Análise das Características de Funcionamento da Gerência de Banda em Redes Wimax

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  • 1. ANÁLISE DAS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMENTO DA GERÊNCIA DE BANDA EM REDES WIMAX Fabio Magagnini Quinelato & Antônio Marcos alberti destes serviços numa só rede, tornando toda a estrutura de Resumo – Este trabalho tem como propósito apresentar transmissão e acesso mais barata, simples, menor e mais con- as formas como são feitos os pedidos, as análises e as con- veniente, uma vez que possui a flexibilidade de transportar cessões de banda para os usuários de uma rede de comuni- voz, vídeo e dados sobre IP - VoIP, IPTV e dados de um pro- cações operando sob a norma IEEE 802.16, popularmente vedor. conhecida como WiMAX. Primeiramente será feita uma Entretanto, para que todos estes fluxos de dados operem de introdução sobre o padrão, depois serão analisados os me- maneira robusta à todos os assinantes, é preciso um complexo canismos de QoS, os fluxos de serviço e a arquitetura de e eficiente método de controle de utilização da largura de ban- alocação de banda. da da rede, uma vez que todas as rede desejam ao mesmo Palavras-Chave: WiMAX, Gerência de Banda, QoS. tempo uma boa utilização dos seus recursos e atender as ne- cessidades dos serviços com relação à QoS. Abstract – This essay has the purpose to present the manners how are done the requests, the analysis and the grants of bandwidth to the users in a communication net- A. O WiMAX work operating over the IEEE 802.16 standard, commonly O objetivo do IEEE 802.16 ao propor a tecnologia foi pa- known as WiMAX. Firstly an introduction of the standard dronizar as camadas física e de controle de acesso ao meio, will be done, afterward it will be analyzed the QoS mecha- visando suprir as deficiências das redes wireless banda larga nisms, the flow services and the bandwidth allocation ar- no que se refere às taxas de transmissão e à extensão geográfi- chitectures. ca de alcance da rede. Este sistema definiu o WirelessMAN Keywords: WiMAX, Bandwidth Management, QoS. (WMAN), que é uma evolução da tecnologia WLL (Wireless Local Loop). I. INTRODUÇÃO A norma IEEE 802.16d [2] define a interface aérea para sis- temas fixos e a norma IEEE 802.16e [3] - publicada em 28 de O cenário atual visto pelas empresas de comunicações de- fevereiro de 2006 - define a interface aérea para sistemas fixos manda uma forte competência no que diz respeito ao fluxo de e móveis em redes metropolitanas, como uma solução para seus dados em suas redes. Há também a grande evolução no acesso BWA. número de usuários em seus sistemas, exigindo que essas ope- As principais vantagens do IEEE 802.16 são: (i) habilidade radoras ofereçam redes cada vez mais poderosas e confiáveis de prover serviços em áreas de difícil implantação de infra- com relação à capacidade de acesso, confiabilidade, taxas de estrutura, (ii) capacidade de ultrapassar limites físicos, como transmissão, qualidade de serviço e principalmente à mobili- paredes ou prédios, (iii) alta escalabilidade, (iv) baixo custo de dade. Os usuários têm a necessidade de obter acesso às diver- instalação, atualização e manutenção, entre outras [4]. sas mídias e fontes de dados a qualquer momento e fundamen- As taxas de transmissão de dados vão de 50 à 150 Mbits/s, talmente em qualquer lugar. dependendo da freqüência do canal, do tipo de modulação e Os serviços requeridos se estendem basicamente entre: rá- das técnicas de controle de erros. dio, televisão, telefonia e Internet. Deve-se levar em conta Com o objetivo de prover QoS, o IEEE 802.16 definiu qua- também a implantação de sistemas de transmissão para cada tro classes com diferentes pré-requisitos de QoS (melhor deta- um destes serviços, e ainda, operar de forma abrangente às lhadas do item II): necessidades dos usuários. Esta tarefa torna-se tão árdua, • aplicações com taxa