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 band;LCCS : Least Congested Channel Search;

MAC : Medium Access Control;

MIB : Management Information Base;NAV : Network Allocation Vector;

NOAH : NO Ad Hoc routing protocol;

PDA : Personal Digital Assistant;

SDC : Seleo Dinmica de Canal;

SDCD : Seleo Dinmica de Canal Disparada;

SINR : Signal to Interference plus Noise Ratio;TCP : Transmission Control Protocol;

U-NII : Unlicensed Nature Information Infrastructure.

xii

Captulo 1

Introduo

1.1 Motivao

Atualmente, as redes sem fio do padro IEEE 802.11 j podem ser consideradas umgrande sucesso, apresentando uma ampla expanso de mercado. Redes deste padro jesto presentes na maioria dos dispositivos mveis existentes, desde computadores por-

tteis (Laptops) at assistentes pessoais digitais (Personal Digital Assistants - PDAs) eseu crescimento se deve diminuio do custo dos dispositivos 802.11 e sua relativa

simplicidade de instalao e uso. De acordo com [2], o nmero de pontos de acesso (Ac-cess Points - APs) comercializados durante o terceiro trimestre do ano de 2004 foi de 4,5milhes, e estima-se que a venda de equipamentos deva triplicar at 2009. Estes fato-

res fazem com que cada vez mais usurios adotem as redes 802.11 como soluo para o

provimento de conectividade nas mais diversas situaes, empregando-as tanto em apli-

caes domiciliares quanto em aplicaes coorporativas. Entretanto, a popularizao das

redes 802.11 faz surgir problemas at ento inexistentes, principalmente nos chamados

cenrios de redes independentes.

Existem dois tipos de cenrios de aplicao para as redes 802.11. No cenrio mais

estudado at ento, os APs so instalados com o objetivo de cobrir de maneira eficienteuma determinada regio como, por exemplo: os escritrios de uma empresa, as dependn-

cias de uma fbrica, o campus de uma universidade, estabelecimentos comerciais, redes

1

pblicas ao ar livre, etc. Neste caso, uma nica entidade administrativa responsvel pela

instalao e gerenciamento de todos os APs necessrios cobertura completa da regio

na forma de uma conjunto de clulas (Basic Service Sets - BSSs), compondo uma ESS(Extended Service Set). Logo, nestes cenrios de administrao centralizada, o posicio-namento, a configurao e o gerenciamento dos APs podem ser otimizados pela entidade

responsvel pelos mesmos, visando melhorar o desempenho de cada uma das clulas e da

rede como um todo.

Um outro tipo de cenrio que se torna cada vez mais comum devido popularizao

das redes 802.11 o cenrio formado por redes independentes. Tambm denominados

caticos [2] ou no-coordenados [3], os cenrios com redes independentes ocorrem prin-cipalmente em grandes centros urbanos, onde redes 802.11, geralmente com apenas um

AP e alguns poucos clientes, so utilizadas em aplicaes domiciliares ou de pequenas

empresas. Nestes casos, em uma determinada regio podem existir diversas redes distin-

tas, onde cada uma delas formada por um nico AP, ou por um pequeno conjunto deAPs, e onde sua caracterstica mais importante a de que cada rede possui uma adminis-

trao independente das demais. Alm disso, muitas das vezes, essas redes independentes

so administradas pelo prprio usurio final, que adquire um AP buscando prover conec-

tividade de maneira prtica para seus laptops, ou at mesmo para seus desktops, sem a

necessidade de investimentos em infra-estrutura de cabeamento. Devido a esses fatores,

os administradores de redes independentes nem sempre possuem autoridade ou compe-

tncia tcnica para minimizar, ou at mesmo avaliar, o impacto do funcionamento de sua

rede sobre as outras redes presentes na regio.

Para ilustrar um cenrio de redes independentes, a Figura 1.1 apresenta um mapa com

as diversas redes detectadas atravs de tcnicas de wardriving no sul de Manhatan [1].A tcnica de wardriving, ainda pouco explorada no Brasil, consiste na utilizao em ve-

culos automotivos e de computadores dos mais variados tipos (laptops, palmtops e atmesmo celulares) equipados com interfaces de rede IEEE 802.11, GPS (Global Positio-ning System) e um software capaz de efetuar uma varredura nos canais utilizados pelasredes 802.11. Ao se movimentarem durante a varredura, tais equipamentos coletam um

certo nmero de informaes sobre as redes encontradas e a posio geogrfica do equi-

pamento em deslocamento. De posse dessas informaes, torna-se possvel descobrir os

2

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

APs presentes em uma regio e seus canais de operao. Alm disso, tambm possvel

inferir, com alguma impreciso, o posicionamento destes APs.

De acordo com a Figura 1.1, pode-se perceber o grande nmero de redes existentes

e a proximidade das mesmas. Estas caractersticas fazem com que, eventualmente, as

redes sofram problemas de interferncia devido sobreposio de suas reas de cober-

tura ou devido interferncia co-canal. Estes problemas podem causar uma m utilizao

dos recursos do meio de comunicao gerando uma diminuio no desempenho das re-

des independentes coexistentes. Alm disso, nos cenrios independentes, a interferncia

torna-se um problema ainda maior. Isto ocorre porque, como cada rede possui um ad-

ministrador nico, no existe uma coordenao na alocao de canais em APs da mesma

regio ou um planejamento do posicionamento dos APs que utilizam o mesmo canal.

Os problemas de interferncia comeam a surgir quando duas ou mais redes de uma

3

determinada regio utilizam o mesmo canal, ou canais parcialmente sobrepostos, para as

suas transmisses. O nmero de canais disponveis para a alocao nas redes 802.11

uma das grandes limitaes existentes. Nas redes 802.11 mais populares, as dos padres b

[4] e g [5], existem apenas trs canais que no apresentam sobreposio espectral, ou seja,no interferentes. Esta escassez de canais limita o nmero de redes que podem coexistir

sem a gerao de interferncia mtua. Por isso, importante o emprego de tcnicas de

alocao de canal que busquem minimizar os efeitos nocivos gerados pelo aumento da

interferncia com o menor nmero possvel de canais.

Usualmente, as tcnicas de alocao de canal pressupem a existncia de uma admi-

nistrao centralizada que controle todas as clulas existentes em uma determinada regio.

Neste caso, o administrador seria capaz de gerenciar o posicionamento dos APs e a sua

atribuio de canais de maneira a minimizar a interferncia mtua na regio. Entretanto,

no caso das redes 802.11 independentes existem restries que dificultam o emprego das

tcnicas de alocao de canal utilizadas em redes de administrao centralizada [3, 6, 7].Essas tcnicas normalmente se baseiam no controle da associao de clientes aos APs, na

atribuio coordenada de canais ou no reposicionamento de APs.

No caso das redes independentes no se pode prever que exista nenhum tipo de con-

trole sobre a associao de clientes aos APs ou sobre o posicionamento dos APs. Nestes

cenrios, a alocao de canal deve ser feita de maneira distribuda, sem a necessidade de

interveno de uma entidade central ou comunicao entre redes de diferentes propriet-

rios, devendo-se utilizar apenas informaes que podem ser obtidas localmente na rede

para a alocao de canal.

Na literatura j existem diversos mecanismos e tcnicas de alocao de canal visandoos cenrios de administrao centralizada [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]. Namaioria dos casos, o problema da alocao de canal modelado como um problema de

colorao de grafos, e o que difere um mecanismo de alocao do outro so as restries

impostas ao modelo desenvolvido e as funes objetivo que se deseja minimizar. Talproblematica ser abordada com maiores detalhes na seo 2.2.1.

J no caso das redes independentes, apenas alguns poucos trabalhos abordaram o pro-

blema da alocao de canal [3, 6, 7, 19]. Pode-se perceber ento que o estudo dos proble-

4

mas existentes em redes 802.11 independentes, como o problema da alocao de canal,

ainda foi pouco explorado. Logo, existe ainda uma demanda por novas tcnicas e meca-

nismos de alocao de canal que operem localmente em redes independentes buscando

melhorar a utilizao dos recursos oferecidos pelos canais 802.11.

Visando o problema da alocao de canal em redes 802.11 independentes, este traba-

lho prope novos mecanismos para a realizao da seleo automtica do canal de ope-

rao para redes independentes. Estes mecanismos atendem as restries impostas por

este tipo de cenrio e realizam uma atribuio dinmica de canal aos APs, fazendo com

que a alocao de canal seja adaptvel s mudanas de topologia, entrada de novos APse s variaes de carga de trfego. Para o seu funcionamento, o mecanismo em questo

utiliza informaes obtidas atravs de medies padronizadas pela norma IEEE 802.11k.

Esta extenso da norma 802.11 tem como objetivo padronizar mensagens para a troca deinformaes entre dispositivos 802.11 fornecendo ferramentas para o desenvolvimento de

novas tcnicas e funcionalidades.

1.2 Objetivos

O objetivo deste trabalho estudar e desenvolver mecanismos distribudos e dinmi-cos que realizem uma alocao de canal satisfatria, em termos de desempenho agregado

e justia, para cenrios com redes IEEE 802.11 independentes. Estas novas propostas pre-cisam atender s restries impostas pelo tipo de cenrio em que se aplicam e no podem

se valer das tcnicas usuais dos mecanismos centralizados de alocao de canal, como: o

uso de informaes globais da rede, a troca de mensagens entre pontos de acesso de redes

de diferentes proprietrios, o reposicionamento dos APs ou o planejamento da associaodos clientes.

