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Melhorando VolP em WLAN redes locais sem fio

Para melhorar a capacidade de VolP de uma WLAN (rede local sem fio), desenvolvemos uma solução utilizando repasse que inclui um esquema de controle de admissão, um esquema de agregação de pacotes e um protocolo para repasse de pacotes. Os resultados das simulações demonstraram que o esquema pode funcionar de forma satisfatória, sem comprometer a qualidade de serviço das sessões VolP.

Voz sobre IP (VoIP) é uma das aplicações de maior crescimento da Internet atualmente. Ao mesmo tempo, a implantação da LAN sem fio (WLAN), baseada no padrão IEEE 802.11 [1], cresce rapidamente. Assim, é natural que a tecnologia de VoIP sobre WLAN se destaque como uma aplicação atraente e popular. Entretanto, a limitação da capacidade de tráfego VoIP de uma WLAN é bastante crítica, devido a vários cabeçalhos e sobrecargas de protocolos do MAC - controle de acesso ao meio 802.11. Além disso, numa WLAN de múltiplas taxas, as estações de baixa velocidade podem diminuir severamente a capacidade de tráfego VoIP, por causarem um longo período de ocupação de canal com suas tentativas de transmissão [2]. Numa dada topologia de rede, um método eficiente para melhorar a capacidade é aumentar as velocidades de transmissão de estações de baixa taxa. Portanto, o uso de relays (estações de repasse) pode ser uma boa forma de melhorar a capacidade VoIP de uma WLAN.

Até o momento, os esquemas de repasse existentes, como rDCF [3], [4] e RAMA [4], têm seu foco voltado, principalmente, na melhoria da vazão (throughput) em redes ad hoc, quando o tamanho do pacote é grande (ou seja, maior ou igual a 1000 bytes).

Nosso interesse é o de aumentar a capacidade VoIP numa WLAN baseada em infraestrutura. Além disso, tanto o rDCF quanto o RAMA demandam o uso de handshake RTS/CTS antes que o emissor inicie a transmissão do pacote de dados, o que os torna não apropriados para serviços VoIP, devido à grande sobrecarga do esquema RTS/CTS, em relação com os pacotes de voz de pequeno tamanho. Para melhorar a capacidade VoIP de uma WLAN, desenvolvemos uma solução com ajuda de repasse, que inclui um esquema de controle de admissão com repasse, um esquema de agregação de pacote e um protocolo para repasse de pacote.

Basicamente, quando uma nova sessão VoIP requisita admissão, nosso controlador de admissão, localizado no ponto de acesso (AP), verifica se pode realizar a admissão com o uso de repasse (ou seja, arquitetura em dois saltos) ou via comunicação direta com o AP (arquitetura em um salto). Com a opção de uso de repasse, uma estação pode agora ser admitida para se comunicar com o AP por meio de uma estação de repasse, embora não possa ser admitida sob a arquitetura convencional em um salto, devido a sua baixa taxa de transmissão. Além disso, para superar o aumento da sobrecarga devido ao processo de repasse de pacotes VoIP de pequeno tamanho, empregamos um esquema de agregação de pacotes para transmissões de pacotes VoIP entre o AP e as estações de repasse. Para levar em consideração o requisito de QoS - qualidade de serviço de cada sessão VoIP, nossa solução tem um controle de admissão que se baseia no esquema de controle de acesso IEEE 802.11e, o EDCA - Acesso de Canal Distribuído Melhorado, proposto em [5].

Diferentemente dos esquemas existentes [3] [4], nosso objetivo é propor um esquema de controle de admissão eficaz, que leve em consideração a opção de uso de repasses, de forma a admitir tantas novas sessões VoIP quanto possível, com QpS.

Modelo do sistema

Consideramos uma WLAN baseada em infraestrutura, conforme o método de acesso EDCA do IEEE 802.11e. A WLAN consiste de um AP e múltiplas estações de repasse, que se comunicam com o AP. Este conecta-se por fio à Internet e serve como gateway para todas as estações da WLAN. Todas as estações VoIP são estacionárias e capazes de usar múltiplas taxas de transmissão. Um exemplo de cenário é suportar serviços VoIP numa sala de escritório em que os telefones VoIP encontram-se em locais fixos, como sobre as mesas. Todas as estações VoIP se associam com o AP, mas nem todas têm uma sessão de voz ativa num dado momento. Supomos que a potênciapráticas. Sendo assim, neste artigo, focamo-nos no repasse de camada MAC em dois saltos.

