TQ/PSO - A New Scheduler to Optimize the Time Frame with PSO in WiMAX Networks

E. R. Dosciatti, W. Godoy Junior and A. Foronda

Abstract— The technological advances of recent years have

increased the number of users using communication networks, especially with multimedia services such as IPTV, video conferencing and VoIP. As these services generate a large demand on the network infrastructure, the communication networks for wireless broadband, based on the IEEE 802.16 standard, known as WiMAX, meet the various demands of end users, such as the need for access to data at all times, anywhere, and efficient broadband connection. The guarantee of quality of services is a major factor for the performance of communication networks, for this, the scheduling mechanisms, call admission control and traffic policing, should be present. Considering that the IEEE 802.16 standard specifies the mechanisms of how these policies should be implemented, this article aims to present a new scheduler for uplink traffic, with guarantee of quality of services, using the meta-heuristic particle swarm optimization to calculate the duration of time frame, and it is possible to find an optimal value to provide a better allocation of network users.

Keywords— IEEE 802.16, WiMAX, QoS, PSO, Time Frame.

I. INTRODUÇÃO ACESSO à Internet banda larga é um serviço de demanda globalizada e em plena expansão. Segundo [1],

o grande desafio é democratizar este acesso, que é considerado a grande fronteira da comunicação para o início deste século. Considerando a expansão das redes de comunicações e a crescente integração de mídias que convergem para interagir em um único ambiente, a qualidade da conexão se tornou um parâmetro indispensável à vida moderna.

O surgimento de dispositivos tecnológicos de última geração que utilizam o acesso sem fio, permitiu uma mudança no perfil de acesso às redes de computadores, gerando uma forte demanda por aplicações envolvendo tráfego de voz, vídeo e dados [2]. Com isso, a grande batalha é prover acesso de banda larga de forma eficiente, com baixo custo de implantação e manutenção e possibilitar que o usuário tenha a informação disponível a qualquer hora e em qualquer lugar.

Uma solução viável para prover o acesso à Internet banda larga, para reduzir os custos de implantação, manutenção e atualização, é a utilização de tecnologias sem fio, tais como rádio, Wi-Fi (Wireless Fidelity), WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), LTE (Long Term Evolution), satélite, 3G e 4G [3].

Baseado nestes fatores, este trabalho faz uso da tecnologia WiMAX, uma tecnologia de comunicação sem fio que utiliza acesso de banda larga de alta velocidade sem fio para as redes

E. R. Dosciatti, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Pato

Branco, Paraná, Brasil, edenrd@utfpr.edu.br W. Godoy Junior, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR),

Curitiba, Paraná, Brasil, godoy@utfpr.edu.br A. Foronda, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR),

Curitiba, Paraná, Brasil, foronda@utfpr.edu.br

metropolitanas sem fio [4]. As redes WiMAX se tornaram uma opção atraente para o acesso de banda larga sem fio para a última milha, pois oferecem uma boa relação custo-benefício, como alta capacidade de transmissão de dados a um custo relativamente baixo de implantação. Além disso, a infraestrutura para montagem da rede central é totalmente baseada em IP (Internet Protocol), possui uma baixa latência e um avançado provisionamento de qualidade de serviço (QoS - Quality of Service) [5].

O padrão IEEE 802.16 [6] descreve as normas e práticas recomendadas para suportar o desenvolvimento e implantação de redes WiMAX, através da especificação de políticas de escalonamento, de controle de tráfego e de controle da conexão, porém, não estabelece como implementá-las.

Assim, este trabalho tem como objetivo propor um novo escalonador para o tráfego no sentido uplink, nominado de TQ/PSO (Tempo do Quadro/Particle Swarm Optimization), que tem como função principal a garantia de QoS para as cinco classes de serviço especificadas pelo padrão IEEE 802.16 [6], que são, UGS (Unsolicited Grant Service), ertPS (extended real-time Polling Service), rtPS (real-time Polling Service), nrtPS (non-real-time Polling Service) e BE (Best Effort), com a garantia de recursos para as classes de tempo real e com garantia de recursos mínimos necessários para as aplicações que não são de tempo real.