Alm da proposta de novos mecanismos, este trabalho tambm apresenta uma avalia-

o do desempenho das propostas apresentadas em face outras j existentes na literatura.As avaliaes realizadas foram desenvolvidas com o auxlio da ferramenta de simulao

de redes ns-2 [20].

5

As principais contribuies deste trabalho so:

O estudo dos problemas e restries para a alocao de canal em cenrios com re-

des IEEE 802.11 independentes;

Os cenrios com redes IEEE 802.11 independentes apresentam inmeros proble-

mas que prejudicam o desempenho dessas redes e geram restries aplicao detcnicas de alocao de canal usuais. Os problemas existentes neste tipo de cen-

rio ainda so muito pouco abordados na literatura. Este trabalho realiza um estudo

sobre os impactos gerados pela falta de coordenao na alocao de canal nos ce-

nrios com redes independentes, avaliando como este problema pode gerar perdas

de desempenho nas redes envolvidas.

A proposta de novos mecanismos de alocao de canal destinados a cenrios com

redes IEEE 802.11 independentes;

Tendo em vista a ampla utilizao das redes IEEE 802.11 em aplicaes domicilia-

res e em pequenas empresas, os cenrios com pequenas redes independentes esto

se tornando cada vez mais comuns. Nestes cenrios, o desempenho das suas redes

pode ser prejudicado devido falta de coordenao na alocao de canal realizadapelos administradores independentes. Logo, a proposta de novos mecanismos de

alocao de canal distribudos e dinmicos fornece novas ferramentas para a me-

lhoria do desempenho dessas redes.

Uma avaliao do mecanismo proposto e comparao de desempenho com outras

propostas.

Atravs de simulaes, o desempenho das propostas foi avaliado e comparado com

o de outros mecanismos existentes na literatura. Esta avaliao tem como objetivodemonstrar os ganhos que podem ser obtidos com o emprego de mecanismos de

alocao de canal distribuda e dinmica e comprovar a sua eficincia em relao a

outras propostas j existentes.

6

1.3 Organizao da Dissertao

O captulo 1 ressalta a relevncia do estudo do tema em questo, apresentando a mo-

tivao e os objetivos pretendidos com o trabalho. O captulo 2 apresenta um estudo arespeito dos problemas da alocao de canal em redes 802.11, destacando as caractersti-

cas mais importantes dessas redes e as propostas existentes na literatura para o problema

da alocao de canal. J o captulo 3 relata o processo de desenvolvimento das propostas

de mecanismos de atribuio distribuda e dinmica de canal para redes independentes.

Ainda neste captulo, descrevemos o novo padro IEEE 802.11k utilizado e tambm as

modificaes realizadas no simulador para a avaliao das propostas. O captulo 4 apre-

senta e discute os resultados das simulaes de avaliao do desempenho dos mecanismos

propostos. E, por fim, o captulo 5 traz as concluses obtidas e os trabalhos futuros.

7

Captulo 2

Alocao de Canal em Redes 802.11

Neste captulo sero apresentados e discutidos os problemas que podem surgir nas

redes IEEE 802.11 a partir de uma alocao de canal equivocada. Para discutir o problema

da alocao de canal nessas redes, inicialmente sero apresentadas algumas caractersticas

de sua operao que serviro de base para o entendimento do problema. Em seguida, a

interferncia em redes 802.11 infra-estruturadas ser abordada, atravs do estudo de seus

diferentes tipos e casos. J a parte final do captulo discute a importncia do uso de

tcnicas de alocao de canal nas redes 802.11, apresentando as propostas existentes na

literatura, com um destaque especial para as solues aplicveis aos cenrios de redes

802.11 independentes.

2.1 Redes IEEE 802.11

Antes de iniciar o estudo dos problemas gerados pela falta de coordenao na alocao

de canal em redes IEEE 802.11, necessria uma pequena introduo a respeito dessas

redes. As prximas subsees apresentam algumas das caractersticas relevantes das redes

802.11, bem como suas limitaes e problemas de funcionamento.

8

2.1.1 Modos de Operao e Canais Disponveis

As redes do padro IEEE 802.11 possuem basicamente dois modos de operao: ad

hoc e infra-estruturado. Nas redes 802.11 operando no modo ad hoc, toda a comunicao

dentro da rede realizada de maneira direta. Portanto, se a estao A deseja se comunicarcom a estao B, ela envia os seus quadros diretamente ao destino B (Figura 2.1(a)). Se aestao B estiver dentro do alcance de transmisso da estao A, ela receber diretamente

os quadros a ela enviados. Caso contrrio, os quadros destinados estao B precisaro

ser encaminhados por estaes intermedirias (Figura 2.1(b)). Este tipo de comunicaotambm denominado comunicao de mltiplos saltos (multi-hop communication).

A tarefa de encaminhamento dos quadros no definida pela norma 802.11, devendo

ser realizada pelas camadas superiores atravs de mecanismos de roteamento. Para a

construo das rotas, so utilizados protocolos de roteamento especialmente projetadospara redes ad hoc. Existem diferentes tipos de protocolo de roteamento para redes ad hoc,

mas no existe uma norma definindo qual deles o padro. Logo, o uso prtico destas

redes ainda limitado e muito dependente do conhecimento tcnico de seus usurios para

a configurao correta de suas estaes.

J no caso das redes 802.11 infra-estruturadas, toda a comunicao entre estaes

mveis, ou entre estaes mveis e estaes na rede cabeada, coordenada por um n

central denominado ponto de acesso (Access Point - AP). O AP responsvel por enca-minhar os quadros de suas estaes clientes para os destinos internos e externos rede

802.11. A Figura 2.2 apresenta um exemplo de rede sem fio 802.11 operando no modo

infra-estruturado. Neste exemplo, se a estao A deseja se comunicar com a estao B,primeiro ela envia os quadros para o AP, que encaminha os mesmos para a estao B.

Neste modo de operao, as redes 802.11 formam clulas, que tambm so denominadas

BSSs (Basic Service Sets), e cada uma delas opera de maneira independente em um canalfixo e nico. Alm disso, no existe comunicao de mltiplos saltos como no modo ad

hoc, dentro de um BSS toda a comunicao realizada de/para o AP.

O modo de operao infra-estruturado o mais difundido e utilizado em aplicaes

de redes 802.11 por requerer menor esforo e conhecimento tcnico por parte dos usu-

9

(a) Comunicao ad hoc direta.

(b) Comunicao ad hoc mltiplos saltos.

Figura 2.1: Exemplos de redes ad hoc.

rios para a sua utilizao. Grande parte do trabalho de configurao de uma rede infra-

estruturada est no AP; aos clientes cabe apenas se associar ao mesmo. Alm disso, este

modo de operao atende aplicao mais comum para os usurios deste tipo de rede, que

servir de ponte ou gateway de acesso a redes externas, como a Internet. Esta adequao

s necessidades bsicas dos usurios da Internet e a sua simplicidade de uso auxiliam no

sucesso das redes IEEE 802.11 no modo infra-estruturado e fazem com que elas sejamcada vez mais utilizadas em centros comerciais, residncias, grandes empresas, escrit-

rios, etc.

Entretanto, apesar de sua relativa simplicidade de operao e utilizao, existem algu-

mas configuraes das redes IEEE 802.11 que necessitam de algum cuidado, pois podem

causar srios impactos no seu desempenho. Este o caso da atribuio do canal de ope-

10

Figura 2.2: Exemplo de rede IEEE 802.11 infra-estruturada.

rao, que determina a faixa de freqncia a ser utilizada para as transmisses em cada

BSS. De acordo com o padro IEEE 802.11, o canal utilizado pelos dispositivos de uma

mesma rede fixo e nico. A norma 802.11 possui trs extenses que definem que faixas

de freqncia podem ser utilizadas e que diferentes tipos de esquema de modulao e

codificao podem ser empregados.

As extenses b [4] e g [5] da norma 802.11 coordenam a operao desses dispositivosna faixa de freqncias ISM (Industry, Scientific and Medical Band) de 2,4 GHz, forne-cendo taxas de transmisso de at 11 Mbps no caso do 802.11b e 54 Mbps no caso do

802.11g. Esta banda de freqncia conhecida como no licenciada, ou seja, nela no necessrio que os dispositivos possuam uma licena para a operao. Eles devem apenas

atender a algumas restries de largura de banda e potncia de transmisso [21]. Almdisso, esta faixa de freqncias no exclusiva das redes 802.11, podendo ser comparti-

lhada com vrios outros tipos de equipamentos: rdios comunicadores, telefones sem fio,

redes Bluetooth, fornos de microondas, etc. Estes outros dispositivos tambm utilizam

a banda ISM para a sua operao e dessa maneira podem causar interferncia nas redes

802.11 b e g.

Na banda de freqncia ISM, as normas 802.11 b e g definem 11 canais de operao

com uma largura de banda de 20 MHz e uma separao entre suas freqncias centrais

de 5 MHz. A Figura 2.3 apresenta um esquema com os 11 canais definidos pelas normas

11

802.11 b e g na banda ISM. Pode-se perceber mais facilmente pela figura que os canais

adjacentes apresentam certo nvel de sobreposio espectral. Logo, como os canais noso completamente isolados no espectro de freqncia, redes 802.11 que utilizem canais

com algum nvel de sobreposio podem sofrer problemas de interferncia. Apenas trs

canais, os canais 1, 6 e 11, no apresentam sobreposio e podem ser utilizados ao mesmo

tempo por redes distintas de uma determinada regio sem que ocorram fenmenos de

interferncia.

Figura 2.3: Canais 802.11 na banda de freqncias ISM.

