UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES SEM FIO AD HOC COM ÊNFASE NA DIFERENCIAÇÃO DE SERVIÇOS NA CAMADA DE ACESSO AO MEIO THIAGO MEREGE PEREIRA Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Ciência da Computação FLORIANÓPOLIS - SC 2004/2
Thiago Merege Pereira QUALIDADE DE SERVIÇO EM REDES SEM FIO AD HOC COM ÊNFASE NA DIFERENCIAÇÃO DE SERVIÇOS NA CAMADA DE ACESSO AO MEIO Este trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para obtenção de Graduação em Ciência da Computação e aprovado em sua forma final junto a Universidade Federal de Santa Catarina. Prof Dr. Carlos Becker Westphall Orientador Apresentada à Banca Examinadora, integrada pelos Professores: Profª Drª. Carla Merckle Westphall Profº Dr. Mario Antônio Ribeiro Dantas
Sumário Resumo... 5 Abstract... 6 Índice de Figuras... 7 Índice de Tabelas... 8 Índice de Gráficos... 9 Lista de Siglas... 10 1 Introdução... 13 2 Padrão IEEE 802.11... 16 2.1 Modos de Operação... 16 2.2 Camada Física... 18 2.2.1 Frequency Hopping Spread Spectrum... 18 2.2.2 Direct Sequence Spread Spectrum... 19 2.2.3 Infrared Ray... 20 2.3 Camada Medium Access Control... 22 2.4 Padrão 802.11a... 28 2.5 Padrão 802.11b... 29 2.6 Padrão 802.11g... 29 2.7 Padrão 802.11e... 29 3 Qualidade de Serviço... 33 3.1 Qualidade de Serviço em Redes Móveis... 34 3.1.1 Diferenciação de Serviço na Camada MAC... 37 3.1.1.1 Tamanho da Janela de Contenção e Algoritmo de Backoff.. 38 3.1.1.2 Espaço entre Quadros... 41 3.1.1.3 Enhanced Distributed Coordination Function... 42 3.1.1.4 Persistent Factor Point Distributed Coordination Function... 43 3.1.1.5 Distributed Weighted Fair Queue... 44 3.1.1.6 Adaptive Enhanced Distributed Coordination Function... 44 3.1.1.7 Distributed Fair Scheduling... 45 3.1.1.8 Distributed Deficit Round Robin... 45
4 3.1.2 Controle de Admissão e Reserva de Largura de Banda... 45 3.1.3 Adaptação de Link na Camada Física... 47 4 Simulações... 50 4.1 Network Simulator... 50 4.2 Configurações para Simulação... 51 4.2.1 Modelo de mobilidade... 51 4.2.2 Modelo de Tráfego... 52 4.2.3 Parâmetros de Simulação... 53 4.3 Métricas Analisadas... 54 4.4 Trace Graph... 55 4.5 Perda de Pacotes... 56 4.6 Atraso... 58 4.7 Jitter... 62 4.8 Vazão... 66 5 Conclusão e Trabalhos Futuros... 69 Referências... 71 Anexo A Artigo... 75
Resumo O uso de dispositivos sem fio, tais como notebooks, PDAs e até mesmo os telefones celulares está cada vez maior. Com número de consumidores desses aparelhos crescendo diariamente, surge a necessidade de garantir que a comunicação entre esses dispositivos seja eficiente e atenda a um mínimo de exigências definidas pelo usuário. As necessidades de um fluxo de dados podem ser definidas através de algumas métricas, como a vazão, o jitter, o atraso e a perda de pacotes. Juntos, esses parâmetros definem a qualidade de serviço que o fluxo exige. Este trabalho analisa métodos que visam à qualidade de serviço em redes sem fio 802.11, mais especificamente nas redes ad hoc. Três categorias de métodos são abordadas: diferenciação de serviços, controle de admissão e reserva de largura de banda e adaptação de link na camada física. São feitas simulações de três métodos de acesso ao meio, sendo que dois deles, o EDCF e o AEDCF, se encaixam na categoria de diferenciação de serviços. Além desses dois métodos, o terceiro método utilizado foi o presente no padrão do 802.11, o DCF. Palavras chave: qualidade de serviço, ad hoc, diferenciação de serviços.
Abstract The use of wireless devices, such as notebooks, PDAs and even cellular phones is becoming ever day bigger. With the number of consumers of those apparels growing daily, arise the need of guarantee that the communication among those devices is efficient and assist to a minimum of demands defined by the user. The needs of a flow of data can be defined through some metrics, as the throughput, the jitter, the delay and the package loss. Together, those parameters define the quality of service that the flow demands. This work analyzes methods that seek the quality of service in 802.11 wireless networks, more specifically in ad hoc networks. Three categories of methods are studied: service differentiation, admission control and bandwidth reservation and link adaptation in the physical layer. Simulations of three medium access methods are made. Two of them, EDCF and AEDCF, are inserted in the category of service differentiation. Beyond those two methods, the third method used was the one present in the 802.11 standard, DCF. Keywords: quality of service, ad hoc, service differentiation.
