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