O escalonador TQ/PSO apresenta um método para o cálculo da duração do tempo do quadro (TQ), utilizando a meta-heurística otimização por enxame de partículas (PSO - Particle Swarm Optimization). A escolha da meta-heurística PSO se deve ao fato de ser uma técnica bastante eficiente para o cálculo da duração do tempo do quadro, pois tem a possibilidade de encontrar a melhor solução em um espaço de busca definido. Outro fator importante para a escolha do PSO é pelo fato da técnica apresentar um algoritmo relativamente simples para encontrar a solução. Com o uso do PSO, mais usuários tem acesso ao sistema, evitando o desperdício de banda pelo fato de a transmissão dos quadros ser feita com capacidade total, sem segmentos físicos vazios, garantindo QoS para todas as conexões.

Após o cálculo do TQ ideal, o escalonamento é realizado em três etapas, executadas de forma hierárquica, permitindo um controle das filas do escalonador no sentido do tráfego uplink da estação base.

O restante deste artigo está estruturado da seguinte forma: no Capítulo II, uma descrição da técnica de otimização PSO; no Capítulo III, uma visão geral do padrão IEEE 802.16; no Capítulo IV, o escalonador TQ/PSO, detalhando o mecanismo para otimização do TQ com a utilização do PSO; no Capítulo V a avaliação do desempenho do escalonador TQ/PSO, com os resultados; e, no Capítulo VI, as considerações finais deste trabalho.

O

II. OTIMIZAÇÃO POR ENXAME DE PARTÍCULAS

A técnica de otimização por enxame de partículas (PSO) é um método de otimização baseado em agentes autônomos ou população de indivíduos, desenvolvido inicialmente por [7]. A ideia inicial da pesquisa era simular matematicamente o comportamento social de um bando de pássaros e de um cardume de peixes. Com o avanço das pesquisas, chegou-se a conclusão de que, com algumas modificações, o modelo de comportamento social também poderia servir como um poderoso otimizador [8].

No PSO, a população, denominada de enxame, é composta por partículas, que realizam buscas dentro de um espaço de busca multidimensional. Essas buscas são soluções candidatas, de cada partícula, para um determinado problema. Assim, em um intervalo de tempo, cada partícula ocupa uma posição específica dentro do espaço de busca, movimentando-se com uma determinada velocidade, sendo modificada com base na experiência adquirida pela própria partícula e na experiência das outras partículas do enxame. A posição e a velocidade de cada partícula são ajustadas a cada iteração [8].

O segredo do sucesso do PSO está, justamente, no procedimento da troca de experiências em que, a experiência de cada partícula, é continuamente comunicada a uma parte ou a todo enxame, fazendo, com isso, que todo o enxame se movimente para as áreas mais promissoras detectadas no espaço de busca [9].

A. Modelo Matemático do PSO O algoritmo PSO é baseado em um espaço de busca, onde

cada partícula, tratada como um ponto no espaço D-dimensional, representa uma solução potencial para um problema. O algoritmo inicializa aleatoriamente uma população de partículas e, para cada partícula i, é associada uma posição (xi) e uma velocidade (vi).

Uma característica fundamental da abordagem PSO é a sua simplicidade, pois o modelo é composto por apenas duas equações. Nestas equações, as partículas se movem no espaço de busca à procura da melhor solução possível. A velocidade é atualizada a cada iteração, conforme a Equação (1).

( ) ( )ki

kki

ki

+ki

+ki xgbestrc+xpbestrc+vw=v −− 2211

11 *** (1)

Na Equação (1), i é uma partícula que representa uma solução candidata; k representa o contador de iterações; vk

i é a velocidade atual da partícula i na iteração k; w representa a inércia da partícula, utilizado para controlar a exploração e utilização do espaço de busca, controlando o impacto das velocidades anteriores sobre a velocidade atual; c1 e c2 são parâmetros de confiança, também chamados de parâmetros cognitivo (c1), que é o quanto a partícula confia em si, e social (c2) que é o quanto uma partícula confia no enxame; r1 e r2 representam dois vetores com números aleatórios uniformemente distribuídos no intervalo [0-1], sendo r1 a variável aleatória para a parte cognitiva e r2 a variável aleatória para a parte social; pbestk

i é a melhor posição dentre todas as posições já encontradas pela partícula i (particle best); gbestk é a melhor posição das partículas dentre todas as posições já encontradas pelo grupo (group best); xk

i representa a posição atual da partícula i.