Índice de Figuras Figura 1 - Rede sem fio ad hoc... 17 Figura 2 - Rede sem fio estruturada... 17 Figura 3 - Problema de estação oculta e estação exposta... 22 Figura 4 - Detecção do canal virtual com o CSMA/CA... 23 Figura 5 - Rajada de fragmentos... 25 Figura 6 - Espaçamento entre quadros no 802.11... 26 Figura 7 - Mecanismo de temporização do DCF... 28 Figura 8 - Mecanismo de temporização do EDCF... 43
8 Índice de Tabelas Tabela 1. Categorias de acesso... 31 Tabela 2. Característica dos parâmetros principais... 33 Tabela 3. Porcentual de perda de pacotes... 56 Tabela 4. Atrasos 5 nós... 59 Tabela 5. Atrasos 10 nós... 59 Tabela 6. Atrasos 15 nós... 59 Tabela 7. Atrasos 20 nós... 60 Tabela 8. Atrasos 25 nós... 60 Tabela 9. Atrasos 30 nós... 60 Tabela 10. Jitter 5 nós... 62 Tabela 11. Jitter 10 nós... 63 Tabela 12. Jitter 15 nós... 63 Tabela 13. Jitter 20 nós... 64 Tabela 14. Jitter 25 nós... 64 Tabela 15. Jitter 30 nós... 65 Tabela 16. Vazão da rede... 67
9 Índice de Gráficos Gráfico 1. Perda de pacotes 64 bytes... 57 Gráfico 2. Perda de pacotes 512 bytes... 57 Gráfico 3. Atraso médio 64 bytes... 61 Gráfico 4. Atraso médio 512 bytes... 61 Gráfico 5. Jitter médio 64 bytes... 65 Gráfico 6. Jitter médio 512 bytes... 66 Gráfico 7. Vazão 64 bytes... 67 Gráfico 8. Vazão 512 bytes... 68
Lista de Siglas ACK Acknowledge ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AEDCF Adaptive Enhanced Distributed Coordination Function AIFS Arbitrary InterFrame Space AAMA Adaptive Acquisition Multiple Access AODV Ad Hoc On Demand Distance Vector AP Access Point ARME Assured Rate MAC Extension BI Backoff Interval CATER Code Adapts To Enhance Reliability CBR Constant Bit Rate CSMA Carrier Sense Multiple Access CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CTS Clear To Send CW Contention Window CWD Contention Window Differentiation CWS Contention Window Separation DBPSK Differential Binary Phase Shift Keying DCF Distributed Coordination Function DIFS Distributed InterFrame Space DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying DDRR Distributed Deficit Round Robin DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access DSDV Destination Sequence Distance Vector DSSS Direct Sequence Spread Spectrum EIFS Extended InterFrame Spacing EDCF Enhanced Distributed Coordination Function FCC Federal Communications Commission FH-CDMA Frequency Hopping Code Division Multiple Access
11 FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum HCF Hybrid Coordination Function HR-DSSS High Rate Direct Sequence Spread Spectrum IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers IFS InterFrame Space IR Infrared Ray ISM Industrial, Scientific and Medical LAN Local Area Network MAC Medium Access Control MACAW Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless MPDU MAC Protocol Data Unit NAV Network Allocation Vector NS-2 Network Simulation 2 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OTCL Object Tool Command Language PCF Point Coordination Function PDA Personal Digital Assistant PER Packet Error Rate PHY Physical Layer PIFS Point Coordination InterFrame Space PLCP Physical Layer Convergence Procedure PN Pseudo-noise QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service RSS Received signal strength RTS Request To Send SIFS Short InterFrame Space SNR Signal-to-noise SNR/CIR Channel signal-to-noise /carrier-to-interference UDP User Datagram Protocol VoIP Voice over IP VS Virtual Source
12 WLAN Wireless Local Área Network
1 Introdução A expansão do uso dos dispositivos móveis, como notebooks e PDAs (Personal Digital Assistants), é evidente. Conjuntamente com a evolução das tecnologias de acesso sem fio, que estão alcançando velocidades maiores de transmissão, as aplicações em computação móvel tornam-se mais práticas. Aplicações em tempo real como a telefonia na Internet, a videoconferência e bibliotecas digitais de áudio e vídeo em ambientes móveis tornam-se cada vez mais viáveis. A presença de pontos de acesso, ou Access Point (AP), vêm se tornando comum em aeroportos, hotéis, bares e restaurantes, fornecendo assim uma infraestrutura para que os clientes desses estabelecimentos possam, por exemplo, acessar a Internet ou conferir seus e-mails. O modo de comunicação móvel sem fio convencional é suportado por uma infra-estrutura de cabeamento fixa, que fornece ao dispositivo móvel acesso tanto à Internet quanto aos serviços presentes nessa rede. Os dispositivos móveis acessam estações base que estão conectadas à infra-estrutura cabeada. Por outro lado, existem as redes móveis que não usam uma infra-estrutura fixa e que são classificadas como redes ad hoc. No modo infra-estruturado, há um dispositivo, conhecido como Access Point (AP), responsável por centralizar toda a comunicação, ou seja, toda a comunicação que por ventura possa existir entre dois dispositivos móveis tem que ser intermediada pelo AP. Nas redes ad hoc, não há a presença de um dispositivo que concentra a comunicação. Os dispositivos que queiram comunicar-se fazem isso diretamente, ou, caso o raio de alcance do sinal de origem não alcance o destinatário, essa comunicação pode ser feita utilizando qualquer dispositivo intermediário que esteja presente no ambiente e cujo sinal alcance tanto a origem como o destino da comunicação. A topologia dessa rede pode alterar-se de maneira rápida e imprevisível. Tanto nas redes cabeadas quanto nas redes sem fio os usuários esperam que essas redes atendam um mínimo de exigências quanto à confiabilidade, manutenção, expansão e segurança. Eles também esperam altas velocidades e menor atraso possível para o envio e o recebimento de dados.
14 Em redes sem fio nas casas ou em escritórios, principalmente onde há a necessidade de tráfego em tempo real, como aplicações onde há a presença de voz, vídeo e áudio, é de extrema importância levar em consideração como garantir a qualidade de serviço (Quality of Service - QoS) para esses dispositivos móveis. Aos usuários de tais dispositivos pode ser oferecido então áudio por demanda, vídeo por demanda, voz sobre IP (VoIP) e acesso de alta velocidade à Internet. Em um futuro próximo, todos os dispositivos eletrônicos, como TVs, DVD Players, microondas, geladeiras, etc., poderão ser equipados e conectados em redes sem fio onde a qualidade de serviço esteja implementada. Para as aplicações que necessitam de tráfego em tempo real é importante analisar de que maneira pode-se garantir que esse fluxo de dados seja satisfatório nas redes sem fio. Esse trabalho tem como objetivo principal avaliar quais métodos podem ser usados para que o tráfego de dados atenda o mínimo de exigências quanto a determinado parâmetros pré-estabelecidos, parâmetros esses que identificam quando um serviço oferecido pela rede possui uma maior ou menor qualidade. Faz parte dos objetivos específicos analisar as três categorias em que são divididos os mecanismos que garantem uma melhor qualidade de serviço. Através de simulações será verificado o funcionamento de 3 métodos de acesso ao meio. Um já está presente no padrão de redes sem fio, e os outros dois implementam a diferenciação de serviços, visando garantir um fluxo de dados com melhor qualidade. Este trabalho está organizado em cinco capítulos, sendo que no capítulo 2, serão apresentados alguns padrões de redes sem fio (Wireless LANs WANs) em uma breve introdução teórica do funcionamento dos diferentes métodos de transmissão e como funcionam a camada física e a camada de acesso ao meio desses padrões. O que é qualidade de serviço e como ela pode influenciar na transmissão de diferentes tipos de dados é citado no capítulo 3. Serão introduzidos também métodos que visam garantir a qualidade de serviço em redes sem fio, juntamente alguns trabalhos propostos pela comunidade científica que se utilizam desses métodos.