constante de bits, quanto impossível, seja fisicamente, quanto economicamente. • aplicações de tempo real com taxa variável de bits, O padrão IEEE 802.16, nomeado como WiMAX (Wordwi- • aplicações sem requisitos de tempo real, de Interoperability for Microwave Access) pelo consórcio • tráfego de melhor esforço, formado por mais de 150 empresas, o WiMAX Forum, é uma assim como a configuração da conexão entre a BS (Base Sta- tecnologia sem fio à banda larga do tipo BWA (Broadband tion) e a SS (Subscriber Station) e seus mecanismos de sinali- Wireless Access) e surge como uma solução para a unificação zação [2]. Apesar dessas especificações, não é definido pela norma um mecanismo de gerenciamento de banda para garan-
  • 2. tia de qualidade de serviço. As quatro classes permitem a dis- alocação de largura de banda. A norma específica dois servi- tinção entre fluxos de tráfego e a possibilidade de um trata- ços: encapsulamento de células ATM e encapsulamento de mento diferenciado para cada fluxo. Entretanto, simplesmente pacotes IP ou Ethernet; classificar os fluxos não garante que eles recebam um serviço • Subcamada Comum (CPS): nesta subcamada são executa- com a QoS desejada. das as principais funções de acesso e controle. Os principais serviços fornecidos por esta subcamada são: acesso de uma SS no sentido downlink; acesso de uma SS no sentido uplink; B. Topologia e Arquitetura prover técnicas de QoS para conexões MAC; definir tipos de Esta tecnologia foi desenvolvida para atuar em redes metro- conexões, classes de fluxos de serviços e estrutura dos qua- politanas (MANs - Metropolitan Area Network), como pode dros MAC; realizar escalonamento de fluxos de serviço e con- ser observado na Figura 1, oferecendo dois serviços para trole de admissão de conexões (CAC); compartilhamento do canal de rádio freqüência (RF): • Subcamada de Segurança: a preocupação do padrão IEEE • Topologia PMP (Point to Multi-Point): consiste de uma es- 802.16 foi definir uma suíte criptográfica - conjunto de fun- tação base (Base Station - BS) e uma ou mais estações clientes cionalidades desejáveis para atender aos serviços de segurança (Subscriber Station - SS); necessários. O conceito envolvido é o de associações cripto- • Topologia Mesh: os nós são organizados na forma “ad- gráficas, que contém informações sobre quais algoritmos de- hoc”. Isto é, todas as estações clientes são pares (peers) e cada vem ser aplicados, que chaves usar, entre outros. O padrão par pode atuar como roteador para repassar pacotes dos seus define ainda um processador dedicado à segurança na estação nós vizinhos [5,6]. base (BS). Há ainda alguns requisitos de funcionalidades crip- tográficas para o tráfego, bem como para a autenticação ponto a ponto. Já na camada física existem 5 tipos diferentes de interfaces aéreas que são suportadas pela tecnologia: WMAN SC, WMAN SCa, WMAN OFDM, WMAN OFDMA e WMAN HUMAN, que serão vistas no item C. Fig. 1. Topologia de uma rede WiMAX. A BS é o nó central que coordena toda a comunicação e as SSs se localizam à diferentes distâncias da BS. A estação base pode estar conectada a uma outra infra-estrutura de rede, co- mo por exemplo, um ISP (Internet Service Provider), possibi- Fig. 2. Organização das subcamadas. litando uma extensão dos serviços oferecidos aos usuários. Da mesma forma, as estações clientes podem oferecer serviços C. Técnicas de Duplexação diferenciados para usuários conectados através de uma rede O padrão IEEE 802.16 suporta duas possibilidades quanto à local cabeada (Ethernet, padrão IEEE 802.3), ou sem fio (pa- técnicas de duplexação: TDD (Time-Division Duplex) e FDD drão IEEE 802.11). (Frequency-Division Duplex). A tecnologia WirelessMAN foi projetada nas camadas físi- A técnica de duplexação por divisão de tempo (TDD), faz ca e de enlace, esta última estando subdividida em três subca- com que o uplink e o downlink compartilhem o mesmo canal madas distintas: