Canal de Retorno para Redes Ad Hoc em TV Digital

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1 Canal de Retorno para Redes Ad Hoc em TV Digital Mailson Sousa Couto 1 1 Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, UERN/UFERSA Mossoró RN Brasil mailsoncouto@gmail.com Abstract. This paper presents the concepts of interactivity on the channel and shows the architecture for data exchange between users and the network of Digital TV, highlighting key features and patterns of communication offered by the government. In this article we will examine the feasibility of a wireless network to implement the return channel. For this analysis, we chose the Ad Hoc network that is affordable and provides a flexible solution, with the IEEE b. The simulation performance for the return channel consisted of test transmission of data packets in a multihop environment, analyzing the output of data flow. Resumo. Este trabalho apresenta os conceitos sobre o canal de interatividade e mostra a arquitetura para a troca de dados entre os usuários e a emissora da TV Digital, destacando as principais funcionalidades e padrões de comunicação. Neste artigo, vamos analisar a viabilidade de uma rede sem fio para implementar o canal de retorno. Para esta análise, foi escolhida a rede Ad Hoc que tem baixo custo e provê uma solução flexível, com a tecnologia IEEE b. A simulação de desempenho para o canal de retorno consistiu em testes de transmissão de pacotes de dados em um ambiente multihop, analisando a vazão do fluxo de dados. 1. Introdução O Sistema Brasileiro de Televisão Digital - SBTVD surgiu como uma alternativa para promover a inclusão digital por meio da televisão, baseado no fato de que 90% das residências brasileiras possuem uma televisão, ou seja, quase 65 milhões de aparelhos no país [Montez and Becker 2001]. O SBTVD oferece um novo caminho de acesso às informações para uma grande parte da população brasileira, que ainda não conta com os serviços digitais. Para cumprir o objetivo de inclusão digital no país é necessário uma plataforma tecnológica que disponibilize a interatividade, por meio de ferramentas que permitam um meio de comunicação entre os usuários e um sistema de provimento de serviços e aplicações, isto é, a TV Digital deve possuir um canal de interatividade. Através do canal de interatividade, também chamado de canal de retorno, são executadas as funcionalidades necessárias ao estabelecimento da comunicação e transporte de informações relativas aos aplicativos que podem ser oferecidos na TV Digital. Dentre os novos serviços que irão ser ofertados aos usuários, podem ser citados: comércio eletrônico, jogos e acesso à Internet. O canal de retorno pode utilizar as mais diferentes tecnologias disponíveis, como: ADSL, GSM, WiMax e PLC [Zimermann 2007]. Neste artigo, é analisada

2 a viabilidade de uma rede Ad Hoc para um canal de retorno, utilizando a tecnologia com padrão IEEE [Santos et al. 2010]. A conectividade e a capacidade das redes Ad Hoc é tema de vários estudos para avaliação de desempenho [Bettstetter 2002],[Villela and Duarte 2004]. As redes locais sem fio (Wireless Local Area Networks - WLANs) estão sendo amplamente usadas no acesso móvel aos serviços oferecidos pelas redes fixas, como a Internet. As principais características dessas redes são a simplicidade e robustez e sua grande vantagem é o baixo custo de operação. Esta tecnologia tende a desempenhar um importante papel no acesso sem fio à Internet, oferecendo uma solução eficiente para a transmissão de dados fim-a-fim em banda larga para ambientes fechados, como por exemplo: praças de alimentação, hotéis, aeroportos, e terminais interativos para TV Digital. 2. Canal de Retorno O canal de interatividade é formado por dois canais de comunicação: o canal de descida, onde transitam as informações enviadas da emissora para o usuário; e o canal de retorno, que estabelece a comunicação do usuário com a emissora [CPqD 2006]. Tais canais são ilustrados na Figura 1. Figure 1. Diagrama do Canal de Retorno O canal de descida estabelece a comunicação no sentido emissora-usuários por meio do fluxo de transporte. Já o canal de retorno realiza a comunicação no sentido inverso, ou seja, no sentido usuário-emissora e é composto por qualquer tecnologia de redes de acesso que estabeleça essa ligação. O canal de retorno pode ser compreendido como a via de transmissão que é responsável pela comunicação das aplicações interativas no Terminal de Acesso, com servidores de aplicação que formam os Provedores de Conteúdo, no lado da transmissão do sinal de TV. Através dele cada usuário pode, individualmente, enviar e receber informações e solicitações. O governo brasileiro selecionou cinco tecnologias elegíveis para a TV digital que podem ser utilizadas para o canal de retorno: IEEE ,CDMA 1xEV-DO, WiMAX, PLC, e ADSL [Montez and Becker 2001]. O IEEE solução Ad Hoc, é detalhada na Seção 3. Entre estas, há tecnologias com e sem fios. A Tabela 1 resume as principais características das cinco tecnologias, considerando o atual cenário brasileiro.

