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Algoritmo de Escalonamento DRR com Quantum Adaptativo para Redes IEEE 802.16j

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Algoritmo de Escalonamento DRR com Quantum Adaptativo para Redes IEEE 802.16j. Einar César Santos. ORIENTADOR: Paulo Roberto Guardieiro, Dr. Introdução e Motivação. - Crescente demanda por redes banda larga sem fio; - Redes WiMAX (4G) possuem custo relativamente baixo;

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Algoritmo de Escalonamento DRR com Quantum Adaptativo para Redes IEEE 802.16j

Einar César Santos

ORIENTADOR: Paulo Roberto Guardieiro, Dr.

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Introdução e Motivação

- Crescente demanda por redes banda larga sem fio;

- Redes WiMAX (4G) possuem custo relativamente baixo;

- Área de cobertura extensa;

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Introdução e Motivação

- Padrão IEEE 802.16 não especifica algoritmos de

escalonamento;

- Poucas propostas de escalonamento relevantes

existentes para IEEE 802.16j.

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Descrição do Problema

- Recursos alocados não são quantificados

adequadamente;

- Necessidade de melhor aproveitamento de informações da camada física;

- Utilização eficaz dos recursos disponíveis;

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Solução Proposta

- Mecanismo dinâmico de alocação e quantificação de recursos;

- Mecanismo mais ágil e menos rígido de controle de congestionamento;

- Mecanismo de informação sobre estado da conexão.

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Roteiro da Apresentação

- Histórico e fundamentos do IEEE 802.16j;

- Algoritmos de escalonamento e obtenção de QoS;

- Detalhamento da solução proposta;

- Avaliação da solução proposta;

- Conclusões gerais.

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Histórico do IEEE 802.16

- WiMAX foi criado em 2001 e publicado em 2002;

- Versão IEEE 802.16a (2003) operava em frequências de 2 a 11 GHz NLOS;

- IEEE 802.16d (2004) tinha alcance de até 50 Km com taxas de até 70 Mbps

- IEEE 802.16e (2006) introduziu mobilidade;

- IEEE 802.16j (2009) introduziu o conceito Multihop Relay em substituição ao modo mesh;

- IEEE 802.16m última versão recente publicada.

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Topologia e Modos de Operação

- Modo Transparent Relay (T-RS);

- Modo Non-Transparent Relay (NT-RS).

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Implantação da(s) RS(s)

- Fixed Relay Station (F-RS);

- Nomadic Relay Station (N-RS);

- Mobile Relay Station (M-RS).

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Arquitetura – Camada PHY

-Padrão define camadas PHY e MAC correspondentes às

camadas 1 e 2 do modelo de referência OSI/ISO;

- PHY utiliza modulação OFDMA nos modos TDD ou FDD;

- Quadro é dividido em Downlink (DL) e Uplink (UL);

- Subdivisão DL e UL em zonas access e relay.

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Cabeçalho de Controle de Quadro

FCH – Frame Control Header

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Arquitetura – Camada MAC

- Dividida em três subcamadas:

* Convergence Sublayer (CS);

* Common Part Sublayer (CPS);

* Security Sublayer (SS).

- CS classifica os quadros e mapeia-os em Service Data

Units (SDU);

- CPS realiza alocação de recursos e rotinas de entrada

de dispositivos à rede;

- SS implementa criptografia e autenticação de acesso.

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Encaminhamento de Quadros

- Tunelamento;

- Connection Identifier (CID);

- Tunelamento utiliza campo T-CID no cabeçalho;

- Campo MT-CID utilizado para gerenciamento, possui informações para aplicação de AMC e obtenção de QoS;

- CID utilizado em esquema onde BS e RS gerenciam seus próprios links.

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Esquemas de Retransmissão

- Amplificação e Encaminhamento:

* Simples;

* Baixo atraso.

- Decodificação e Encaminhamento Seletivo:

* Evita propagação de erro;

* Requer maiores taxas de transmissão.

- Demodulação e Encaminhamento:

* Adequado para situações com dois ou mais tipos de modulação.

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Esquemas de Pareamento

- Centralizado:

* Responsabilidade total da BS.

- Distribuído:

* Decisões de pareamento realizadas isoladamente.

- Aleatório:

* Nenhum critério considerado.

- Oportunista:

* “Melhor” estação superordenada escolhida.

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Controle de Tráfego e QoS

* Conexões são classificadas em 5 classes de serviço:

- UGS: voz sem supressão de silêncio (VoIP);

- rtPS: taxa de dados variável (MPEG);

- ertPS: voz com supressão de silêncio;

- nrtPS: tráfego com largura de banda mínima

reservada (FTP);

- BE: tráfego com baixa prioridade.