SS-CS (Service Specific Convergence Subla- de rádio-freqüência, ou seja, eles não transmitem simultanea- yer), CPS (Common Part Sublayer) e subcamada de segurança mente. Assim são definidos intervalos de tempo, sendo que o (Securty Sublayer). A organização das subcamadas é vista na canal é alternado, de acordo com a distribuição do tempo, en- Figura 2 [2]. As subcamadas descritas possuem as seguintes tre uplink e downlink. funções: O esquema de duplexação por divisão de freqüência (FDD), • Subcamada de Convergência de Serviços Específicos (SS- possibilita que o uplink e o downlink operem em canais de CS): a função principal desta subcamada é classificar as uni- diferentes freqüências. Isso permite que seja implementado dades de serviços de dados SDUs (Service Data Units) para a um sistema no qual as SSs operem em half-duplex, ou seja, apropriada conexão MAC, preservando ou habilitando QoS e otimiza o enlace aéreo, ao mesmo tempo que não aumenta
  • 3. muito o custo da solução, pois há transmissão simultânea nos MPEG ou teleconferência. Estas aplicações possuem requisi- canais. tos específicos de banda, bem como, um atraso máximo tole- Existe também a possibilidade de utilizar-se full-duplex, on- rável. de, ambos canais trafegam dados ao mesmo tempo, fato que 3. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS): este serviço é torna o sistema mais complexo e conseqüentemente o encare- voltado para fluxos sem requisitos de tempo real, mas que ce. necessitam melhores condições do que o serviço de “melhor Tanto a técnica de transmissão TDD, quanto a FDD possu- esforço”, como por exemplo, transferências de arquivos. Estas em a capacidade de trabalhar com adaptação dinâmica de per- aplicações são insensíveis ao atraso no tempo e requerem um fil, onde a modulação e a codificação são definidas dinamica- mínimo de alocação de banda. mente para cada rajada de dados transmitida. 4. Best Effort Service (BE): este serviço é voltado para trá- O padrão IEEE 802.16a/d possui diferentes especificações fego de “ melhor esforço”, onde não existe garantia de QoS, de interfaces aéreas que em conjunto com a camada MAC tais como HTTP. As aplicações recebem banda disponível fornecem confiabilidade ponto a ponto para o enlace. As cinco após a alocação dos três fluxos anteriores. especificações das interfaces aéreas são: O padrão IEEE 802.16 especifica os serviços associados às • WirelessMAN-SC (Single Carrier): a camada física com classes de fluxo de tráfego e mecanismos de sinalização para interface aérea usa uma única portadora que opera em altas troca de informações entre a BS e as SSs, bem como configu- freqüências, sendo assim necessária a garantia de linha de ração de conexões. Porém, é desejável que haja um gerencia- visada. mento para classes de fluxos distintos, para que o comporta- • WirelessMAN-SCa (Single Carrier Adaptive): usa uma ú- mento de um determinado fluxo não afete os demais. Outro nica portadora adaptativa para a interface aérea. Com isso é controle importante é monitorar os perfis de rajadas, isto é, as possível a transmissão fora de linha de visada. adaptações ocorridas nas modulações e nas técnicas de corre- • WirelessMAN-OFDM (Orthogonal Frequency Division ção de erros. Essas adaptações influenciam na largura de ban- Multiplexing): multiplexação por divisão de freqüência orto- da para as diferentes classes de fluxos e nas garantias de QoS. gonal com 256 portadoras, 192 são utilizadas para dados, 56 são anuladas, por serem utilizadas como banda de guarda, e 8 III. GERÊNCIA DE BANDA são pilotos, ou seja, utilizadas para auxiliar na sincronização e Numa rede WiMAX, uma única estação base (BS) pode su- equalização. O acesso múltiplo para diferentes estações clien- portar milhares de usuários simultaneamente, cada qual aces- tes (SSs) é baseado em divisão de tempo (TDMA - Time Divi- sando um tipo de serviço e ainda com prioridades diferentes. sion Multiple