O problema da sobreposio espectral gera uma grande restrio para as tcnicas de

alocao de canal nas redes 802.11, uma vez que existe um nmero muito limitado de

canais no interferentes disponveis para o uso. Esta escassez de canais disponveis limita

o nmero de redes que podem coexistir na mesma regio sem a gerao de interferncia

mtua.

As redes da outra extenso da norma IEEE 802.11, a extenso 802.11a [22], tambmutilizam faixas de freqncia no licenciadas para a sua operao. Neste caso, utilizada

a faixa de 5 GHz conhecida como banda U-NII (Unlicensed National Information Infras-tructure) e esquemas de modulao que permitem taxas de transmisso de at 54 Mbps.O 802.11a disponibiliza nesta banda 12 canais distintos de operao, sendo que os ca-

nais no apresentam sobreposio espectral e podem ser utilizados sem a presena de

interferncia entre canais adjacentes. Estes canais so subdivididos em canais de bandabaixa, mdia e alta. Os canais de banda baixa e mdia utilizam as freqncias mais baixas

da banda U-NII e com isso fornecem um maior alcance de transmisso, sendo indicadas

para o uso em aplicaes internas (indoor). J os canais de banda alta utilizam as faixasde freqncia mais altas da banda U-NII e so mais indicados para o uso em aplicaes

802.11 externas (outdoor).

Apesar de oferecer mais canais no sobrepostos para o uso, os dispositivos que se-

12

guem a norma 802.11a no conseguiram ganhar muito destaque de mercado. Isto ocorreu

pelo fato de no serem compatveis com os dispositivos 802.11b que j eram numero-sos no mercado e tambm com o surgimento do padro 802.11g que fornecia as mesmas

taxas de transmisso e era compatvel com o padro 802.11b. Alm disso, as redes do

padro 802.11a utilizam freqncias de operao elevadas, o que torna os dispositivos

mais custosos e os alcances de transmisso dos rdios menores.

A Tabela 2.1 apresenta os diversos canais utilizados pelas diferentes normas 802.11

com os valores das suas freqncias centrais de operao. Vale lembrar que estes valores

seguem as normas da FCC definidas para a operao nos Estados Unidos, que acabam

sendo seguidas na maior parte do mundo, apenas com algumas diferenas no nmero de

canais disponveis. No Japo, por exemplo, so disponibilizados 14 canais na banda ISM,

trs canais a mais dos que so permitidos nos Estados Unidos [12].

802.11a 802.11b e 802.11g

Banda Canal Freqncia (GHz) Canal Freqncia (GHz)

Baixa

36 5180 1 2412

40 5200 2 2417

44 5220 3 2422

48 5240 4 2427

Mdia

52 5260 5 2432

56 5280 6 2437

60 5300 7 2442

64 5320 8 2447

Alta

149 5745 9 2452

153 5765 10 2457

157 5785 11 2562

161 5805

Tabela 2.1: Canais disponibilizados pelo padro IEEE 802.11.

13

2.1.2 Interferncia

Como foi citado na seo 2.1.1, o uso do mesmo canal ou de canais parcialmente

sobrepostos pode gerar problemas de interferncia nas redes 802.11. Esta seo aborda

o problema da interferncia nessas redes, apresentando e discutindo os diferentes tipos e

casos de interferncia existentes.

A interferncia nas redes 802.11 pode se manifestar de duas formas distintas - com-

partilhamento da capacidade do canal e interferncia co-canal - dependendo do nvel de

sinal interferente que atinge o receptor. A explicao para a existncia de dois tipos dife-

rentes de interferncia reside no mtodo de acesso ao meio empregado nestas redes. As

redes 802.11 utilizam o mtodo de acesso ao meio CSMA/CA (Carrier Sense MultipleAccess with Colision Avoidance). De acordo com o CSMA/CA, sempre que uma estao802.11 deseja transmitir um quadro, ela primeiro precisa ouvir o meio procura deoutras transmisses. Se o meio permanecer livre durante um intervalo de tempo predeter-

minado (Distributed Inter-Frame Space - DIFS), ela inicia a transmisso do seu quadroem espera. Se durante o intervalo em que a estao passou ouvindo o meio, ela detec-

tar alguma outra transmisso, a estao deve esperar o seu trmino antes de iniciar a sua

transmisso. Alm disso, uma vez que outra transmisso detectada antes da transmis-

so de um quadro, a estao deve esperar alm de DIFS, um intervalo de tempo sorteado

aleatoriamente (backoff) para evitar colises.

O mtodo de acesso CSMA/CA permite que as estaes 802.11 prximas compar-

tilhem o acesso ao meio evitando transmisses simultneas. Entretanto, este mtodo

tambm faz com que as estaes de redes distintas que esto suficientemente prximas

compartilhem a capacidade do meio de comunicao ao utilizar o mesmo canal ou canais

sobrepostos. Os rdios 802.11 detectam as transmisses de outras estaes 802.11 ou de

outros dispositivos interferentes atravs do nvel de energia presente no canal de operao.

Quando o nvel de energia ultrapassa um determinado limiar, conhecido como limiar dedeteco de portadora (Carrier Sense Threshold), o meio considerado ocupado. Destaforma, estaes posicionadas prximas o suficiente para que o nvel de sinal ultrapasse o

limiar de deteco de portadora, iro compartilhar o acesso ao meio e dividir a capacidade

do canal por elas utilizado.

14

O compartilhamento da capacidade do canal uma das formas de interferncia nas

redes 802.11. Esta a forma de interferncia mais prejudicial, pois reduz drasticamentea capacidade das estaes. Considerando duas estaes em plena carga como, por exem-

plo, durante uma transferncia de longa durao de uma arquivo grande, pode-se dizer

que a capacidade individual de cada uma das duas estaes reduzida metade se elas

compartilham o acesso ao meio.

A Figura 2.4 mostra um exemplo onde os alcances de deteco de portadora e o al-

cance de recepo da estao 1 esto em destaque. O alcance de recepo uma carac-

terstica que depende do nvel de energia do sinal recebido e da sua relao sinal/rudo

(Signal to Interference plus Noise Ratio - SINR). Um quadro s recebido corretamentese o sinal recebido estiver acima do limiar de recepo (Rx Threshold) para a taxa utili-zada e possuir uma SINR suficiente para a sua decodificao correta. Portanto, de acordo

com o mtodo de acesso CSMA/CA, as estaes 2 e 3 iro compartilhar o acesso ao meio

com a estao 1. Alm disso, tambm podemos dizer que as transmisses da estao 2

sero recebidas corretamente pela estao 1, pois a estao 2 se encontra dentro do seu

alcance de recepo.

Figura 2.4: Funcionamento do CSMA/CA.

Ainda na Figura 2.4, pode-se perceber que a estao 4 est fora do alcance de detec-

o da portadora da estao 1 e no ser capaz de detectar as transmisses da mesma.

15

Neste caso, apesar de no detectado, o sinal gerado pelas transmisses da estao 1 ser

recebido como interferncia na estao 4, conhecida como interferncia co-canal. A in-

terferncia co-canal o outro tipo de interferncia que afeta as redes 802.11 e seu efeito

prejudicial o aumento do nvel de interferncia, que somada ao rudo de fundo, causa adiminuio da SINR, piorando a qualidade dos sinais recebidos e dificultando a decodi-

ficao dos mesmos. Alm disso, se a quantidade de fontes de interferncia co-canal for

suficientemente grande, as suas contribuies podem aumentar o nvel de interferncia de

tal forma que o mesmo ultrapasse o limiar de deteco de portadora, causando o primeiro

tipo de interferncia.

Estes dois fenmenos de interferncia apresentados diminuem a capacidade mxima

das redes 802.11. No caso das redes 802.11 no modo infra-estruturado, esses dois tipos

de interferncia podem se manifestar em diferentes situaes, tanto nos APs como nas

estaes clientes. A Figura 2.5 apresenta as diversas situaes de interferncia que podem

ocorrer entre dois BSSs formados por um AP e uma estao cliente que estejam operandonum mesmo canal ou em canais parcialmente sobrepostos [18].

Cenrio 1 - os dois APs encontram-se dentro dos seus alcances de deteco daportadora, portanto a interferncia ir afetar diretamente os APs na forma de com-

partilhamento da capacidade do meio. Este o pior dos cenrios de interferncia,

pois, como em uma rede infra-estruturada toda a comunicao gerenciada pelo

AP, toda a comunicao ser prejudicada quando o AP sofre interferncia.

Cenrio 2 - os APs esto fora dos seus alcances de deteco da portadora, mas den-tro do alcance das estaes clientes do BSS vizinho. Este basicamente o mesmo

caso anterior, sendo que os APs compartilham o acesso ao meio com a estao do

BSS vizinho.

Cenrio 3 - neste cenrio apenas as estaes clientes dos BSSs compartilham oacesso ao meio. Entretanto, os APs, que no compartilham o acesso, geram inter-

ferncia co-canal mtua. Desta forma, o desempenho das redes prejudicado pelocompartilhamento do acesso nos clientes e pela interferncia co-canal nos APs.

Cenrio 4 - estaes clientes e APs encontram-se fora dos seus alcances de de-

16

Figura 2.5: Cenrios de interferncia.

teco da portadora. Neste caso, o nico tipo de interferncia verificada seria a

interferncia co-canal, as redes no compartilhariam a capacidade do meio de co-

municao.

De acordo com estes diferentes cenrios pode-se perceber que a interferncia pode

ocorrer tanto no AP, quanto nos seus clientes. Esta caracterstica demonstra que impor-

tante utilizar informaes sobre ambos, AP e clientes, no processo de alocao de canal.