15 O capítulo 4 apresenta como foram feitos, quais parâmetros foram utilizados, a análise e avaliação dos resultados obtidos nas simulações. As conclusões finais e os trabalhos futuros são apresentados no capítulo 5.
2 Padrão IEEE 802.11 Visando construir uma base conceitual para a realização desse trabalho nesse capítulo é apresentado o funcionamento do padrão das redes sem fio. Tendo o conhecimento de como o meio físico é utilizado para a transmissão de dados e de que maneira podem ser feitos os acessos a esse meio, é possível compreender em que ponto as alterações sugeridas no capítulo 3 podem afetar os padrões. O padrão Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 802.11 define a camada física (physical layer - PHY) e a camada de controle de acesso ao meio (medium access control MAC) em comunicações sem fio entre entidades fixas, móveis e portáteis. Dentre outras coisas, são definidas as freqüências utilizadas para a transmissão de dados, autenticação e segurança nas transmissões sem fio. O protocolo de acesso ao meio utilizado é o Carrier Sense Multiple Access protocol with Collision Avoidance (CSMA/CA). O MAC suporta operações onde haja a presença de um ponto de acesso, nesse caso um AP, assim como entre entidades independentes, o que caracteriza as redes ad hoc. Este padrão foi inicialmente definido em 1997. Em 1999, foi publicada uma revisão, onde algumas pequenas alterações foram feitas. 2.1 Modos de Operação No padrão 802.11 definido pela IEEE, há dois modos de operação de uma rede sem fio: com uma infra-estrutura definida (infra-estruturada) ou sem uma infraestrutura definida (ad hoc). Nas redes ad hoc, a configuração da comunicação das entidades é feita de forma dinâmica e sem um planejamento prévio. As entidades podem comunicar-se diretamente umas com as outras sem a necessidade que a comunicação passe através de um ponto de acesso central. Um exemplo desse tipo de rede é quando pessoas reúnem-se em um ambiente qualquer e desejam que seus dispositivos sem fio comuniquem-se para a troca ou compartilhamento de dados. Algoritmos de
17 broadcast ou métodos de flooding podem ser usados pelos nós para o estabelecimento da conexão. A figura 1 mostra um exemplo de uma rede sem fio ad hoc. (Mohapatra, 2003) Figura 1 - Rede sem fio ad hoc As redes infra-estruturadas, por outro lado, possuem uma entidade que faz o papel de centralizador, o AP. Para o estabelecimento de uma conexão e a troca de informações, os nós da rede comunicam-se por intermédio do AP. O AP pode também funcionar como o dispositivo que interconecta a rede sem fio com a rede cabeada. A figura 2 mostra um modelo de rede sem fio estruturada. (Zhu, 2004) Figura 2 - Rede sem fio estruturada
18 2.2 Camada Física Três técnicas de transmissão foram definidas no padrão 802.11. Duas utilizam rádio de alcance limitado - Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) e Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). A terceira usa raios infravermelhos (Infrared Ray - IR). 2.2.1 Frequency Hopping Spread Spectrum A Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) é uma das duas técnicas básicas de modulação usadas na transmissão de sinais onde a freqüência dos sinais é variada deliberadamente (spread spectrum). Essa variação deliberada é a troca repetida das freqüências durante a transmissão de ondas de rádio, geralmente para minimizar a eficiência de hostilidades eletrônicas, isto é, a interceptação não autorizada ou congestionamento das telecomunicações. Ela também é conhecida como Frequency-Hopping Code Division Multiple Access (FH-CDMA). (FHSS, 2004) As técnicas de modulação utilizando spread spectrum tornaram-se comuns nos últimos anos. O spread spectrum permite que um sinal seja transmitido através de faixa de freqüências que é muito mais larga que a largura de banda mínima necessária pelo sinal. O transmissor espalha a energia, originalmente concentrada em uma banda estreita (narrowband), através de um número de canais de freqüência em um amplo espectro eletromagnético. Os benefícios desse método são a melhoria da privacidade, a redução da interferência em uma banda estreita e a melhoria da capacidade do sinal. Em um sistema FH-CDMA, o transmissor salta entre as freqüências disponíveis de acordo com um algoritmo específico, que pode ser tanto randômico quanto pré-planejado. O transmissor opera em sincronização com o receptor, o qual se mantém na mesma freqüência do transmissor. Um pequeno fluxo de dados é transmitido em uma freqüência. Então, o transmissor pula para outra freqüência e transmite novamente. Deste modo, o receptor é capaz de alterar sua freqüência sobre uma determinada largura de banda diversas vezes por segundo, transmitindo em uma freqüência por um determinado período de tempo, então saltando para
19 outra freqüência e transmitindo novamente. A técnica de frequency hopping requer uma maior largura de banda do que é necessário para transmitir a mesma informação usando somente uma freqüência portadora. (FHSS, 2004) Uma outra abordagem que utiliza spread spectrum e é uma alternativa ao FH- CDMA é o DSSS, explicado na próxima seção. Dispositivos FHSS utilizam menos energia e são geralmente mais baratos, mas a performance de sistemas DSSS é geralmente melhor e mais confiável. A maior vantagem do frequency hopping é a possibilidade de coexistirem diversos pontos de acesso na mesma área, algo que não é possível com o direct sequence. (FHSS, 2004) O FHSS do padrão 802.11 utiliza 79 canais, cada um com 1 MHz de largura, começando na extremidade baixa da banda Industrial, Scientific and Medical (ISM) de 2,4 GHz. Um gerador de números pseudo-aleatórios é usado para produzir a seqüência de freqüências dos saltos. Desde que todas as estações que utilizem a mesma semente para o gerador de números pseudo-aleatórios e permaneçam sincronizadas, elas saltarão para as mesmas freqüências simultaneamente. O período de tempo gasto em cada freqüência, o tempo de permanência, é um parâmetro ajustável, mas deve ser menor que 400 ms. A aleatoriedade do FHSS fornece um modo razoável de alocar o espectro na banda ISM não-regulamentada. (Tanenbaum, 2003) 2.2.2 Direct Sequence Spread Spectrum O Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), também conhecido como Direct Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), é a outra abordagem para a modulação spread spectrum para a transmissão de sinais digitais através do ar. No DSSS, o fluxo de informações a ser transmitido é dividido em pequenos pedaços, cada um deles sendo alocado a um canal de freqüência através do espectro. Quando da transmissão, o sinal contendo os dados é combinado com uma seqüência de bits com uma taxa de dados maior (também conhecido como chipping code) que divide os dados de acordo com uma taxa de expansão. O chipping code redundante ajuda o sinal a resistir a interferências e também possibilita a
