Gustavo Pereira Mateus
UM MODELO FUZZY PARA CONTROLE DINÂMICO DO TAMANHO DE QUADROS EM REDES SEM FIO
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Título de Doutor em Ciência da Computação. Orientadora: Prof.ª Dr.a Silvia Modesto
Nassar
Coorientador: Prof. Dr. Mario Antonio Ribeiro Dantas
Florianópolis 2017
Gustavo Pereira Mateus
UM MODELO FUZZY PARA CONTROLE DINÂMICO DO TAMANHO DE QUADROS EM REDES SEM FIO
Esta tese foi julgada adequada para obtenção do título de doutor e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação.
Florianópolis, 11 de dezembro de 2017.
__________________________ Prof. José Luís Almada Güntzel, Dr.
Coordenador do Programa
_________________________ Prof. Mario Antonio Ribeiro Dantas, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina Coorientador
Banca Examinadora:
_________________________ Prof.a Silvia Modesto Nassar, Dr.a Universidade Federal de Santa Catarina
Orientadora
_________________________ Prof. Hermes Senger, Dr.
Universidade Federal de São Carlos (videoconferência)
_________________________ Prof.a Carla Merkle Westphall, Dr.a Universidade Federal de Santa Catarina
_________________________ Prof. Mauro Roisenberg, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha orientadora, professora Silvia Modesto Nassar, por toda a disponibilidade e dedicação durante a realização deste trabalho. Seus ensinamentos, conselhos e sugestões foram fundamentais ao longo da minha vida acadêmica.
Ao meu coorientador, professor Mario Antonio Ribeiro Dantas, pelo incentivo e recomendações para as publicações obtidas nesta pesquisa.
Agradeço aos professores que participaram da banca de qualificação e defesa pelos seus comentários, indicações e correções. Suas contribuições foram muito significativas para a qualidade do trabalho desenvolvido.
Aos colegas de trabalho e amigos Andréia Schwaab, Juliana Leonardi, Douglas Hiura e tantos outros por toda a paciência, ajuda e colaboração durante nossa convivência.
Agradeço especialmente à Beatriz Wilges pela compreensão, confiança, apoio e companheirismo sempre dados nos momentos que mais precisei. Obrigado por, desde o começo, acreditar que seria capaz de concluir mais esta etapa.
Aos meus familiares e pais, Neusa e Abeilard, pelo amor, dedicação e suas lições de vida. Todos, mesmo à distância, sempre apoiaram e incentivaram a seguir meu caminho.
RESUMO
Em regiões onde existe grande quantidade de dispositivos, é fundamental que um processo de análise do desempenho da rede sem fio seja continuamente executado. Isso porque, se muitos dispositivos tentarem transferir grande quantidade de dados, ou ocuparem o canal por períodos muito longos, provavelmente degradarão a capacidade e o desempenho da rede. Considerando que todas as estações podem transferir a mesma quantidade de dados, as estações com taxas de transmissão mais lentas tendem a ocupar o canal por mais tempo do que as estações com taxas de transmissão mais rápidas. Esse fenômeno é referenciado na literatura como "anomalia de desempenho" do IEEE 802.11 e ocasiona a degradação do desempenho da rede. Assim, esta pesquisa apresenta um modelo para gerenciar dinamicamente as características que influenciam no desempenho de um ambiente de rede sem fio, reduzindo a degradação. O modelo proposto utiliza um controlador fuzzy para ajustar dinamicamente o tamanho máximo do quadro que pode ser transmitido de acordo com as características do meio de transmissão. Para isso, são avaliadas variáveis como a taxa de transmissão e um indicador de utilização do canal. Os resultados do modelo fuzzy foram comparados com o padrão IEEE 802.11, por meio de testes estatísticos, e mostram que em geral é possível aumentar o desempenho em, aproximadamente, 30% ao controlar dinamicamente os aspectos que interferem na capacidade de transferência das estações.
Palavras-chave: Rede sem fio. Tamanho do quadro. Taxa de transmissão. Utilização do canal. Lógica fuzzy. Controle de quadro.
ABSTRACT
In areas where there are large numbers of devices it is essential to continuously run a process of performance analysis in wireless networks. This is necessary if many devices attempt to transfer large amounts of data, or occupy the channel over long periods as this will probably degrade the capacity and performance of the network. Considering that all stations could send the same amount of data, slower transmission rate stations have a tendency to occupy the channel longer than faster transmission rate stations. This phenomenon is referred to as IEEE 802.11 "performance anomaly", causing network performance degradation over time. Thus, this research presents a model to manage the parameters that can have influence over the quality of a wireless network environment, minimizing the loss of performance. The proposed model uses a fuzzy controller to dynamically adjust the maximum frame size that can be transmitted according to the characteristics of the transmission medium. Variables such as the transmission rate and a channel usage indicator are evaluated. The results obtained from the fuzzy model were compared to the IEEE 802.11 standard using statistical tests and show that it is generally possible to increase performance by approximately 30% if the aspects that interfere with the stations data delivery capacity are dynamically controlled.
Keywords: Wireless network. Frame size. Transmission rate. Channel usage. Fuzzy logic. Frame control.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Síntese dos procedimentos metodológicos ... 28
Figura 2 – Ambiente de experimentação ... 30
Figura 3 – Modelo TCP/IP: camada MAC ... 37
Figura 4 – Representação da área de cobertura de duas redes sem fio ... 38
Figura 5 – Quadro de dados IEEE 802.11 ... 39
Figura 6 – Agregação de quadros ... 41
Figura 7 – Funcionamento do Vetor de Alocação de Rede ... 43
Figura 8 – Sistema de inferência fuzzy ... 49
Figura 9 – Exemplos de funções de pertinência ... 52
Figura 10 – Métodos de defuzzificação ... 55
Figura 11 – Estrutura de um sistema ANFIS de ordem zero ... 57
Figura 12 – Taxas de transferência para estações operando a 54 Mbps ... 74
Figura 13 – Taxas de transferência para estações operando a 6 Mbps ... 75
Figura 14 – Taxas de transferência para estações operando a 6 e 54 Mbps ... 76
Figura 15 – Análise do desempenho em relação ao tamanho do quadro ... 77
Figura 16 – Resultado da comparação entre os simuladores para o desempenho das estações em relação ao tamanho do quadro ... 78
Figura 17 – Desempenho máximo de uma estação IEEE 802.11n ... 79
Figura 18 – Desempenho de duas estações ao compartilhar o canal ... 82
Figura 19 – Desempenho em relação ao número máximo de quadros agregados na estação B, com taxa de transmissão de 6,5 Mbps ... 83
Figura 20 – Indicador de utilização do canal (%) ... 85
Figura 21 – Desempenho da estação segundo a agregação de quadros com vários níveis de interferência ... 87
Figura 22 – Desempenho da estação segundo o tamanho do quadro e níveis de interferência ... 88