* CS classifica conexão e associa a um Service Flow (SF);

* SFs são escalonados de acordo com regras internas.

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Modos de Escalonamento e CAC

- Escalonamento e roteamento centralizados

(T-RS e NT-RS);

- Escalonamento centralizado e roteamento distribuído

(NT-RS);

- Escalonamento e roteamento distribuídos (NT-RS);

- Escalonamento e roteamento híbridos (NT-RS);

- Connection Admission Control (CAC): Mecanismo auxilia o escalonamento, aceitando ou rejeitando conexões.

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Alocação de Largura de Banda e Mecanismos de Correção

- Requisição de largura de banda (BW-REQ) incremental ou agregada;

- Automatic Repeat Request (ARQ);

- Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ);

* End-to-End;

* Two-links;

* Hop-by-Hop;

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Handover ou Handoff

- Hard Handover (HHO):

* MS conecta com apenas uma estação superordenada por vez.

- Macro Diversity Handover (MDHO):

* MS mantém lista de estações superordenadas;

* Active Set.

- Fast Base Station Switching (FBSS):

* MS mantém Active Set e CID válido para estações superordenadas;

* MS conecta apenas com estação âncora;

* Dispensa sinalização de handover.

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Critérios para Seleção de Escalonadores

- Simplicidade;

- Utilização eficiente do link;

- Degradação de serviço;

- Escalabilidade;

- Justiça;

- Economia de Energia;

- Proteção contra fluxos indesejados;

- Desacoplamento entre atraso e largura de banda;

- Design Cross-Layer;

- Reuso do espectro de frequência;

- Roteamento;

- Estratégia de requisição de largura de banda.

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Parâmetros para Obtenção de QoS

- Taxa máxima de tráfego sustentada;

- Taxa mínima de tráfego reservada;

- Latência Máxima;

- Jitter Tolerado;

- Prioridade de Tráfego;

- Política de Requisição e Transmissão.

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Critérios para Seleção de Escalonadores

- Simplicidade;

- Utilização eficiente do link;

- Degradação de serviço;

- Escalabilidade;

- Justiça;

- Economia de Energia;

- Proteção contra fluxos indesejados;

- Desacoplamento entre atraso e largura de banda;

- Design Cross-Layer;

- Reuso do espectro de frequência;

- Roteamento;

- Estratégia de requisição de largura de banda.

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Tipos de Escalonadores

- Wireline:

  • * Generalized Processor Sharing – GPS;
  • * Virtual Clock – VC;
  • * Weighted Round Robin – WRR;
  • * Fair Queuing – FQ;
  • * Stochastic Fair Queuing – SFQ;
  • * Deficit Round Robin – DRR;
  • * Weighted Fair Queuing – WFQ;
  • * Worst-Case Fair Weighted Fair Queuing – WF²Q;
  • * Self-Clocked Fair Queuing – SCFQ;
  • * Earliest Deadline First – EDF.

- Wireless:

  • * Idealized Wireless Fair Queuing – IWFQ;
  • * Channel-Independent Fair Queuing – CIFQ.
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Estratégias de Escalonamento

- Estratégias Homogêneas;

- Estratégias Heterogêneas ou Híbridas;

- Estratégias Diversas:

  • * Abordagem Cross-Layer;
  • * Abordagem por Informações de Comprimento de Filas;
  • * Abordagem por Diversidade de Múltiplos Usuários;
  • * Abordagens Oportunistas e Adaptativas.
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Descrição do Problema

- Algoritmo DRR adotado em [1] possui quantum fixo, sendo inflexível a variações;

- Propostas DRR com quantum adaptativo não consideram MTU como parâmetro [2];

- Ausência de mecanismos que combinem:

  • * Escalonamento;
  • * Equilíbrio do comprimento médio das filas dos buffers de saída;
  • * Máxima utilização de recursos disponíveis;
  • * Variação na quantidade de dados alocados.
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Solução Proposta – Estado da Conexão

- RS informa estado de congestionamento. Adaptado de [1];

- Informação auxilia escalonamento downlink na BS;

- Estado obtido em função do comprimento médio da fila do buffer de saída:

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Solução Proposta – Estado da Conexão

- Estados:

  • * NORMAL (00);
  • * PRÉ-CONGESTIONAMENTO (01);
  • * CONGESTIONAMENTO (10);
  • * DESCARTE (11).
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Algoritmo de Gerenciamento de Filas

- Implementação de algoritmo de gerenciamento de filas na camada MAC (CPS);

- Algoritmo baseado no ARED;

- Algoritmo realiza descartes aleatórios, de acordo com probabilidade calculada em função do nível de ocupação das filas;

- Probabilidade descarte define agressividade do algoritmo.

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[1] Congestion Aware - Chang

[2] DRR adaptativo – Sayenko

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