20 recuperação dos dados originais se alguns bits dos dados forem danificados durante a transmissão. (DSSS, 2004) Inicialmente o spread spectrum foi desenvolvido para uso militar, pois ele usa sinais em banda larga difíceis de detectar e que resistem a tentativas de embaralhamento. O sistema DSSS possibilita uma LAN sem fio com uma capacidade de comunicação de 1 Mbit/s ou 2 Mbit/s. De acordo com as regras do Federal Communications Commission (FCC), o sistema DSSS deve fornecer um ganho de processamento de pelo menos 10dB. O sistema DSSS utiliza as modulações em banda base Differential Binary Phase Shift Keying (DBPSK) e Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) para fornecer as taxas de transferência de 1Mbit/s e 2 Mbit/s, respectivamente. (802.11, 1999) 2.2.3 Infrared Ray A camada física baseada em Infrared Ray (IR), ou infravermelho, utiliza como forma de sinalização luzes de comprimento de onda quase visíveis, entre 850 nm e 950 nm. Essa variação de comprimento também é utilizada em dispositivos comuns no cotidiano e que usam o infravermelho como um meio de sinalização, como, por exemplo, controles remotos e equipamentos de comunicação de dados como impressoras sem fio. (802.11, 1999) Diferentemente de outros dispositivos infravermelhos, a camada física de infravermelho não é direcionada, ou seja, o transmissor e o receptor não precisam estar apontados um para o outro e não necessitam de uma linha de visada livre de obstáculos. Isso permite a construção de uma verdadeira Local Area Network (LAN), ao passo que com um sistema direcionado, seria difícil ou impossível instalar uma LAN por causa das restrições físicas. (802.11, 1999) Um par de dispositivos infravermelhos compatíveis pode comunicar-se em um ambiente típico a uma distância de até 10 metros aproximadamente. O padrão permite a esses dispositivos possuírem receptores mais sensíveis, permitindo aumentar a distância em até 20 metros aproximadamente. (802.11, 1999)
21 A camada física de infravermelho conta tanto com a energia infravermelho refletida como com a energia direta para realizar uma comunicação. Muitos projetos antevêem que toda a energia no receptor seja energia refletida. Esse tipo de transmissão baseado em energia refletida é chamado de transmissão infravermelha difusa. (802.11, 1999) O padrão especifica o transmissor e o receptor de tal forma que um projeto compatível irá operar bem na maioria dos ambientes onde não haja uma linha de visada entre o transmissor e o receptor. Entretanto, em um ambiente que tenha poucas ou nenhuma superfície refletora, e onde não haja linha de visada, um sistema baseado em infravermelho pode possuir alcance reduzido. (802.11, 1999) Sistemas baseados em infravermelho operam somente em ambientes fechados. As ondas não passam através de paredes e são significativamente atenuadas quando passam por janelas externas. Essa característica pode ser usada para barrar uma onda em uma única sala, como uma sala de aula ou uma sala de conferências. Diferentes LANs usando infravermelho pode operar em ambientes adjacentes separados somente por uma porta sem que haja interferência entre eles e sem a possibilidade de sobreposição de sinais. Os dispositivos usados como fonte (tipicamente LEDs) e como detectores (tipicamente diodos PIN) nas comunicações em infravermelho são relativamente baratos nos comprimentos de onda utilizados por essa camada física, e nas freqüências elétricas de operação necessárias por essa camada. (802.11, 1999) Enquanto muitos outros dispositivos também utilizem emissões em infravermelho no mesmo comprimento de onda, esses dispositivos transmitem intermitentemente, e não interferem com a correta operação de uma camada física baseada em infravermelho. Se algum dispositivo causar interferência por transmitir continuamente e de maneira muito forte um sinal, tal dispositivo pode ser fisicamente isolado colocado em uma sala diferente de uma LAN IEEE 802.11. (802.11, 1999)
22 2.3 Camada Medium Access Control O protocolo da subcamada Medium Access Control (MAC) do 802.11 é bastante diferente do protocolo da Ethernet, devido à complexidade inerente do ambiente sem fio, em comparação com o de um sistema fisicamente conectado. Com a Ethernet, uma estação só precisa esperar até o éter (meio de comunicação) ficar inativo e começar a transmitir. Se não receber de volta uma rajada de ruído dentro dos primeiros 64 bytes, é quase certo que o quadro tenha sido entregue corretamente. No caso das LANs sem fio, essa situação não ocorre. Para começar, existe o problema da estação oculta ilustrado na figura 3(a). Tendo em vista que nem todas as estações estão dentro do alcance de rádio uma das outras, as transmissões realizadas em uma parte de uma célula podem não ser recebidas em outros lugares na mesma célula. Nesse exemplo, a estação C está transmitindo para a estação B. Se A escutar o canal, não ouvirá nada e concluirá erradamente que agora pode iniciar a transmissão para B. Figura 3 - Problema de estação oculta e estação exposta Além disso, existe o problema inverso, o problema da estação exposta, ilustrado na figura 3(b). Agora B quer transmitir para C, e portanto escuta o canal. Quando ouve uma transmissão, a estação B conclui erradamente que não pode transmitir para C, embora A esteja transmitindo para D (não mostrada). Além disso, a maioria dos rádios é half-duplex, significando que eles não podem transmitir e ouvir rajadas de ruído ao mesmo tempo em uma única freqüência. Como resultado
23 desses problemas, o 802.11 não utilizado o Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), como faz o padrão Ethernet. Para lidar com esse problema, o 802.11 admite dois modos de operação. O primeiro, chamado Distributed Coordination Function (DCF), não usa nenhuma espécie de controle central (nesse aspecto, ele é semelhante ao padrão Ethernet). O outro, chamado Point Coordination Function (PCF), utiliza a estação-base para controlar toda a atividade em sua célula. Todas as implementações devem aceitar DCF, mas PCF é opcional. Quando se emprega o modo DCF, o 802.11 utiliza um protocolo chamado CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance). Nesse protocolo, são usadas tanto a detecção do canal físico quanto a do canal virtual. O CSMA/CA admite dois modos de operação. No primeiro método, quando uma estação quer transmitir, ela escuta o canal. Se ele estiver ocioso, a estação simplesmente começará a transmitir. Ela não escuta o canal enquanto está transmitindo, mas emite seu quadro inteiro, que pode muito bem ser destruído no receptor devido à interferência. Se o canal estiver ocupado, a transmissão será adiada até o canal ficar inativo, e então a estação começará a transmitir. Se ocorrer uma colisão, as estações que colidirem terão de esperar um tempo aleatório, usando o algoritmo de recuo binário exponencial das redes Ethernet, e então tentarão novamente mais tarde. O outro modo de operação do CSMA/CA se baseia no Multiple Access with Colllision Avoidance for Wireless (MACAW) e emprega a detecção de canal virtual, como ilustra a figura. Nesse exemplo, A quer transmitir para B. C é uma estação ao alcance de A (e possivelmente dentro do alcance de B, mas isso não importa). D é uma estação dentro do alcance de B, mas não dentro do alcance de A. Figura 4 - Detecção do canal virtual com o CSMA/CA