Figura 23 – Estrutura do modelo proposto ... 96
Figura 24 – Visão geral do controlador fuzzy ... 97
Figura 25 – Controlador fuzzy na camada MAC ... 98
Figura 26 – Modelo do controlador fuzzy ... 100
Figura 27 – Estrutura dos controladores fuzzy ... 101
Figura 28 – Funções de pertinência - Mamdani ... 103
Figura 29 – Superfície de saída - Mamdani ... 106
Figura 30 – Visualização da ativação das regras - Mamdani ... 107
Figura 31 – Funções de pertinência - Sugeno ... 109
Figura 32 – Visualização da ativação das regras - Sugeno ... 111
Figura 33 – Superfície de saída - Sugeno ... 113
Figura 34 – Exemplo de 40 dados de teste do protótipo - Sugeno ... 114
Figura 35 – Impacto no desempenho da estação B, com taxa de transmissão fixa a 65 Mbps, causado pela estação A ... 117
Figura 36 – Desempenho da estação A em relação às suas taxas de transmissão ... 118
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Resumo das diferenças do padrão IEEE 802.11 ... 47
Quadro 2 – Resumo das características dos trabalhos relacionados ... 65
Quadro 3 – Resumo das características dos trabalhos relacionados (continuação) ... 66
Quadro 4 – Síntese dos trabalhos relacionados ... 68
Quadro 5 – Síntese dos trabalhos relacionados (continuação) ... 69
Quadro 6 – Síntese das características dos simuladores ... 73
Quadro 7 – Principais taxas de transmissão ... 90
Quadro 8 – Base de regras – Mamdani ... 104
Quadro 9 – Parâmetros das funções de pertinência trapezoidais ... 105
Quadro 10 – Tamanho do quadro agregado (bytes) em função das entradas – Mamdani ... 108
Quadro 11 – Valores das constantes dos consequentes das regras para a saída ... 110
Quadro 12 – Tamanho do quadro agregado (bytes) em função das entradas – Sugeno ... 112
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Desempenho da estação em relação ao número máximo de quadros agregados ... 80
Tabela 2 – Desempenho das estações, em relação às taxas de transmissão da estação A, para cada tipo de controle ... 119
Tabela 3 – Descrição estatística do desempenho (Mbps) segundo o tipo de controle ... 120
Tabela 4 – Teste de Levene ... 121
Tabela 5 – Análise estatística (ANOVA Teste F) para o desempenho da estação A ... 121
Tabela 6 – Análise estatística (ANOVA de Kruskal-Wallis) para o desempenho da estação B ... 122
Tabela 7 – Comparação post hoc entre as médias de desempenho segundo os tipos de controle ... 123
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A-MPDU Aggregated MAC Protocol Data Unit
ANFIS Adaptive-Network-based Fuzzy Inference System ACK Acknowledgement - Confirmação
AP Access Point - Ponto de Acesso BSS Basic Service Set
CRC Cyclic Redundancy Check - Checagem de redundância cíclica CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CTS Clear to Send
DCF Distributed Coordination Function FIS Fuzzy Inference System
ISO International Standards Organization LAN Local Area Network - Rede local LLC Logical Link Control
MAC Medium Access Control - Controle de Acesso ao Meio MPDU MAC Protocol Data Unit
NAV Network Allocation Vector OSI Open Systems Interconnection Pad Complemento do quadro PCF Point Coordination Function PHY Camada física
RNA Redes Neurais Artificiais RTS Request to Send
SIFS Short Interframe Space SNR Signal-to-Noise Ratio
STA Wireless Station - Estação de rede sem fio
TCP/IP Protocolo de Controle de Transmissão e Protocolo de Internet WLAN Wireless Local Area Network
SUMÁRIO 1
INTRODUÇÃO ... 21
1.1 OBJETIVO GERAL ... 24
1.1.1 Objetivos específicos ... 25
1.2 ESCOPO ... 25
1.3 RELEVÂNCIA DA PESQUISA ... 26
1.4 INEDITISMO ... 26
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 27
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 33
2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ... 35
2.1 REDES SEM FIO IEEE 802.11 ... 35
2.1.1 Características gerais do padrão IEEE 802.11 ... 37
2.1.2 Quadro de dados ... 39
2.1.3 Agregação de quadros ... 40
2.1.4 Vetor de alocação de rede ... 42
2.1.5 Taxas de transmissão ... 43
2.1.6 Retransmissões ... 45
2.1.7 Revisões do padrão IEEE 802.11 ... 46
2.2 LÓGICA FUZZY ... 48
2.2.1 Fuzzificação ... 50
2.2.2 Motor de inferência ... 53
2.2.3 Defuzzificação ... 54
2.2.4 Neuro-fuzzy ... 55
2.3 CONSIDERAÇÕES ... 59
3
TRABALHOS RELACIONADOS ... 61
3.1 PESQUISAS SOBRE QUADROS DE DADOS ... 62
3.2 PESQUISAS COM OUTRAS ABORDAGENS ... 67
3.3 CONSIDERAÇÕES ... 68
4
AMBIENTE EXPERIMENTAL ... 71
4.1 FERRAMENTAS PARA SIMULAÇÃO ... 72
4.2 DESEMPENHO DA REDE IEEE 802.11a ... 74
4.3 DESEMPENHO DA REDE IEEE 802.11n ... 78
4.3.1 Taxas de transmissão e agregação de quadros ... 79
4.3.3 Interferência ... 86
4.4 DESCRIÇÃO DAS VARIÁVEIS ... 89
4.5 CONSIDERAÇÕES ... 92
5
MODELO PROPOSTO ... 95
5.1 MODELO DE CONTROLE FUZZY ... 99
5.2 IMPLEMENTAÇÃO DO MODELO ... 100
5.2.1 Controlador Fuzzy Mamdani ... 102
5.2.2 Controlador Fuzzy Sugeno ... 108
5.3 CONSIDERAÇÕES ... 114
6
RESULTADOS ... 117
6.1 ANÁLISE ESTATÍSTICA ... 120
6.2 CONSIDERAÇÕES ... 123
7
CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 125
7.1 CONCLUSÕES ... 125
7.2 TRABALHOS FUTUROS ... 127
REFERÊNCIAS ... 129
1 INTRODUÇÃO
Com o crescente número de dispositivos que utilizam tecnologia sem fio, observa-se o aumento do interesse pela análise das características das redes IEEE 802.11, considerando aspectos que influenciam diretamente no desempenho da rede.
A pesquisa de Pisani et al. (2017) ressalta os desafios decorrentes da grande escala de dispositivos conectados. Segundos os autores, existe a perspectiva de mais de 50 bilhões de dispositivos conectados à internet das coisas (IoT) até 2020. Assim, o grande volume de informações fará com que transmitir todos os bytes para a nuvem seja proibitivo em termos de tempo e dinheiro. Por isso, é necessário reduzir problemas com conexões de rede lentas e intermitentes, além de evitar congestionamentos.
Gerenciar dinamicamente o tamanho máximo de quadros transmitidos em uma rede sem fio, definido pelo padrão IEEE 802.11 (IEEE, 2016), pode melhorar o desempenho da rede. Em regiões com grande número de dispositivos conectados ou em áreas onde existem níveis elevados de interferência, a transmissão de quadros com tamanho próximo ao máximo permitido pelas normas, ou a ocupação do canal por um tempo muito longo, leva à diminuição do desempenho da rede como um todo.
Ainda nesse contexto, a interferência no canal de transmissão também é um fator crítico que pode interromper a comunicação sem fio, prejudicando as transmissões de quadros na rede.
A pesquisa de Siddiqui, Zeadally e Salah (2015) mostra uma visão geral sobre as várias revisões do padrão IEEE 802.11 ao longo do tempo. Além disso, evidencia o rápido aumento do uso de dispositivos com tecnologia sem fio e a crescente demanda da taxa de transferência por diversas aplicações. Também são levantadas questões sobre redes sem fio de alta capacidade, em que muitos dispositivos estão presentes, resultando em um considerável aumento do tráfego de dados.
