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

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2017.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.In recent years, the amount of data transmitted over wireless technology has been increasing significantly with the large amount of mobile devices used to get Internet access. The additional demand for wireless communication has led to a search for solutions that allow the allocation of a larger number of communicating devices in the same geographic area. Even though it is a limited resource, the electromagnetic spectrum has been utilized in order to to minimize the interference level, and not maximize its use. The IEEE 802.11 standard, which is extensively adopted, describes a set of orthogonal channels that are used to decrease interference. However, the process of static allocation of channels leads to an unbalanced resource utilization. This work presents a medium access control mechanism for dynamic access networks with multiple orthogonal channels. This mechanism's objective is to improve the management of available resources, in order to maximize the channels' utilization rate, accommodate a larger number of users and reduce the amount of resources utilized. To achieve that goal, a study is presented involving the utilization of a dedicated channel in the management of multiple channels. In this context, a new access control protocol is proposed and an analytic model based on queue theory is presented. Simulation results that are corroborated by the analytical model describe the behavior of the protocol and specify the saturation point of the control channel. In this scenario, the control channel saturation has a direct impact on the resource allocation performance. In order to minimize this problem a collision resolution mechanism is proposed. This mechanism reduces in logarithmic time the number of transmitting nodes, until only one node has exclusive access to the channel. The mechanism works in scenarios where the transmitting nodes are enhanced with collision detection capability and without collision detection capability. It has been demonstrated that the problem of selecting a transmitting node, starting with a subset of n >= 2 contending nodes, can be achieved in up to 16n and 48n slot times, for nodes with and without collision detection capabilities, respectively, with probability of success equal or higher than 1-2-1,5n. When compared to the contention mechanism implemented by the IEEE 802.11 standard CRP increases in up to 246\% the number of successful allocations, greatly reducing the time spent allocating the channel. The collision resolution protocol was compared to other protocols that manage multiple channels. Approaches such as simple rendezvous and parallel rendezvous were utilized. All the protocol employed in the comparison were implemented in the discrete events simulator OMNET++ 4.6 combined with the MiXiM 2.3 framework. Empiric simulation results show that the proposed mechanism presented better resource utilization rates, specially on scenarios where receiving nodes are chosen in random fashion. In this scenario, the parallel meeting protocol reduces the total aggregated throughput in up to 69%, reflecting in a channel occupation rate of 17%. On the other hand, stations running the CRP protocol not only maintain throughput but are also capable of achieving a data channel occupation rate of approximately 80%. The problems associated with issues related to the transmitters and receptors, such as absent receptor and data frame discard were not detected when utilizing CRP protocol. As expected, CRP does not present data frame collision and resource access distribution between stations is done uniformly

On the feasibility of collision detection in full-duplex 802.11 radio

2restrictedrestrictedSegata, Michele; Lo Cigno, Renato AntonioSegata, Michele; Lo Cigno, Renato Antoni