De acordo com a Equação (2), a nova posição da partícula i

é determinada pela soma da sua posição atual (xki) e a nova

velocidade (vki). É assumido que o enxame é formado por s

partículas (onde i ∈ [1 . . s]).

11 +ki

ki

+ki v+x=x (2)

Para cada intervalo k e para cada partícula i do enxame, o algoritmo PSO deve avaliar as Equações (1) e (2) e atualizar o vetor de posição da partícula i com os valores encontrados, calcular a função de aptidão da partícula i e atualizar os valores de pbestk

i e gbestk. Assim, a partícula i se move de acordo com a sua velocidade em direção à solução do problema.

A implementação do algoritmo PSO é descrita no pseudocódigo da Fig. 1.

Figura 1. Pseudocódigo do algoritmo PSO.

B. O Algoritmo PSO com restrições Os problemas encontrados no mundo real possuem

propriedades de: (i) múltiplas metas; (ii) função objetivo com ruídos e variáveis no tempo; (iii) dados mal estruturados; e (iv) restrições complexas. O tratamento de problemas com restrições afeta o espaço de busca, pois as restrições dividem o espaço de busca em soluções viáveis e inviáveis.

O algoritmo PSO, por tratar-se de um algoritmo natural, não trabalha diretamente com restrições, ou seja, foi definido para problemas sem restrições. Quando há restrições em problemas de otimização, as partículas que desrespeitam alguma restrição se enquadram em um grupo especial que merece um tratamento diferenciado.

Levando em consideração que uma restrição reduz o espaço de busca viável onde a solução do problema possa ser encontrada, algoritmos de otimização precisam garantir que uma solução viável seja encontrada, então, um algoritmo de otimização deve encontrar uma solução que otimize tanto a função objetivo quanto satisfaça todas as restrições. Se não for possível satisfazer todas as restrições, o algoritmo deve equilibrar as trocas entre o valor ótimo da função objetivo e o número de violações de restrições [10].

Desta forma, o algoritmo PSO precisa ser modificado para tratar as restrições de um determinado problema. O método adotado é baseado na preservação da viabilidade das soluções. A fim de encontrar o melhor no espaço possível, cada partícula pesquisa o espaço inteiro, mas só mantém rastreamento nas soluções viáveis. E, para acelerar este

processo, todas as partículas são inicializadas como soluções viáveis. O pseudocódigo do algoritmo PSO com as modificações necessárias para tratar com restrições é mostrado na Fig. 2. Este algoritmo apresenta duas modificações em relação ao algoritmo PSO original. Durante a inicialização, todas as partículas são inicializadas repetidamente até satisfazer todas as restrições. Ao calcular os valores de pbestk

i e gbestk, apenas as posições no espaço viável são computadas.

Figura 2. Pseudocódigo do algoritmo PSO com tratamento de restrições.

III. O PADRÃO IEEE 802.16

A. Arquitetura de uma rede padrão IEEE 802.16 A ideia das redes normatizadas pelo padrão IEEE 802.16

[6], denominadas de WiMAX, é oferecer acesso de banda larga em áreas metropolitanas, tendo uma área geográfica mais extensa do que as redes locais, suportando a interligação entre redes heterogêneas. As redes WiMAX devem atender aos anseios dos usuários finais, como mobilidade, acesso aos dados em qualquer lugar e a qualquer momento, garantia de qualidade de serviço, além de uma conectividade de banda larga eficiente e de baixo custo.

O padrão IEEE 802.16 [6] define a arquitetura de uma rede WiMAX com duas entidades participantes: estação base (BS - Base Station) e estação cliente (SS - Subscriber Station). Dependendo da configuração, uma rede WiMAX é composta por uma BS e uma ou várias SSs, conforme Fig. 3.

Figura 3. Arquitetura de uma rede WiMAX.

A BS é o nó central que coordena todas as atividades envolvendo as SSs, ou seja, toda a comunicação que uma SS

necessite, deve ser provida pela BS. As BSs são mantidas em torres e espalhadas de forma a otimizar a área de cobertura da rede.

