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;

Introdução e Motivação - Padrão IEEE 802.16 não especifica algoritmos de escalonamento; - Poucas propostas de escalonamento relevantes existentes para IEEE 802.16j.

Descrição do Problema - Recursos alocados não são quantificados adequadamente; - Necessidade de melhor aproveitamento de informações da camada física; - Utilização eficaz dos recursos disponíveis;

Solução Proposta - 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.

Roteiro da Apresentação - Histórico e fundamentos do IEEE 802.16j; - Algoritmos de escalonamento e obtenção de QoS; - Detalhamento da solução proposta; - Avaliação da solução proposta; - Conclusões gerais.

Histórico do IEEE 802.16 - 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.

Topologia e Modos de Operação - Modo Transparent Relay (T-RS); - Modo Non-Transparent Relay (NT-RS).

Implantação da(s) RS(s) - Fixed Relay Station (F-RS); - Nomadic Relay Station (N-RS); - Mobile Relay Station (M-RS).

Arquitetura – Camada PHY - Padrão define camadas PHY e MAC correspondentes às camadas 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.

Estrutura do Quadro – Modo NT-RS

Cabeçalho de Controle de Quadro FCH – Frame Control Header

Arquitetura – Camada MAC - Dividida em três subcamadas: * Convergence Sublayer (CS); * Common Part Sublayer (CPS); * Security Sublayer (SS). - CS classifica os quadros e mapeia-os em Service Data Units (SDU); - CPS realiza alocação de recursos e rotinas de entrada de dispositivos à rede; - SS implementa criptografia e autenticação de acesso.

Arquitetura – Camada MAC

Encaminhamento de Quadros - 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.

Esquemas de Retransmissão - 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 Pareamento - Centralizado: * Responsabilidade total da BS. - Distribuído: * Decisões de pareamento realizadas isoladamente. - Aleatório: * Nenhum critério considerado. - Oportunista: * “Melhor” estação superordenada escolhida.

Controle de Tráfego e QoS * 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.

Modos de Escalonamento e CAC - 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.

Alocação de Largura de Banda e Mecanismos de Correção - 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;

Handover ou Handoff - 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.

Critérios para Seleção de Escalonadores - 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.

Parâmetros para Obtenção de QoS - Taxa máxima de tráfego sustentada; - Taxa mínima de tráfego reservada; - Latência Máxima; - Jitter Tolerado; - Prioridade de Tráfego; - Política de Requisição e Transmissão.

Critérios para Seleção de Escalonadores - 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.

Tipos 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.

Estratégias de Escalonamento - 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.

Framework de Escalonamento

Descrição do Problema - 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.

Solução Proposta – Estado da Conexão - 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).

Algoritmo de Gerenciamento de Filas - 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.

Escalonamento DRR c/ Quantum Adaptativo

Cálculo do Quantum

[1] Congestion Aware - Chang [2] DRR adaptativo – Sayenko