proposta de soluções que atendam os requisitos de QoS das aplicações e ainda faz com que os equipamentos apresentem características diversificadas, o que permite ao usuário a escolha com base no desempenho requerido.
Nesse sentido, esse trabalho fornece uma visão geral sobre a arquitetura para a provisão de QoS no padrão IEEE 802.16, enfatizando as diversas formas de controle de admissão de chamadas. Este trabalho traz ainda um levantamento e uma comparação entre as principais propostas de CAC encontradas na literatura.
O restante desse trabalho estrutura-se da seguinte forma: A Seção II apresenta os fundamentos do padrão IEEE 802.16. A Seção III descreve a arquitetura para suportar QoS nas redes IEEE 802.16. Na Seção IV, os conceitos, esquemas e propostas de CAC são discutidos, analisados e comparados seguidos pela Seção V de conclusão.
II. PADRÃO IEEE 802.16
O padrão IEEE 802.16 define uma camada física (PHY) e uma camada de controle de acesso ao meio (MAC), que juntas criam, sob um determinado raio de cobertura, um enlace lógico sem fio compartilhado, o que possibilita a intercomunicação entre SSs e BSs. O padrão define duas arquiteturas com relação ao modo como as SSs se comunicam: Modo PMP (Point-to-multipoint) e modo Mesh (Figura 1). No modo PMP, toda a comunicação entre as SSs passa necessariamente através da BS (na forma SS-BS-SS). Essa arquitetura facilita o projeto da rede, centralizando o gerenciamento da comunicação na BS. No modo Mesh, as SSs podem trocar informações diretamente entre si sem intervenção da BS. No entanto, a complexidade das SSs nesse modo de operação é maior, em razão de cada SS possuir um módulo de controle adicional responsável pelo gerenciamento da comunicação ponto-a-ponto (SS para SS).
A camada MAC é responsável pelo suporte a diferentes classes de tráfego e, consequentemente, toda a arquitetura de provisão de QoS. Também é função da camada MAC prover conectividade com outros tipos de redes, como por exemplo, IP, ATM, etc além de dar suporte à mobilidade.
A camada física, por sua vez, trata da transmissão de bits sobre o canal sem fio. Ela opera na faixa de frequência de 10 à 66 GHz, com linha de visada e entre 2 e 11 GHz sem linha de visada, com taxas de transmissão que variam de 32 à 130 Mbps dependendo da largura de banda do canal e da técnica de modulação empregada [3].
O controle sobre o enlace sem fio criado, de acordo com o padrão, é realizado na camada física através dos modos de duplexação TDD (Time Division Duplexing) e FDD (Frequency Division Duplexing), uma vez que o meio é compartilhado. No modo TDD, como pode ser visto na Figura 2, um quadro de transmissão, ou frame, é dividido, no domínio do tempo, em subquadro de downlink e subquadro de uplink. No intervalo de tempo dedicado ao downlink, a BS transmite em broadcast para as SSs utilizando todo o espectro de freqüência disponível no meio. Os dados transmitidos nessa direção são distribuídos a cada SS através de um mapa contendo o instante de tempo em que cada SS deve receber os dados. Esse mapa é chamado de DL-MAP. O padrão define ainda um mapa de uplink, o UL-MAP que indicará quais SSs irão transmitir no subquadro de uplink subseqüente. No modo de operação FDD, o espectro de freqüência é dividido em duas partes, destinadas a downlink e
uplink, só que nesse caso a transmissão pode ser realizada
simultaneamente.
Fig. 2. Estrutura do quadro TDD numa rede IEEE 802.16 [2]. III. PROVISÃO DE QOS EM REDES IEEE 802.16 O padrão IEEE 802.16 é orientado à conexão, ao nível da camada MAC. Cada conexão é identificada por um CID (Connection Identifier), que por sua vez é associado a um fluxo de serviço (conjunto de parâmetros de QoS, como por exemplo atraso fim-a-fim, variação do atraso e vazão mínima). O estabelecimento da conexão se dá através do envio de mensagens de controle DSA-REQ, DSA-RSP e DSA-ACK, conforme ilustrado na Figura 3, e não é possível transmitir e receber dados sem que haja uma conexão para essa finalidade.
O CAC atua principalmente na fase de estabelecimento da conexão. Uma vez estabelecida, a provisão de QoS é
garantida quase que exclusivamente através do escalonamento e policiamento de tráfego.
Fig. 3. Estabelecimento de uma conexão no padrão IEEE 802.16 [14].