3 Uma das grandes vantagens da arquitetura do canal de retorno é a variedade de alternativas tecnológicas para a implementação do acesso [Margalho et al. 2007]. Essa diversidade de opções tem a característica de adequar a tecnologia aos diferentes cenários geográficos, populacionais e socioeconômicos. Também é possível a inclusão de novas tecnologias de acesso sem a exclusão daquelas que atualmente estão em uso. Table 1. Características das Tecnologias para o Canal de Retorno IEEE CDMA WiMax PLC ADSL Ad Hoc 1xEV-DO Custo da Infraestruturrada Não estrutu- Alta Média Alta Alta Disponibilidade Alta, com Alta Alta Alta Muita Alta da Rede 20% dos nós ligados Alcance Centenas de Dezenas de Dezenas de Centenas de Poucos Km Metros Km Km Metros 3. Estudo de caso 3.1. Redes Ad Hoc Em uma rede Ad Hoc sem fio, elimina-se a infraestrutura de rede, onde os terminais se comunicam via rádio e são responsáveis pela função de roteamento, possibilitando a comunicação em cenários multihop, além da comunicação ponto-a-ponto. Assim, o modo Ad Hoc representa uma solução flexível e de baixo custo para o canal de retorno, além de ser auto-organizável e auto-configurável. Para o canal de retorno Ad Hoc, um nó de transmissão pode ser um set-top box ou terminal de acesso. Necessariamente, o aparelho deverá conter uma porta de comunicação ligada à Internet. Cada nó deve ser capaz se comunicar com o gateway, diretamente ou através de vários saltos. O sinal da emissora de TV é enviado por difusão terrestre e as informações de interatividade voltam através do canal de retorno. Essas redes apresentam-se como uma boa solução para cenários em que a rede fixa não está disponível, ou onde é necessária a implantação rápida de serviços de telecomunicações, como em cenários de catástrofes. Além disso, por sua facilidade de implantação, seu custo menor e sua escalabilidade tornam-se também atrativas para o serviço de caminho de retorno do canal de interatividade do sistema de TV Digital, dado que o número de usuários deste sistema é variável no tempo e no espaço e a topologia Ad Hoc consegue se adaptar a essa condição. Apesar da vantagem do custo reduzido para a implantação, o uso de uma rede Ad Hoc como um canal de retorno tem uma desvantagem, ou seja, a conectividade. Diferente das outras tecnologias, a rede Ad Hoc pode não estar disponível, pois depende de comunicação com múltiplos saltos. A conectividade da rede Ad Hoc depende da quantidade de terminais de acesso de uma região, seu alcance de transmissão e o intervalo de tempo de acesso. O número de terminais está relacionado com a densidade populacional da região.

4 3.2. Tecnologia O uso dos produtos com tecnologia cresceu muito nos últimos anos, principalmente nas redes residenciais e corporativas. O tráfego que predomina nesse tipo de rede é o TCP/IP (Transfer Control Protocol/Internet Protocol), semelhante ao tráfego das redes locais cabeadas. O padrão IEEE vem sendo desenvolvido por vários grupos de pesquisas que têm como objetivo prover melhorias como qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) e novas aplicações [Júnior 2003]. Uma das suas extensões é o b que opera na faixa de 2,4 GHz em canais de 20 MHz, com capacidade de transmissão de 11 Mbps. Existem alguns parâmetros dentro do padrão b que podem ser alterados para melhorar o desempenho da rede e, entre eles, está o protocolo RTS/CTS que utiliza o mecanismo de fragmentação de dados (RTS Threshold). Para analisar a vazão de uma rede Ad Hoc sem fio multihop e a influência da configuração RTS Threshold na vazão da rede para o canal de retorno, foi simulado um teste descrito na próxima seção Testes e Resultados Finais Para a realização dos testes foi utilizado o Network Simulator (NS-2) [NS ] para determinar a vazão da rede Ad Hoc sem fio num ambiente multihop, analisando a influência do mecanismo de controle de acesso do padrão b, Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA), mantendo-se o parâmetro RTS Threshold em seu valor máximo [Bianchini 2002]. O procedimento para a simulação consistiu em configurar dois terminais Ad Hoc, sendo um como servidor e outro como cliente, e a partir disso gerar tráfego UDP utilizando a taxa de transmissão máxima de 11 Mbps e tamanho de pacote igual a 1470 bytes, em um intervalo de tempo de um minuto. Na Figura 2, são apresentados os valores máximos de vazão da rede (Mbps) em função do número de hops empregado, sem RTS. Figure 2. Valores da vazão da rede em função do número de hops O próximo teste determinou a vazão da rede Ad Hoc sem fio num ambiente multihop (de 1 a 5 hops), verificando a influência do mecanismo de controle de acesso do padrão b (CSMA/CA), variando-se o valor do parâmetro RTS Threshold. O mesmo procedimento de teste anterior foi seguido e os resultados são mostrados na Figura 3.