Independentemente do padrão utilizado, o tamanho de um quadro pode variar significativamente, afetando assim a disponibilidade do canal de comunicação de diversas formas. Esse efeito também é observado em padrões mais recentes, nos quais já existe uma técnica que pode agregar um conjunto de quadros para que estes possam ser enviados em um único acesso ao canal.
tamanho considerado grande, a uma taxa de transmissão lenta, pode levar a um cenário crítico, porque esses quadros demoram mais tempo para ser transmitidos com êxito. Ou seja, eles consomem muito tempo em uma transmissão; assim, o canal fica indisponível para outras transmissões por estar ocupado. No entanto, as taxas de transmissão lentas são necessárias por serem menos propensas a erros e se adaptarem melhor às condições do canal. Além disso, a comunicação por redes sem fio está sujeita a situações em que podem ocorrer desconexões temporárias por causa das condições precárias do meio de transmissão, sendo necessários métodos e algoritmos capazes de transportar dados de forma mais eficiente, como discutido na pesquisa de Silva e Dantas (2013).
Segundo Ao, Jiang e Yuan (2013), para minimizar os efeitos das diversas condições do canal, o padrão IEEE 802.11 define várias taxas de transmissão. Em cada taxa de transmissão utilizam-se esquemas de modulação ou taxas de codificação diferentes. Ainda de acordo com Ao, Jiang e Yuan (2013), não existe uma definição de qual técnica deve ser utilizada para escolher uma determinada taxa de transmissão. Isso porque o padrão IEEE define, somente, as regras de interoperabilidade e não quais técnicas devem ser aplicadas para implementar a rede.
Normalmente essas técnicas utilizam diversos parâmetros para estimar a taxa de transmissão necessária para que o receptor possa decodificar o sinal recebido. Entre esses parâmetros da rede destacam-se a taxa de erros, o consumo de energia, a qualidade do sinal, entre outros.
Com foco no consumo de energia, Frantti (2012) propôs um sistema fuzzy para controlar a potência de transmissão dos dispositivos de acordo com as condições do canal.
Existem, também, outros fatores que podem influenciar no desempenho da rede, tais como: o atraso no envio de quadros, a variação desse atraso, número de estações conectadas ou a carga de tráfego solicitada pelas estações.
De acordo com Assasa, Loch e Widmer (2016), qualquer tempo gasto no controle de acesso ao meio (MAC), o espaçamento entre quadros ou retransmissões são altamente prejudiciais ao desempenho da rede. Os autores mostram ainda um exemplo em que normalmente o envio de um pequeno pacote a uma taxa de transmissão moderada pode ocupar 20 vezes mais tempo aguardando acesso ao meio do que a simples transmissão.
Enquanto que na pesquisa de Assasa, Loch e Widmer (2016) as atenções sobre a análise do desempenho da rede são focadas em uma única estação transmitindo, nesta tese o foco é analisar o desempenho
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geral de redes IEEE 802.11 com estações que compartilham o canal. Nesse sentido, muitos trabalhos indicam que o desempenho das estações com taxas de transmissão rápidas é fortemente afetado por estação com taxas de transmissão lentas mesmo que elas estejam próximas do Access Point (AP) (HASHIMOTO et al., 2016; HEUSSE et al., 2003; KIM et al., 2014; MATEUS et al., 2017; RIGGIO et al., 2016; YANG et al., 2006).
Segundo Yang et al. (2006), isso é basicamente causado pelo fato de que a camada MAC 802.11 fornece um acesso justo ao canal entre as estações. Ou seja, todas as estações possuem as mesmas oportunidades. Consequentemente, assumindo que todas as estações podem transferir a mesma quantidade de dados, aquelas com taxas mais lentas tendem a ocupar o canal por mais tempo do que as com taxas mais rápidas. Esse fenômeno é referido na literatura como "anomalia de desempenho" do IEEE 802.11, que mostra uma degradação inesperada do desempenho das estações com taxas mais elevadas (HASHIMOTO et al., 2016; HEUSSE et al., 2003; KIM et al., 2014; RIGGIO et al., 2016; YANG et al., 2006). Na prática isso significa que o desempenho geral do sistema é dominado pelas estações com taxas menores, o que ocasiona um problema grave de fuga de recursos que precisa ser evitado ou atenuado.
Nesse contexto, pesquisas e propostas relacionadas com esta tese buscam alternativas e soluções para essa lacuna do desempenho das redes IEEE 802.11. Evitar ou, pelo menos, reduzir os efeitos da "anomalia de desempenho" significa melhorar o desempenho (performance) das diferentes estações transmitindo nas redes IEEE 802.11, ou seja, obter o melhor desempenho possível considerando as características das estações envolvidas no ambiente.
Na pesquisa de Dely et al. (2010), o atraso da fila de transmissão é ajustado de acordo com a utilização do canal. Isso é feito com o auxílio de um controlador fuzzy, que pode agrupar quadros pequenos, ao ajustar o tempo de permanência dos quadros na fila de transmissão. Por outro lado, Frantti e Koivula (2011) sugerem a utilização de um sistema fuzzy para minimizar o tamanho do quadro transmitido e, assim, diminuir o atraso de entrega dos quadros. Já Ramaswamy et al. (2014) desenvolveram um algoritmo que faz a seleção entre dois métodos de agregação de quadros com o objetivo de minimizar a latência para a entrega de quadros de aplicações de tempo real.
Avaliar essas características dinamicamente pode melhorar o desempenho geral da rede e aumentar a sua capacidade de transferência de dados. No entanto, a mensuração desses aspectos deve considerar fatores de imprecisão em sua definição, já que a maior parte deles é
muito dinâmica.
Assim, o uso da lógica fuzzy, que considera a transformação de uma entrada em um grau de pertinência a um conjunto, pode facilitar a modelagem de sistemas de controle em que o mapeamento entre as variáveis de entrada e saída com valores reais é representado por regras difusas. Portanto, podem ser considerados aspectos significativos na transferência de dados em uma rede sem fio, que podem ser observados por dados reais ou sintéticos (simulação) ou obtidos por conhecimento de especialistas.
De acordo com Simões e Shaw (2007), os controladores baseados em regras apresentam vantagens; por isso, são uma configuração popular utilizada no desenvolvimento de controladores fuzzy. Nesse contexto, as regras de controle são de fácil compreensão e podem ser testadas individualmente. Além disso, as regras individuais podem ser combinadas para executar um controle complexo.
A proposta desta tese considera o desenvolvimento de um controlador fuzzy para limitar dinamicamente o tamanho máximo dos quadros que podem ser enviados em um ambiente de rede sem fio. Para isso, são considerados aspectos que podem indicar as características da rede de acordo com sua utilização.
Diante das evidências já mencionadas, esta pesquisa tem a seguinte questão: como melhorar o desempenho de uma rede sem fio por meio de um controlador fuzzy que limita dinamicamente o tamanho de quadros transmitidos?
1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo desta pesquisa é propor um modelo fuzzy para controle dinâmico do tamanho dos quadros transmitidos em redes sem fio.
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1.1.1 Objetivos específicos
● Identificar um conjunto de características que influenciam no desempenho da rede sem fio.
● Investigar a arquitetura do modelo e os parâmetros de controle com abordagens baseadas em dados e especialistas.
● Desenvolver o modelo e implementar protótipos que limitam dinamicamente o tamanho máximo de quadros transmitidos.
● Avaliar o modelo proposto.
1.2 ESCOPO
O escopo desta pesquisa envolve a avaliação do desempenho de redes sem fio do padrão IEEE 802.11. Nesse contexto são avaliadas, principalmente, informações relativas ao tamanho máximo de quadros que podem ser transmitidos com o objetivo de reduzir a perda de desempenho para estações que têm melhores condições de utilização do canal de comunicação.