Suporte a VolP com ajuda de transmissão seja sempre fixa e que o canal sem fio entre um emissor e um receptor é simétrico. Além disso, também supomos que todas as estações sabem das transmissões umas das outras (ou seja, não há estações ocultas).

Todas as estações VoIP associadas ao AP são capazes de fazer repasse do tráfego de outras estações VoIP. Assim, os pacotes de voz podem ser entregues por meio de um ou dois saltos entre o AP e a estação VoIP. Embora seja possível ter uma arquitetura de repasse de n saltos (n > 2), as sobrecargas de controle incorridas (por exemplo, transmissões duplicadas de pacotes, coordenação entre estações, etc.) tornam-na menos atraentes e menos práticas. O procedimento de configuração do fluxo de tráfego (TS - Traffic Stream) básico e a estrutura de controle de admissão do padrão IEEE 802.11e são usados em nosso esquema. Quando uma estação VoIP solicita ao AP a admissão de sua sessão VoIP, o AP avalia se a largura de banda disponível pode acomodar a sessão VoIP recém- requisitada por meio de repasse de dois saltos ou da comunicação direta em um salto. Se o AP puder acomodar a sessão VoIP com qualquer das opções, há admissão; do contrário, há rejeição.

Colete de informações de velocidades

Para formar uma topologia de repasse, o AP precisa ter informações das taxas de transmissão de todas as estações VoIP, incluindo dele próprio.

Portanto, cada estação precisa relatar as taxas de transmissão entre si e entre as estações vizinhas, incluindo o AP. Para estimar as taxas de transmissão de uma forma similar à usada no trabalho existente em [3], [4], [6], empregamos uma medição da condição do canal baseada no receptor. Quando uma estação escuta um pacote, ela mede a SNR - relação sinal/ruído e extrai o endereço MAC do emissor do pacote, se for possível decodificar o pacote corretamente. Seleciona, então, a taxa de transmissão apropriada, com base na SNR  IP   medida do pacote. Finalmente, a estação guarda o endereço MAC do emissor e o valor da taxa de transmissão estimada numa tabela. Periodicamente, o AP coleta as taxas de transmissão estimadas de cada estação VoIP para as estações vizinhas.

Configuração do repasse

Quando uma estação VoIP solicita ao AP a admissão de sua sessão VoIP, ela deve servir como estação de repasse para outras estações ou deve usar outras estações como sua estação de repasse, com base nas taxas de transmissão entre a estação e o AP. Há dois casos:

·         Se a taxa de transmissão entre a estação e o AP for baixa, de 1 ou 2 Mbit/s do 802.11b PHY, ela pode usar outras estações como estação de repasse, em vez de servir como repasse para outras estações com sessões VoIP ativas.

·         Do contrário, ela pode servir como uma estação de repasse para outras estações com sessões VoIP ativas.

A estação S2 na figura 1 é um exemplo de estação requisitante de admissão correspondente ao primeiro caso. Com o uso da tabela de taxa de transmissão, o AP tenta selecionar uma estação de repasse apropriada entre todas as estações candidatas para S2, ou seja, todas as estações com sessões voip ativas. Por exemplo, o Si pode ser uma estação candidata se transportar uma sessão VoIP ativa. A tabela I traz uma lista de oito níveis de prioridade para a seleção de repasse, supondo que todas as estações candidatas são equipadas com o 802.11b PHY. Como mostra a tabela, a decisão dos níveis de prioridade depende de três fatores:

·         r': taxa de transmissão entre S2 e a estação candidata;

·         r": taxa de transmissão entre a estação candidata e o AP; e

·         se a estação candidata está, no momento, fazendo repasse para outras estações: "on" se estiver e "off" se não estiver.

Em geral, a estação candidata tem r' e r" mais altos do que as outras, uma vez que o tempo de ocupação do canal é menor. Além disso, a estação candidata que já está fazendo repasse para outras pode ser uma níveis de prioridade, o AP supõe que escolha mais apropriada, uma vez que os pacotes da nova sessão VoIP podem ser agregadas a pacotes de outras, assim reduzindo o tempo de ocupação de canal para o processo de repasse desses pacotes. Se não for encontrada uma estação para S2 que pertença a qualquer um dos oito a única maneira possível de admitir a sessão VoIP de S2 é por meio da comunicação direta em um salto com o AP.