24 O protocolo começa quando A decide transmitir dados para B. Ela inicia a transmissão enviando um quadro Request to Send (RTS) para B, a fim de solicitar permissão para enviar um quadro. Quando recebe essa solicitação, B pode decidir conceder a permissão e, nesse caso, envia de volta um quadro Clear to Send (CTS). Após a recepção do CTS, A envia seu quadro e inicia um timer Acknoledgement-(ACK). Ao receber corretamente o quadro de dados, B responde com um quadro ACK, concluindo a troca de dados. Se o timer ACK de A expirar antes do quadro ACK voltar a ele, o protocolo inteiro será executado novamente. Agora, vamos considerar essa troca de dados sob os pontos de vista de C e D. C está dentro do alcance de A, e então pode receber o quadro RTS. Se o fizer, C perceberá que alguém vai transmitir qualquer coisa até a troca ser concluída. A partir das informações fornecidas na solicitação RTS, ela pode avaliar quanto tempo a seqüência irá demorar, incluindo o ACK final, e assim reivindica uma espécie de canal virtual ocupado por ela própria, indicado por Network Allocation Vector (NAV) na figura 4. D não escuta o RTS, mas escuta o CTS, e assim também reivindica o sinal NAV para ela própria. Observe que os sinais NAV não são transmitidos; eles são apenas lembretes internos de que a estação deve se manter inativa por um determinado período de tempo. Em contraste com as redes fisicamente conectadas, as redes sem fio são ruidosas e pouco confiáveis, em grande parte como os fornos de microondas, que também utilizam as bandas ISM não-licenciadas. Em conseqüência disso, a probabilidade de um quadro trafegar por elas com sucesso diminui com o comprimento do quadro. Se a probabilidade de ocorrer um erro em qualquer bit é p, então a probabilidade de um quadro de n bits ser recebido de forma inteiramente correta é (1 - p)n. Por exemplo, para p = 10-4, a probabilidade de receber um quadro Ethernet completo (12.144 bits) sem erros é menor que 30%. Se p = 10-5, aproximadamente um quadro em nove será danificado. Ainda que p = 10-6, haverá danos em mais de 1% dos quadros, o que significa quase uma dezena de quadros danificados por segundo ou mais que isso se forem usados quadros mais curtos que o comprimento máximo. Em resumo, se um quadro for longo demais, ele terá bem pouca chance de chegar sem danos e é provável que tenha de ser retransmitido.
25 Para lidar com o problema de canais ruidosos, o 802.11 permite que os quadros sejam fragmentados em partes menores, cada um com seu próprio total de verificação. Os fragmentos são numerados individualmente e confirmados com o uso de um protocolo do tipo stop-and-wait (isto é, o transmissor não pode enviar o fragmento k + 1 enquanto não receber a confirmação do fragmento k). Depois que um canal é adquirido com o uso de RTS e CTS, vários fragmentos podem ser enviados em seqüência, como mostra a figura. A seqüência de fragmentos é chamada rajada de fragmentos. A fragmentação aumenta o throughput, restringindo as retransmissões aos fragmentos defeituosos, em vez de retransmitir o quadro inteiro. O tamanho dos fragmentos não é fixado pelo padrão, mas é um parâmetro de cada célula e pode ser ajustado pela estação-base no caso das redes sem fio estruturadas. O mecanismo NAV mantém outras estações inativas apenas até a próxima confirmação, mas outro mecanismo (descrito a seguir) é usado para permitir que uma rajada de fragmentos inteira seja enviada sem interferência. Figura 5 - Rajada de fragmentos Toda a discussão anterior se aplica ao modo DCF do 802.11. Nesse modo, não existe nenhum controle central, e as estações concorrem pelo tempo no ar, da mesma forma que concorrem no caso da Ethernet. O outro modo permitido é o PCF, no qual a estação base efetua o polling das outras estações, perguntando se elas têm algum quadro a enviar. Tendo em vista que a ordem de transmissão é totalmente controlada pela estação-base em modo PCF, não ocorre nenhuma colisão. O padrão prescreve o mecanismo de polling, mas não a freqüência de polling, a ordem do polling ou mesmo se todas as estações precisam receber um atendimento idêntico.
26 O mecanismo básico consiste na difusão periódica pela estação-base de um quadro de baliza (de 10 a 100 vezes por segundo). O quadro de baliza contém parâmetros do sistema, como seqüências de saltos (hops) e tempos de parada (para o FHSS), sincronização de clock, etc. Ele também convida novas estações a se inscreverem no serviço de polling. Depois que uma estação se inscreve para receber o serviço de polling a certa taxa, ela tem a garantia efetiva de certa fração da largura de banda, tornando possível assim oferecer garantias de qualidade de serviço. A duração da bateria é sempre um problema nos dispositivos móveis sem fio, e assim o 802.11 dedica atenção a questão de gerenciamento de energia. Em particular, a estação-base por orientar uma estação móvel a entrar no estado de espera até ser despertada explicitamente pela estação-base ou pelo usuário. Contudo, tendo orientado uma estação para ficar inativa, isso significa que a estação-base tem a responsabilidade de armazenar no buffer quaisquer quadros dirigidos a ela, enquanto a estação móvel estiver inativa. Esses quadros podem ser reunidos mais tarde. PCF e DCF podem coexistir dentro de uma única célula. À primeira vista, pode parecer impossível ter o controle central e o controle distribuído operando ao mesmo tempo, mas o 802.11 fornece um meio para atingir esse objetivo. Ele funciona definindo com todo cuidado o intervalo de tempo entre quadros. Depois que um quadro é enviado, é exigido certo período de tempo de inatividade, antes que qualquer estação possa enviar um quadro. São definidos quatro intervalos distintos, cada um correspondendo a uma finalidade específica. Os quatro intervalos são definidos na figura 6. Figura 6 - Espaçamento entre quadros no 802.11 O menor intervalo é o Short InterFrame Spacing (SIFS). Ele é usado para permitir que as partes de um único diálogo tenham a chance de transmitir primeiro.