Para isso, avaliam-se informações relativas ao estado do meio de transmissão e modifica-se o tamanho máximo do quadro que pode ser enviado visando ao aumento do desempenho geral do ambiente. Assim, estações mais rápidas e com melhores condições de transmissão podem ser menos prejudicadas por estações que não têm capacidade de transmissão elevada devido às condições do canal. Para isso utiliza-se um controlador baseado em lógica fuzzy, que pode receber informações sobre o canal e indicar o tamanho máximo mais adequado para o quadro. O modelo fuzzy, proposto nesta pesquisa, atua como um controlador para a camada MAC. Assim, o controlador proposto permite limitar o tamanho máximo dos quadros agregados, baseado em informações providas pela própria camada MAC. O modelo proposto atua somente com a camada MAC; dessa forma, ele não depende de uma aplicação específica nem de uma determinada versão do IEEE 802.11, podendo ser utilizado de forma genérica tanto para a agregação quanto para a fragmentação de quadros.
1.3 RELEVÂNCIA DA PESQUISA
A possibilidade de resolver um problema muito referenciado na literatura atribui um valor importante para esta tese. Isso porque o modelo proposto é capaz de melhorar o desempenho da rede mesmo nas situações consideradas como anomalia de desempenho. Analisaram-se e observaram-se muitas pesquisas no intuito de aumentar o desempenho das redes IEEE 802.11, principalmente no cenário em que se constata uma degradação do desempenho das estações com taxas mais elevadas.
O modelo proposto nesta tese procura atenuar a fuga de recursos aliando aspectos significativos de duas grandes áreas da computação: redes de computadores e inteligência computacional. Assim, a vinculação dessas duas áreas pode contribuir com a implementação de um controlador fuzzy capaz de melhorar o desempenho da rede.
Além disso, a importância desta pesquisa está fundamentada na contribuição que o modelo de controle dinâmico de quadros será capaz de proporcionar, adicionando técnicas de inteligência computacional ao algoritmo que define o tamanho máximo dos quadros, o que pode trazer benefícios para o ambiente de rede sem fio. Como forma de avaliar o modelo do controlador proposto, simularam-se os resultados do modelo e os compararam com os atuais resultados do padrão da rede IEEE 802.11.
1.4 INEDITISMO
Muitas pesquisas têm como objetivo preencher a lacuna existente em um ambiente de rede sem fio, ao propor diferentes abordagens para aumentar o desempenho da rede (AZHARI; GURBUZ; ERCETIN, 2016; BYEON et al., 2014; CHARFI et al., 2015; FRANTTI, 2012; FRANTTI; KOIVULA, 2011; KOWSAR; BISWAS, 2017; KU et al., 2016; LIU et al., 2010; SAHU; YEON, 2016; ZUBELDÍA; FERRAGUT; PAGANINI, 2013). No entanto, percebe-se que algumas pesquisas não consideram as diferentes taxas de transmissão das estações. Outras não utilizam parâmetros dinâmicos na rede, reduzindo a taxa de transferência em determinadas situações. Além disso, as abordagens fuzzy apresentadas no capítulo de trabalhos relacionados tratam com cenários bastante específicos, sendo utilizadas apenas aplicações em tempo real.
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de controle que permite estimar o tamanho máximo de quadros agregados que possam ser transmitidos de forma dinâmica, considerando as diferentes taxas de transmissão e a utilização do canal. Para avaliar a utilização do canal, considerou-se o monitoramento das atualizações do vetor de alocação de rede (Network Allocation Vector - NAV). Assim, levam-se em conta as transmissões de todas as estações presentes no ambiente de rede sem fio, até mesmo, estações que participam de BSS (Basic Service Set) independentes.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
O projeto de um modelo fuzzy para controlar dinamicamente o tamanho dos quadros requer um estudo minucioso dos cenários de transmissão de dados no contexto das redes IEEE 802.11. Nesse sentido, é necessário considerar diferentes estações transmitindo ao mesmo tempo, aplicar as diferentes taxas de transmissão de dados, avaliar a utilização do canal, observar a necessidade de retransmissão, entre outros fatores. Além disso, é fundamental que todas as revisões dos padrões definidos pela IEEE 802.11 sejam avaliadas para observar os detalhes que podem determinar as diferenças no desempenho das transmissões.
Os procedimentos metodológicos envolveram as etapas de estudo dos fundamentos teóricos sobre redes de computadores, a inteligência computacional e a revisão dos padrões IEEE. Envolveram também a avaliação da revisão do estado da arte, considerando diferentes abordagens, algoritmos e técnicas para resolver o problema definido como anomalia de desempenho.
Após concluída essa etapa, iniciaram-se as análises no ambiente experimental. Nessa fase, procurou-se formular cenários nos quais o problema ocorria e buscar analisar detalhadamente as variáveis presentes. O foco foi evidenciar as variáveis que influenciavam diretamente na degradação de desempenho. Empregaram-se diferentes simuladores, com diferentes abordagens do padrão IEEE e diferentes taxas de transmissão. Assim, foi possível levantar insumos e hipóteses que pudessem ser avaliadas para a concepção do modelo proposto, em cujo contexto foi necessário delimitar o escopo de atuação do controlador fuzzy, para que ficasse evidente em qual das camadas de rede é possível obter resultados mais satisfatórios que podem atenuar o problema abordado.
sua implementação considerou duas abordagens: uma focada em um controlador Mamdani, construído com dados a partir da análise do especialista, e outro controlador, o Sugeno, construído com dados inseridos em um sistema neuro-fuzzy.
Realizou-se a avaliação final do modelo proposto com base nos resultados produzidos pelo protótipo do controlador fuzzy. Simularam-se esses resultados e os compararam com os resultados das simulações sem o efeito dos controladores implementados. Além disso, aplicaram-se testes estatísticos para avaliar as diferenças entre os protótipos e o padrão IEEE 802.11. A Figura 1 apresenta a síntese da metodologia desta pesquisa.
Figura 1 – Síntese dos procedimentos metodológicos
Fonte: Elaborada pelo autor
De forma resumida, a concepção do modelo fuzzy proposto nesta tese teve a execução das seguintes etapas:
● Análise do documento de referência sobre o padrão IEEE 802.11, que descreve a arquitetura de rede sem fio abordada nesta pesquisa, para verificar as especificações do protocolo.
● Identificação de um conjunto de características para avaliar o desempenho dos dispositivos de redes sem fio,
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por meio de simulação.
● Implementação dos controladores fuzzy com as definições dos conjuntos fuzzy, funções de pertinência e seus parâmetros, base de regras, métodos de inferência e defuzzificação.
● Desenvolvimento de simulações para avaliação do modelo.
● Realização de análises estatísticas nos resultados.
Descrevem-se essas etapas com mais detalhes nas seções seguintes, observando características, métodos e procedimentos que se adotaram para execução das atividades propostas na metodologia desta tese.
a) Revisão da literatura
A revisão bibliográfica teve o objetivo de reunir informações e referenciais teóricos relevantes ao contexto desta pesquisa. Dessa forma, revisaram-se conceitos relacionados a redes de computadores, mais especificamente detalhes sobre redes sem fio do padrão IEEE 802.11, relativos ao tema e objetivos desta tese. Além disso, estudou-se o documento que define as normas e especificações do padrão IEEE 802.11 para identificar possibilidades de modificações nas características da rede.
Também se pesquisaram conceitos de lógica fuzzy para revisar técnicas de controle e suas especificações. Por fim, realizou-se um estudo sobre o estado da arte dos trabalhos relacionados a esta tese com o objetivo de investigar e avaliar as soluções propostas, métodos, técnicas, padrões e variáveis escolhidas para os modelos propostos.
