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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;
- Área de cobertura extensa;
- Padrão IEEE 802.16 não especifica algoritmos deescalonamento;
- Poucas propostas de escalonamento relevantesexistentes para IEEE 802.16j.
Introdução e Motivação
- Recursos alocados não são quantificadosadequadamente;
- Necessidade de melhor aproveitamento de informações da camada física;
- Utilização eficaz dos recursos disponíveis;
Descrição do Problema
- 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.
Solução Proposta
- Histórico e fundamentos do IEEE 802.16j;
- Algoritmos de escalonamento e obtenção de QoS;
- Detalhamento da solução proposta;
- Avaliação da solução proposta;
- Conclusões gerais.
Roteiro da Apresentação
- 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.
Histórico do IEEE 802.16
- Modo Transparent Relay (T-RS);
- Modo Non-Transparent Relay (NT-RS).
Topologia e Modos de Operação
- Fixed Relay Station (F-RS);
- Nomadic Relay Station (N-RS);
- Mobile Relay Station (M-RS).
Implantação da(s) RS(s)
- Padrão define camadas PHY e MAC correspondentes àscamadas 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.
Arquitetura – Camada PHY
Estrutura do Quadro – Modo NT-RS
Cabeçalho de Controle de Quadro
FCH – Frame Control Header
- Dividida em três subcamadas:* Convergence Sublayer (CS);* Common Part Sublayer (CPS);* Security Sublayer (SS).
- CS classifica os quadros e mapeia-os em Service DataUnits (SDU);
- CPS realiza alocação de recursos e rotinas de entradade dispositivos à rede;
- SS implementa criptografia e autenticação de acesso.
Arquitetura – Camada MAC
Arquitetura – Camada MAC
- 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.
Encaminhamento de Quadros
- 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.
Esquemas de Retransmissão
- Centralizado:* Responsabilidade total da BS.
- Distribuído:* Decisões de pareamento realizadas isoladamente.
- Aleatório:* Nenhum critério considerado.
- Oportunista:* “Melhor” estação superordenada escolhida.
Esquemas de Pareamento
* 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.
Controle de Tráfego e QoS
- 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.
Modos de Escalonamento e CAC
- 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;
Alocação de Largura de Banda e Mecanismos de Correção
Alocação de Largura de Banda
Modo de operação ARQ Forma de AlocaçãoEnd-to-end Two Links Hop-by-hop Incremental ou Agregada
T-RS Centralizado X - - Incremental/Agregada
NT-RS Centralizado X X X Incremental
NT-RS Distribuído - X X Incremental
- 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.
Handover ou Handoff
- 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.
Critérios para Seleção de Escalonadores
- Taxa máxima de tráfego sustentada;- Taxa mínima de tráfego reservada;- Latência Máxima;- Jitter Tolerado;- Prioridade de Tráfego;- Política de Requisição e Transmissão.
Parâmetros para Obtenção de QoS
- 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.
Critérios para Seleção 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.
Tipos de Escalonadores
- 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.
Estratégias de Escalonamento
Framework de Escalonamento
- 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.
Descrição do Problema
- 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:
Solução Proposta – Estado da Conexão
- Estados:* NORMAL (00);* PRÉ-CONGESTIONAMENTO (01);* CONGESTIONAMENTO (10);* DESCARTE (11).
Solução Proposta – Estado da Conexão
- 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.
Algoritmo de Gerenciamento de Filas
Escalonamento DRR c/ Quantum Adaptativo
Cálculo do Quantum
qorig=MTU3
Qi=2qorigγ C i
∀C i ϵ ℤ :C i> 0
0,04≤γ≤0,2
[1] Congestion Aware - Chang[2] DRR adaptativo – Sayenko