CARACTERIZAÇÃO DA QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES DE ACESSO
WiMAX
Wyllian Bezerra da Silva, Paulo Roberto Guardieiro
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG wyllian@mestrado.ufu.br, prguardieiro@ufu.br
Resumo – A expansão dos serviços de banda larga em
países em crescimento é limitada devido ao custo de sua disponibilização. Todavia, mesmo em regiões carentes de infra-estrutura de rede, a tecnologia BWA (Broadband
Wireless Access) das redes de acesso WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) se apresenta de
forma promissora ao prover acesso às WLANs (Wireless
Local Area Networks) e WMANs (Wireless Metropolitan Area Networks). As redes de acesso WiMAX se
comprometem a atender aos mais diversos requisitos das aplicações multimídia, possibilitando ampla cobertura do sinal de rádio, suporte ao protocolo IP (Internet Protocol) com interoperabilidade e altas taxas de transmissão. Neste artigo, apresenta-se um breve estudo sobre a provisão da qualidade de serviço (QoS – Quality of
Service) utilizando recursos de modelagem e simulação. Palavras-Chave – BWA, IEEE 802.16, QoS, WiMAX.
CHARACTERIZATION OF QOS IN THE
WIMAX ACCESS NETWORKS
Abstract – The broadband services expansion in
countries in growth is limited due to the cost turn them available. However, even in regions that needy infrastructure of networks, the technology BWA (Broadband Wireless Access) of the WiMAX access networks (Worldwide Interoperability is Microwave Access) presents of promising form when providing access to WLANs (Wireless Local Sands Networks) and WMANs (Wireless Metropolitan Sands Networks). The WiMAX access networks pledge to attend to the most diverse requirements of the applications multimedia, enabling ample covering of the radio signal, support to the protocol IP (Internet Protocolo) with interoperability and high rates of transmission. In this article, a brief study is done on the service quality provision (QoS – Quality of Service) using modeling and simulation resources.
Keywords - BWA, IEEE 802.16, QoS, WiMAX.
I. INTRODUÇÃO
O conceito de WMAN (Wireless Metropolitan Area
Network) consolida-se com o advento da tecnologia
empregada no padrão IEEE 802.16, uma vez que grandes áreas e muitos usuários podem ser atendidos com altas taxas de transmissão. Essa tecnologia é denominada de WiMAX.
O WiMAX surge com a proposta de oferecer menores custos e qualidade de serviço relacionada à solução de última milha ou enlaces a grandes distâncias. Necessidades percebidas pelos WISPs (Wireless Internet Service
Providers) que anseiam por uma plataforma comum
padronizada, concernente à transmissão de dados, imagens, vídeo e voz com QoS e confiabilidade.
O grande desafio das redes BWA (Broadband Wireless
Access) é a provisão de qualidade de serviço (QoS – Quality of Service) às aplicações com seus diferentes requisitos de
serviço. Isto se deve ao fato de que estas redes são sem fio, o que dificulta a provisão de QoS em relação às redes cabeadas, uma vez que os enlaces sem fio são altamente variáveis e imprevisíveis. Para superar estes problemas, o gerenciamento da QoS nas redes BWAs é feito na camada MAC (Medium Access Control). O padrão IEEE 802.16 [1-2] incorpora na camada MAC a capacidade de gerenciamento do tráfego com diferentes requisitos de QoS.
Este artigo é organizado da seguinte forma: na Seção II, descrevem-se as características do padrão IEEE 802.16. Na Seção III, aborda-se a provisão de QoS na camada MAC deste padrão. Na Seção IV, apresenta-se o estudo baseado em modelagem e simulação, onde um ambiente de rede e seus parâmetros são considerados. Os resultados para a vazão e a análise dos mesmos estão descritos na Seção V. Finalmente, na Seção VI foram realizadas as conclusões deste trabalho.
