Algoritmo de Escalonamento DRR com Quantum Adaptativo para Redes IEEE 802.16j Einar César Santos ORIENTADOR: Paulo Roberto Guardieiro, Dr.

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1 Algoritmo de Escalonamento DRR com Quantum Adaptativo para Redes IEEE 802.16j
Einar César Santos ORIENTADOR: Paulo Roberto Guardieiro, Dr.

2 Introdução e Motivação
- Crescente demanda por redes banda larga sem fio; - Redes WiMAX (4G) possuem custo relativamente baixo; - Área de cobertura extensa;

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

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

5 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.

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

7 Histórico do IEEE - WiMAX foi criado em 2001 e publicado em 2002; - Versão IEEE a (2003) operava em frequências de 2 a 11 GHz NLOS; - IEEE d (2004) tinha alcance de até 50 Km com taxas de até 70 Mbps - IEEE e (2006) introduziu mobilidade; - IEEE j (2009) introduziu o conceito Multihop Relay em substituição ao modo mesh; - IEEE m última versão recente publicada.

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

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

10 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.

11 Estrutura do Quadro – Modo NT-RS

12 Cabeçalho de Controle de Quadro FCH – Frame Control Header

13 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.

14 Arquitetura – Camada MAC

15 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.

16 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.

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

18 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.

19 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.

20 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;

21 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.

22 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.

23 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.

24 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.

25 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.

26 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.

27 Framework de Escalonamento

28 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.

29 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:

30 Solução Proposta – Estado da Conexão
- Estados: * NORMAL (00); * PRÉ-CONGESTIONAMENTO (01); * CONGESTIONAMENTO (10); * DESCARTE (11).

31 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.

32 Escalonamento DRR c/ Quantum Adaptativo

33 Cálculo do Quantum

34 [1] Congestion Aware - Chang
[2] DRR adaptativo – Sayenko