B. Topologia de uma rede padrão IEEE 802.16 O padrão IEEE 802.16 define duas topologias de

comunicação entre os componentes da rede, ponto-multiponto (PMP) e mesh.

A topologia PMP, que é utilizada neste trabalho, está estruturada de tal forma que toda a comunicação entre as SSs é proporcionada pelo nó central, ou seja, todo tráfego passa pela BS, quer internamente, quer seja para que as SSs tenham acesso às redes externas. Assim, o tráfego flui apenas entre a BS e as SSs e vice-versa. A Fig. 4 mostra graficamente como ocorre a comunicação entre as várias SSs que estão conectadas em uma BS, quer sejam estações WiMAX fixas ou móveis.

Figura 4. Topologia ponto-multiponto.

A topologia mesh é composta por redes em malha sem fio autoconfiguráveis, com topologia dinâmica, variável e de crescimento orgânico, com roteamento dinâmico. No padrão IEEE 802.16, as redes com topologia mesh permitem que todas as SSs troquem informações entre si, sem a necessidade de um nó central, ou seja, o tráfego pode ser roteado através das SSs e pode ocorrer diretamente entre duas SSs [11].

C. Estrutura de um quadro no padrão IEEE 802.16 O padrão IEEE 802.16 especifica, para as redes WiMAX,

as camadas de controle de acesso ao meio (MAC – Medium Access Control) e física (PHY – Physical Layer). A camada MAC, tem a função de controle de acesso ao meio e da garantia do nível de QoS na interface aérea, por meio de mecanismos dinâmicos de reserva de banda e priorização de tráfego. Na camada PHY são especificados o espectro de frequência, os esquemas de modulação, as técnicas de correção de erros, a taxa de dados utilizada, a estrutura de multiplexação, a construção dos quadros e subquadros e como ocorre a sincronização entre um transmissor e um receptor.

A camada PHY opera no formato de quadros (frames). A norma especifica que os quadros tenham a duração no intervalo entre 2,5 ms e 20 ms [6]. Neste trabalho, a duração do tempo do quadro (TQ) é calculada de acordo com os parâmetros da rede, desta forma, em cada iteração do sistema, a duração do TQ é calculada, utilizando um algoritmo de

otimização baseado na meta-heurística PSO. É importante otimizar ao duração do TQ, pois com isso, pode-se evitar o desperdício de banda, haja visto que o quadro não estará sendo transmitido com segmentos vazios.

Os quadros são constituídos por intervalos de tempo denominados de segmentos físicos (physical slots- PS), sendo que o número de segmentos físicos existentes em um quadro é uma função da duração de um símbolo OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e da duração do TQ. Por exemplo, para um quadro com duração de 10 ms, e com um símbolo OFDM com duração de 13,89 µs, haverá cerca de 720 segmentos físicos para serem utilizados neste quadro.

Cada quadro é composto por dois subquadros, denominados de subquadro downlink (DL) e subquadro uplink (UL). A BS se utiliza do subquadro DL para enviar dados e informações de controle para as SSs. Por outro lado, o subquadro UL é utilizado pelas SSs para enviar dados e mensagens de requisição de largura de banda para a BS.

A Fig. 5 mostra a estrutura de um quadro. A duração dos subquadros DL e UL podem apresentar tamanhos variáveis e adaptativos, conforme os parâmetros utilizados pelo sistema.

Figura 5. Estrutura de um quadro no padrão IEEE 802.16.

IV. ARQUITETURA DO ESCALONADOR TQ/PSO

Um escalonador deve utilizar, de forma eficiente, a largura de banda disponível, possibilitando que uma quantidade maior de usuários possam ser alocados na rede, aumentando o nível de utilização do sistema. Pelo fato de um escalonador no sentido uplink, na BS, ser executado a cada quadro, o escalonador, desenvolvido neste trabalho, nominado de TQ/PSO, tem como objetivo a otimização da utilização da rede através do cálculo da duração do tempo do quadro (TQ).

Assim, a cada iteração do algoritmo de escalonamento e, conforme os parâmetros da rede utilizados naquele momento, um novo cálculo da duração do TQ é realizado, tendo a possibilidade de que mais usuários sejam alocados no sistema, tornando a rede mais dinâmica e mais eficiente.