A revisão do estado da arte abrangeu o período de 2010 até 2017 e consultaram-se as seguintes bases de dados: IEEE Xplore, ACM Digital Library e Springer Link. Dessa forma, os termos de busca se concentraram na combinação de strings e operadores que formaram a seguinte expressão:
("802.11" AND “Performance” AND (“Frame Size” OR “Fragmentation Threshold” OR “Frame Aggregation” OR “Fuzzy”))
b) Avaliação de simuladores
características e restrições dos simuladores de redes sem fio do padrão IEEE 802.11. Examinaram-se três simuladores relevantes para o contexto de avaliação de desempenho de redes sem fio: Pamvotis, OMNeT++ e NS3.
A avaliação iniciou pelo simulador mais específico, no contexto de desempenho de redes IEEE 802.11, e avançou para simuladores mais generalistas no âmbito de redes de computadores. Realizou-se o desenvolvimento de experimentos e testes nos simuladores considerados mais adequados, por não oferecerem restrições, para as análises e observações necessárias para o andamento desta pesquisa.
c) Experimentos com o padrão IEEE 802.11
O ambiente experimental envolveu a criação de diversos cenários de simulação para as revisões mais utilizadas do padrão IEEE 802.11. Dessa forma, realizou-se a base dos experimentos no ambiente representado pela Figura 2.
Figura 2 – Ambiente de experimentação
Fonte: Elaborada pelo autor
A Figura 2 mostra dois pontos de acesso e duas estações de rede sem fio que operam no mesmo canal e, por isso, precisam aguardar a liberação do canal para realizar uma transmissão. Cada estação do ambiente possui uma aplicação que gera os dados, e cada ponto de acesso dispõe de um servidor que recebe os dados para contabilizar os resultados. De forma geral, o ambiente base só é modificado pela adição
31
de mais duplas de pontos de acesso e estações para representar redes vizinhas e independentes. Contudo, aplicam-se e coletam-se os parâmetros de simulação e resultados de desempenho nas primeiras estações (A e B) para posterior análise.
Realiza-se cada simulação por 300 segundos e contabilizam-se os valores a cada segundo; dessa forma, geram-se 300 valores de desempenho em cada simulação. Assim, extraem-se os resultados de desempenho máximo atingido a partir da média dos valores durante o tempo total da simulação. Com esse tempo de simulação observou-se que é possível reduzir a chance de que pequenas variações venham a influenciar os resultados obtidos.
d) Identificação das variáveis do modelo
Obteve-se o processo de identificação das variáveis por meio de simulações em cenários experimentais. Essa etapa teve o propósito de obter conhecimento sobre o comportamento do sistema em diferentes situações. O objetivo foi encontrar variáveis que influenciassem diretamente na degradação de desempenho. Assim, chegou-se às seguintes variáveis para a possível composição do modelo:
• taxas de transmissão; • tamanho de quadro;
• tamanho do quadro agregado; • utilização do canal;
• taxas de transferência; • desempenho da estação.
A taxa de transmissão das estações, em redes do padrão IEEE 802.11, é a definição da velocidade com a qual os bits de um quadro são transmitidos no canal e é medida em megabit por segundo (Mbps).
O tamanho do quadro é o número total de bits que compõem o quadro que será transmitido por uma estação e sua unidade de medida é o byte. Já o tamanho do quadro agregado indica quantos subquadros podem ser transmitidos em um único acesso ao canal.
A utilização do canal é um indicador que mostra o percentual de uso do meio de transmissão, considerando todas as transmissões que podem ser recebidas pela estação que faz a medição.
transmissão das estações em uma rede ao considerar somente a carga útil que deve ser enviada. Obtém-se a taxa de transferência ao multiplicar o número de pacotes recebidos pelo seu tamanho em bits durante um intervalo de tempo, o que resulta na unidade de transmissão de dados chamada de megabit por segundo (Mbps). O indicador de desempenho máximo da estação utilizado nesta pesquisa é a taxa de transferência.
e) Definição e implementação do modelo
Implementou-se o modelo proposto nesta pesquisa em forma de protótipo para posterior avaliação. Assim, utilizaram-se dois protótipos de controladores fuzzy para a observação de suas características. Os parâmetros estruturais de ambos os modelos são semelhantes; portanto, possuíam duas variáveis de entrada e uma de saída.
O primeiro protótipo de controlador fuzzy baseou-se no modelo de Mamdani que, por ser mais genérico, requer que todos os seus parâmetros sejam ajustados manualmente por um especialista. Já o segundo protótipo de controlador foi desenvolvido com base no modelo de Sugeno que, por ser uma simplificação do modelo de Mamdani, pode ter a maior parte dos seus parâmetros ajustados de forma automática com base em dados de treinamento.
f) Avaliação do modelo
Realizou-se a avaliação do modelo por meio dos resultados das simulações do ambiente experimental e análise estatística. Dessa forma, compara-se o desempenho de estações de rede sem fio sob a influência dos dois protótipos de controladores, desenvolvidos com base no modelo, bem como o desempenho das estações operando de acordo com as especificações do padrão IEEE 802.11.
Além disso, aplicou-se o teste estatístico Análise de Variância (ANOVA), que verifica se as médias dos resultados para a variável desempenho são semelhantes, indicando que não existe diferença significativa entre os tipos de controle (Hipótese H0), ou se pelo menos
uma média difere das demais, indicando que existe diferença significativa de desempenho entre os tipos de controle avaliados (Hipótese H1).
Para a avaliação do modelo, primeiramente se utilizou o teste de Levene para identificar se existe homocedasticidade (Hipótese H0) ou
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desvios padrão são semelhantes ou não. Dessa forma, identificou-se o tipo de Análise de Variância compatível com os resultados obtidos: ANOVA Teste F ou ANOVA de Kruskal-Wallis.
Caso seja identificada alguma diferença estatisticamente significativa nas médias de desempenho, então se aplicará o teste Z post hoc para identificar entre quais tipos de controle existe diferença de desempenho.
Em todos os testes de hipóteses adotou-se um nível de significância (α) igual a 0,05 ou 5%.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está organizado da seguinte forma: no segundo capítulo apresentam-se os fundamentos teóricos sobre redes sem fio IEEE 802.11 bem como aspectos gerais sobre a lógica fuzzy. O terceiro capítulo apresenta a revisão da literatura com os trabalhos relacionados a esta pesquisa. O quarto capítulo apresenta o ambiente experimental em que se realizaram diversas simulações com diferentes simuladores em cenários variados. O quinto capítulo descreve a definição do modelo para o controle dinâmico do tamanho do quadro bem como a implementação dos protótipos do modelo. No sexto capítulo apresentam-se os resultados obtidos com a utilização do modelo proposto. Ao final, no sétimo capítulo, apresentam-se as considerações, trabalhos futuros e recomendações desta tese.
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
Neste capítulo abordam-se assuntos relativos à definição de redes sem fio e suas particularidades, como tamanho de quadros e taxas de transmissão. Também se relacionam os conceitos que envolvem lógica fuzzy, pela possibilidade de propor um controlador fuzzy para ajustar dinamicamente o tamanho de quadros.
2.1 REDES SEM FIO IEEE 802.11
O padrão IEEE 802.11 é um conjunto de normas que definem as características de uma rede sem fio local (Wireless Local Area Network - WLAN). Essas normas foram desenvolvidas pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) em 1997 e, desde então, vêm sofrendo modificações com o objetivo de aumentar a capacidade da rede e acrescentar novas características.
Segundo o documento que define as normas, o propósito do padrão IEEE 802.11 é prover conectividade sem fio para estações móveis, fixas e portáteis em uma rede local (IEEE, 2016). Além disso, o padrão descreve os requisitos para que os dispositivos operem em uma rede sem fio.