Portanto, fica evidente que as tcnicas e mecanismos propostos para a alocao de canal

devem conseguir captar os dois tipos de interferncia e levar em conta os APs e os clientes

no processo de atribuio de canal.

A prxima seo apresenta os esforos j existentes na literatura para solucionar oproblema da alocao de canal em redes IEEE 802.11. Alm disso, juntamente reviso

17

bibliogrfica ser realizada a avaliao dos efeitos nocivos gerados por uma alocao de

canal no planejada.

2.2 Alocao de Canal

A alocao de canal uma necessidade nas redes sem fio celulares em geral, e tem

o objetivo de minimizar a interferncia entre clulas com o menor nmero possvel decanais. J no caso das redes 802.11, o problema possui algumas pequenas diferenas,

principalmente no que diz respeito interferncia existente. Como foi apresentado na

seo 2.1.2, o problema da interferncia nas redes 802.11 se manifesta de duas maneiras

distintas: compartilhamento da capacidade do meio ou interferncia co-canal. Isto faz

com que seja necessrio levar em conta estes dois fenmenos no processo de alocao decanal.

Alm da particularidade citada anteriormente, as redes 802.11 tambm sofrem com

o problema da escassez de canais. No caso das redes 802.11 b e g, que so as mais

comuns, apenas 3 canais no interferentes so disponibilizados. Esta limitao restringe

a quantidade de redes que podem operar na mesma regio sem a gerao de nenhum tipo

de interferncia.

O problema ainda se agrava quando pensamos em cenrios onde existem redes inde-

pendentes sem nenhum tipo de coordenao na alocao dos canais. Para exemplificar

os efeitos prejudiciais do no planejamento da atribuio de canais, foram realizadas al-gumas simulaes utilizando o simulador ns-2. Foram gerados cenrios com diferentes

quantidades de redes 802.11 independentes. Cada BSS formado por um ponto de acesso

e cinco estaes clientes.

Para a gerao dos cenrios, algumas restries foram impostas no posicionamento

dos ns de cada BSS. Desta forma buscou-se criar cenrios mais parecidos com os cen-

rios prticos de redes independentes. As restries foram as seguintes:

Distncia mnima entre APs - estipulou-se uma distncia mnima entre os pontos

de acesso de redes distintas. Como as redes so independentes, improvvel que os

18

APs estejam muito prximos, pois estas redes pressupem diferentes proprietrioscom os APs posicionados dentro de seus estabelecimentos.

Distncia mxima entre AP e seus clientes - garantiu-se tambm que existisseuma distncia mxima entre os clientes e seu AP. Esta restrio necessria para

evitar que os clientes fiquem fora do alcance de recepo do seu AP. Alm disso,

evitou-se criar cenrios onde os clientes pudessem estar muito distantes do seu res-

pectivo AP. Em aplicaes reais, pressupe-se que os clientes no ficariam posicio-

nados nos limites do alcance de recepo, sofrendo com uma conexo inconstante

devido s variaes do nvel de sinal gerada pelos efeitos de propagao.

Distncia mnima entre clientes - esta restrio foi imposta para evitar que dois

clientes fossem posicionados prximos um do outro, o que tambm se pressups

no ser prtico.

Foram utilizados os valores padro do simulador ns-2 para sensibilidade de recepo,

deteco de portadora e potncia de transmisso. Alm disso, foi empregado o modelo de

propagao two-ray-ground onde apenas os efeitos de desvanecimento do sinal so consi-

derados. Com essas configuraes, o alcance de recepo de uma estao 802.11 no ns-2

fica em torno de 250 metros e o alcance de deteco de portadora em torno de 550 me-

tros. A posio dos ns de cada rede, APs e clientes, foram sorteadas aleatoriamente

dentro de uma rea de 1000 metros por 4000 metros, obedecendo s restries apresenta-

das. A distncia mnima entre os APs e a distncia mxima entre o AP e seus clientes foi

configurada em 150 metros, j a distncia mnima entre os clientes em 50 metros.

As simulaes realizadas visavam reproduzir redes 802.11b, portanto foram dispo-

nibilizados 3 canais de operao e a taxa de transmisso foi configurada em 11 Mbps.

As redes foram colocadas em plena carga de trfego, com um fluxo TCP durando toda

a simulao, do AP para os clientes (downlink). Desta forma, tentou-se fazer as redesatingirem a capacidade mxima disponvel nos canais atribudos. Maiores detalhes so-

bre a criao dos cenrios com redes independentes, dos parmetros de simulao e da

metodologia para a obteno dos resultados sero discutidos na seo 4.1.

Inicialmente, apresentamos os resultados para dois tipos de alocao de canal distin-

19

tas: todos os BSSs no mesmo canal de operao; e com uma alocao aleatria de canal.

Alocar todos os BSSs no mesmo canal de operao o pior caso de alocao de canal

possvel, pois todos os BSSs podem gerar interferncia mtua. Esta alocao de canal

fornece o que seria o limite inferior para os resultados obtidos. J no caso da alocao

aleatria, todos os BSSs sorteiam aleatoriamente seu canal de operao no incio da si-

mulao. Este tipo de alocao fornece uma idia mais prxima do que seria a alocao

existente na prtica em redes independentes. Entretanto, trabalhos como [2], mostramque na prtica a alocao de canais em cenrios independentes no segue uma distribui-

o uniforme.

As mtricas avaliadas foram: a vazo agregada normalizada e o ndice de justia entreas vazes individuais de cada rede independente. A vazo agregada uma mtrica que

representa a soma de todas as vazes de todos os fluxos de trfego presentes em cada

cenrio. Ela fornece uma idia de como os recursos do meio esto sendo aproveitados

de uma maneira globval. Os valores da vazo agregada foram normalizados em funo

da vazo agregada mdia de um BSS isolado, que no sofre nenhum tipo de interferncia

externa, multiplicado pelo nmero de BSSs. J o ndice de justia entre as vazes de cadarede uma mtrica proposta em [23] que indica o nvel de justia no compartilhamentode recursos quaisquer atravs da funo 2.1. Os seus valores variam entre zero e um,

sendo que, quanto mais prximo de um, maior o nvel de justia. O ndice de justia foicalculado utilizando-se a vazo mdia agregada obtida por todos os clientes de cada BSS.

Justia =(

xi)2

n

(x2i)

(2.1)

A Figura 2.6(a) mostra os resultados para a vazo agregada normalizada com inter-valos de confiana de 95%. Pode-se perceber que a simples atribuio aleatria de canal

j apresentou grandes melhorias nos resultados para a vazo agregada quando comparadocom a atribuio do mesmo canal de operao em todos os BSSs. So verificados ganhos

de at 30% na vazo agregada no melhor caso. Este resultado mostra que com apenas um

pequeno esforo na alocao de canal j se pode atingir grandes melhorias. Entretanto, asimples alocao aleatria no o que ocorre na prtica em redes independentes. O traba-

lho [2] citado anteriormente mostra que em torno de 75% dos APs utilizam o canal 6 para

20

as suas operaes, que o canal padro definido pela maioria dos fabricantes. Portanto,

na prtica, o desempenho apresentado pela alocao de canal aleatria deve ficar abaixo

do que foi obtido nesta simulao.

A Figura 2.6(b) mostra os resultados para o ndice de justia entre as vazes indi-viduais de cada rede independente com intervalos de confiana de 95%. Tambm para

esta mtrica percebe-se que a alocao de canal aleatria apresentou melhores resultados.

Com isso comprova-se que a inexistncia de um mecanismo de alocao de canal pode

gerar um compartilhamento injusto dos recursos do meio de comunicao.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

4 6 8 10 12 14

Vaz

o N

orm

aliz

ada

Nmero de BSSs

Mesmo CanalAlocao Aleatria

(a) Vazo agregada normalizada.

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

4 6 8 10 12 14

ndice

de Ju

stia

Nmero de BSSs

Mesmo CanalAlocao Aleatria

(b) ndice de justia entre BSSs.

Figura 2.6: Avaliao do desempenho de alocaes de canal simples em redes indepen-

dentes.

21

De acordo com as simulaes apresentadas podemos comprovar que a falta de plane-

jamento na atribuio de canais em redes 802.11 independentes prejudica o desempenhoagregado e a justia. Os prejuzos causados no desempenho, aliado escassez de meca-nismos e tcnicas para a alocao de canal em cenrios com redes independentes, com-

provam a necessidade da pesquisa e desenvolvimento de novas tcnicas de alocao de

canal para este tipo de cenrio. Como j foi citado na seo 1.1, o problema da alocaode canal em redes sem fio 802.11 no modo infra-estruturado com administrao centrali-

zada j foi bastante estudado e vrias tcnicas e mecanismos de alocao de canal forampropostos. Entretanto, poucas solues so aplicveis ou especialmente desenvolvidas

para cenrios com redes independentes.

Nas prximas duas partes desta seo, sero apresentadas e discutidas algumas das

propostas existentes para a soluo do problema de alocao de canal nas redes sem fio

802.11. As propostas foram classificadas em centralizadas e independentes, referindo-se

s propostas aplicveis apenas em cenrios onde as redes possuem uma administrao

centralizada, e onde as redes possuem administrao independente.

2.2.1 Mecanismos Centralizados

Grande parte das solues propostas para a alocao de canal em redes 802.11 existen-

tes na literatura so aplicveis apenas em cenrios onde os BSSs possuem administrao

centralizada [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17]. Muitos desses trabalhos utilizam a mesmaabordagem para solucionar o problema da alocao de canal. Nela, o problema da inter-

ferncia entre BSSs modelado atravs de um grafo e a alocao de canal solucionada

utilizando-se tcnicas de colorao de grafos.