A estação Si, na figura 1, é um exemplo de estação requisitante de admissão, que corresponde ao segundo caso. Aqui, o AP usa uma tabela similar à tabela I para encontrar todas as estações de baixa taxa que podem usar Si como a estação de repasse.

Depois de tomada a decisão de admissão de uma nova sessão VoIP, a estação requisitante de admissão correspondente será informada da decisão. Se a nova sessão VoIP for admitida, o AP acrescenta uma entrada à sua tabela de repasse e informa a estação requisitante e a estação de repasse da topologia do repasse.

Transmissão de repasse

Aparentemente, podem ser aumentadas indiretamente as taxas de transmissão de estações de baixa taxa com o uso de repasse. Entretanto, as sobrecargas (ou seja, de cabeçalho MAC, PHY, transmissão ACK e sobrecargas de contenção) também aumentam, devido à transmissão duplicada pelas estações de repasse. Além disso, a parte das sobrecargas pode ser grande, devido ao pequeno tamanho dos pacotes de voz.

Uma técnica popular para a redução dessas sobrecargas é a agregação de pacotes. A ideia básica da agregação é juntar vários pacotes pequenos no AP e nas estações de repasse e então

encaminhá-los com um cabeçalho MAC ou PHY. No padrão IEEE 802.11n [7], especificam-se dois esquemas de agregação de pacotes: A-MDSU - Unidade de Dados de Serviços.

Comparação de soluções com ajuda de repasse e baseadas em EDCA

MAC Agregada e A-MPDU - Unidade de Dados de Protocolo MAC Agregada. Em nossa solução, usamos a agregação de pacotes no nível MSDU (isto é, A-MSDU), que tem um desempenho especialmente bom para pacotes de pequeno tamanho, como os de voz.

Como mostra a figura 2, para mitigar o efeito do gargalo do AP, que limita a capacidade de tráfego VoIP [8], o AP transmite os pacotes VoIP no downlink, incluindo o quadro agregado, usando um acesso simples, sem contenções, chamado de acesso PFIS - Point Coordination Function Interframe Space, que permite que o AP transmita um pacote de voz pendente após um tempo ocioso de PIES, sem qualquer contenção (isto é, backofj). O AP agrega os pacotes de downlink que recebeu durante o maxWaitingTime (tempo de espera máximo) para a mesma estação de repasse em um quadro e o transmite para a estação de repasse correspondente. Esta, por sua vez, encaminha os pacotes de voz contidos no quadro agregado recebido para as suas estações VoIP de destino, com intervalos de tempo SIFS - short interframe space entre uma recepção de um ACK e a próxima transmissão de pacote de voz. Para as transmissões uplink, as estações de repasse e as estações VoIP transmitem seus pacotes viacontenção para o AP e as estações de repasse, respectivamente. Cada estação de repasse também agrega os pacotes de voz recebidos de todas as estações em sua lista de repasse, durante o maxWaitingTime, e transmite um quadro A-MSDU para o AP. Neste artigo, estabelecemos o maxWaitingTime como sendo o mesmo que o intervalo de empacotamento To da sessão VoIP para minimizar o atraso dos próprios pacotes de voz da estação de repasse.

Decisão de admissão

A agregação de pacotes pode reduzir a quantidade de sobrecargas. Entretanto, também pode aumentar o atraso dos pacotes, o que pode reduzir a sua adequação para serviços VoIP. Para resolver essa questão, o AP, em nosso sistema, agrega e transmite um quadro A-MSDU para cada estação em todo intervalo de empacotamento de voz Tv. Além disso, cada estação de repasse também agrega e transmite um quadro A-MSDU para todo intervalo To do AP. Como resultado, no cenário de pior caso, o atraso de pacotes VoIP de uplink/downlink por meio de estações de repasse e o atraso de pacotes VoIP trocados diretamente com o AP são de 2To e To, respectivamente. Portanto, dependendo do máximo atraso sem fio tolerado da sessão VoIP com um novo pedido de admissão, que pode ser calculado com o uso de informações como o atraso wireline (do sistema cabeado) entre o gateway de voz remoto e o AP e máximo atraso de boca a ouvido (M2e - mouth to ear), que corresponde ao valor R de 802, o AP age de formas diferentes:

·         Se o máximo atraso do sistema sem fio é inferior a To, o AP nega o pedido, uma vez que não pode garantir que o atraso de pacotes de voz da nova sessão VoIP seja menor que To devido à agregação de pacotes.