II. CARACTERÍSTICAS DO PADRÃO IEEE 802.16 Existem duas faixas no espectro de freqüência especificadas no padrão IEEE 802.16. A primeira está entre 2 e 11 GHz, também chamada de sub-11, sem visada direta ou NLOS (Non Line of Sight), cujo alcance é de até 8 quilômetros. A segunda faixa é de 10 a 66 GHz em condição de visada direta ou LOS (Line of Sight) com alcance de até 50 quilômetros.
A camada física é adaptativa com alteração da modulação (16 QAM, QPSK, 64 QAM) e da codificação, conforme a condição do canal. Além disso, há suporte a antenas inteligentes adaptativas e correção de erro (FEC), com blocos de tamanhos variados.
As arquiteturas existentes no WiMAX são a fixa (IEEE 802.16-2004) [1] e a móvel (IEEE 802.16-2005) [2]. A primeira é empregada no acesso a redes metropolitanas. Dependendo do local de terminação da rede WiMAX, há duas possibilidades de implantação. Como backhaul, consistindo em várias ligações ponto-a-ponto, interligando estações-base (BS – Base Stations) ou rede de última milha, cujo sinal é destinado ao ponto de acesso da estação do assinante (SS – Subscriber Station).
A Figura 1 ilustra uma rede WiMAX servindo como
backhaul para assinantes móveis, possivelmente com redes
Wi-Fi (IEEE 802.11), onde o WiMAX é utilizado para interligar pontos de acesso da rede Wi-Fi até o sistema final. Ainda na mesma figura, é mostrada a utilização do WiMAX diretamente nos sistemas finais sob a topologia ponto-a-ponto, mesh e ponto-multiponto (PMP).
Fig. 1. Arquitetura de uma rede WiMAX.
III. QOS EM REDES WIMAX
A QoS em redes WiMAX, padrão IEEE 802.16, está associada a conceitos como: classificação, escalonamento por fluxos de serviço e estabelecimento de serviço. O mecanismo mais importante na provisão de QoS está relacionado com a transferência de pacotes da interface MAC, através de um fluxo de serviço identificado de forma única: CID (Connection IDentifier). O fluxo de serviço é um fluxo unidirecional de pacotes ao qual está associado um nível de QoS específico [3]. A SS e a BS garantem a qualidade de serviço de acordo com o conjunto de parâmetros de QoS definidos para o fluxo.
A QoS é obtida via fluxo de serviços, o qual é responsável pela transmissão unidirecional dos pacotes provenientes da SS (uplink) ou da BS (downlink). Este fluxo de pacotes é caracterizado por um conjunto de parâmetros de QoS tais como atraso, jitter e garantias de vazão. Com o propósito de padronizar a operação entre a SS e a BS, os fluxos MAC-PDU são classificados e enviados às SSs, mediante verificação dos parâmetros pertencentes à conexão MAC, conforme mostrado na Figura 2.
Fig. 2. Estabelecimento de QoS entre BS e SS.
Os parâmetros relativos à conexão MAC incluem detalhes de como a SS solicita mini-slots para uplink e o
comportamento esperado do escalonador de uplink na BS. Em todos os fluxos de serviços existentes atribui-se um Identificador de Fluxo de Serviço (SFID – Service Flow
Identifier), o qual serve como o principal identificador na SS
e na BS para cada fluxo. Um fluxo de serviço tem no mínimo um SFID e uma direção associada. No CID, somente se faz um mapeamento para um SFID quando a conexão tem seu fluxo de serviço admitido. Um conjunto de parâmetros de QoS (ProvisionedQoSParamSet) é fornecido por mecanismos externos aos definidos no padrão 802.16, como, por exemplo, pelo sistema de gerenciamento de rede. Os parâmetros de QoS são definidos pelo
AdmittedQoSParamSet nos quais a BS (e possivelmente a
SS) reserva recursos. O principal recurso reservado é a largura de banda, mas outros recursos também podem ser reservados (por exemplo, memória) para viabilizar a ativação do fluxo. O ActiveQoSParamSet especifica um conjunto de parâmetros de QoS que define o tipo de serviço provido para o fluxo de serviço. Somente um fluxo de serviço ativo pode encaminhar pacotes. O ActiveQoSParamSet é sempre um subconjunto do AdmittedQoSParamSet, que é sempre um subconjunto do “envelope” de autorização. No modelo de autorização provisionado, esse envelope é determinado pelo
ProvisionedQoSParamSet. Já no modelo de autorização
dinâmico, esse envelope é determinado pelo módulo de autorização (rotulado como AuthorizedQoSParamSet) [1].