27 Isso inclui a permissão para que o receptor envie um CTS, a fim de responder a um RTS, deixando o receptor enviar um ACK relativo a um fragmento ou a todo o quadro de dados, e deixando o transmissor de uma rajada de fragmentos transmitir o próximo fragmento sem ter de enviar um RTS novamente. Sempre existe exatamente uma estação habilitada a responder após um intervalo SIFS. Se ela deixar de fazer uso de sua chance e decorrer um tempo PCF InterFrame Spacing (PIFS), a estação-base poderá enviar um quadro de baliza ou um quadro de polling. Esse mecanismo permite a uma estação transmitir um quadro de dados ou uma seqüência de fragmentos para encerrar seu quadro sem a interferência de qualquer outro, mas oferece à estação-base a chance de se apoderar do canal quando o transmissor anterior terminar, sem ter de competir com usuários ávidos. Se a estação-base não tiver nada a transmitir e decorrer um tempo DIFS (DCF InterFrame Spacing), qualquer estação poderá tentar adquirir a posse do canal para enviar um novo quadro. As regras habituais de disputa se aplicam, e o recuo binário exponencial pode ser necessário, se ocorrer uma colisão. O último intervalo de tempo, Extended InterFrame Spacing (EIFS), só é usado por uma estação que tenha acabado de receber um quadro defeituoso ou desconhecido, a fim de informar sobre a presença do quadro defeituoso. A idéia é dar a esse evento a prioridade mais baixa, pois, como o receptor talvez não tenha nenhuma idéia do que está acontecendo, ele deve esperar um tempo significativo para evitar interferir com um diálogo em andamento entre duas estações. A figura a seguir mostra o mecanismo de temporização do DCF. (Patarra- Atikom, 2003).
28 Figura 7 - Mecanismo de temporização do DCF 2.4 Padrão 802.11a A primeira das LANs sem fio de alta velocidade, com padrão 802.11a, utiliza Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) para transmitir até 54 Mbps na banda ISM mais larga, de 5 GHz. Como sugere o termo FDM, são usadas diferentes freqüências 52 delas, sendo 48 para dados e quatro para sincronização de modo semelhante ao Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL). Tendo em vista que as transmissões estão presentes em várias freqüências ao mesmo tempo, essa técnica é considerada uma forma de espectro de dispersão, mas diferente do CDMA e do FHSS. A divisão do sinal em muitas bandas estreitas tem algumas vantagens fundamentais em relação ao uso de uma única banda larga, incluindo melhor imunidade à interferência de banda estreita e a possibilidade de usar bandas não contíguas. É usado um sistema de codificação complexo, baseado na modulação por deslocamento de fase, a fim de alcançar velocidades de até 18 Mbps e, na Quadrature Amplitude Modulation (QAM), velocidades acima dessas. A 54 Mbps, 216 bits de dados são codificados em símbolos de 288 bits. Parte da motivação para a OFDM é a compatibilidade com o sistema europeu HiperLAN/2. A técnica tem boa eficiência de espectro em termos de bits/hz e boa imunidade ao esmaecimento de vários caminhos. (Tanenbaum, 2003)
29 2.5 Padrão 802.11b O padrão 802.11b utiliza a técnica de espectro de dispersão High Rate Direct Sequence Spread Spectrum (HR-DSSS), que utiliza 11 milhões de chips/s para alcançar 11 Mbps na banda de 2,4 GHz. Embora seja chamado de 802.11b, não é uma continuação do 802.11a. De fato, seu padrão foi aprovado e chegou primeiro ao mercado. As taxas de dados admitidas pelo 802.11b são 1, 2, 5,5 e 11 Mbps. As duas taxas mais baixas funcionam a 1 Mbaud, com 1 e 2 bits por baud, respectivamente, usando a modulação por deslocamento de fase (por compatibilidade com o DSSS). As duas taxas mais rápidas funcionam a 1,375 Mbaud, com 4 e 8 bits por baud, respectivamente, usando códigos de Walsh/Hadamard. A taxa de dados pode ser adaptada dinamicamente durante a operação para alcançar a velocidade ótima possível sob as condições atuais de carga e ruído. Na prática, a velocidade de operação do 802.11b é quase sempre igual a 11 Mbps. Embora o 802.11b seja mais lento que o 802.11a, seu alcance é cerca de sete vezes maior, o que é mais importante em muitas situações. (Tanenbaum, 2003) 2.6 Padrão 802.11g Uma versão aperfeiçoada do 802.11b, o 802.11g, foi aprovada pelo IEEE em novembro de 2001, depois de muitas disputas políticas sobre qual tecnologia patenteada seria usada. Ele utiliza o método de modulação OFDM do 802.11a, mas opera na banda ISM estreita de 2,4 GHz, juntamente com o 802.11b. Em tese, ele pode operar em até 54 Mbps. 2.7 Padrão 802.11e Assim que os usuários experimentam a conveniência das redes sem fio, eles começam a exigir o suporte para as mesmas aplicações que hoje são rodadas em redes cabeadas. Uma vez que a largura de banda em redes sem fio é restrita, a qualidade de serviço ganha cada vez mais importância nas redes 802.11.