·         Se o atraso máximo sem fio tolerável está entre Tv e 2Tv, o AP toma a decisão em função da largura de banda disponível poder acomodar a comunicação direta de um salto entre a estação e o AP, ou seja, não se leva em consideração a opção de uso do repasse.

·         Se o atraso do sistema sem fio máximo tolerável é maior que 2To, o AP verifica todas as opções de repasse em dois saltos, assim como a comunicação direta em um salto e então toma a decisão de admissão.

Avaliação de desempenho VoIP:

Avaliamos a eficácia do esquema proposto usando um simulador ns-2 [10]. Foram colocadas múltiplas estações VoIP estáticas numa área quadrada, com 160 metros de diagonal. As estações VoIP comunicam-se com o gateway de voz remoto, por meio do AP, situado no centro da região quadrada. As estações VoIP somente transmitem e recebem pacotes de voz. Cada estação transporta um único fluxo de tráfego. Usa-se o IEEE 802.11b PHY em nossa simulação. Supomos um canal sem fio com ruído AWGN - Additive White Gaussian Noise e o nível de ruído do background é ajustado em

-96 dBm. Modela-se o tráfego VoIP como uma sessão CBR bidirecional, com tamanho de MSDU de 208 bytes e intervalo de empacotamento de 20 ms (ou seja, To = 20 ms), o que se estabelece de acordo com o codec de voz G.711 [11].

Simulamos 40 sessões VoIP (40 estações VoIP), que se iniciavam sucessivamente a cada 2 segundos do início de uma simulação. A duração de chamada de cada sessão VoIP é de 30 segundos. Simulamos 50 cenários aleatórios com diferentes posições de estações VoIP. O tempo total das simulações foi de 100 segundos para cada cenário aleatório. Os resultados das simulações encontram-se na figura 3, em que cada ponto é a média dos 50 cenários aleatórios. Comparamos dois esquemas: o de repasse e o de EDCA. O esquema de repasse é o proposto neste artigo, enquanto o esquema EDCA foi proposto em nosso trabalho anterior [5], que é o mesmo que o esquema de repasse, exceto que apenas leva em consideração a comunicação em um salto com o AP, durante a tomada de decisão quanto à admissão. A figura 3(a) mostra que o esquema de repasse pode servir a mais sessões VoIP do que o esquema EDCA, devido ao ganho do uso do repasse. A figura 3(b) compara os dois esquemas em termos do número total de sessões VoIP satisfatórias durante a simulação de 100 segundos. Chama-se uma sessão VoIP com R 80 de "sessão VoIP satisfatória". Na figura 3(b), o eixo horizontal é o atraso do wireline, que é o atraso que os pacotes de voz experimentam entre o gateway de voz remoto e o AP. Na medida em que o atraso do wireline cresce, é desejado um atraso do sistema sem fio menor, de modo que o atraso geral fim a fim seja suficientemente pequeno para garantir uma qualidade VoIP satisfatória. Como mostrado na figura, o esquema de repasse supera o EDCA na maioria dos cenários, numa ampla faixa de atrasos do wireline entre O e 140 ms. Entretanto, uma vez que o atraso do wireline supera os 140 ms, o número de sessões satisfatórias com o esquema de repasse cai drasticamente, enquanto o número de sessões satisfatórias com o esquema EDCA mantém-se alto, até que o atraso do wireline aumente para mais de 160 ms. Isso se deve ao atraso adicional da agregação, introduzido no esquema de repasse, ou seja, o maxWaitingTime para a agregação de pacotes no AP e na estação de repasse.

Conclusão

Neste artigo, propomos um esquema de provisionamento de VoIP com ajuda de repasse para melhorar a capacidade de uma WLAN, em termos do número total de sessões VoIP admitidas, com satisfatória qualidade de serviço. Nosso esquema de controle de admissão utiliza estações VoIP de alta taxa como estações de repasse para estações VoIP de baixa velocidade, para admitir o máximo possível de sessões VoIP. Além disso, empregamos um esquema de agregação de pacotes para melhorar as sobrecargas, causadas pelas transmissões duplicadas de pacotes pelas estações de repasse. Os resultados das simulações demonstram que o esquema proposto com a ajuda de repasse melhora significativamente a capacidade VoIP, sem comprometer a qualidade de serviço das sessões admitidas.

Fonte destas informações: Revista RTI - 8/2011


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