As redes IEEE 802.11 fazem parte das camadas mais baixas do modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection). Esse modelo, proposto pela International Standards Organization (ISO), é composto por sete camadas, que fornecem diferentes abstrações para simplificar a arquitetura de uma rede. Seu objetivo é permitir a comunicação entre sistemas por meio da padronização dos protocolos e camadas (FOROUZAN; MOSHARRAF, 2013).
Entre as sete camadas definidas no modelo OSI: física, enlace de dados, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação, as redes IEEE 802.11 atuam especificamente nas camadas 1 e 2, física e enlace de dados respectivamente.
Segundo Tanenbaum e Wetherall (2011), a camada física corresponde muito bem à camada física do modelo OSI, mas a camada de enlace de dados em todos os protocolos 802 se divide em duas ou mais subcamadas. No IEEE 802.11, a subcamada MAC (Medium Access Control) determina como o canal é alocado, isto é, quem terá a oportunidade de transmitir. Acima da subcamada MAC encontra-se a
camada LLC (Logical Link Control), cujo trabalho é ocultar as diferenças entre as diversas variações do IEEE 802 e torná-las indistinguíveis no que se refere à camada de rede.
A camada física trata da transmissão de bits por um canal de comunicação, bem como o tempo necessário para que cada unidade seja transmitida. Na camada de enlace, os dados são divididos em quadros e enviados sequencialmente. Assim, quando o canal de transmissão é compartilhado, existe a necessidade de controlar o acesso ao canal; essa função é realizada pela subcamada MAC.
De acordo com Forouzan (2009), o modelo em camadas que dominou a literatura sobre comunicação de dados e redes antes da década de 1990 foi o modelo OSI, o qual, segundo todos acreditavam, se tornaria o padrão final para a comunicação de dados; entretanto, isso não aconteceu. O conjunto de protocolos TCP/IP acabou se tornando a arquitetura predominante, pois foi usado e testado de forma intensiva na internet; o modelo OSI jamais foi totalmente implementado.
O modelo TCP/IP é resultado do desenvolvimento de um conjunto de padrões para interconexão entre muitas tecnologias de comutação de pacotes, em que TCP refere-se ao Protocolo de Controle de Transmissão e IP refere-se ao Protocolo de Internet. Ainda segundo Forouzan (2009), o conjunto de protocolos TCP/IP foi desenvolvido antes do modelo OSI; portanto, as camadas de um não correspondem às do outro. Entretanto, quando o TCP/IP é comparado ao modelo OSI, podemos dizer que host/rede é equivalente à combinação das camadas física e enlace de dados. A camada internet equivale à camada de rede, e a camada de aplicação realiza as funções das camadas de sessão, apresentação e de aplicação com a camada de transporte no TCP/IP, cuidando também de parte das tarefas da camada de sessão. Portanto, semelhante a alguns outros autores (FOROUZAN, 2009; DANTAS, 2010; WALKER; TUMMALA; MCEACHEN, 2015), o modelo TCP/IP que se adota nesta pesquisa considera essas cinco camadas.
Nesse contexto, o escopo desta pesquisa é delimitado na camada de enlace de dados, especificamente na subcamada MAC do padrão IEEE 802.11. A Figura 3 situa a subcamada MAC dentro do modelo TCP/IP.
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Figura 3 – Modelo TCP/IP: camada MAC
Fonte: Walker, Tummala e McEachen (2015)
Segundo Comer (2016), os protocolos na camada MAC especificam os detalhes relativos à comunicação sobre uma rede simples e a interface entre o hardware da rede, camada física, e a camada de rede, a qual é implementada usualmente por software. Especificações sobre os endereços de rede, o tamanho máximo do pacote que a rede pode suportar, os protocolos usados para acessar o meio e o endereçamento de hardware pertencem à camada de enlace.
2.1.1 Características gerais do padrão IEEE 802.11
O IEEE 802.11 define o BSS (Basic Service Set) como a base de uma rede LAN sem fio (WLAN). Uma BSS é formada por estações wireless fixas ou móveis e, opcionalmente, por uma estação base central conhecida como AP (Access Point). Uma BSS sem AP é uma rede isolada e independente que não pode transmitir dados para outras BSSs. Essa arquitetura é denominada arquitetura ad hoc; já uma rede BSS com AP recebe o nome de rede de infraestrutura (FOROUZAN, 2009).
O padrão IEEE 802.11 estabelece duas subcamadas MAC: a DCF (Distributed Coordination Function), função de coordenação distribuída
e a PCF (Point Coordination Function), função de coordenação de ponto. Segundo Tanenbaum e Wetherall (2011), na função DCF cada estação atua de modo independente, sem nenhum tipo de controle central; já na função PCF, o ponto de acesso controla toda a atividade em sua célula. Porém, o PCF não é utilizado na prática porque normalmente não existe um modo de impedir que as estações em outra rede vizinha transmitam um tráfego simultâneo. A Figura 4 representa duas redes sem fio independentes publicadas por pontos de acesso (AP).
Figura 4 – Representação da área de cobertura de duas redes sem fio
Fonte: Elaborada pelo autor
Nessa situação que se apresenta na Figura 4, a estação (STA), na região central, está dentro da área de cobertura de ambas as redes e, portanto, precisa compartilhar o canal com todas as estações próximas e também com os dois pontos de acesso, caso eles estejam operando no mesmo canal.
Ainda sobre a função DCF, é importante mencionar que ela implementa o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) para diminuir a probabilidade de colisão e aumentar o desempenho. A chance de colisão pode ser reduzida se uma estação "escutar" a rede antes de tentar usá-la. O CSMA exige que cada estação "escute" primeiramente a rede antes de iniciar uma transmissão. No CSMA/CA as colisões são evitadas por meio do emprego de três estratégias: espaçamento entre quadros (frames), janela de contenção e confirmações (FOROUZAN, 2009).
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separadamente outras características mais específicas, nas próximas seções, porque são importantes no escopo da proposta desta pesquisa.
2.1.2 Quadro de dados
O padrão IEEE 802.11 define três diferentes classes de quadros: dados, controle e gerenciamento. Cada um deles tem um cabeçalho com uma variedade de campos usados na subcamada MAC.
Um quadro é um conjunto de dados a ser enviado acrescido de informações como estação remetente, destinatário e um campo para controle de erros. O tamanho final do quadro a ser enviado é um dos parâmetros que definem o tempo total que o meio de transmissão ficará reservado para a estação que deve enviar o quadro (TANENBAUM; WETHERALL, 2011). Apresenta-se o formato do quadro de dados na Figura 5.
Figura 5 – Quadro de dados IEEE 802.11
Fonte: TANENBAUM e WETHERALL (2011)
Cada um dos campos da especificação do quadro apresentado na Figura 5 é exemplificado na sequência de acordo com as definições apresentadas por Tanenbaum e Wetherall (2011) e Forouzan (2009): a) Campo para Controle de Quadro
Este campo contém informações como a especificação da versão do protocolo, tipo (dado, controle, gerenciamento), subtipo, entre outros subcampos.
b) Campo de Duração
O segundo campo, duração, informa por quanto tempo, após o quadro atual, o canal ficará ocupado para troca de quadros. Esse campo está presente em todos os tipos de quadros e representa a forma como outras estações administram o mecanismo Network Allocation Vector (NAV).
c) Campos de Endereço
Na sequência dos campos do quadro de dados, observa-se, na Figura 5, o cabeçalho com quatro endereços, todos em formato padrão IEEE 802.11: um para especificar a origem, outro o destino, e os outros dois, utilizados pelas estações base de origem e destino para tráfego entre células.
d) Campo de Controle de Sequência (Seq.)