O padrão IEEE 802.16, conforme já mencionado, trata de maneira diferenciada os dados do usuário, com o intuito de prover QoS às suas aplicações. Essa diferenciação é realizada através de quatro classes de serviço: UGS (Unsolicited Grant
Service), rtPS (time Polling Service), nrtPS (Non Real-time Polling Service) e BE (Best Effort). O escalonamento de
pacotes, que determina a ordem de transmissão dos mesmos, atuará sobre essas classes de acordo com níveis variados de prioridade: UGS > rtPS > nrtPS > BE.
A classe de serviço UGS é destinada a aplicações, como VOIP sem supressão de silencio, por exemplo, que apresenta requisitos estritos de QoS, principalmente atraso fim-a-fim limitado, jitter e banda constante garantida. Já a classe rtPS é voltada para aplicações em tempo real com taxa de dados variável, como vídeo MPEG, por exemplo. A classe nrtPS inclui as aplicações que exigem uma largura de banda mínima, porém não são de tempo real. A transferência de arquivos, FTP, por exemplo, pode ser enquadrada nessa classe. Finalmente, a classe BE é destinada ao tráfego de melhor esforço, como o tráfego Web, por exemplo, onde não existe nenhum requisito de QoS.
O fornecimento de QoS baseia-se, principalmente, em três pilares: Escalonamento, Policiamento de tráfego e Controle de admissão de chamadas (CAC), que serão discutidos nas próximas seções.
A. Policiamento
O padrão IEEE 802.16 não define um algoritmo de policiamento para o controle de tráfego nas SSs, mas determina que deve haver pelo menos um esquema para policiar as SSs, no sentido de se garantir QoS. [2] propõe um mecanismo de policiamento baseado em Token Bucket. Nesse trabalho, os autores criam na BS um módulo específico para condicionar o tráfego nas SSs, para que não ocorra violação no contrato estabelecido na conexão. Esse controle é feito para cada conexão com base em dois parâmetros: ri (taxa de geração de tokens) e bi (tamanho do token bucket). O parâmetro ri controla a taxa média em que a conexão i pode enviar dados e bi determina a rajada máxima.
B. Escalonamento
O escalonamento desempenha, juntamente com o policiamento e o CAC, um papel extremamente importante nas redes IEEE 802.16 na garantia de QoS. Assim como ocorre no policiamento, o padrão IEEE 802.16 não define algoritmos específicos de escalonamento, porém define uma arquitetura com três diferentes escalonadores, sendo dois na BS (downlink e uplink) e um na SS, conforme mostra a Figura 4.
Fig. 4. Escalonamento de pacotes no padrão IEEE 802.16 [2]. O escalonador de Downlink na BS determina os pacotes que serão transmitidos em broadcast no subquadro de
downlink corrente. Já o escalonador de Uplink na BS
determina quais SSs irão transmitir no subquadro de uplink seguinte. Como se pode notar, o escalonador de Uplink é mais complexo em razão de não se conhecer o instante de chegada de cada pacote. Finalmente, o padrão define um escalonador na SS para determinar quais pacotes serão transmitidos no enlace no intervalo de tempo destinado a SS, que é definido no mapa de uplink (UL-MAP).
IV. CAC NO PADRÃO IEEE 802.16
A principal função do CAC numa rede WiMAX é decidir adequadamente se a BS aceita ou não uma conexão, dados seus requisitos de QoS e os recursos já alocados na rede. Essa decisão não pode ser tomada de qualquer maneira, pois o CAC deve ser eficiente. Caso a política do controle aceite um número excessivo de conexões, por exemplo, o sistema não terá como garantir a QoS das conexões existentes, entretanto caso a política admita um número muito pequeno de conexões, ou seja, rejeite muitas conexões, pode ocorrer um desperdício dos recursos da rede.
Existem na literatura duas estratégias para solucionar o problema de admissão: Complete sharing (CS) e Complete
partitioning (CP) [13]. Em linhas gerais, a política CS
permite um acesso igualitário aos recursos da rede. Essa estratégia resulta em máxima utilização da largura de banda disponível, especialmente em redes com muito tráfego. Entretanto, o tratamento igualitário de conexões com prioridades diferentes pode trazer conseqüências severas
quando conexões de uma classe necessitam de muito menos recurso que outras. Nesta situação poderá ser desejável rejeitar conexões com baixo requisito de largura de banda para aumentar a probabilidade de aceitar uma futura conexão com maior necessidade de largura de banda [9].