30 Foi então proposto pelo IEEE o padrão 802.11e, que define mecanismos de qualidade de serviço para redes sem fio e fornece suporte para aplicações que são sensíveis à largura de banda, como voz e vídeo. O MAC original do 802.11 foi projetado com dois modos de comunicação para estações sem fio. O primeiro, DCF, é baseado no CSMA/CA, algumas vezes referenciado como escutar antes de falar. Uma estação espera por um período de inatividade na rede e então começa a transmitir dados e detectar colisões. O DCF fornece coordenação, mas não fornece suporte a qualquer tipo de prioridade de acesso a meio sem fio. Um segundo modo opcional, PCF, suporta fluxos de tráfego que são sensíveis ao tempo. Os APs periodicamente enviam quadros para comunicar parâmetros de gerenciamento e de configuração da rede específicos à rede sem fio. Nos intervalos de envio dos quadros, o PCF divide o tempo em um período livre de contenção e um período com contenção. Com o PCF habilitado, uma estação pode transmitir dados durante os períodos de polling sem contenção. Entretanto, o PCF não foi largamente implementado, pois os tempos de transmissão de diferentes tecnologias são imprendizíveis. Uma vez que o DCF e o PCF não diferenciam fontes e tipos de tráfego, o IEEE propôs melhoramentos no 802.11e em ambos os modos de coordenação para facilitar a qualidade de serviço. Essas mudanças permitem que os requisitos de serviços críticos sejam atendidos, enquanto é mantida a compatibilidade com os atuais padrões 802.11. O melhoramento proposto ao DCF, Enhanced Distribution Coordination Function (EDCF), introduz o conceito de categorias de tráfego. Cada estação tem 8 categorias de tráfego, ou níveis de prioridade. As categorias de acesso e os níveis de prioridade são apresentados na tabela 1. (Xiao, 2004). Usando o EDCF, as estações podem tentar enviar dados depois que detectarem que o meio está ocioso e depois de esperar um período de tempo definido pela categoria de tráfego correspondente chamado de Arbitrary InterFrame Space (AIFS). Um tráfego de maior prioridade terá um AIFS menor que um tráfego de baixa prioridade, conforme apresentado na tabela 1. Deste modo, estações com
31 tráfego de baixa prioridade terão que esperar mais que aquelas com tráfego de alta prioridade antes de tentar acessar o meio. Prioridade Categoria de acesso Designação 1 0 Melhor esforço 2 0 Melhor esforço 0 0 Melhor esforço 3 1 Vídeo probe 4 2 Vídeo 5 2 Vídeo 6 3 Voz 7 3 Voz Tabela 1. Categorias de acesso Para evitar colisões dentro das categorias de tráfego, a estação conta um número randômico adicional de slots de tempo, também conhecido como janela de contenção, antes de tentar transmitir dados. Se outra estação transmitir antes o tempo de contagem termina, a estação espera pelo próximo período de inatividade no meio, a partir do qual ele continua a contagem regressiva de onde ela parou. Nenhuma garantia de serviço é fornecida, mas o EDCF estabelece um mecanismo de prioridade probabilístico para alocar a largura de banda baseado em categorias de tráfego. Outra maneira que o 802.11e aborda é estender o mecanismo de polling do PCF através do Hybrid Coordination Function (HCF). Um controlador híbrido interroga as estações durante um período de tempo sem contenção. O polling garante a uma estação um período de tempo de início específico e uma duração máxima da transmissão. O EDCF aparenta ter ganhado uma aceitação melhor que o HCF, e como este trabalho é baseado em redes sem fio ad hoc, um estudo mais aprofundado do método de acesso HCF, que coordena as transmissões dos dispositivos móveis, não se torna relevante. Posteriormente serão dadas mais informações sobre o método EDCF.
32 No próximo capítulo será abordado de forma mais abrangente o que se entende por qualidade de serviço e a importância de garantir-se prioridade para determinadas transmissões de dados, o que o próprio padrão 802.11e explicado nesse capítulo tem como objetivo.
3 Qualidade de Serviço Na transmissão de dados cada vez mais há preocupação com a qualidade de serviço. Esse capítulo vem para apresentar os conceitos do que ela abrange e que servirão de parâmetro para a análise das simulações apresentadas no capítulo 4. Uma seqüência de pacotes desde uma origem até um destino é chamada de fluxo. Em uma rede orientada a conexões, todos os pacotes que pertencem a um fluxo seguem a mesma rota; em uma rede sem conexões, eles podem seguir rotas diferentes. As necessidades de cada fluxo podem ser caracterizadas por quatro parâmetros principais: confiabilidade, retardo, flutuação e largura de banda. Juntos, esses parâmetros definem a QoS (Quality of Service) que o fluxo exige. Várias aplicações comuns e a severidade de seus requisitos estão listadas na tabela. (Tanenbaum, 2003) Aplicação Confiabilidade Retardo Flutuação Largura de banda Correio Eletrônico Alta Baixa Baixa Baixa Transferência de Arquivos Alta Baixa Baixa Média Acesso à Web Alta Média Baixa Média Login remoto Alta Média Média Baixa Áudio por demanda Baixa Baixa Alta Média Vídeo por demanda Baixa Baixa Alta Alta Telefonia Baixa Alta Alta Baixa Videoconferência Baixa Alta Alta Alta Tabela 2. Característica dos parâmetros principais As quatro primeiras aplicações têm requisitos restritos de confiabilidade. Nenhum bit pode ser entregue de forma incorreta. Em geral, esse objetivo é alcançado calculando-se o total de verificação de cada pacote e conferindo-se o total de verificação no destino. Se um pacote for danificado em trânsito, ele não será confirmado e será retransmitido mais tarde. Essa estratégia proporciona alta
34 confiabilidade. As quatro últimas aplicações (áudio/vídeo) podem tolerar erros, e assim nenhum total de verificação é calculado ou conferido. (Tanenbaum, 2003) As aplicações de transferência de arquivos, incluindo correio eletrônico e vídeo, não são sensíveis ao retardo. Se todos os pacotes estiverem uniformemente atrasados alguns segundos, não haverá nenhum dano. Aplicações interativas, como navegação na Web e login remoto, são mais sensíveis ao retardo. Aplicações de tempo real, como telefonia e videoconferência, têm requisitos restritos de retardo. Se todas as palavras em uma ligação telefônica forem retardadas exatamente 2.000 segundos, os usuários irão considerar a conexão aceitável. Por outro lado, a reprodução de arquivos de áudio e vídeo de um servidor não exige baixo retardo. (Tanenbaum, 2003) As três primeiras aplicações não são sensíveis à chegada de pacotes com intervalos de tempo irregulares entre eles. O login remoto é um pouco mais sensível a essa variação, pois os caracteres aparecerão na tela em pequenas rajadas se a conexão sofrer muita flutuação. O vídeo e, em especial, o áudio são extremamente sensíveis à flutuação. Se um usuário estiver assistindo a um vídeo transmitido pela rede e os quadros estiverem todos atrasados exatamente 2.000 segundos, não haverá nenhum dano. Porém, se o tempo de transmissão variar ao acaso entre um e dois segundos, o resultado será terrível. No caso do áudio, mesmo uma flutuação de até alguns milissegundos será bastante audível. (Tanenbaum, 2003) Por fim, as aplicações diferem em suas necessidades de largura de banda. O correio eletrônico e o login remoto não necessitam de muita largura de banda, mas todas as formas de vídeo exigem um grande volume desse recurso. (Tanenbaum, 2003) 3.1 Qualidade de Serviço em Redes Móveis Nas redes móveis, a qualidade de serviço está sujeita às peculiaridades deste tipo de rede. Em relação ao QoS, como diferenças importantes entre as redes móveis e as redes fixas, destacam-se os efeitos da mobilidade, a imprevisibilidade do meio de comunicação empregado, assim como o tempo de durabilidade das baterias dos dispositivos móveis.