O campo de controle de sequência permite que os fragmentos sejam numerados e é utilizado no controle de fluxo.
e) Campo com o Corpo do Quadro (Dado)
O campo de dados contém a carga útil de até 2.312 bytes e contém informações, dependendo do tipo e do subtipo de frame definidos no primeiro campo (controle de quadro).
f) Campo para Controle de Erro
O campo para controle de erro tem 4 bytes de comprimento e contém uma sequência CRC-32 que verifica o correto recebimento do quadro.
De acordo com Forouzan (2009), os quadros de gerenciamento são utilizados para iniciar a comunicação entre as estações e os APs. Segundo Tanenbaum e Wetherall (2011), esses quadros possuem um formato semelhante ao dos quadros de dados, exceto por não terem um dos endereços da estação base, porque os quadros de gerenciamento são restritos a uma única célula.
Os quadros de controle são ainda mais curtos, tendo apenas um ou dois endereços, nenhum campo de dado e nenhum campo sequência. A informação que é importante no quadro de controle está no campo subtipo, em geral RTS (Request to Send), CTS (Clear to Send) ou ACK (Acknowledgement). Ou seja, os quadros de controle são utilizados para acessar o canal e confirmar os quadros de dados.
2.1.3 Agregação de quadros
As revisões mais recentes do padrão IEEE 802.11 permitem a agregação de quadros para que estes sejam transmitidos em um único acesso ao canal. Segundo Saif et al. (2012), a agregação de quadros
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melhora o desempenho de estações que podem transmitir em taxas mais rápidas, pois aumenta o conjunto de informações que podem ser enviadas sem que o canal seja ocupado por muito tempo.
O padrão IEEE 802.11 define que um quadro pronto para transmissão é chamado de MAC Protocol Data Unit (MPDU). A Figura 6 mostra a agregação de quadros, na qual uma sequência de quadros (MPDU) é agregada em subquadros (subframes) para formar um quadro maior, chamado de A-MPDU.
Figura 6 – Agregação de quadros
Fonte: Adaptada de Sarkar (2010)
De acordo com Gast (2013), cada quadro transmitido por um dispositivo IEEE 802.11 tem uma quantidade significativa de sobrecarga. Uma das maiores fontes de sobrecarga é a aquisição do canal para obter o direito de transmissão. Nas taxas de dados mais altas, essa sobrecarga pode consumir mais largura de banda do que a estrutura de dados da carga útil.
Para melhorar a eficiência da rede, o padrão IEEE 802.11n definiu a agregação de MPDUs (A-MPDU); assim, vários quadros de dados são agrupados em um quadro grande, conforme ilustra a Figura 6. Isso significa que um dispositivo obtém acesso ao canal de rádio e, em seguida, usa essa oportunidade para transmitir múltiplos quadros.
Ainda de acordo com Gast (2013), cada fabricante implementa a agregação da forma que considerar mais conveniente, pois o padrão define somente o formato do quadro agregado e não como deve ser sua implementação.
que quadros MPDU sejam encapsulados em um quadro maior para serem transmitidos em um único acesso ao canal. O processo de encapsulamento é chamado de agregação de quadros e pode ser realizado por uma estação se um conjunto de dados está disponível em sua fila de transmissão. Além disso, esses quadros devem ser endereçados a um único receptor, para que possam ser agregados. O padrão define que o número máximo de quadros agregados não pode exceder a 64 e o tamanho do quadro agregado resultante deve ser limitado a 64 Kbytes. Mas, de acordo com Gast (2013), na revisão IEEE 802.11ac, o limite de tamanho foi expandido para acomodar quadros ainda maiores desde que o tempo total da transmissão não exceda a um determinado limite.
De acordo com Mujtaba (2005), para permitir que a agregação de quadros ocorra, o acesso ao canal poderá ser atrasado até que exista um quadro agregado excedendo um determinado limite de tamanho ou se um MPDU estiver na fila de transmissão por um tempo maior que um determinado limite.
2.1.4 Vetor de alocação de rede
Conforme ilustra a Figura 7, um quadro RTS reserva o meio para uma troca de quadros inteira, de modo que o seu remetente calcula o tempo necessário para a sequência de troca de quadros a partir do final do RTS. Assim, as estações que são afetadas por essa transmissão inicializam um timer, denominado Vetor de Alocação de Rede (NAV), que indicará quanto tempo deve passar antes de essas estações verificarem se o canal está livre. A Figura 7 exemplifica o funcionamento do NAV.
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Figura 7 – Funcionamento do Vetor de Alocação de Rede
Fonte: Gast (2006)
Essa é uma das formas em que é realizado o collision avoidance nesse protocolo. Ou seja, cada vez que uma estação acessa o sistema e envia um quadro RTS, as outras estações inicializam seu NAV. Isso significa que antes de "escutar" o meio físico para ver se ele se encontra livre, cada estação verifica primeiro seu timer NAV (FOROUZAN, 2009).
2.1.5 Taxas de transmissão
As taxas de transmissão são especificadas na camada física, porém a definição de qual delas será utilizada na transmissão é determinada na subcamada MAC. Apresentam-se nesta seção algumas informações pertinentes sobre as taxas de transmissão para esta pesquisa.
A taxa de transmissão é a definição da velocidade com a qual os bits de um quadro são transmitidos. O tempo necessário para enviar um quadro depende do seu tamanho e da taxa de transmissão utilizada. Assim, um quadro enviado em uma taxa de transmissão rápida ocupa menos tempo o canal do que se fosse transmitido em uma taxa lenta. O padrão IEEE 802.11 define um conjunto de taxas de transmissão que deve ser suportado pelas estações ao se conectar em uma rede.
De acordo com Tanenbaum e Wetherall (2011), todos os métodos de transmissão também definem taxas múltiplas. A ideia é que diferentes taxas podem ser usadas, dependendo das condições atuais. Se o sinal sem fio for fraco, uma taxa baixa poderá ser usada. Se o sinal for forte, a taxa mais alta poderá ser usada. Ou seja, a taxa de transmissão depende da relação entre o sinal e o ruído (Signal-to-Noise Ratio - SNR). Esses
ajustes constituem o que se chama adaptação de taxa. Como as taxas variam por um fator de 10 ou mais, uma boa adaptação de taxa é importante para um bom desempenho. É claro que, pelo fato de ela não ser necessária para a interoperabilidade, os padrões não dizem como a adaptação de taxa deve ser feita.
Segundo Duda (2008), diminuir a taxa de transmissão melhora a qualidade da conexão se a taxa de erros for alta, devido à condição do canal. Erros de transmissão impactam no desempenho da rede, pois elevam a retransmissão de quadros e diminuem o desempenho das estações. Dessa forma, as estações que têm a taxa de transmissão alterada por causa das condições do canal prejudicam o desempenho das estações que podem transmitir em taxas mais altas. Isso acontece porque, em geral, as taxas de transmissão mais lentas ocupam o canal por mais tempo.
O tempo total gasto durante uma transmissão é altamente afetado pela taxa de transmissão e pelo tamanho do quadro. A taxa de transmissão também é chamada taxa de dados. De acordo com Gast (2013), as taxas de dados são determinadas por uma combinação de largura de canal, modulação e codificação, número de fluxos espaciais e o intervalo de guarda. A revisão mais recente do padrão IEEE 802.11ac define que pelo menos oito taxas de transmissão mais baixas devem ser suportadas por dispositivos compatíveis com sua especificação.
De acordo com Cardoso e Rezende (2012), à medida que as taxas de transmissão diminuem, a imunidade ao ruído aumenta. Isso significa que à medida que a taxa de dados diminui, o sinal torna-se mais robusto contra ruído; assim, o receptor pode descodificar quadros com uma relação sinal-ruído mais baixa. O padrão IEEE não especifica um algoritmo de adaptação de taxa; consequentemente, os fabricantes podem fazer implementações diferentes desde que não alterem outras partes da norma.
