Aloca§£o de Canal Em Redes Sem Fio Ieee 802.11 Independentes

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  • ALOCAO DE CANAL EM REDES SEM FIO IEEE 802.11 INDEPENDENTES

    Marcel William Rocha da Silva

    DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAO DOSPROGRAMAS DE PS-GRADUAO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADEFEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOSNECESSRIOS PARA A OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIASEM ENGENHARIA ELTRICA.

    Aprovada por:

    Prof. Jos Ferreira de Rezende, Dr.

    Prof. Fabio Kon, Ph.D.

    Prof. Lus Henrique Maciel Kosmalski Costa, Dr.

    RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

    DEZEMBRO DE 2006

  • SILVA, MARCEL WILLIAM ROCHA DA

    Alocao de Canal em Redes Sem Fio

    IEEE 802.11 Independentes [Rio de Janeiro]2006

    XII, 71 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,Engenharia Eltrica, 2006)

    Dissertao - Universidade Federal do Rio

    de Janeiro, COPPE

    1. Redes Sem Fio

    2. Alocao de Canal

    I. COPPE/UFRJ II. Titulo (srie)

    ii

  • Aos meus pais, Marcos e Sonia.

    iii

  • Agradecimentos

    Inicialmente, agradeo a Deus, que me deu sade, fsica e mental, para investir nesse

    desafio.

    Aos meus pais e avs, que sempre me incentivaram e criaram condies para alcanar

    meus objetivos e tambm fora nos momentos mais difceis.A voc Gabi, porque no sei o que seria de mim nessa reta final sem a sua ajuda, apoio

    e compreenso. Obrigado por tudo.

    Ao Prof. Jos Ferreira de Rezende, pelo apoio e auxlio no desenvolvimento do traba-

    lho e pela confiana na minha capacidade.

    Aos amigos do mestrado, Fabiana, Henrique, Laila, Rodrigo e Kleber, pelas inmeras

    discusses enriquecedoras sobre alguns assuntos tcnicos e outros nem tanto!

    Aos outros colegas e professores do GTA, que foram sempre prestativos em todas as

    situaes.

    E, por fim, a todos os meus outros familiares, amigos e conhecidos, que, nem que por

    apenas uma nica vez, tenham me perguntado: - E a? Como vai o mestrado? :-)

    Obrigado a todos vocs mais uma vez, esto todos no meu corao!

    Marcel

    iv

  • Resumo da Dissertao apresentada COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

    necessrios para a obteno do grau de Mestre em Cincias (M.Sc.)

    ALOCAO DE CANAL EM REDES SEM FIO IEEE 802.11 INDEPENDENTES

    Marcel William Rocha da Silva

    Dezembro/2006

    Orientador: Jos Ferreira de Rezende

    Programa: Engenharia Eltrica

    O aumento expressivo do uso das redes IEEE 802.11 faz com que em determinadas

    regies, principalmente em ambientes domiciliares e corporativos, existam redes gerenci-

    adas por administradores distintos com uma grande parcela de sobreposio de cobertura.

    Nestes cenrios no existe uma entidade central com autoridade para a realizao de uma

    alocao de canal satisfatria que minimize as eventuais perdas de desempenho ocasio-

    nadas pelo compartilhamento do canal e pelas interferncias co-canal. Neste trabalho, as

    dificuldades geradas na aplicao das tcnicas usuais de alocao de canal em redes IEEE

    802.11 independentes, sem administrao centralizada, so abordadas. Alm disso, so

    propostos e avaliados, atravs de simulaes, novos mecanismos de seleo de canal que

    operam de maneira distribuda e dinmica nestes cenrios.

    v

  • Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

    requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

    CHANNEL ALLOCATION IN INDEPENDENT IEEE 802.11 NETWOKS

    Marcel William Rocha da Silva

    December/2006

    Advisor: Jos Ferreira de Rezende

    Department: Electrical Engineering

    The increasing use of IEEE 802.11 networks at home and enterprise environments,

    and so managed by distinct owners, leads to situations where a great amount of overlap-

    ping in the coverage areas occur. These scenarios lack a unique authority to perform an

    adequate channel allocation that minimizes the performance degradation created by me-

    dium access sharing and co-channel interference. This work focuses on the restrictions

    imposed in the channel allocation techniques by scenarios with independent IEEE 802.11

    networks. Also, this work proposes and evaluates new channel allocation mechanisms

    that operate in a distributed and dynamic way on these scenarios.