Existem três tipos de fluxos de serviço: provisionado, admitido e ativo. O primeiro provisiona o sistema de gerenciamento da rede. Os conjuntos de parâmetros
AdmittedQoSParamSet e ActiveQoSParamSet para esse tipo
de fluxo são nulos. No fluxo admitido, os recursos são reservados pela BS para o seu conjunto de parâmetros
AdmittedQoSParamSet, mas esses parâmetros não estão
ativos (ActiveQoSParamSet é nulo). Os fluxos de serviço admitidos podem ter sido provisionados ou sinalizados por algum outro mecanismo. Já o fluxo ativo apresenta recursos comprometidos pela BS para o seu conjunto de parâmetros
ActiveQoSParamSet (conjunto de parâmetro não nulo). O
mecanismo principal para a provisão de QoS no padrão IEEE 802.16 é o mecanismo de classificação, onde cada aplicação deve inicialmente registrar-se na rede. A rede irá associar à aplicação a um fluxo de serviço através da atribuição de um SFID. Todos os pacotes devem ser rotulados com o SFID atribuído, de modo que a rede possa prover a QoS apropriada. Quando a aplicação enviar pacotes de dados, ela solicitará o estabelecimento de uma conexão com a rede e receberá um CID. Dessa forma, os pacotes de dados do padrão IEEE 802.16 incluirão identificadores por fluxo e por conexão [1].
O conjunto de ferramentas que oferece suporte à provisão de QoS para os tráfegos uplink e downlink inclui funções para configuração e registro dos fluxos de serviço, sinalização para estabelecimento dinâmico de QoS (baseado nos fluxos de serviço e nos parâmetros de tráfego), escalonamento e parâmetros de tráfego para fluxos uplink e
downlink e agrupamento de propriedades do fluxo de serviço
em classes de serviço (para permitir a junção de requisições). O padrão IEEE 802.16 define cinco classes de tráfego: UGS (Unsolicited Grant Service), destinado ao tráfego com taxa constante de bits (CBR – Constant Bit Rate), para o tráfego em tempo real; rtPS (real-time Polling Service),
serviço em tempo real com taxa variável de bits (VBR –
Variable Bit Rate), também para o tráfego em tempo real,
como vídeo MPEG (Motion Picture Expert Group); nrtPS (non real-time Polling Service), com VBR, porém, não é um serviço em tempo real, cujas aplicações são tolerantes a atrasos; BE (Best Effort), serviço destinado a tráfego cuja taxa é variável, sendo próprio para aplicações elásticas. Estas classes pertencem ao padrão IEEE 802.16-2004. Além delas, há um serviço adicional pertencente ao padrão IEEE 802.16c: ertPS (extendend real-time Polling Service), para aplicações em tempo real, como VoIP com supressão de silêncio.
IV. MODELAGEM E SIMULAÇÃO
A utilização do recurso modelagem e simulação na área de redes de computadores é de fundamental importância, uma vez que permite avaliar parâmetros essenciais no seu estudo, tais como os parâmetros de QoS. Para tanto, as análises aqui apresentadas foram realizadas a partir de resultados de simulação obtidos com o simulador Network
Simulator 2 (ns-2) [2], ao qual foi agregado o módulo
WiMAX descrito em [3]. Este módulo está sendo desenvolvido pelo NDSL (Networks & Distributed Systems
Laboratory). Em sua fase atual de desenvolvimento, ele não
atende inteiramente aos requisitos deste trabalho e sofreu aprimoramentos para adequá-lo ao presente estudo.