Access). É o padrão encomendado pelo fórum Como foi visto no item II, de acordo com a classe de servi- dos fabricantes (WiMAX) por sofrer menos com interferên- ço utilizada, a BS deve garantir uma determinada QoS para o cias e permitir o cálculo da transformada rápida de Fourier usuário, isto é, deve conceder uma quantidade de banda sufi- (FFT - Fourier Fast Transform). ciente para suportar o serviço que ele demanda. Essas conces- • WirelessMAN-OFDMA (Orthogonal Frequency Division sões são dinâmicas e feitas simultaneamente para todos os Multiple Access): OFDM com 2048 portadoras. O acesso múl- usuários conectados na rede. Daí o grande desafio de gerência tiplo é fornecido atribuindo um subconjunto de portadoras da BS é conseguir conceder quadros de banda para todos os para um único receptor. Este esquema de acesso múltiplo assinantes de forma que eles sejam agraciados com uma largu- combina TDMA e OFDMA. ra de banda que respeite a QoS e não prejudique o acesso dos • WirelessMAN HUMAN (High-speed Unlicensed MAN): demais assinantes, uma vez que a BS tem uma capacidade fixa especificação para redes metropolitanas não licenciadas, su- de banda. Para isso, um algoritmo de controle deve ser im- porta os mesmos padrões, possuindo alguns componentes es- plementado, porém deve seguir algumas classificações desig- pecíficos de canalização e transmissão de máscara espectral. nadas na norma. São mecanismos que permitem múltiplos tipos de fluxos de serviço para suportar uma grande variedade II. QUALIDADE DE SERVIÇO de aplicações. Estes fluxos serão discutidos nos itens B e C. A rede WirelessMAN deve prover serviços para três dife- A. Polling rentes tipos de aplicações: serviço de telefonia, distribuição de sinais de TV (broadcast) e acesso de banda larga à Internet. Polling é o processo no qual a BS aloca banda para as SSs Para isso, foram definidos quatro classes com distintos requi- especificamente com o objetivo de que elas possam fazer re- sitos de qualidade de serviço. São elas: quisições de banda. Essas alocações podem ser para uma SS 1. Unsolicited Grant Service (UGS): este serviço suporta individual ou para grupos de SSs. As alocações não estão na tráfego com taxa constante (Constant Bit Rate - CBR) ou flu- forma de uma mensagem explicita, porém são contidas como xos similares, tal como Voz sobre IP (VoIP). Estas aplicações uma série de IEs (Information Elements) dentro do UL-MAP requerem uma largura de banda constante, por isso, os parâ- [2]. metros dos seus tráfegos são negociados apenas durante o B. Requisições de Banda pedido de conexão. Uma conexão UGS pode incluir serviços Requisições de banda são sempre feitas por conexão. Cada ATM e E1/T1. conexão de uma SS faz o pedido de requisição através de uma 2. Real-Time Polling Service (rtPS): este serviço é voltado mensagem BW Request, a qual pode ser enviada como um para aplicações de tempo real com taxa de transmissão variá- pacote isoladamente ou via piggyback no cabeçalho de um vel (Variable Bit Rate - VBR), como por exemplo, vídeo outro pacote. Para fluxos de serviço do tipo UGS, a SS não
  • 4. precisa enviar pedidos de requisição de banda, pois a BS os concede automaticamente. Um pedido de banda pode ser incremental ou agregado. In- cremental significa que a SS pede mais banda para uma cone- xão já existente, já na agregada a SS especifica o total de ban- da necessária para uma conexão. A maioria dos pedidos são incrementais. Entretanto, os agregados são ocasionalmente utilizados para que a BS possa fazer uma percepção mais efi- ciente das necessidades das SSs, evitando que SSs façam pe- didos ilícitos de banda. O campo Type localizado no cabeça- lho da Requisição de Banda indica se o pedido é incremental ou agregado. Como Requisições de Banda Piggyback não têm Fig. 3. Arquitetura de escalonamento no sentido de uplink. um campo Type, Requisições de Banda Piggyback devem ser sempre incrementais. O