O escalonador TQ/PSO possibilita a otimização da duração do TQ em redes WiMAX, com a utilização da meta-heurística de otimização por enxame de partículas. O TQ/PSO atua no sentido de tráfego uplink para a BS e está baseado na modulação OFDM, utilizando a topologia PMP (Point to Multipoint) e a duplexação por divisão de tempo (Time Division Duplexing - TDD).

O grande desafio do escalonador TQ/PSO é gerenciar o comportamento das filas das conexões que estão localizadas nas SSs, pois, como elas são separadas da BS, não se tem

informações sobre o tempo de chegada dos pacotes na fila. Assim, as SSs fazem acesso ao canal uplink através de mecanismos de requisição e concessão de largura de banda, para alocar recursos da BS, possibilitando que as SSs enviem suas requisições de largura de banda. O escalonador TQ/PSO depende dessas mensagens para manter-se informado sobre o estado atual da fila de cada conexão. É através destas mensagens que o escalonador TQ/PSO decide qual a ordem e quais requisições serão atendidas.

A arquitetura do escalonador TQ/PSO é apresentada nas Fig. 6 e Fig. 7.

Figura 6. Arquitetura do escalonador TQ/PSO – Estação Base (BS).

As requisições de banda, definidas através das mensagens de requisição de largura de banda, enviadas pelas SSs, são recebidas do subquadro UL e armazenadas em filas virtuais na BS, de acordo com as cinco classes de serviço especificadas pelo padrão IEEE 802.16 [6]. Para gerenciar as operações de requisição e alocação de largura de banda, a BS deve estar sincronizada com várias SSs.

Figura 7. Arquitetura do escalonador TQ/PSO – Subquadros DL e UL.

A função que cada camada executa no escalonamento da BS, conforme mostrado na Fig. 6, são descritas a seguir.

A Camada 1 (Cálculo da Duração do Tempo do Quadro Ideal) é o componente principal do escalonador TQ/PSO, e tem como objetivo calcular um tempo ideal para o quadro através do uso da meta-heurística PSO. Com o cálculo da duração do TQ ideal, o sistema poderá ser otimizado pelo fato

de que mais usuários poderão transmitir seus dados dentro de um mesmo quadro. Esse cálculo também evita que os quadros sejam transmitidos com segmentos físicos que não foram alocados para nenhuma SS.

Na Camada 2 (Alocação de Recursos), o problema da alocação dos recursos disponíveis para transmissões no sentido uplink é tratado. Esses recursos devem ser divididos considerando a capacidade de transmissão de cada segmento no subquadro de UL e alocados para oportunidades de requisição de banda ou de transmissão de dados pelas SSs.

A Camada 3 (Controle de Admissão de Conexões - CAC) é responsável pelo gerenciamento das filas de requisições de banda no sentido uplink enviadas pelas SSs nos quadros anteriores, que estão armazenadas e aguardam atendimento pela BS.

Após a execução das três camadas de escalonamento, uma mensagem UL-MAP é gerada. Esta mensagem, localizada no subquadro de DL, é formada por um conjunto de informações denominado de IE (Information Element), que se refere às regiões de dados dos subquadros de DL e UL. Cada IE contém a localização, duração, tipo e configuração AMC (Adaptive Modulation and Coding) de uma rajada. As IEs são classificadas em: (i) polling, que contém oportunidades de requisição de banda concedidas por polling; (ii) contenção, que contém oportunidades de requisição de banda concedidas em resposta a códigos informados no segmento de contenção do registro inicial de quadros anteriores; e (iii) dados, que contém oportunidades de transmissão de dados concedidas às SSs.

Cada SS tem a responsabilidade de tratar os IEs destinados ao seu CID (Connection Identifier), fornecendo os dados para transmissão ou uma requisição de banda, de acordo com o tipo de oportunidade recebida. Assim, o próximo subquadro UL é formado por informações fornecidas pelas SSs, transmitidas nas oportunidades indicadas pela UL-MAP. Esse processo é cíclico e é repetido para a geração de cada quadro.