Ao modelar o problema da interferncia como um grafo, os APs so considerados

como vrtices do grafo e a interferncia entre dois BSSs representada por uma aresta

entre eles. Neste caso, considerado como interferncia apenas o fenmeno do compar-

tilhamento da capacidade do meio, sem levar em conta a interferncia co-canal. Esta

uma caracterstica presente em praticamente todos os trabalhos que abordam o problema

da alocao de canal, onde apenas os efeitos do compartilhamento do acesso ao meio so

22

considerados como interferncia. A Figura 2.7 apresenta um exemplo de cenrio com

5 BSSs e o grafo representativo do mesmo.

Figura 2.7: Exemplo de grafo representativo da interferncia entre BSSs.

Uma vez que o grafo de interferncia foi construdo, tcnicas de colorao de grafos

so utilizadas para realizar a colorao dos vrtices do mesmo. Cada cor utilizada re-

presenta um canal diferente e o objetivo da colorao obter uma configurao tal quenenhum vrtice adjacente utilize a mesma cor. Entretanto, este um problema conheci-damente NP-completo, quando o nmero de canais disponveis para a alocao menor

que o grau mximo do grafo [17, 19]. Portanto, no existe, ou simplesmente ainda nofoi descoberto, um algoritmo capaz de solucionar este problema de colorao em tempo

polinomial.

Para as redes 802.11, o problema muito parecido: encontrar uma colorao que

minimize os vrtices adjacentes de mesma cor com um nmero limitado de cores dispo-nveis. Desta forma, o grande desafio das propostas de solues para a alocao de canal

em redes 802.11 encontrar algoritmos de colorao que forneam solues mais prxi-

mas o possvel do timo em tempo polinomial, buscando minimizar uma funo objetivoem especfico. A funo objetivo a mtrica que o algoritmo de colorao pretende mi-nimizar. Encontrar funes objetivo que representem de maneira eficiente os prejuzoscausados pela interferncia um outro desafio das propostas existentes na literatura.

Rodrigues et al. em [8] propem um algoritmo desenvolvido atravs de programaolinear para solucionar o problema da colorao do grafo. O objetivo do algoritmo mini-mizar o somatrio da separao entre os canais atribudos a vrtices adjacentes do grafo,

23

garantindo uma separao de no mnimo 3 canais entre os mesmos. J em [9], os mesmosautores propem um novo algoritmo que utiliza em sua mtrica o nvel de utilizao de

cada BSS. Desta forma, busca-se priorizar as BSSs com maior demanda de clientes na

alocao de canais.

Em [10], Hills no prope uma tcnica ou ferramenta para o problema da alocao decanal em redes 802.11. Entretanto, ele discute o problema explicando que as possveis

solues para a alocao de canal podem ser obtidas com o uso de algoritmos de colo-

rao, ou atravs da explorao de todas as possveis alocaes para o grafo em questo.

Esta ltima tcnica particularmente interessante, pois permite explorar todas as poss-

veis alocaes de canal para um determinado grafo, fornecendo a melhor soluo para

o problema da alocao de canal quando os cenrios possuem alguns poucos BSSs e o

esforo computacional no uma restrio.

J em [11], Hills e Schlegel propem uma ferramenta para o auxlio no planejamentodo posicionamento e na alocao de canais de redes sem fio 802.11. Denominada Rolla-

bout, ela consiste de um dispositivo mvel (um carrinho) equipado com um laptop e umsistema de posicionamento (GPS). Medies so realizadas na rea onde os APs esto po-sicionados para criar um mapa das reas de cobertura. As informaes coletadas servem

de entrada para um software que diz se h a necessidade de modificar o posicionamento

dos APs, e tambm calcula solues para o problema da alocao de canal. Para o pro-

blema da alocao de canal, o software possui dois tipos de algoritmo de colorao: um

algoritmo que fornece a soluo tima em tempo computacional exponencial, aplicvel

apenas em cenrios com poucos APs; e um algoritmo de colorao guloso (greedy) quefornece solues prximas do timo para cenrios com muitos APs.

Hills e Friday discutem em [12] as vrias tcnicas existentes para o problema da alo-cao de canal em redes 802.11. O mais importante que este parece ser o primeiro artigo

a apontar a necessidade do uso de uma alocao de canal dinmica, que leve em conta a

interferncia entre BSSs, o nvel de carga nos BSSs, e tambm a interferncia de dispo-

sitivos que no so 802.11. Entretanto, o artigo no apresenta nenhuma soluo prtica

para o problema da alocao dinmica de canal, apenas ressalta a sua importncia.

Mahonen et al. em [17] propem um algoritmo guloso para o problema da colorao

24

de grafos com o objetivo de encontrar uma alocao de canal que maximize a quantidadede redes vizinhas que utilizam canais diferentes nos seus APs. Leung e Kim em [13]desenvolvem uma heurstica capaz de buscar solues para o problema da alocao de

canal levando em conta as demandas de trfego de cada AP.

Os trabalhos [14] e [15] discutem a necessidade de acoplar a tarefa de posicionamentodos APs com a de alocao de canal. Desta forma, [15] desenvolve atravs de programa-o linear um modelo do problema com a funo objetivo de minimizar o mximo dautilizao dos canais. J [14], prope um algoritmo para a colorao do grafo de interfe-rncia que tem o objetivo de maximizar a vazo nos BSSs e a justia no compartilhamentoda banda entre eles.

O estudo do problema da alocao de canal em cenrios de administrao centralizada

mostrou que a maioria das solues se baseia em modelagens do problema da interfern-

cia entre BSSs como um grafo, e na busca por configuraes que minimizem alguma

funo objetivo em especfico. Baseado nesta observao foi desenvolvido nesta tese umaferramenta capaz de ler o posicionamento dos cenrios utilizados nas simulaes com

o ns-2 e fazer uma busca pela soluo tima para a alocao de canal. Uma vez que a

soluo tima para a alocao de canal obtida, ela pode ser utilizada pelo ns-2 com os

cenrios em questo.

Pode-se perceber que, na prtica, esta ferramenta seria aplicvel apenas em cenrios

de administrao centralizada, porque depende de informaes de posicionamento de to-

dos os APs e clientes presentes em cada cenrio e, portanto, no poderia ser utilizada em

um ambiente real com BSSs independentes. Entretanto, como neste trabalho possuam-se

informaes globais de posicionamento em todos os cenrios com redes independentes

simulados, esta tcnica foi utilizada para descobrir o limite superior de desempenho para

as mtricas avaliadas que pode ser obtido com a alocao de canal tima de acordo com

uma funo objetivo especfica.

Na sua operao, a ferramenta em questo, que foi denominada benchmark, realiza a

varredura de todas as possveis alocaes de canal e calcula o custo de cada configurao

baseando-se em uma funo objetivo. Para a montagem do grafo de interferncia utiliza-mos a proposta descrita em [19], onde as arestas possuem pesos baseados na porcentagem

25

de clientes dos BSSs envolvidos que sofrem aquela interferncia. Maiores detalhes a res-

peito dessa modelagem sero fornecidos na prxima seo.

Trs funes objetivo foram testadas na ferramenta Benchmark: Lsum, que o soma-trio dos pesos de todas as arestas do grafo; Lmax, que o valor da aresta de maior peso;

e Lfair, que o inverso do valor do ndice de justia entre os pesos das arestas do grafo. OBenchmark calcula o valor de uma das trs funes objetivo para cada uma das possveisalocaes de canal em cada cenrio. Com isso, possvel determinar aquela alocao de

canal que faz o valor da funo objetivo em questo ser mnimo.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

4 6 8 10 12 14

Vaz

o N

orm

aliz

ada

Nmero de BSSs

Mesmo CanalAlocao AleatriaBenchmark (Lsum)Benchmark (Lmax)Benchmark (Lfair)

(a) Vazo agregada normalizada.

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

4 6 8 10 12 14

ndice

de Ju

stia

Nmero de BSSs

Mesmo CanalAlocao AleatriaBenchmark (Lsum)Benchmark (Lmax)Benchmark (Lfair)

(b) ndice de justia entre BSSs.

Figura 2.8: Resultados do benchmark aplicado em redes independentes.

Para os mesmos cenrios utilizados nos experimentos apresentados np incio da se-

26

o 2.2, utilizamos a ferramenta benchmark com as trs diferentes funes objetivo paraobter a alocao de canal que minimiza o valor de cada uma delas. Com esta alocao,

foram realizados experimentos nos mesmos padres utilizados anteriormente no incio

da seo 2.2. As Figuras 2.8(a) e 2.8(b) mostram os resultados para a vazo agregadanormalizada e ndice de justia entre as vazes individuais dos BSSs comparados com osresultados obtidos anteriormente com a alocao do mesmo canal e alocao aleatria.

Pode-se perceber atravs dos novos resultados obtidos com o benchmark como o pro-

blema da alocao de canal pode prejudicar a capacidade agregada e a justia na utilizaodos recursos do meio de comunicao. Isto pode ser constatado ao se comparar os resulta-

dos obtidos para a alocao de canal fornecida pela funo objetivo Lsum no Benchmark.

Pode-se perceber tambm que a alocao de canal obtida com a funo objetivo Lsumfoi a que apresentou melhor desempenho. Isto mostra que, dentre as trs funes obje-tivo testadas, a Lsum foi a que melhor conseguiu representar numericamente os prejuzosgerados pela interferncia entre os BSSs no desempenho agregado e na justia.