Para fins de análise do padrão IEEE 802.16-2004 em termos da provisão de QoS, considerou-se dois cenários com diferentes condições de tráfego. No cenário 1, a BS está equidistantemente separada das cinco SSs, aleatoriamente posicionadas ao seu redor, conforme mostrado na Figura 3.
Fig. 3. Cenário 1 – Topologia da rede de acesso WiMAX.
No cenário 2, além das considerações anteriores, as SSs estão submetidas a diferentes tipos de tráfego gerados por cinco aplicações distintas, conforme ilustrado na Figura 4. Em ambos os cenários, os tráfegos gerados pelas aplicações são concorrentes.
Considera-se um tempo de simulação de sessenta segundos. Estes ambientes de rede estão limitados a uma área de 160.000 m2. A antena é omnidirecional e o modelo de propagação utilizado é o de dois raios. A operação é no modo
PMP, o que significa que a BS pode atender a múltiplas SSs concorrentemente.
Fig. 4. Cenário 2 – Topologia da rede de acesso WiMAX.
O tipo de gerenciamento de fila adotado na simulação é o
DropTail, o método de escalonamento é o WRR (Weighted Round-Robin) cujas classes tem a seguinte ordem de
prioridade: UGS > rtPS > ertPS > nrtPS > BE, com tamanho máximo de 50 pacotes presentes na fila. O protocolo de roteamento utilizado é o DSDV (Destination Sequenced
Distance Vector) que cria uma tabela de rotas em cada nó,
com o endereço do nó de destino e o número de saltos
(hops), bem como o número de seqüência SN (Sequence Number). A multiplexação OFDMA (Orthogonal Frequency Divison Multiple Access) foi considerada neste estudo.
Outros parâmetros utilizados na simulação nas camadas MAC e física estão descritos nas Tabelas II e III.
TABELA II
Camada MAC
Parâmetro Valor
Taxa DL/UL 3:2
Número de símbolos OFDMA/quadro 49 Número de subcanais 30 CWmín 32 opps CWmax 1024 opps TABELA III Camada Física Parâmetro Valor Freqüência de operação 5.0 GHz Largura de banda (BW) 20 MHz 64 QAM ¾ -63 dBm
V. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Nesta seção são apresentados e analisados os resultados de simulação obtidos neste trabalho. Inúmeras dificuldades foram encontradas na utilização do módulo WiMAX, para as quais algumas soluções foram encontradas, dentre elas, a inserção de novos agentes TCP e UDP, disponíveis em [7] e [8], respectivamente. Estes agentes permitem coletar informações durante a simulação e gravar os dados diretamente em um arquivo. Através de programação em AWK [10] foi possível manipular os dados arquivados. Após o tratamento dos dados, utilizou-se a ferramenta de plotagem
gráfica GNUPLOT [11] para a geração dos gráficos de vazão (throughput) nos dois cenários de simulação.
A Figura 5 mostra a vazão para os tráfegos baseados em TCP para o primeiro cenário. Observa-se que a vazão torna-se constante próximo a 200 kbps e a 30 kbps para os tráfegos nrtPS e BE, respectivamente.
Fig. 5. Vazão para o tráfego TCP: nrtPS e BE (1º. Cenário).
No segundo cenário, conforme a Figura 6, a vazão para a classe de serviço BE decresceu de valores próximos a 6,5 Mbps e estabilizou-se próximo a 600 kbps. Tal comportamento resulta do fato de que a classe de serviço BE aproveitou as sobras de recursos disponíveis neste cenário, pois as outras classes descrevem comportamentos menos suscetíveis a variações, corroborando para que esta classe tenha alguns níveis de QoS melhores do que a classe nrtPS.
Fig. 6. Vazão para o tráfego TCP: BE (2º. Cenário).
