Soluções de problemas de handoff em redes wireless para aplicações VoIP

Leandro A. Forte

Resumo - O uso da tecnologia VoIP na telecomunicação já é uma realidade. Porém há a necessidade de que ela possa ser aplicada à crescente demanda das redes wireless compostas de aparelhos portáteis, tais como celulares, laptops, palmtops e outros. Um dos maiores problemas atualmente da aplicação do VoIP nas redes sem fio é justamente o tempo de handoff que um dispositivo leva para se desassociar de um ponto de acesso e re-associar a outro, que ainda é muito elevado, interferindo no stream de dados, o que é indesejável.Este artigo visa detectar as causas, e propor soluções para os principais problemas ocorridos no processo de handoff para aplicações VoIP nas redes Wireless.

1. Introdução

Um dos maiores problemas atualmente da aplicação do VoIP nas redes sem fio é justamente o tempo de handoff que um dispositivo leva para se desassociar de um ponto de acesso e re-associar a outro, que ainda é muito elevado, interferindo no stream de dados, o que é indesejável.

Este tempo elevado de handoff pode gerar dois inconvenientes para transmissões de voz:

a) Perda de pacotes, na transferência de um ponto de acesso à outro, ocasionando na perda de partes da informação de voz. Audivelmente seria como cortes ou falhas na voz do locutor.

b) Caso haja uma forma de retransmitir estes pacotes perdidos após a transferência, a informação não se perderia, porém haveria sempre um grande atraso na comunicação entre os locutores, como se a conversa estivesse “longe”.

O handoff pode ser iniciado tanto pelo ponto de acesso como pela estação. O handoff iniciado pelo PA tem o intuito de balancear a carga de utilização entre outros pontos de acesso. Nesse caso o tempo de handoff é bem reduzido, pois só exige a desassociação de um ponto de acesso e reassociação a outro. Já o handoff iniciado pela estação, que é mais comum tem um delay muito elevado e é justamente esse processo de handoff que será o foco desse estudo.

O handoff pode ser dividido em 3 fases: Detecção – fase onde a estação detecta falta

de conectividade baseado nas falhas de transmissão de frames ou nas falhas de recepção dos frames beacons emitidos pelos PA’s.

Procura – fase onde a estação realiza uma série de ações para achar pontos de acessos ao alcance. Há dois modos de varreduras: a ativa e a passiva. Na passiva, as estações escutam em cada canal por frames beacon. Para uma varredura mais rápida é utilizada a varredura ativa, o qual faz um broadcast de um frame probe-request e espera em cada canal pelos frames probe-response enviados pelos pontos de acesso.

Execução – a fase de execução pode ser um processo de dois ou de 4 passos, dependendo do tipo de algoritmo de autenticação: Sistema Aberto ou Chave Compartilhada. No Sistema Aberto há somente a necessidade de 2 passos, a requisição de re-associação e a resposta á essa requisição. Já a de chave compartilhada utiliza-se de uma transação 4-passos onde 2 desses passos são usados para a parte de segurança e 2 para a reassociação.

Há um outro fator que não está diretamente relacionado com o handoff, mas que pode agravar o delay dos pacotes, que é o fator distancia. Todos nós sabemos que mesmo em redes cabeadas, o atraso na comunicação entre dois pontos distantes cresce na medida em que cresce a distancia entre esses dois pontos. Porém para qualquer tipo de comunicação, move ou fixa, o nível máximo tolerável de atraso em uma conversa interativa é de 200 ms.

E ainda há a possibilidade de que esses atrasos de se somem a cada processo de handoff pelo qual o dispositivo móvel passar, fazendo com que seja necessário a máxima redução do delay, ou fazer com que haja uma sincronização na comunicação, o qual é impraticável em protocolo IP.

2. Causas

As causas identificadas para a ocorrência de um elevado tempo de handoff devem-se justamente à demora na detecção e à demora na procura de um ponto de acesso disponível. A demora na detecção é devido à dificuldade em determinar as razões da falha de transmissão entre: colisão, baixa potencia do sinal de radio ou ponto de acesso fora de alcance. Já a demora na fase de procura é devido ao tipo de procura realizada (ativa ou passiva), ao período de transmissão dos frames beacons pelos PAs, da escolha dos timers MinChannelTime e MaxChannelTime, que determinam o tempo mínimo e o máximo que a estação irá usar para detectar se um ponto de acesso está ativo em um canal ou não e por ultimo, da quantidade de canais utilizados na varredura.

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3. Soluções Propostas

A transmissão de áudio ideal nesse cenário seria que nenhum pacote de informação fosse perdido e que o delay gerado pelo handoff fosse mínimo. Para isso, seria necessário ter um buffer na estação suficientemente grande para que a informação não fosse perdida e seria necessário também minimizar as causas dos atrasos das fases de detecção e procura.

Para reduzir o tempo de handoff é necessário, primeiro, descobrir a causa das falhas de transmissão e reduzi-las ao máximo e depois obter valores ótimos para o intervalo de transmissão dos beacons na varredura passiva, e para os valores de MinChannelTime e MaxChannelTime como feito em [1].

Já para eliminar a perda de informação é necessário obter valores ótimos para o intervalo de transmissão dos beacons e para o tamanho do buffer de retransmissão, tal como feito em [2] e [3].

4. Reduzindo o atraso de detecção

No primeiro caso, Velayos e Karlson, confirmaram que as estações mostraram diferentes tempos de detecção, dependendo do numero permitido de falhas de frames e do numero de probe-requests. Este tipo de procedimento tendia a ser longo, então foi sugerido uma nova abordagem: as estações deveriam iniciar a fase de procura assim que as colisões de frames fossem excluídas como a causa das falhas de transmissão.