2.2.2 Mecanismos Independentes

De acordo com o levantamento bibliogrfico realizado, a primeira proposta de me-

canismo de alocao de canal aplicvel a cenrios com redes independentes foi [19].Neste trabalho, Mishra et al. apresentam um mecanismo que opera de maneira distribuda

nos APs, realizando a seleo do canal de operao, e que pode utilizar: apenas infor-

mao local, visando cenrios com redes independentes; ou informao global, obtida

promovendo-se a comunicao entre os APs em cenrios onde existe a colaborao entre

os mesmos.

A proposta surgiu atravs da modelagem do problema da interferncia entre os BSSs

como um grafo, muito parecido com as propostas tradicionais. A diferena que, neste

caso, o grafo montado possui pesos nas arestas referentes s quantidades de estaes cli-

entes que sofrem com a interferncia que gerou a aresta. Segundo a anlise realizada, o

problema de colorao do grafo com pesos tambm NP-completo, portanto o trabalho

prope uma heurstica para solucionar o problema da colorao. Entretanto, ao invs de

27

propor um algoritmo centralizado para realizar a alocao de canal, foi proposto um algo-

ritmo distribudo capaz de ser executado periodicamente nos APs para realizar a seleo

do canal desejado dinamicamente. Este algoritmo seleciona o canal utilizando um grafode interferncia obtido atravs de medies.

Para montar o grafo, o AP requisita que todos os seus clientes realizem uma varredura

dos canais disponveis em busca de quadros de outros BSSs. Ao trmino da varredura,

o AP recebe as informaes das estaes clientes e monta a sua viso local do grafo de

interferncia. Atravs das medies dos clientes, cada AP saber: em quais canais o

BSS sofreria interferncia; quais BSSs interferem em qual canal; e a quantidade de es-

taes de seu prprio BSS que sofrem interferncia. Essas informaes sero suficientes

para montar uma viso local do grafo de interferncia. Se houver colaborao entre os

APs, os mesmos podem trocar informaes e montar uma viso global do grafo permi-

tindo o uso de uma heurstica mais refinada e que apresenta melhores resultados para

realizar a atribuio de canais. Entretanto, esta vertente da proposta s se aplica em cen-

rios centralizados, onde todos os APs se comunicam utilizando protocolos como o IAPP

(Inter-Access Point Protocol) [19].

Outra caracterstica interessante deste trabalho a possibilidade de se utilizar canais

parcialmente sobrepostos para a alocao. Alguns outros trabalhos estudando os efeitos

do uso de canais sobrepostos foram publicados por esses mesmos autores [24, 25]. Se-gundo estes trabalhos, o nvel de sobreposio dos canais pode ser representado por um

ndice de sobreposio variando de zero a um, que indica a porcentagem de sobreposio

entre dois canais de acordo com seu grau de separao. Estes valores podem ser obtidos

atravs de medies da SINR de um sinal recebido nos canais parcialmente sobrepos-

tos ao canal do transmissor (Tabela 2.2), ou podem ser calculados teoricamente atravsdas mscaras dos filtros de transmisso e recepo do rdio 802.11. [25] mostra que osvalores prticos e tericos ficam bem prximos.

Desta forma, pode-se utilizar o ndice de sobreposio para dizer o quanto de potncia

de um sinal transmitido em um canal percebido em um canal parcialmente sobreposto.

Em [19], o ndice de sobreposio utilizado para escalar os pesos das arestas do grafode interferncia dependendo dos canais escolhidos para os BSSs responsveis pela aresta

28

Canal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

ndice de0 0.22 0.60 0.72 0.77 1.0 0.96 0.77 0.66 0.39 0

sobreposio

Tabela 2.2: Valores para os ndices de sobreposio obtidos atravs de medies para uma

transmisso realizada no canal 6.

em questo durante a execuo do algoritmo de seleo de canal. A heurstica proposta

para a seleo de canal nos APs busca minimizar a interferncia de maneira incremental.

A montagem do grafo de interferncia seguida da execuo do algoritmo de seleo

realizada periodicamente a cada execuo. O algoritmo de seleo de canal escolhe o

canal que faz o peso da sua aresta de maior custo ser minimizado. Vale lembrar que o

peso das arestas uma mtrica da quantidade de estaes que reportam uma determinada

interferncia e, de acordo com o canal escolhido, os pesos das arestas podem mudar, pois

so multiplicados pelos ndices de sobreposio entre os canais atribudos.

A proposta apresentada em [19] possui uma limitao no que diz respeito montagemdo grafo de interferncia. Para montar o grafo, as estaes realizam a varredura dos canais

em busca de trfego de outros BSSs. Com esta varredura, as estaes podem informar ao

AP qual BSS interfere em cada canal, que uma informao essencial para a montagem

do grafo de interferncia. Entretanto, para isto necessrio que os pacotes dos outros

BSSs interferentes sejam decodificados. Portanto, as estaes s conseguem detectarinterferncia proveniente de BSSs dentro do alcance de recepo. Como foi explicado

na seo 2.1.2, duas estaes tambm sofrem com o problema do compartilhamento do

acesso ao meio quando esto dentro dos seus alcances de deteco da portadora. Este

problema de interferncia negligenciado durante a montagem do grafo de interferncia

e pode prejudicar o desempenho desta proposta.

Em um outro trabalho [18], Mishra et al. apresentam uma nova abordagem para oproblema da alocao de canais. Eles discutem a necessidade de realizar a alocao

em conjunto com o balanceamento de carga entre os APs, ou seja, realizando tambma re-associao dos clientes. Uma nova modelagem realizada para o problema da in-

terferncia: a representao da mesma atravs do que foram denominados "conjuntos de

29

conflitos"(conflict sets). Segundo o trabalho, um conflito existe quando um cliente ouAP sofre interferncia de um n de outra rede. Os conjuntos de conflitos so os gruposde APs de redes vizinhas que podem interferir na comunicao de um cliente com o seu

respectivo AP.

O mecanismo de alocao de canal proposto tambm baseado em uma heurstica

distribuda, que tem como objetivo atribuir canais aos APs e re-associar os clientes, vi-sando minimizar o tamanho dos conjuntos conflitantes de cada cliente de cada AP. Assimcomo no trabalho anterior, existe uma verso do mecanismo onde os APs colaboram, e

uma independente, sem a colaborao entre os APs. Entretanto, devido s limitaes dos

cenrios com redes independentes, o mecanismo sem a colaborao entre os APs no

capaz de realizar a re-associao de clientes, apenas a seleo do canal.

Esta proposta apresenta a mesma limitao de [19], pois utiliza medies apenas dospacotes decodificados pelos clientes para a deteco dos conjuntos conflitantes, portantono cobre todos os cenrios de interferncia descritos na seo 2.1.2.

Em seu trabalho mais recente [3], Mishra et al. propuseram uma nova abordagempara o problema da alocao de canal visando melhorar a justia entre os BSSs. Devido escassez de canais no interferentes disponveis para a alocao nas redes 802.11 e as

altas densidades em cenrios com redes independentes, existem casos onde uma alocao

de canal esttica pode causar injustia na utilizao dos recursos do meio de comunicao.

A Figura 2.9 mostra um cenrio em que com trs canais disponveis para a alocao

impossvel determinar uma alocao de canal tima onde se maximize o uso dos canais e

se garanta o igual compartilhamento da capacidade dos mesmos entre os BSSs [3]. Nesteexemplo, pelo menos dois BSSs sero sempre prejudicados, utilizando o mesmo canal.

Visando solucionar o problema levantado anteriormente, [3] prope um novo meca-nismo de alocao de canal baseado em seqncias de mudanas de canal sincronizadas

(Channel Hop Sequence). Este novo mecanismo no procura uma configurao estticapara a alocao de canais nos BSSs. Ao invs disso, procura uma seqncia de mudanas

de canal para os BSSs que torne a diviso de recursos mais justa a longo prazo. A pro-posta baseia-se no fato de que a cada troca sincronizada de canal os BSSs utilizam uma

30

Figura 2.9: Cenrio onde a alocao de canal esttica causa injustia.

alocao de canal diferente, que prioriza um conjunto diferente de BSSs. Com isso, apsum longo perodo de tempo, a justia no compartilhamento dos recursos entre os BSSs atingida. A Tabela 2.3 apresenta o que seria uma das possveis seqncias de mudanas

de canal para os BSSs da Figura 2.9 que faria a capacidade ao final de uma seqncia de

mudanas completa ser dividida igualmente entre os mesmos.

BSS Mudanas de Canal

1 1 6 6* 11* 6 6* * - BSSs prejudicados nesta2 6 1* 6* 6 1* 1 janela de salto de canal.3 11* 1* 11 1 11 6*

4 11* 11 1 11* 1* 11

Tabela 2.3: Seqncia de mudanas ideal para garantir justia.

Para encontrar as seqncias de mudanas de canal ideais, [3] prope um algoritmoque analisa a seqncia de mudanas dos BSSs interferentes e escolhe o melhor canal

para cada janela da seqncia. Para realizar esta tarefa, o AP utiliza medies realiza-das com os seus clientes para encontrar os BSSs que interferem em cada canal durante

cada janela da seqncia. Mais uma vez a preciso deste tipo de medio com os clientesdepende da decodificao correta dos pacotes interferentes. Tal caracterstica da medi-

o faz com que este mecanismo apresente o mesmo problema das propostas anteriores,

onde a interferncia gerada pelos ns dentro do alcance de deteco da portadora no

31

percebida.

Em seus trabalhos, Mishra et al. citam e comparam as suas propostas com o meca-

nismo de alocao de canal LCCS (Least Congested Channel Search). Este um me-canismo de alocao automtica de canal implementado em APs de alguns fabricantes.