Ainda no segundo cenário, a Figura 7 descreve a vazão para o tráfego nrtPS. Observa-se que a SS2 e a SS3 têm comportamentos semelhantes, aumentando a vazão até atingir valores próximos a 190 kbps. A SS5 inicia seu tráfego a mais de 2/3 do tempo de simulação, apresentando
comportamento semelhante em relação às outras SSs, contudo, atinge no final da simulação, valor abaixo de 150 kbps. Não houve recepção de pacotes para as SS1 e SS4, durante o tempo de simulação observado, devido ao comportamento do algoritmo de escalonamento WRR.
Fig. 7. Vazão para o tráfego TCP: nrtPS (2º. Cenário).
A Figura 8 ilustra o tráfego baseado em UDP para o primeiro cenário. A vazão para o tráfego UGS apresenta-se constante durante a simulação, com valores próximos a 65 kbps. A vazão para os tráfegos ertPS e rtPS também apresentaram valores constantes e próximos a 60 kbps e 1 Mbps, respectivamente.
Fig. 8. Vazão para o tráfego UDP: UGS, ertPS e rtPS (1º. Cenário).
Analogamente, os valores da vazão para o segundo cenário, ilustrados na Figura 9, são próximos ao primeiro cenário, com pequenas alterações para os tráfegos rtPS.
VI. CONCLUSÕES
Neste artigo foi realizado um estudo baseado em modelagem e simulação a respeito da provisão da qualidade de serviço nas redes de acesso WiMAX. Os resultados obtidos para a vazão, permitiram concluir que estas redes de acesso suportam adequadamente condições variadas de tráfego, atendendo aos requisitos de QoS das aplicações.
Como trabalhos futuros pretende-se propor uma nova estratégia de escalonamento otimizada para o IEEE 802.16, que possibilite às classes com menores privilégios maior acesso à largura de banda disponível.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] IEEE Std 802.16-2004, “IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, Part 16”: Air Interface for
Fixed Broadband Wireless Access Systems, October
2004.
[2] IEEE Std 802.16e, “IEEE standard for Local and metropolitan area networks, Part 16”: Air Interface for
fixed and Mobile broadband wireless access systems,
October 2005.
[3] P. Neves, S. Sargento, R. L. Aguiar, “Support of Real-Time Services over Integrated 802.16 Metropolitan and
Local Area Networks”, Computers and
Communications, 2006. ISCC, June 2006, pp 15-22.
[4] ns-2. The Network Simulator. Acesso em 2 de Abril de 2007, em: http://www.isi.edu/nsnam/ns.
[5] Module NDSL. Module WiMAX, versão 2.03. Netowrks & Distributed Systems Laboratory (NDSL). Acesso em 2
de Abril de 2007, em: http://ndsl.csie.cgu.edu.tw/wimax_ns2.php.
[6] J. Chen, C.-C. Wang, F. C-D. Tsai, C.-W. Chang, S-S Liu, J. Guo, W-J. Lien, J.-H. Sum, C.-H. Hung, “The Design and Implementation of WiMAX Module for ns-2 Simulator”. Proc. ACM VALEUTOOLS 2006, Pisa, Italy, October 10, 2006.
[7] C.-H. Ke, An example to measure the throughput of
TCP-based application over wire-cum-wireless environment. Acesso em 2 de Abril de 2007, em
http://140.116.72.80/~smallko/ns2/measure_tcp.htm. [8] C.-H. Ke, How to measure packet loss rate, jitter, and
end-to-end delay for UDP-based applications? Acesso
em 2 de Abril de 2007, em http://140.116.72.80/~smallko/ns2/tool_en.htm.
[9] A. V. Aho, B. W. Kernighan, P. J. Weinberger, The
Programming Language AWK. Addison-Wesley, 1998.
[10] T. Williams, L. Heching, H.-B. Broeker, GNUPLOT,
versão 4.2. Acesso em 15 de Abril de 2007, em
