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  • Aprovisionamento de QoS e QoE em Redes Sem Fio Heterogneas com Suporte a Balanceamento de Carga

    Warley M. V. Junior1, Jos Jailton1, Tassio Carvalho1, Kelvin Lopes Dias2

    1 Ps-Graduao em Engenharia Eltrica Universidade Federal do Par (UFPA) Caixa Postal 479 66.075-110 Belm PA Brasil

    2 Centro de Informtica Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) Caixa Postal 7851 50.670-901 Recife PE Brasil

    {warleyjunior, jjj, tassio}@ufpa.br, [email protected]

    Abstract. This paper proposes a framework for QoS and QoE provisioning in

    heterogeneous wireless networks formed by WiMAX/Wi-Fi networks, in

    order to promote the QoS mapping and ensure the quality of video received by

    user. The proposal adopts the new IEEE 802.21 standard to allow the vertical

    handover, the target network detection, and to facilitate a seamless integration

    between technologies. Furthermore, we propose an algorithm for vertical

    handover decision that takes into account the classes of services of WiMAX,

    the access categories of Wi-Fi, and the aggregate throughput from both the

    current and the target networks. The simulations demonstrate the effectiveness

    of the framework in ensuring QoS/QoE and load balancing.

    Resumo. Este artigo prope um arcabouo para provisionamento de QoS e

    QoE em redes sem fio heterogneas WiMAX/Wi-Fi, de modo a promover o

    mapeamento de QoS e garantir a qualidade do vdeo recebido pelo usurio. A

    proposta adota o novo padro IEEE 802.21 para permitir o handover vertical,

    deteco da rede alvo e facilitar a integrao e mobilidade transparente entre

    as tecnologias. Alm disso, desenvolvemos um algoritmo de handover vertical

    que leva em conta as classes de servios do WiMAX, categorias de acesso do

    Wi-Fi e vazo agregada tanto da rede atual, quanto da rede alvo. As

    simulaes realizadas demonstram a eficcia do arcabouo na garantia de

    QoS/QoE e balanceamento de carga.

    1. Introduo

    Recentemente a sociedade est vivendo em meio a um aglomerado de dispositivos portteis com mltiplas interfaces sem fio que permitem que clientes domsticos e corporativos solucionem problemas rotineiros no menor espao de tempo e independente de sua localizao. Alm disso, a demanda por smartphones, tablets, laptops e notebooks est com um ndice de crescimento nas vendas acima do esperado pelas indstrias. Consequentemente, a exigncia por servios de qualidade prestados por operadores de rede tambm est aumentando. Por outro lado, a disponibilidade de diversas redes sem fio como: Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) e LTE (Long Term Evolution), proporcionam um cenrio heterogneo com diversas oportunidades de conectividade para o usurio de dispositivos com mltiplas interfaces.

    XVI Workshop de Gerncia e Operao de Redes e Servios 75

  • Particularmente, duas tecnologias de acesso sem fio, amplamente difundidas, podem prover suporte qualidade de servio (QoS - Quality of Service) para o acesso internet mvel. O IEEE 802.11e [IEEE 802.11e 2005], um padro para garantia de QoS em redes Wi-Fi, permite cobertura sem fio local. Por outro lado, o IEEE 802.16e [IEEE 802.16e 2005], suporta QoS no mbito de redes metropolitanas WiMAX. Mesmo com suporte QoS presente em cada uma dessas tecnologias, no h garantias que em um ambiente integrado e heterogneo seja possvel manter a qualidade e continuidade dos servios medida que o usurio muda, por exemplo, de uma estao base (BS - Base Station) WiMAX para um ponto de acesso (AP Access Point) Wi-Fi.

    A emenda IEEE 802.11e, inclui o HCF (Hybrid Coordination Function) que introduz dois modos de operao, o EDCA (Enhanced Distributed Coordinated Access), um mecanismo baseado em conteno e o HCCA (HCF Controlled Channel Access), um mecanismo livre de conteno. O EDCA [IEEE draft p802.11e d13.0 2005] define basicamente quatro categorias de acesso AC (Access Categories) na camada MAC, conhecidos como (AC_VO) para trfego de voz, (AC_VI) para trfego de vdeo, (AC_BE) para trfego de melhor esforo, tal como HTTP e (AC_BK) para trfego de fundo, tal como FTP, classificados da maior para menor prioridade, respectivamente. Cada categoria de acesso possui uma nica fila de transmisso e parmetros particulares, tais como limiares superiores e inferiores da janela de conteno, ( e , respectivamente), espaamento inter-quadros arbitrrio AIFS (Arbitrary Inter-Frame Spacing) e oportunidade de transmisso TxOP (Transmission Opportunity).

    O WiMAX, implementa suporte QoS na camada MAC para facilitar a interao com o gerenciamento de recursos de rdio e camada fsica. Seu framework de QoS adota cinco classes de servios ou CoS (Class of Service): UGS (Unsolicited Grant Service), rtPS (real-time Polling Service), ertPS (extended real-time Polling Service), nrtPS (non real-time Polling Service) e BE (Best Effort). Cada CoS possui um conjunto de parmetros de QoS que devem ser inclusos na definio do fluxo de servio quando a classe de servio est habilitada para um fluxo de servio. Os principais parmetros so: prioridade de trfego, latncia mxima, jitter, mxima e mnima taxa de dados e mximo atraso [Sekercioglu et al 2009].