Resumidamente, o CAC é um mecanismo que visa controlar os recursos da rede, através da aceitação ou rejeição de uma conexão, para garantir os parâmetros de QoS das aplicações. Nesse sentido, [5] identifica quatro situações básicas em que o CAC pode ser empregado:
1. Controle da qualidade do sinal: CAC é essencial para garantir a qualidade do sinal em relação ao limite de interferência nas redes sem fio, nesse caso, as redes IEEE 802.16. Por exemplo, essas redes têm uma capacidade limitada na carga de tráfego imposta na rede, de maneira que quanto maior for essa carga, maior será a deteriorização da qualidade do sinal para os usuários em termos de nível de interferência ou relação sinal/ruído. Deste modo, esquemas de CAC admitem usuários somente se a rede pode manter uma qualidade de sinal mínima para os usuários já admitidos, incluindo a nova chamada. Nesse caso, o critério de admissão pode ser o número de usuários.
2. Controle da probabilidade de queda na chamada: Considerando que a queda de uma conexão ativa é usualmente mais incômodo que o bloqueio de uma nova chamada, CAC pode ser empregado numa rede IEEE 802.16 para controlar a probabilidade de falha no handoff. Isso pode ser feito reservando-se alguns recursos exclusivamente para chamadas de handoff. O critério de admissão também pode ser o número de usuários ou uma estimativa da probabilidade de falha no handoff.
3. Manutenção dos parâmetros de QoS: Quando serviços orientados a pacotes são providos por redes sem fio, a sobrecarga na rede pode causar atrasos ou variação de atraso (jitter) inaceitáveis. A vazão na rede, nesse caso, pode também atingir níveis intoleráveis. Portanto, CAC deve ser usado para limitar a carga na rede no sentido de garantir os parâmetros de QoS (atraso, jitter e vazão). Nesse caso, o número de usuários e/ou a disponibilidade de recursos podem ser usados como critérios de admissão.
4. Controle da taxa de transmissão: Esquemas de CAC podem ser empregados em redes IEEE 802.16 para garantir uma taxa de transferência mínima. O uso de CAC para assegurar uma taxa mínima tem sido muito estudado em redes cabeadas. O problema, porém, é mais complicado em redes sem fio devido à mobilidade do usuário (implicando em handoff e variação na qualidade do enlace).
Além da garantia dos parâmetros de QoS, existem outras razões para se utilizar esquemas de CAC [5]:
CAC baseado em custo-benefício:
Da perspectiva da rede, a admissão de uma nova chamada pode trazer benefícios ou problemas. O benefício reside no fato de que os recursos da rede, até então ociosos, poderão ser alocados à nova chamada. Porém, numa rede altamente
congestionada, pode haver deteriorização na QoS oferecida para os usuários já admitidos na rede e até uma queda potencial de algumas chamadas. Sendo assim, o CAC pode ser usado para aumentar a função de ganho na rede sobre a relação custo-benefício das novas chamadas admitidas. Nesse caso, o critério de admissão pode ser o número de usuários ou uma estimativa da probabilidade de deteriorização da QoS (isto é, taxa de transmissão mais baixa que o nível aceitável).
Priorização de algumas classes/serviços:
Conceder uma alta prioridade para alguns serviços ou classes pode ser um dos objetivos do CAC. Por exemplo, existe um consenso entre os operadores e pesquisadores de redes de que serviços de voz devem ter prioridade mais alta em relação a serviços de dados. Da mesma forma, dar prioridade para algumas classes dentro de um mesmo serviço pode ser necessário para diferenciar classes de usuários, por exemplo, aqueles que pagam mais têm o direito de receberem uma prioridade maior.
Partilha justa de recursos:
A justiça entre diferentes usuários na mesma classe (com diferentes condições do canal e características de mobilidade) e entre usuários de classes diferentes é um dos objetivos do CAC. O CAC pode, então, ser empregado para admitir ou rejeitar usuários com base nos recursos alocados, de tal forma que nenhuma classe de usuário domine os recursos do sistema.
Como se pode notar há várias razões para se utilizar esquemas de CAC em redes IEEE 802.16. A utilização de um esquema isolado ou híbrido dependerá do cenário a ser estudado.
No estudo apresentado em [5], faz-se uma classificação categórica nos esquemas de CAC, cada um com suas vantagens e desvantagens. Essa classificação baseia-se nas informações necessárias para o CAC atuar, podendo o
mesmo, por exemplo, ser centralizado ou distribuído, pró-ativo ou repró-ativo, e de várias outras formas. Um resumo dessa classificação está listado na Tabela I.