padrão permite que a BS sonde as estações individual- A natureza de autocorreção dos protocolos de requisi- mente ou em grupos. No total são 3 os métodos de polling: ção/concessão requer que as SSs devam periodicamente usar • Unicast polls: para verificar se existem estações inativas. Requisições de Banda agregadas. Esse período pode ser uma • Multicast e broadcast polls: quando não há banda sufici- função da QoS de um serviço e da qualidade do enlace. Li- ente para sondar todas as estações individualmente. dando com a possibilidade de colisões, Requisições de Banda • Station initiated polls: as estações pedem para que a BS transmitidas via broadcast ou multicast devem ser requisições as sonde. agregadas. Um serviço do tipo Best Effort (BE) é também definido pa- Existem quatro formas de solicitação de largura de banda, ra aplicações que não requerem suporte de QoS. Neste caso, a que como pode ser observado na Figura 3 é representado pelo SS emite suas requisições em um período de contenção. módulo “UL-BW Request Generator”: C. Concessões de Banda • Implicit Requests (para UGS): é o pedido de largura de A norma [2] prevê suporte a dois tipos de concessão para banda mais tradicionalmente utilizado. A solicitação de banda oportunidades de transmissão: usa o PDU com o campo HT igual a 1 e o EC com valor 0. A • Concessão por conexão (Grants per Connection - GPC): a SS pode pedir banda implicitamente para UGS. Neste caso, o largura de banda é explicitamente garantida para cada cone- pedido é negociado no momento da estabilização da conexão, xão, de acordo com o seu tipo de fluxo, que requisita sua pró- logo nenhuma mensagem é utilizada. pria oportunidade de transmissão. • BW Request messages: utiliza no cabeçalho um BW Re- • Concessão por estação (Grants per Subscriber Station - quest. Serve para requisições de até 32KB em mensagem sim- GPSS): a estação cliente requisita oportunidades de transmis- ples. Requisições incrementais ou agregadas, assim como in- são para todos os serviços que ela mantém, e esta SS é respon- dicado no cabeçalho MAC. sável por alocar as oportunidades recebidas entre os diferentes • Piggyback Request (Para serviços não-UGS apenas): A- tipos de fluxos. Esta solução exige maior inteligência na habi- presentada no sub-cabeçalho GM e é sempre incremental. Até litação da qualidade de serviço. 32KB por requisição para a conexão. Neste modo os pedidos Ambos os processos usam um protocolo de autocorreção, de largura de banda são realizados junto com os quadros de que é melhor que um protocolo de confirmação. Todos os dados. erros são manipulados da mesma forma. Depois do timeout, a • Poll-Me Bit: As SSs enviam pedidos de alocação de largu- SS simplesmente requisita banda novamente. Este método ra de banda em intervalos de tempo, sem contenção, e a BS evita o uso de códigos extras de confirmação, e consome me- sorteia quais serão agraciadas com largura de banda. nos banda. Protocolos com confirmações podem tomar um Desta maneira, requisições podem ser feitas de diferentes tempo adicional, incrementando os atrasos na rede. Existem formas. A SS pode requerer banda implicitamente (para diversas razões pelas quais a banda solicitada por uma SS po- UGS), a qual é iniciada pela conexão, ou, a SS pode requerer de não ser disponibilizada [8]: banda explicitamente em resposta a uma mensagem de polling • a BS não viu o pedido devido a erros irrecuperáveis na vinda da BS. camada física (PHY). O mecanismo de polling é minucioso e adaptável, mas re- • a SS não viu o pedido devido a erros irrecuperáveis da quer alguns códigos extras. Aplicações de tempo real (Real- PHY. time applications) como VoIP ou transmissão de vídeo, reque- • a BS não teve banda suficiente disponível. rem um serviço de polling em tempo real que ofereça oportu- • o GPSS na SS usou a banda para outro objetivo. nidades de requisição dedicada e periódica. Aplicações sem Concessões, as quais são dadas em termos de durações de requisito de tempo real (Non-real-time applications) como transmissão no uplink são carregadas nas mensagens de UL- FTP, podem usar um serviço de polling sem requisito de tem- MAP. As mensagens UL-MAP são enviadas do sistema Esca- po real, o que permite oportunidades para transmissão randô- lonador de Pacotes de Uplink da BS para o Escalonador de mica de requisição de banda. Pacotes da SS. A BS aloca banda para a conexão ou para uma SS através da concessão de oportunidades de transmissão no UL-MAP. A decisão de concessão é principalmente baseada