    vi

  • Sumrio

    Resumo v

    Abstract vi

    Lista de figuras ix

    Lista de tabelas xi

    Lista de Acrnimos xii

    1 Introduo 1

    1.1 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1.3 Organizao da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2 Alocao de Canal em Redes 802.11 8

    2.1 Redes IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

    2.1.1 Modos de Operao e Canais Disponveis . . . . . . . . . . . . . 9

    2.1.2 Interferncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.2 Alocao de Canal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    vii

  • 2.2.1 Mecanismos Centralizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    2.2.2 Mecanismos Independentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    3 Seleo Dinmica de Canal 33

    3.1 IEEE 802.11k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    3.2 Mecanismo de Seleo Dinmica de Canal (SDC) . . . . . . . . . . . . . 37

    3.3 Mecanismo de Seleo Dinmica de Canal Disparada (SDCD) . . . . . . 45

    3.4 Implementao no NS-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    4 Resultados e Discusses 49

    4.1 Ambiente de Simulaes e Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    4.2 Avaliao do Parmetro n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    4.3 Comparao dos Mecanismos de Seleo de Canal com Trfego FTP . . . 58

    4.4 Comparao dos Mecanismos de Seleo de Canal com Trfego HTTP . . 61

    4.5 Comparao dos Mecanismos de Seleo de Canal com Trfego HTTP+FTP 62

    4.6 Resumo dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    5 Concluses e Trabalhos Futuros 65

    5.1 Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    5.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    Referncias Bibliogrficas 69

    viii

  • Lista de Figuras

    1.1 Mapa das redes detectadas no sul de Manhatan [1]. . . . . . . . . . . . . 3

    2.1 Exemplos de redes ad hoc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

    2.2 Exemplo de rede IEEE 802.11 infra-estruturada. . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.3 Canais 802.11 na banda de freqncias ISM. . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.4 Funcionamento do CSMA/CA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

    2.5 Cenrios de interferncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

    2.6 Avaliao do desempenho de alocaes de canal simples em redes inde-

    pendentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    2.7 Exemplo de grafo representativo da interferncia entre BSSs. . . . . . . . 23

    2.8 Resultados do benchmark aplicado em redes independentes. . . . . . . . 26

    2.9 Cenrio onde a alocao de canal esttica causa injustia. . . . . . . . . . 31

    3.1 Diagrama esquemtico do mecanismo de seleo dinmica de canal (SDC). 38

    3.2 Exemplo de histograma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

    3.3 Linha do tempo do processo de medio dos canais disponveis. . . . . . 41

    3.4 Linha do tempo da operao do SDCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    4.1 Vazo Agregada Normalizada variando-se n. . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    ix

  • 4.2 ndice de justia entre as vazes mdias dos BSSs variando-se n. . . . . . 57

    4.3 Nmero total de mudanas de canal variando-se n. . . . . . . . . . . . . 58

    4.4 Vazo agregada normalizada para os diferentes mecanismos de alocao

    de canal com trfego FTP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    4.5 ndice de justia entre as vazes mdias dos BSSs para os diferentes me-canismos de alocao de canal com trfego FTP. . . . . . . . . . . . . . . 60

    4.6 Nmero de mudanas de canal para os diferentes mecanismos de alocao

    de canal com trfego FTP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.7 Vazo agregada normalizada para os diferentes mecanismos de alocao

    de canal com trfego HTTP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    4.8 ndice de justia entre as vazes mdias dos BSSs para os diferentes me-canismos de alocao de canal com trfego HTTP. . . . . . . . . . . . . . 63

    x

  • Lista de Tabelas

    2.1 Canais disponibilizados pelo padro IEEE 802.11. . . . . . . . . . . . . . 13

    2.2 Valores para os ndices de sobreposio obtidos atravs de medies para

    uma transmisso realizada no canal 6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    2.3 Seqncia de mudanas ideal para garantir justia. . . . . . . . . . . . . . 31

    3.1 Tempo gasto em uma mudana de canal para diferentes chipsets 802.11. . 44

    4.1 Parmetros de simulao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    4.2 Parametrizao do trfego http. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    xi

  • Lista de Acrnimos

    ACK : Acknowledgment;

    AP : Access Point;

    BSS : Basic Service Set;

    CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance;

    DIFS : Distributed Inter-Frame Space;

    ESS : Extended Service Set;

    FTP : File Transfer Protocol;GPS : Global Positioning System;

    HTTP : HyperText Transfer Protocol;IAPP : Inter-Access Point Protocol;

    IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers;ISM : Industry, Scientific and Medical ban