Existem várias propostas de CAC disponíveis na literatura que exploram esses esquemas apresentados, cada um com seus prós e contras. A seguir, finaliza-se o trabalho com um levantamento e uma análise comparativa sobre algumas dessas propostas.
A. Levantamento e análise das principais propostas de CAC
Proposta 1: Os autores propõem um mecanismo de CAC baseado na alocação de banda fixa para cada classe de serviço, conforme ilustrado na Figura 5, no sentido de garantir os parâmetros de QoS [7]. O aceite ou rejeição da conexão é feito com base em thresholds para cada uma das classes. Os resultados mostraram que, apesar desse mecanismo garantir QoS para as aplicações, há um grande desperdício de largura de banda, dependendo das conexões aceitas. Além disso, esse mecanismo aumenta a probabilidade de uma requisição de conexão sofrer bloqueio, uma vez que a alocação é estática para cada classe e não depende do número de usuários na rede.
Fig. 5. Mecanismo de CAC baseado em threshold. TABELA I
Categorias de CAC [5].
Categoria Opções Vantagens Desvantagens
Central Mais eficiente Complexo, Impraticável
Centralização
Distribuído Simples, Praticável Menos eficiente
Única classe - -
Classes de Serviço
Múltiplas classes - -
Global Mais eficiente Mais complexo
Semi-local Eficiente, menos complexo Complexidade média Escala
Local Mais simples Menos eficiente
Pro ativo Rápido Mais propensa a erros
Precisa de informações a priori Tempo de Decisão
Reativo Menos propício a erros Não precisa de informações a
priori
Lento
Fixo Não precisa considerar mobilidade Precisa de um modelo de ocupação na célula
Mobilidade
Móvel Não precisa de um modelo de ocupação na célula
Precisa considerar os aspectos de mobilidade
Uplink - -
Enlace Considerado
Proposta 2: Já nessa proposta, os autores consideram um cenário mais abrangente, incorporando mobilidade. Eles utilizam CAC para controlar a probabilidade de queda numa chamada corrente, com o intuito de priorizar conexões de
handoff sobre conexões de dados [7]. Neste trabalho, os
autores criam um esquema dinâmico para ajustar a largura de banda destinada a conexões de handoff na medida em que requisições de conexões chegam à BS. Os autores comparam seus resultados com um esquema de alocação de banda fixa. Os resultados demonstraram que quando a rede está suficientemente carregada (taxa de chegada entre 0.2 e 0.28), o esquema de CAC proposto reduz tanto a probabilidade de bloqueio de uma nova chamada como também a probabilidade de queda de uma conexão já estabelecida por
handoff. No entanto, em se tratando das conexões de dados,
essa proposta considera, assim como em [7], um modelo de alocação de largura de banda estático, isto é, independentemente do nível de carga na rede, fica reservado, a todo instante, uma parcela fixa de largura de banda para cada conexão, no sentido de se atender o requisito de banda mínima.
Proposta 3: Para tratar o problema de desperdício de largura de banda, em [8] os autores propõem um modelo de CAC baseado em cadeias de Markov. Nesse caso, a classe UGS utiliza como parâmetro um valor b, que representa a taxa constante do serviço, ao passo que as outras três classes utilizam dois valores [bmin, bmax], pois se caracterizam por apresentarem taxas variáveis. A proposta é baseada no princípio de degradação dinâmica de largura de banda, ou seja, se houver recursos disponíveis, o CAC permitirá que as conexões transmitam à taxa bmax. Caso contrário, se uma nova conexão quer entrar na rede e não há recursos disponíveis, o CAC degradará a largura de banda reservada das conexões que excedem bmin. Entretanto, essa proposta considera um cenário em que não há usuários móveis, e, portanto, não é necessário reservar largura de banda para
handoffs, pois o CAC atuará somente sobre as requisições de
conexões de dados. A vantagem dessa proposta é que utiliza
os recursos da rede de forma eficiente através da implementação de uma cadeia de Markov simplificada. Proposta 4: Idem Proposta 3. O diferencial desse trabalho é que ele considera um modelo de cadeia de Markov simplificado, o que torna a implementação computacional mais simples [9]. Entretanto, essa proposta não provê justiça entre as classes de serviço, isto é, a política adotada não dá a mesma probabilidade de bloqueio para classes distintas. Proposta 5: Aqui os autores propõem um CAC em conjunto com um algoritmo de escalonamento usando Token
Bucket [10]. Assim como em nas propostas 3 e 4, nesse
trabalho também se aplica o princípio de degradação de largura de banda, ou seja, uma parcela de banda é roubada de algumas conexões. Entretanto, nesse trabalho também não se considerou mobilidade.