  • 5. no número total de requisições, às necessidades do atual fluxo Antônio Marcos Alberti nasceu em Tucunduva, RS, em 1972. Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), de serviço e a disponibilidade dos recursos da rede. RS, em 1996. Recebeu os títulos de mestre e de doutor em Engenharia Elétrica Os dois tipos de concessão permitem uma negociação equi- pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp, SP, em librando simplicidade e eficiência nas SSs. Porém, a necessi- 1998 e 2003, respectivamente. Está no Inatel desde 2004, onde é professor dade de concessões extras para largura de banda, a probabili- adjunto e atua na graduação e pós-graduação. Faz parte do conselho editorial dade de mais entradas de fluxos em uma estação cliente e a da revista Telecomunicações. Em 2006, fez parte do comitê técnico das confe- rências Globecom, TEMU, ICDT e ANSS. Possui vários artigos publicados habilidade de reagir mais rapidamente às necessidades de a- em congressos e revistas, nacionais e internacionais. Sua principal área de daptações da camada física, torna o tipo GPC menos eficiente atuação é redes de comunicações, tendo atuado no projeto, modelamento, e escalonável que o GPSS. simulação, análise de desempenho e otimização destas redes. IV. CONSIDERAÇÕES FINAIS A gerência de banda em redes WiMAX é uma tarefa árdua, que demanda por algoritmos sofisticados e que envolve prati- camente todas as funções da MAC. Neste trabalho, estudamos os principais aspectos da gerência de banda WiMAX. O traba- lho continua com o estudo e elaboração de arquiteturas e algo- ritmos para a gerência de banda WiMAX. V. AGRADECIMENTOS Gostaríamos de agradecer a FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelo suporte a este trabalho. REFERÊNCIAS [1] WiMAX(2006). WiMAX forum. http://wimaxforum.org, Maio, 2006. [2] IEEE-802.16 (2004). IEEE standard for local and metropolitan area networks - part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems. IEEE Std. 802.16-2004. Internet Engineering Task Force IETF. [3] IEEE-802.16 (2005). IEEE standard for local and metropolitan area networks - part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wire- less access systems. IEEE Std. 802.16-2005. [4] Maciel, P. (2005). Modelagem e análise de um protocolo de acesso alternativo para o padrão IEEE 802.16 de redes metropolitanas sem fio. Universidade Federal do Rio de Janeiro - COOPPE/PESC. [5] Akyildiz, I. and Wang, X. (2005). A survey on wireless mesh networks. IEEE Communications Magzine, vol. 43, no. 9, pp. 523-530. [6] Bruno, R., Conti, M., and Gregori, E. (2005). Mesh networks: Commod- ity multihop ad hoc networks. IEEE Communications Magazine, vol. 43, issue: 3, pp. 123-131. [7] Wood, Mark C., An Analysis of the Design and Implementation of QoS over IEEE 802.16. [8] Eklund, Carl, IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN™ Air Interface for Broadband Wireless Access [9] Bonato, Cristiano Both, Rede Metropolitana IEEE 802.16 (WiMax) - Aspectos Técnicos: Nível de Enlace. Fabio Magagnini Quinelato nasceu em São Paulo, SP, em 28 de outubro de 1983. Formando em Engenharia Elétrica (Inatel, dez/2008). Desenvolve um trabalho de Iniciação Científica sobre o gerenciamento de banda em redes WiMAX. Tendo interesse nos temas de TI, redes de computadores e projetos de telecomunicações.