Muito pouca informao est disponvel na literatura a respeito do LCCS, sendo os tra-

balhos [3], [18] e [19] as maiores fontes de informao a respeito. O LCCS opera unica-mente nos APs e realiza a seleo automtica do canal de operao. Ao ser ligado, o AP

realiza uma varredura dos canais disponveis e seleciona o canal menos congestionado,

com a menor quantidade de trfego de outros BSSs [3]. O LCCS apresenta grandes limi-taes, pois no utiliza os clientes no processo de deteco de outras redes. Alm disso, a

alocao de canal no dinmica, o canal escolhido no incio da operao mantido at

o AP ser desligado.

Levando em conta os problemas das redes 802.11 e as propostas apresentadas neste

captulo, pode-se perceber que a alocao de canal ainda um problema que demanda

novas solues. O prximo captulo apresenta a proposta deste trabalho para a alocao

de canal em redes 802.11 independentes. A proposta em questo pretende ser uma solu-

o dinmica e distribuda visando o cenrio alvo deste trabalho: as redes IEEE 802.11

independentes.

32

Captulo 3

Seleo Dinmica de Canal

As redes IEEE 802.11 independentes possuem uma srie de caractersticas e restries

que precisam ser levadas em considerao durante o processo de alocao de canal. So

elas:

a escassez de canais no interferentes, que limita a quantidade mxima de redes que

podem coexistir em uma regio sem a presena de interferncia;

a existncia de dois tipos diferentes de interferncia: a interferncia co-canal e

o compartilhamento da capacidade do meio. Os dois tipos podem prejudicar ascomunicaes e afetar o desempenho destas redes;

a ocorrncia da interferncia tanto nos APs, quanto nas estaes clientes;

a impossibilidade de comunicao entre os BSSs, restringindo o uso das tcnicas

de alocao de canal convencionais.

Estes problemas tornam o desenvolvimento de solues para o problema da alocao

de canal em redes 802.11 independentes um grande desafio. A existncia de poucas solu-

es na literatura e as limitaes apresentadas pelas mesmas so fatores que impulsionam

este trabalho para o desenvolvimento de propostas alternativas visando melhores solues

para o problema da alocao de canal.

33

Este captulo apresenta o processo de desenvolvimento do mecanismo de seleo auto-

mtica de canal. A proposta tem o objetivo de ser dinmica, sendo adaptvel s mudanasde demanda de trfego e topologia, e distribuda, sendo capaz de realizar a escolha do seu

canal de operao sem a colaborao dos outros BSSs da regio. Alm disso, ela atende

s limitaes existentes nas redes 802.11 e nos cenrios com redes independentes.

Antes de iniciar as discusses sobre as propostas, o padro IEEE 802.11k ser apresen-

tado. Esta nova norma padroniza diversos tipos de medio de parmetros operacionais

dos canais e do rdio 802.11 e define mensagens para a troca dessas informaes entre

as estaes 802.11. As suas medies sero utilizadas pelas propostas desenvolvidas, que

sero apresentadas no final desse captulo.

3.1 IEEE 802.11k

A nova extenso k da norma 802.11 [26] padroniza diversos tipos de medies de ca-ractersticas dos canais e do rdio 802.11. Alm disso, ela tambm especifica mensagens

utilizadas para a troca dessas informaes entre os ns 802.11. Os principais objetivos daextenso 802.11k so:

permitir que as estaes realizem medies de parmetros especficos dos canais e

do rdio 802.11;

padronizar as mensagens para a troca das informaes obtidas com as medies,

definindo mensagens de requisio e de relatrio para cada parmetro que pode ser

medido;

disponibilizar o acesso a estas informaes para as camadas superiores da pilha de

protocolos, fornecendo ferramentas para o desenvolvimento de novas aplicaes e

mecanismos.

Esta nova norma ainda est em desenvolvimento pelo grupo de trabalho 802.11. Entre-

tanto, segundo a sua verso preliminar (draft) oito tipos diferentes de informao podemser medidas e trocadas entre as estaes 802.11. So as seguintes:

34

Nvel de Carga - fornece informao sobre a ocupao em um determinado canal

durante o perodo estipulado para a medio. um clculo simples da porcentagemde tempo em que o canal foi considerado como ocupado dividido pela durao total

da medio. Para considerar o canal ocupado pode-se utilizar a informao de

deteco da portadora fsica, como descrito na seo 2.1.2, ou o NAV (NetworkAllocation Vector), que um contador que indica quando o meio estar livre paranovas transmisses e funciona como uma deteco virtual da portadora.

Nvel de rudo - fornece os valores do nvel de rudo presente no canal no perodo

em que o meio foi detectado desocupado durante a medio. O resultado da medi-

o fornecido na forma de um histograma.

Quantidade de beacons - informa a quantidade de beacons recebidos de outrosAPs prximos em um determinado canal durante o perodo de medio. Os beacons

so mensagens peridicas enviadas em broadcast pelos APs e que informam aos

clientes o canal de operao do AP e as suas caractersticas de operao.

Quantidade de quadros recebidos - informa a quantidade de quadros recebidosem um determinado canal durante o perodo de medio. O resultado organi-

zado por n de origem e tambm fornece a informao sobre a potncia mdia de

recepo dos quadros de cada fonte.

Estaes escondidas - realiza a deteco de estaes escondidas durante um pe-

rodo de medio, informando o seu endereo MAC (Medium Access Control).Uma estao considerada escondida quando o n medidor recebe pacotes de da-

dos destinados mesma, mas no consegue receber as confirmaes de recebimento

(Acknowledgments - ACKs) que ela envia. A medio tambm informa a quanti-dade de vezes que esta situao ocorreu durante o perodo de medio.

Histograma dos intervalos de tempo de ocupao/liberao - informa, por meio

de um histograma, os tamanhos dos intervalos de tempo durante os quais o meio

permaneceu livre ou ocupado no perodo em que foi realizada a medio. Assim

como na medio do nvel de carga, tanto o NAV, como a informao de deteco

da portadora, podem ser utilizadas.

35

Estatsticas sobre as estaes - no uma medio em especfico, mas a capa-

cidade de informar estatsticas armazenadas na base de dados de gerenciamento

associada camada MAC (Management Information Base - MIB).

Informao de posicionamento das estaes - permite a troca de informaes

sobre o posicionamento geogrfico das estaes quando as mesmas possuem esta

funcionalidade.

A troca de mensagens definida pelo padro 802.11k bem simples e conta com dois

tipos de mensagem: relatrios (reports) e requisies (requests). As mensagens de relat-rio servem para informar aos outros ns da rede os resultados obtidos a partir de alguma

medio realizada. Ao trmino da medio, o n medidor monta uma mensagem de rela-

trio que pode ser enviada para um destino nico, ou difundida em broadcast para vrias

estaes vizinhas. J as mensagens de requisio permitem o envio de pedidos de medio

para um n em especfico ou para vrios ns vizinhos com o envio em broadcast. Depois

de realizar a medio requisitada, a estao medidora responde estao requerente com

uma mensagem de relatrio informando os resultados obtidos.

Em uma nica mensagem de requisio ou relatrio vrios tipos de informaes po-

dem ser pedidas ou relatadas. Isto permite uma diminuio do nmero de mensagens ne-

cessrias quando se realiza a troca de vrios tipos de informao ao mesmo tempo. Alm

disso, com uma mesma mensagem podem ser requeridas medies em todos os canais

disponveis. Logo, o n medidor ir precisar fazer uma varredura nos canais sinalizados

para realizar as medies requeridas em cada um deles.

De acordo com o que j foi apresentado at agora, fica evidente que dependendo dotipo ou canal onde a medio realizada pode ser necessrio que o mesmo fique impedido

de se comunicar. A maioria dos tipos de medio pode ser realizada passivamente, sem

a necessidade de interromper a comunicao do n medidor. Entretanto, quando se trata

de uma medio fora do canal de operao da rede do n medidor a comunicao inter-

rompida. Este problema abordado pela norma 802.11k, que recomenda que as medies

fora do canal de operao da rede sejam realizadas e requisitadas por curtos perodos detempo e com pouca freqncia. Este cuidado reduz o possvel impacto prejudicial que atarefa de medio causa no desempenho do n medidor.

36

Outra caracterstica citada pela norma 802.11k que pode reduzir os prejuzos causa-dos por medies fora do canal de operao a realizao de medies concorrentes num

mesmo canal. A maioria das medies pode ser realizada simultaneamente pelo n me-

didor, com isso, o tempo empregado na obteno de vrias informaes diminui. Alm

disso, o efeito prejudicial causado pela permanncia fora do canal de operao realizandomedies tambm reduzido. Outro fator que tambm pode minimizar o problema em

questo o armazenamento (buffering) dos pacotes destinados quela estao medidoradurante o perodo de medio. Assim, os quadros seriam armazenados nas estaes trans-

missoras enquanto a estao de destino est medindo outros canais. Esta uma funciona-

lidade j presente no mecanismo de economia de energia do 802.11.

3.2 Mecanismo de Seleo Dinmica de Canal (SDC)

Como foi ressaltado no incio do captulo, o problema da alocao de canal em redes

802.11 independentes sofre com as restries impostas por este tipo de cenrio. Alm

disso, foi mostrado que, neste tipo de cenrio, importante que a alocao de canal sejadinmica e distribuda. Visando este objetivo, ser proposto um mecanismo de seleoautomtica e dinmica de canal para as redes 802.11 independentes, denominado SDC

(Seleo Dinmica de Canal).