Ao, Jiang e Yuan (2013) declararam que, para minimizar os efeitos das diversas condições do canal, a norma IEEE 802.11 define várias taxas de transmissão. Em cada uma delas se utilizam esquemas de modulação ou taxas de codificação diferentes. Define-se uma taxa de erro de bit máxima admissível, e a qualidade do sinal do receptor tem de exceder um determinado limite para cada taxa. Caso contrário, o receptor não será capaz de decodificar o sinal.
De acordo com Tanenbaum e Wetherall (2011), para minimizar o efeito negativo da variação das taxas de transmissão entre as estações, as revisões mais recentes do padrão IEEE 802.11 definem o conceito de oportunidade de transmissão. A oportunidade de transmissão indica que
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cada estação deve receber uma fatia igual do tempo, não um número igual de quadros. Assim, estações que transmitem a uma taxa mais rápida podem enviar mais quadros nesse intervalo de tempo.
2.1.6 Retransmissões
Quando uma transmissão unicast, ou seja, direcionada a um endereço específico, não é reconhecida positivamente, ela deve ser retransmitida, pois um erro de transmissão foi identificado. As retransmissões ocorrem, geralmente, com uma taxa de transmissão menor. Esse processo é repetido até que o quadro seja entregue com êxito ou os contadores de retransmissão registrem o valor máximo, descartando o quadro.
Em geral, a retransmissão de um quadro é necessária quando, pelo menos, duas transmissões ocorrem no mesmo instante e no mesmo canal de comunicação, pois isso cria uma interferência que pode impedir a correta decodificação de um quadro no receptor. Segundo Gast (2006), a interferência é um grande problema para o desempenho de redes IEEE 802.11, pois as estações reduzem a taxa de transmissão ao retransmitir um quadro.
Segundo Kurose e Ross (2010), sempre que uma estação recebe corretamente um quadro de uma outra estação, ela devolve um reconhecimento. Como reconhecimentos podem ser perdidos, a estação emissora pode enviar várias cópias de um dado quadro. O campo controle de sequência, apresentado na Figura 5, permite que o receptor distinga entre um quadro recém-transmitido e um quadro transmitido anteriormente, ou seja, retransmitido.
De acordo com Tanenbaum e Wetherall (2011), uma estratégia interessante para melhorar as chances de um quadro atravessar a rede sem prejuízo é enviar quadros menores, pois a probabilidade de erro diminui e serão necessárias menos retransmissões. O padrão IEEE 802.11, em especificações anteriores à revisão IEEE 802.11n, permite que os quadros sejam divididos em partes menores chamadas fragmentos. Ainda sobre o assunto, segundo Forouzan (2009), os protocolos anteriores à revisão IEEE 802.11n recomendam a fragmentação – divisão de um quadro grande em quadros pequenos. É mais eficaz retransmitir um quadro pequeno do que um grande.
Além disso, de acordo com Skordoulis et al. (2008), o tamanho máximo do quadro é normalmente preferível. Contudo, pequenos quadros são melhores em um ambiente com ruído devido à necessidade
de potenciais retransmissões.
2.1.7 Revisões do padrão IEEE 802.11
De acordo com Siddiqui, Zeadally e Salah (2015), o padrão original IEEE 802.11 define duas camadas subjacentes para WLANs: a física (PHY) e a controle de acesso ao meio (MAC). A camada física é responsável pela modulação e transmissão de dados. A camada MAC é responsável pelo controle de transmissões entre os clientes WLAN dentro de uma única área de cobertura conhecida como Basic Service Set (BSS).
Para Siddiqui, Zeadally e Salah (2015), o objetivo principal das alterações subsequentes ao original IEEE 802.11, IEEE 802.11b, IEEE 802.11a e IEEE 802.11g, foi alcançar taxas de rede sem fios mais elevadas. Assim, as três revisões adicionaram mais opções de modulações ao original IEEE 802.11, que transmitia em um máximo de 2Mbps. O padrão IEEE 802.11b atinge uma taxa de transmissão máxima de 11Mbps. Por outro lado, tanto IEEE 802.11g como IEEE 802.11a são capazes de transmitir até 54Mbps em bandas de 2,4 GHz e 5 GHz, respectivamente. Segundo Siddiqui, Zeadally e Salah (2015), essas duas revisões adicionaram técnicas diferentes para alcançar maiores taxas de transmissão.
Quando um dispositivo necessita transmitir uma informação em uma rede sem fio, o conjunto de dados é dividido em quadros. Em revisões mais antigas do padrão, cada quadro só é enviado quando o canal ou meio de transmissão é considerado inativo por um determinado período de tempo. Por outro lado, revisões posteriores do padrão permitem transmissões de um número variável de quadros por acesso ao canal. Isso leva a um aumento da taxa de transferência, especialmente em taxas de dados mais elevadas com melhores condições no canal.
O IEEE 802.11n é a primeira revisão que utiliza agregação de quadros e fluxos paralelos. O padrão mais recente, IEEE 802.11ac, estende o tamanho máximo de agregação de quadros e, também, oferece melhores taxas de transmissão de dados por meio do uso de canais com maior largura de banda e aumento no número de fluxos espaciais.
Além do mais, cada dispositivo submetido à certificação IEEE 802.11ac deve passar por uma série de testes básicos (GAST, 2013). Entre esses testes, destacam-se os que são referentes à agregação de quadros:
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• Recepção de A-MPDU: qualquer dispositivo IEEE 802.11ac certificado pela Wi-Fi Alliance deve ser capaz de receber quadros A-MPDU.
• Transmissão de MPDUs: o suporte para envio de A-MPDUs é opcional. Este é o único teste de agregação; o teste de certificação não valida o comportamento para A-MSDU.
O Quadro 1 sintetiza algumas das diferenças definidas na camada física como frequência de operação, taxas de transmissão e uma característica da camada MAC, o ajuste do tamanho dos quadros transmitidos.
Quadro 1 – Resumo das diferenças do padrão IEEE 802.11 IEEE Frequência transmissão (Mbps) Taxas de Ajuste do tamanho do quadro
802.11b 2,4 GHZ 5,5 e 11 Fragmentação
802.11a 5 GHz 6 a 54 Fragmentação
802.11g 2,4 GHz 6 a 54 Fragmentação
802.11n 2,4 e 5 GHz Até 600 Agregação
802.11ac 5 GHz Até 6.933 Agregação
Fonte: Adaptado de Gast (2013)
Segundo Gast (2013), embora o IEEE 802.11ac seja uma especificação complexa, as alterações da camada MAC são comparativamente simples em relação à revisão IEEE 802.11n. Entre essas alterações observa-se que o padrão IEEE 802.11ac suporta aprimoramentos semelhantes aos da revisão IEEE 802.11n na camada MAC, com extensões para acomodar altas taxas de dados.
Além disso, a transmissão de A-MPDU já tinha sido amplamente implementada em hardware no IEEE 802.11n e é necessária para uso com todos os dispositivos IEEE 802.11ac. Ou seja, todos os quadros de dados do IEEE 802.11ac são enviados no formato de A-MPDU, mesmo que somente um quadro seja transmitido. O padrão IEEE 802.11ac não adiciona nenhum método novo de agregação (GAST, 2013).
Gast (2013) também observa que as taxas de dados mais altas estão geralmente disponíveis apenas para clientes com altas relações de sinal-ruído, e há uma distribuição natural da velocidade de acesso, porque à medida que os dispositivos aumentam sua distância em relação ao ponto de acesso, a velocidade diminui.
