Uma abordagem de controle de acesso ao meio para redes de acesso dinâmico com múltiplos canais ortogonais

Abstract

O aumento significativo na quantidade de dados transmitidos por via aérea cresceu à medida em que aumentou o número de dispositivos móveis com acesso à Internet. O aumento na demanda por comunicação sem fio levou à busca por soluções que permitam a acomodação, em uma mesma região geográfica, de uma quantidade maior de dispositivos que desejam comunicar. Mesmo sendo um recurso escasso, o espectro eletromagnético tem sido utilizado de forma a minimizar o nível de interferência e não maximizar seu uso. O padrão IEEE 802.11, largamente implementado atualmente, possui um conjunto de canais ortogonais para mitigar interferência. Contudo, o seu processo de alocação estático dos canais acarreta em desbalanceamento de uso dos recursos. Este trabalho apresenta um mecanismo de controle de acesso ao meio para redes de acesso dinâmico com múltiplos canais ortogonais. O objetivo desse mecanismo é melhorar o gerenciamento dos recursos disponíveis, de forma a maximizar a taxa de uso dos canais, acomodar uma quantidade maior de usuários e reduzir a quantidade de recursos utilizados. Para isso, inicialmente, é apresentado um estudo envolvendo o uso de canal dedicado no gerenciamento de múltiplos canais. Neste contexto, um protocolo de controle de acesso é proposto e um modelo analítico, baseado em teoria de filas, é apresentado. Resultados de simulação, corroborados pelo modelo analítico, descrevem o comportamento do protocolo e delimitam o ponto de saturação do canal de gerenciamento. No cenário de gerenciamento de múltiplos canais, a saturação do canal de controle tem um impacto direto na alocação dos recursos. Com objetivo de minimizar este problema, é proposto um mecanismo de resolução de colisão denominado CRP (do Inglês collision resolution protocol). O CRP reduz em tempo logarítmico o número de estações transmissoras, até que uma única estação tenha acesso exclusivo ao canal. O CRP trabalha em ambos cenários, estações com capacidade de detecção de colisão (CD) e estações sem a capacidade de detecção de colisão (NCD). Foi demonstrado que o problema de selecionar uma estação transmissora, a partir de um subconjunto de n >= 2 estações em contenção, pode ser realizado em até 16n e até 48n fatias de tempo, para estações CD e NCD, respectivamente, com probabilidade de sucesso de pelo menos 1-2-1,5n. Comparado ao mecanismo de contenção implementado pelo padrão IEEE 802.11, o CRP aumenta em até 246% o número de alocações bem sucedidas, reduzindo o tempo gasto para alocação do canal em até 3250 vezes. O protocolo CRP foi comparado com outros protocolos de gerenciamento de múltiplos canais. Abordagens de gerenciamento de encontro simples e encontros paralelos foram utilizadas neste processo. Todos os protocolos utilizados na comparação foram implementados no simulador de eventos discretos OMNET++ v4.6, em conjunto com o framework MiXiM v2.3. Diferentemente de outros trabalhos, além da vazão total agregada, também é considerada na avaliação a taxa de ocupação dos recursos gerenciados. Resultados empíricos demonstram que o CRP otimiza a utilização de recursos, especialmente nos cenários em que os nós receptores são escolhidos de forma aleatória. Neste cenário, o protocolo de encontro paralelo apresenta uma redução de até 69% em sua vazão total agregada, refletindo em uma taxa de ocupação de apenas 17% dos canais. Por outro lado, estações executando o protocolo CRP, além de manter a vazão, são capazes de obter uma taxa de ocupação de 80% dos canais de dados. Os problemas associados ao desencontro de estações transmissoras e receptoras, tais como: receptor ausente e descarte de quadro de dados, não foram verificados no protocolo CRP. Conforme esperado, o CRP não apresenta colisão de quadro de dados e a distribuição do acesso aos recursos, entre as estações executando o CRP, é feita de forma uniforme.