Proposta 6: Uma abordagem um pouco mais diferenciada, em relação a alocação de largura de banda e mobilidade, é apresentada em [11]. Nesse trabalho, os autores propõem um esquema de CAC que considera dois critérios para a admissão: Largura de banda mínima e atraso máximo. O CAC atuará no sentido de garantir esses dois requisitos para cada conexão. O controle da largura de banda é realizado de acordo com o critério de alocação fixa, assim como nas propostas 1 e 2, reservando-se a taxa mínima de cada classe. Já o controle sobre o atraso máximo é realizado fazendo-se uma predição do mesmo, em relação a uma certa carga na rede, e uma posterior comparação entre essa predição e o requisito de atraso máximo referente a requisição de conexão.
Proposta 7: Todas essas propostas estão relacionadas ao padrão IEEE 802.16. Entretanto, uma proposta de CAC com alocação de largura de banda dinâmica é apresentada em [12], considerando redes 3G/GSM/GPRS. Nesse trabalho, é utilizado o princípio de degradação de largura de banda associado a um esquema de reserva de largura de banda para conexões de handoffs. Assim como em [6], o CAC proposto atua no sentido de controlar as probabilidades de queda de uma chamada corrente e de bloqueio de uma nova chamada. Tabela II
Comparação entre algumas das principais propostas de CAC. Proposta Alocação
de Banda Atraso Mobilidade Vantagens Desvantagens
1 Fixa Não considerado. Não considera Simplicidade na
implementação.
Causa desperdício de largura de banda.
2 Fixa/Dinâmica
Considerado em um cenário de simulação, mas não levado em
conta no processo de admissão. Considera
Baixa probabilidade de bloqueio e ao mesmo tempo utilização eficiente
da largura de banda.
Os resultados são bons apenas quando a taxa de chegada de conexões está
entre 0.2 e 0.28.
3 Dinâmica Não considerado. Não considera Utilização eficiente da
largura de banda. Implementação complexa.
4 Dinâmica Não considerado. Não considera Utilização eficiente da
largura de banda.
Não provê justiça entre as classes.
5 Dinâmica
Considerado em três cenários de simulação, mas não levado
em conta no processo de admissão.
Não considera
Utilização eficiente da largura de banda e não
causa starvation.
Implementação e Modelagem matemática
Complexa.
6 Fixa
Considerado tanto nos cenários de simulação como também no
processo de admissão.
Não considera
Mantém tanto os requisitos de largura de banda das conexões como também o
atraso.
Leva em conta apenas o atraso e não a sua variação
(jitter).
7 Fixa/Dinâmica Considerado apenas nos
cenários de simulação. Considera
Baixa probabilidade de bloqueio e ao mesmo tempo utilização eficiente
da banda.
Não está envolvida diretamente com o padrão
As limitações dessa proposta é que ela não considera o requisito de atraso.
A Tabela II traz uma análise comparativa dessas propostas apresentadas, incluindo suas vantagens e desvantagens. Percebe-se que nenhuma delas é absolutamente completa em relação às considerações feitas (alocação de banda, mobilidade e atraso).
V. CONCLUSÕES
Este trabalho fornece uma visão geral sobre a arquitetura de provisão de QoS em redes IEEE 802.16, com ênfase nas políticas de Controle de Admissão de Chamadas (CAC). Foi realizado um levantamento sobre as principais propostas de CAC encontradas na literatura, bem como uma análise comparativa entre elas, em relação aos diferentes fatores considerados no processo de admissão. Verificou-se que a adoção de políticas de CAC no padrão IEEE 802.16 é essencial na provisão de QoS para as aplicações, entretanto nenhuma das propostas apresentadas é absolutamente completa. Sendo assim, e aliada ao fato de que o padrão não define mecanismos de CAC, como trabalhos futuros podem-se empregar as propostas aprepodem-sentadas nespodem-se trabalho de forma híbrida, no sentido de fornecer melhorias na QoS para o padrão IEEE 802.16. Além disso, os critérios de perdas de pacotes, jitter e justiça entre as classes também podem ser considerados em propostas futuras, no sentido de fornecer uma arquitetura de provisão de QoS mais completa.
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