5 Figure 3. Vazão em função dos valores de RTS Threshold Utilizando a topologia com 2 hops, o resultado mostrou que a maior vazão foi obtida com o mecanismo RTS desabilitado. Para os testes com 3, 4 e 5 hops a comunicação entre os terminais foi interrompida, sendo necessário diminuir a taxa de transmissão para que ocorresse a comunicação. De acordo com os resultados obtidos observa-se que a vazão total é utilizada quando o parâmetro RTS Threshold é alterado para um valor maior que o tamanho do pacote a ser enviado, que é de 1490 bytes, e neste caso, o protocolo RTS/CTS não é ativado. Quando os valores do RTS Threshold são menores que o tamanho do pacote, o protocolo RTS/CTS é ativado e existe uma diminuição na vazão por conta do aumento na quantidade de mensagens de controle que são trocadas. Após os testes usando a simulação da rede Ad Hoc sem fio, fica claro que as configurações do padrão IEEE b, utilizando RTS Threshold alteram a vazão na rede Ad Hoc. Compreende-se também que o aumento da quantidade de hops na rede Ad Hoc sem fio, faz com que o valor da vazão seja reduzido, e isso influencia o fluxo de dados para o canal de retorno. 4. Conclusão O SBTVD traz para a população mais uma ferramenta de acesso a informações, sendo que a TV Digital irá atingir um grande número de brasileiros, pois a televisão está em quase todos os lares do país. Uma grande parte dos benefícios que a TV Digital pode oferecer só será possível com a utilização do canal de retorno, fazendo a comunicação entre os usuários e as emissoras. Uma característica importante para o sucesso do SBTVD é a opção da utilização do canal de retorno por meio de várias tecnologias disponíveis, sendo uma opção do usuário aquela que seja mais adequada de acordo com a sua necessidade de uso. Deve-se considerar, ainda, que este será um sistema complexo, com grande multiplicidade de redes e de serviços, que terá, certamente, exigências adicionais de gerência de redes, interconexão e segurança. O canal de retorno não se caracterizará pelo padrão, mas sim por sua finalidade social, oferecendo um leque de recursos interativos ao usuário. A simulação apresentada no artigo foi baseada em uma rede sem fio que possui

6 características de baixo custo e flexibilidade que são importantes para o canal de retorno no SBTVD. A rede Ad Hoc, funcionando com tecnologia b em um cenário multihop pode ter sua vazão reduzida a partir de alguns parâmetros de rede, comprometendo o fluxo de dados para o canal de retorno. References Bettstetter, C. (2002). On the minimum node degree and connectivity of a wireless multihop network. In MobiHoc 02: Proceedings of the 3rd ACM international symposium on Mobile ad hoc networking & computing, pages 80 91, New York, NY, USA. ACM. Bianchini, G. (2002). Perfomance analysis of the ieee distributed coordination function. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 18(3): CPqD (2006). Arquitetura de Referência: Sistema Brasileiro de Televisão Digital Terrestre. Versão PD A.0001A/RT-13/AA. Campinas, SP. Júnior, E. I. (2003). Uma proposta de metodologia para análise de desempenho de redes ieee combinando a gerência snmp e ferramentas de simulação. In Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Instituto Nacional de Telecomunicações, Santa Rita do Sapucaí. Margalho, M., Frances, R., and Weyl, J. (2007). Return path in brazilian digital television with interactivity based on continuous signalization mechanism and qos bandwidth control. Latin America Transactions, IEEE (Revista IEEE America Latina), 5(5): Montez, C. and Becker, V. (2001). TV Digital Interativa: Conceitos, Desafios e Perspectivas para o Brasil. Editora da UFSC, 2a edition. NS-2 (2006). Network Simulator. Santos, T., Iano, Y., and Branquinho, O. (2010). Análise de desempenho da transmissão de vídeo em redes ieee visando a estruturação de canais de retorno para tv digital. Revista Ciência e Tecnologia, 11(18). Villela, B. A. and Duarte, O. C. M. (2004). Maximum throughput analysis in ad hoc networks. In Mitrou, N., Kontovasilis, K., Rouskas, G. N., Iliadis, I., and Merakos, L., editors, NETWORKING 2004, Networking Technologies, Services, and Protocols; Performance of Computer and Communication Networks; Mobile and Wireless Communications, volume 3042 of Lecture Notes in Computer Science, pages Springer Berlin / Heidelberg. Zimermann, F. (2007). Canal de retorno em tv digital: Tecnologias e abordagens para efetivação da interatividade televisiva. In Monografia (Graduação em Sistemas de Informação). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.