    Alinhado com a necessidade de permitir conectividade transparente para usurios em movimento, servidos por diversas tecnologias sem fio, o IEEE desenvolveu e aprovou o novo padro IEEE 802.21 ou MIHS (Media Independent Handover Services) [IEEE draft p802.21 d11.0 2008]. O MIHS ou simplesmente MIH, foi projetado para aperfeioar a integrao e mobilidade entre redes sem fio de diferentes tecnologias, bem como para permitir o handover horizontal e vertical, isto , a troca de PoA (Point of Attachment) entre tecnologias similares e distintas, respectivamente. Para realizar estes objetivos, o MIH conta com um conjunto de eventos de sinalizao, gatilhos e servios, unificados para qualquer tecnologia, que disponibilizam informao de camadas inferiores (MAC - Media Access Control e Fsica) para as camadas superiores (Camada de Aplicao) da pilha de protocolos.

    Este artigo prope um arcabouo para o aprovisionamento de QoS e QoE (Quality of Experience) em redes sem fio heterogneas formada por redes WiMAX e Wi-Fi. Especificamente, nossa soluo prov mapeamento de QoS entre as classes de servios WiMAX e categorias de acesso Wi-Fi. Alm disso, nossa proposta tambm combina funcionalidades de balanceamento de carga com a soluo de mapeamento, a

    76 Anais

  • fim de alcanar um bom compromisso tanto para o operador da rede, quanto para o usurio, atravs de um novo algoritmo de deciso de handover vertical VHD (Vertical Handover Decision). Alm de utilizarmos o MIH, como tradicionalmente usado na literatura, para facilitar o handover, tambm definimos neste artigo, uma nova metodologia baseada no MIH para a obteno de vazo agregada tanto da rede atual, quanto da rede alvo, bem como para auxiliar o algoritmo VHD no processo de deciso de handover. A proposta avaliada via simulao, atravs de mtricas de QoS (vazo) e QoE (PSNR, SSIM e VQM).

    O artigo est organizado da seguinte forma: Na seo 2, os trabalhos relacionados so analisados. A seo 3 discute o esquema de mapeamento de QoS, algoritmo VHD e a metodologia de obteno de vazo agregada atravs do MIH. A avaliao e resultados finais so apresentados na seo 4. A seo 5 apresenta as concluses e trabalhos futuros.

    2. Trabalhos Relacionados

    Esta seo discute trabalhos relacionados QoS, QoE, redes sem fio heterogneas, MIH e polticas de deciso de handover presentes na literatura e esclarece a necessidade de um novo arcabouo para provisionamento de QoS e QoE com suporte a balanceamento de carga.

    Em [Andi et al 2010], os autores propem um framework de gerenciamento de interface com suporte a QoS em terminais multi-interface sem fio. O framework se baseia no MIH e utiliza mtricas da camada de enlace para avaliar as condies da rede e assim auxiliar na deciso de handover. Mesmo com informaes da camada de enlace de ambas as redes, os autores no propem um esquema de balanceamento de carga. Este artigo no avalia o gerenciamento de QoS considerando cenrios mveis, ou seja, os usurios esto estticos em uma rea de sobreposio entre as redes Wi-Fi e WiMAX. Alm disso, a prioridade dos fluxos so estabelecidas por meio de reserva de canal ao invs de um framework de QoS heterogneo.

    A proposta apresentada em [Chen et al 2008], desenvolveu uma arquitetura denominada VHTC (Vertical Handoff Translation Center Architecture) para garantir QoS durante a fase de handover em redes heterogneas. No entanto, os autores no simularam ou avaliaram qualquer cenrio com mobilidade, tampouco o suporte QoS durante o procedimento de handover. O termo handover mencionado no artigo referente ao trfego de dados e no a mobilidade de nodos. Os nodos esto estticos e comunicam entre si via enlace cabeado, cujas extremidades da rede cabeada formada pelas redes WiMAX e Wi-Fi. Este estudo usou uma verso modificada de mdulos no ns-2, porm o mdulo WiMAX utilizado, no implementa classes de servios para a tecnologia WiMAX, ou seja, neste artigo no h, verdadeiramente, uma implementao de QoS para o WiMAX.

    Em [Tarng et al 2010], os autores propem um ambiente heterogneo integrado das redes IEEE 802.11 e IEEE 802.16, bem como o desenvolvimento de um mecanismo de mapeamento de QoS afim de atender os requisitos de aplicaes de tempo real por meio da alocao de largura de banda para a estao assinante. Os autores desenvolveram tambm dois algoritmos de QoS, um para a BS e outro para a SS (Subscriber Station). Vale ressaltar que o mdulo WiMAX utilizado neste artigo, no implementa escalonamento de classes de servios e no cenrio avaliado, os nodos no

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