35 Dessas características citadas, certas características surgem, como o problema de estação oculta e estação exposta, manutenção de rotas (caminhos) e não menos importante a questão da segurança em redes sem fio. Essas questões são citadas em Mohapatra (2003) e definidas a seguir: Imprevisibilidade do meio de comunicação: o meio sem fio é bastante imprevisível. A colisão dos pacotes transmitidos é intrínseca a esse tipo de rede. A propagação do sinal encontra dificuldades como desvanecimento do sinal, interferência e cancelamento de múltiplos caminhos. Todas essas propriedades fazem com que medidas como a largura de banda (bandwidht) e o atraso (delay) do meio de comunicação sem fio sejam difíceis de serem feitas. Mobilidade: a mobilidade dos dispositivos cria uma topologia de rede dinâmica. Conexões são dinamicamente formadas quando dois dispositivos entram no campo de transmissão um do outro e são também desfeitas quando eles movemse para fora do alcance mútuo. Durabilidade da bateria: dispositivos móveis geralmente dependem de fontes de energia finitas. A alocação de recursos para garantir a qualidade de serviço deve levar em consideração o tempo de bateria restante e a taxa de consumo dessa bateria correspondente à utilização desse recurso. Além disso, todas as técnicas para fornecer qualidade de serviço devem ser dependentes e eficientes quando ao consumo de energia. Estações ocultas e expostas: na camada MAC do protocolo Carrier Sense Multiple Access (CSMA), a transmissão de pacotes por múltiplos nós introduz os problemas de estação oculta e estação exposta. O problema de estação oculta acontece quando o sinal de dois dispositivos, por exemplo, X e Y, que estão fora de alcance mutuamente, colidem um dispositivo receptor em comum, por exemplo, Z. Com esses três mesmos dispositivos, o problema de estação exposta ocorre quando o dispositivo Y tenta transmitir algum dado para outro dispositivo que não seja nem X nem Z, enquanto Z está transmitindo para X. Nesse caso, o dispositivo Y está dentro do raio de transmissão de Z, e dessa maneira ele posterga sua transmissão, mesmo que ela não interfira na recepção da transmissão pelo dispositivo X. Manutenção de rotas: a natureza dinâmica da topologia da rede e o comportamento imprevisível do meio de comunicação fazem com que a manutenção
36 de um estado preciso da rede seja difícil. Além disso, os algoritmos de roteamento nas redes ad hoc têm que operar com informações inerentemente imprecisas. Além do mais, em ambientes das redes ad hoc, dispositivos podem entrar e sair a qualquer momento. As rotas previamente estabelecidas podem ser quebradas durante a transferência de dados. A isso se inclui a manutenção e reconstrução de caminhos de roteamento com o mínimo de overhead e atraso possível. O roteamento que leva em consideração a qualidade de serviço pode requerer a reserva de recurso nos roteadores (dispositivos intermediários). Entretanto, com a mudança de topologia os dispositivos também mudam, e novos caminhos tem que ser criados. A manutenção das reservas dos recursos através de atualizações feitas no caminho de roteamento torna-se complexa. Segurança: segurança pode ser considerada uma métrica de qualidade de serviço. Sem a segurança adequada, acesso e uso não autorizado podem violar a qualidade de serviço previamente negociada. A natureza de broadcast nas redes sem fio resulta em mais exposição e redução da segurança. O meio físico desse tipo de comunicação, o ar, é inerentemente inseguro, havendo então a necessidade de algoritmos que levem em consideração a segurança. Em função da mobilidade das estações pertencentes às redes sem fio, existe a necessidade de reservar recursos adicionais para suportar a transferência de conexões ativas entre células (handoff). Naturalmente que quanto maior a mobilidade, maior a probabilidade de ocorrência de handoff entre as células vizinhas, e maior reserva de recursos devem ser alocados. Quando as estações movem-se para longe do centro da célula, as mesmas ficam temporariamente sujeitas a um nível mais baixo de recepção do sinal. É sabido que quanto maior à distância entre transmissor e receptor, menor é a potência do sinal recebido, o que contribui para que os quadros cheguem abaixo do limiar de recepção, muitas vezes não podendo ser corretamente interpretados. O que evidencia que à distância entre origem e destino possui influência direta na degradação do QoS oferecida pela rede, podendo inclusive ocorrer perda de conexão. (Silva, 2004) Outros problemas de provisão de QoS em redes móveis, diz respeito ao próprio meio físico de comunicação. A qualidade dos enlaces sem fio pode sofrer uma variação ao longo do tempo, causada por condições atmosféricas adversas,
37 como chuva forte e raios, e por fontes de interferência magnética; suportam baixas taxas de transmissões, na ordem de 1 até 54 Mbps; apresentam altas taxas de erros, 1 bit a cada 105 transmitidos. Além disto, os usuários ao passarem por áreas que possuam barreiras físicas à transmissão sem fio, poderão perceber os problemas inerentes deste tipo de rede. (Silva, 2004) A maioria dos mecanismos para garantir a qualidade de serviço nas redes 802.11 pode ser classificado em 3 categorias (Zhu, 2004): Diferenciação de serviços; Controle de admissão e reserva de largura de banda; Adaptação de link. Na análise de esquemas que buscam garantir a qualidade de serviço, há aqueles que são baseados em camadas mais altas do que a camada física e a camada de acesso ao meio. Uma vez que o padrão 802.11 especifica somente essas duas camadas, tais esquemas não serão abordados nesse trabalho. 3.1.1 Diferenciação de Serviço na Camada MAC O padrão 802.11 admite dois modos de operação. O primeiro, chamado Distributed Coordination Function (DCF), não usa nenhuma espécie de controle central (nesse aspecto, ele é semelhante ao padrão Ethernet). O outro, chamado Point Coordination Function (PCF), utiliza a estação-base para controlar toda a atividade em sua célula. Todas as implementações devem aceitar DCF, mas PCF é opcional. O modo PCF é um método centralizado, onde cada dispositivo móvel solicita a um ponto de coordenação único a permissão para acessar o meio, esse ponto de coordenação pode controlar a admissão de novas dispositivos, reserva de largura de banda e controlar o acesso ao meio através de pooling. Entretanto, a adoção desses mecanismos é limitada devido ao alto overhead, alto custo e complexidade e devido a questões de escalabilidade e flexibilidade. Por outro lado, o DCF e outros protocolos distribuídos são mais simples de serem implementados e necessitam de um overhead menor. Originalmente, no entanto, o DCF não possui suporte à qualidade de serviço.