O mecanismo SDC executado no AP e utiliza apenas informaes locais, obtidas

dentro do prprio BSS. As mesmas so obtidas atravs de medies e da troca de men-

sagens padronizadas pela norma 802.11k. Com isso, o AP pode decidir qual canal o

mais indicado para o uso. Alm disso, o mecanismo de seleo dinmico, permitindo

que a alocao de canal seja adaptvel s possveis mudanas nas demandas dos BSSs es mudanas de topologia das redes. O seu funcionamento relativamente simples, mas

existe uma srie de detalhes importantes a serem discutidos para um perfeito entendi-

mento da proposta e para a sua adequada operao. A operao do mecanismo SDC pode

ser descrita em trs etapas (Figura 3.1):

1. Obteno das informaes sobre capacidade e qualidade dos canais dispon-

veis para a alocao - inicialmente necessrio que sejam obtidas informaes a

37

respeito da capacidade e qualidade dos canais disponveis para o uso. Tais informa-

es iro fornecer uma base para o SDC decidir qual o melhor canal a ser utilizado.

Esta tarefa realizada atravs das medies e da troca de mensagens padronizadas

pela norma 802.1k, descrita na seo 3.1.

2. Escolha do canal de operao - uma vez que o SDC obteve informao suficiente

sobre o atual estado dos canais disponveis, um algoritmo de seleo de canal esco-

lher o canal a ser utilizado. O algoritmo utiliza uma heurstica que visa escolher

os canais de acordo com seus nveis de interferncia.

3. Atribuio do canal selecionado - uma vez que o novo canal de operao da rede

foi definido pelo SDC, necessrio que a deciso seja informada aos clientes doAP. Com isso, as estaes cliente podem passar a se comunicar com o AP no novo

canal selecionado.

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

O primeiro passo do mecanismo responsvel por obter as informaes necessrias

ao algoritmo de seleo de canal. Essas informaes devem ser capazes de representar os

problemas de interferncia que afetam cada n do BSS em questo. Como j foi explicadona seo 2.1.2, a interferncia se manifesta de duas formas distintas e afeta tanto os APs,

quanto os clientes. Portanto, cada n da rede deve ser capaz de detectar os dois tipos de

interferncia que afetam o seu desempenho. Para realizar esta tarefa de deteco sero

utilizados dois tipos de medio especificados pela norma 802.11k: a medio do nvel

de carga e do nvel de rudo no canal.

A medio do nvel de rudo fornecer informao sobre a qualidade do canal aferido

em relao quantidade de interferncia co-canal existente. Quanto maior for o nvel deinterferncia co-canal presente na regio, maior ser o nvel de rudo medido. Segundo

38

a especificao da norma 802.11k, a medio do nvel de rudo presente em um canal

realizada nos intervalos de tempo em que o meio permaneceu livre durante o perodo de

medio. Portanto, um n s capaz de medir o nvel de rudo presente no meio nos

intervalos em que no est transmitindo ou que a sua deteco de portadora no indica

nenhuma transmisso.

Os resultados para as medies do nvel de rudo em um canal so fornecidos na forma

de um histograma. Entretanto, o algoritmo de seleo de canal, que ser explicado ainda

nesta seo, necessita do nvel mdio do rudo medido em cada canal. A Figura 3.2 apre-

senta um exemplo de histograma genrico de valores entre zero e cinco. Neste exemplo,

as letras representam o nmero de ocorrncias em cada faixa de valor assinalada abaixo

dos blocos. A obteno do valor mdio para valores fornecidos na forma de histograma

do exemplo da Figura 3.2 uma operao simples que pode ser realizada utilizando-se a

equao 3.1.

Figura 3.2: Exemplo de histograma.

Media =1 a+ 2 b+ 3 c+ 4 d+ 5 e

a + b+ c+ d+ e(3.1)

A medio da carga no canal, especificada pela norma 802.11k, informa a porcen-

tagem de tempo em que o canal permaneceu ocupado durante o perodo de medio.

Esta medio contabiliza a quantidade de tempo em que o canal permaneceu ocupado

de acordo com a deteco da portadora ou com o NAV. Neste caso ser utilizada a de-

teco da portadora, pois assim as estaes sero capazes de detectar a porcentagem de

tempo em que o meio permaneceu ocupado devido s transmisses das outras estaes

que compartilham a capacidade do meio.

Realizando as duas medies descritas anteriormente, um n 802.11 capaz de infor-

mar o nvel de rudo presente no canal medido e o grau de compartilhamento no acesso

ao meio existente. Essas informaes fornecero uma idia dos nveis de interferncia

39

co-canal e de interferncia gerada pelo compartilhamento da capacidade do canal, que

so os dois tipos de interferncia que afetam as redes IEEE 802.11.

O mecanismo SDC, executado pelo AP, ir requisitar estes dois tipos de medio para

as suas estaes cliente. Segundo a norma 802.11k, essas medies podem ser requi-

sitadas com uma nica mensagem e podem ser realizadas paralelamente pelas estaes

medidoras. Para obter as informaes necessrias ao algoritmo de seleo de canal, as

medies devem ser realizadas em todos os canais disponveis para a alocao. Assim,

uma viso geral da qualidade de todos os canais ser utilizada pelo algoritmo de seleo

de canal. As medies do nvel de rudo e do nvel de carga so coordenadas pelo AP

que, a cada execuo do mecanismo, requisita a todas as suas estaes cliente medies

de todos os canais disponveis para a alocao. Cada estao vai realizar algo muito pare-

cido com uma varredura passiva dos canais disponveis para fazer as medies. Com esta

tarefa, as estaes sero capazes de medir o nvel de rudo e carga em todos os canais e ao

trmino da varredura enviar uma mensagem de relatrio com os resultados obtidos com

as medies. A Figura 3.3 apresenta um exemplo de como se d o processo de medio.

Diferentes abordagens poderiam ser aplicadas no que diz respeito a quais estaes

devem realizar as medies. Existem basicamente trs tipos de soluo: medies apenas

no AP; medies apenas nas estaes cliente; ou medies no AP e nos clientes. Fica

evidente que a ltima soluo a mais completa por ser a nica que cobre os casos de

interferncia que podem ocorrer em uma rede infra-estruturada. Entretanto, em redes com

muitos clientes ou com algum cliente no muito distante do AP, provvel que a segunda

soluo j oferea uma soluo satisfatria. Neste trabalho sero empregadas mediesapenas com as estaes cliente, entretanto, esta uma caracterstica flexvel da proposta.

Os valores de carga e rudo nos canais so passados para o algoritmo de seleo na

forma de dois vetores, um para a carga e outro para o rudo. Cada posio em cada vetor

representa o valor mdio para a carga ou rudo em um canal especfico. Para organizar as

informaes dessa maneira, o mecanismo SDC calcula a mdia dos vrios resultados de

medio para a carga e rudo de cada canal fornecidos pelos seus clientes.

Uma vez que o mecanismo SDC, executado pelo AP, obtm as informaes sobre a

capacidade e qualidade dos canais disponveis para a alocao com os seus clientes, o

40

Figura 3.3: Linha do tempo do processo de medio dos canais disponveis.

mesmo pode dar incio execuo do algoritmo de seleo de canal. O algoritmo, como

foi citado anteriormente, uma heurstica que procura um canal de operao com menores

nveis de utilizao, de acordo com a informao do nvel de carga, e menores nveis de

interferncia co-canal, de acordo com a informao do nvel de rudo.

Em cada BSS i, utilizando o canal ci, existir um vetor Oi com os valores de ocupao

mdia e um vetor Ri com os valores de rudo mdio em cada canal disponvel. Estes

so os vetores de carga e rudo obtidos atravs das medies explicadas anteriormente.

Inicialmente o algoritmo verifica, na linha 1, se o nvel de ocupao no canal de operao

atual Oi(ci) ultrapassa um limiar de tolerncia a ocupao . Se o valor for maior que ,

considera-se que existe muito compartilhamento do canal e que necessria uma busca

por um canal menos ocupado. Se o nvel de carga no ultrapassa o limiar de tolerncia

, considera-se que uma mudana de canal desnecessria. O parmetro controla

diretamente o quo agressiva ser a operao do mecanismo de SDC, impedindo que

41

pequenos compartilhamentos de canal faam um BSS procurar um novo canal.

Quando a condio da linha 1 satisfeita, o algoritmo executa as linhas 2 e 3. Na linha2 seleciona-se, dentre os canais disponveis para a alocao de canal existentes em Ni, os

n canais com menores nveis mdios de ocupao de acordo com a informao presente

em Oi. Depois disso, dentre os n canais selecionados na linha 2, escolhe-se aquele com o

menor nvel de rudo de acordo com a informao presente em Ri. Desta forma, procura-

se um canal com baixos nveis de ocupao e rudo, onde consequentemente existiro

baixos nveis de compartilhamento do acesso ao meio e de interferncia co-canal.

Algoritmo de Seleo de Canal do SDC

Notao:

i = identificador do BSS

ci = canal do BSS(i)Oi = vetor dos nveis mdios de ocupao medidos pelos ns do BSS i

Ri = vetor dos nveis mdios de rudo medidos pelos ns do BSS i

Ni = vetor dos canais disponveis para a alocao no BSS i

Algoritmo no BSS i :

1: se {Oi(ci) > } faa2: Seleciona em Ni os n canais com menor ocupao segundo Oi3: Dentre os n canais selecionados, escolhe-se aquele com menor

rudo segundo Ri4: caso contrrio

5: Mantenho o canal atual

6: fim se

Portanto, o algoritmo de seleo de canal possui trs etapas bsicas. Primeiro, ele

verifica se a ocupao no canal de operao atual do BSS ultrapassa o limite de tolerncia