A partir de então foi utilizada uma equação de probabilidade para Condições de Distribuição Cumulativa, a fim de mostrar que, mesmo na saturação, a colisão consecutiva de três ou mais frames é um evento raro. Conseqüentemente, se um frame e suas duas retransmissões falharem, a estação pode descartar a colisão como a causa da falha e iniciar a fase de procura. Com isso a fase de detecção pode ser reduzida a aproximadamente 3 milisegundos.

Uma situação especial acontece quando as estações não estão enviando informações, mas somente recebendo. Nesse caso, a estação precisa escutar em modo passivo os frames beacon, para diferenciar quando o PA está ocioso ou quando o PA está fora de alcance. Para isso o intervalo de envio dos beacons precisa ser o menor possível, porém sem afetar muito a capacidade do PA para transmitir beacons. De acordo com as simulações em [1] o intervalo de beacons ideal é de 60 milisegundos. Menos que isso os frames de beacon iriam usar desnecessariamente uma boa parte da largura de banda do canal.

Há também algumas implementações que se usam somente da camada física para fazer a detecção. Neste caso a estação mede a qualidade do

sinal de radio. Caso a relação sinal-ruído (SNR) decaia a um valor abaixo do nível de disparo (search threshold), a estação inicia a fase de procura antes mesmo que algum pacote seja perdido, porém esse valor de disparo precisa ser muito bem configurado. Para um valor alto, a estação faria varreduras por outros PA’s desnecessariamente. E para valores muito baixos, poderiam ocorrer um numero muito grande de falhas de transmissão. Há também um segundo nível de disparo (switching threshold) que pode ser obtido pela equação abaixo:

Switch Threshold = Search Threshold - SNR (1)

,onde SNR é a diferença entre o SNR do ponto de acesso local e o SNR do ponto de acesso estrangeiro. O parâmetro SNR também é importante para evitar o efeito ping-pong no handoff.

Como é desejado que nenhum pacote se perca e o delay seja mínimo, o ideal seria utilizar este ultimo método, porém em outros artigos fala-se que ajustar estes 3 parâmetros não é uma coisa muito trivial e muito menos confiável, pois uma queda temporária no sinal faria a estação realizar uma varredura por PA’s sem necessidade.

Então para este artigo, adotou-se o método de Velayos e Karlson, mesmo sabendo que haveria uma pequena perda de pacotes. Porém isto pode ser resolvido com buffers, como será abordado mais adiante.

5. Reduzindo o atraso na procura

Para reduzir a fase de procura, Velayos e Karlson fizeram experimentos para achar valores ótimos para MinChannelTime e MaxChannelTime.

O MinChannelTime pode ser obtido matematicamente, calculando-se o tempo máximo que um ponto de acesso levaria para responder à estação, levando em consideração um canal ocioso. O valor obtido é de 670 μs, porém MinChannelTime só pode ser expresso em Time Units (TU) que é equivalente a 1024 μs (aproximadamente 1ms).

Para obter o MaxChannelTime é preciso primeiramente obter o tempo de resposta de um canal em uso. Para uma carga útil de 60% no PA, foi obtido um valor médio de probe-response de 10 ms, para um bit rate de 2 Mbps.

Para se calcular o atraso de procura s, usa-se a fórmula a seguir:

(2)

onde u é a quantidade de canais usados, e é o numero de canais ociosos, Te é o tempo de atraso em um canal ocioso (equivalente a MinChannelTime) e Tu é o tempo de atraso de um canal em uso (equivalente ao MaxChannelTime).

2

De acordo com a fórmula (2), o tempo total de procura depende do numero de canais (ociosos e ativos) e dos parâmetros MaxChannelTime e MinChannelTime. Para os valores obtidos anteriormente foi plotado um gráfico do tempo de procura em função do numero de canais ativos escaneados e suas variações para 1, 5 e 10 estações com uma carga no PA de 50%.

Fig. 1 – Tempo de procura

Uma vez que o numero máximo de canais que podem compartilhar uma mesma localização geográfica sem interferência mutuas é de 3, pode-se dizer que o delay máximo é de aproximadamente é de 70 ms levando em consideração que sempre há um pequeno delay de aproximadamente 2 ms devido à troca de um canal para outro.

[1] H. Velayos e G. Carlson, “Techniques to reduce IEEE 802.11b MAC Layer Handover Time”, KunglTekniska Hogskolen, Stockholm, Sweden, Tech Rep. TRITA-IMIT-LCN R 03:02, ISSN 1651 1651-7717, ISRN KTH/IMIT/LCN/R-03/02-SE, Abril 2003;

[2] Ramón Cáceres & Venkata N. Padmanabhan, “Fast and scalable wireless handoffs in support of mobile Internet audio”, 1998

[3] S. Seshan, “Low latency handoffs for cellular data networks”, Ph.D. Thesis, Technical Report UCB/CSD-96-899, University of California at Berkeley, Março 1996;

[4] Runesh Mishra, Minho Shin, Willian Arbaugh, “ An empirical analysis of the IEEE 802.11 MAC layer handoff process”, ACM Computer Communications Review, vol. 33, no. 2, Abril 2003;

[5] F. K. Al-Bin-Ali, P. Boddupalli, and N. Davies, “An Inter-access point handoff mechanism for Wireless Network Management: The Sabino System” in Proceedings of the International

Conference on Wireless Networks, Las Vegas, NV, June 2003.

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