As três camadas devem ser empregadas para os requisitos de QoS das aplicações agrupadas nas classes de serviço. Em cada classe de serviço, o mecanismo de alocação de banda é utilizado. Os recursos são alocados, para cada SS, sob demanda. Quando uma SS necessita requisitar banda para uma conexão, ela envia uma mensagem para a BS contendo o pedido. Essa requisição de banda pode ser na forma de um pacote, cujo cabeçalho da mensagem vai sinalizar uma requisição de banda, ou pode ser enviada juntamente com um pacote de dados, neste caso, denominado de Piggyback, que significa que a requisição de banda está indo de “carona” com o pacote de dados enviado pela SS. Todas as requisições de banda devem indicar o número de bytes necessários para transmitir os dados e o cabeçalho MAC.

O padrão IEEE 802.16 [6] define as opções de utilização das estratégias previstas pelos mecanismos de alocação de banda uplink, de acordo com cada classe de serviço. A Tabela I resume os mecanismos de alocação de banda implementados no escalonador TQ/PSO, dentro das possibilidades previstas pela norma. Assim, a Tabela I indica que as classes UGS e ertPS recebem oportunidades de transmissão, sem a necessidade de requisição. Isso ocorre para atender o padrão IEEE 802.16 e para suprir as necessidades de transmissão em intervalos constantes, que é característica de aplicações que

estão classificadas nestas duas classes de serviço.

TABELA I. ESTRATÉGIA DE UTILIZAÇÃO DO MECANISMO DE ALOCAÇÃO DE BANDA UPLINK NO ESCALONADOR TQ/PSO.

Estratégia de alocação de banda UGS ertPS rtPS nrtPS BEOportunidades de transmissão não

solicitadas X X - - - Polling unicast - - X - -

Polling baseado em contenção - X - X X

A classe ertPS pode sinalizar para a BS, através do segmento de contenção, no início do subquadro de UL, sobre a necessidade de alteração no tamanho das oportunidades de transmissão de dados que vêm sendo concedidas àquela conexão ertPS. A Tabela I mostra esta possibilidade através da utilização de requisições de polling baseado em contenção.

A classe rtPS é servida por oportunidades de requisição de banda polling unicast para garantia dos requisitos de atraso das aplicações classificadas nesta classe de serviço. As classes nrtPS e BE somente utilizam oportunidades de requisição de polling baseado em contenção. Como estas requisições geram uma menor sobrecarga de informações de controle na rede, são utilizadas pelas SSs apenas quando possuem conexões pertencentes as classes nrtPS e BE, com informações aguardando transmissão. Isso é possível porque as conexões agrupadas nas classes de serviço nrtPS e BE não possuem fortes requisitos de QoS.

A Tabela II relaciona todas as variáveis, com suas descrições, utilizadas para encontrar a duração do TQ Ideal.

TABELA II. LISTA DE VARIÁVEIS UTILIZADAS PARA O CÁLCULO DO TQ IDEAL.

Variável Descrição θi Latência

ri Taxa alocada pelo servidor TDL Tempo do subquadro de downlink (DL) TUL Tempo do subquadro de uplink (UL)

Lmax,i Tamanho máximo de um pacote de dados R Capacidade física do canal

TTTG Intervalo de tempo entre o subquadro de DL e UL

TRTG Intervalo de tempo entre o subquadro de UL e DL

Bri Taxa do balde de fichas Bti Tamanho do balde de fichas Di Atraso máximo permitido na fila

Dbound Limite de atraso superior Dmax,i Atraso máximo requerido pelo usuário TQi Duração do tempo do quadro ideal Δ Soma dos segmentos de contenção, composto pelo

segmento de registro inicial e pelo segmento de requisição de largura de banda

TUi Tempo do usuário

TQmin Tempo mínimo de duração de um quadro TQmax Tempo máximo de duração de um quadro

A. Camada 1 – Cálculo da duração do TQ ideal A Camada 1 do escalonador TQ/PSO é responsável pela

execução do cálculo da duração do tempo do quadro (TQ), para a transmissão dos dados no sentido do tráfego uplink, sendo um diferencial na arquitetura de escalonamento para as redes WiMAX.

O escalonador TQ/PSO é baseado no trabalho de [12], onde um modelo de escalonador, denominado Latency-Rate (LR), foi desenvolvido, com o objetivo de estudar o comportamento do pior caso de sessões individuais em uma rede de

escalonadores com a utilização de diferentes algoritmos de escalonamento, possibilitando calcular um atraso fim-a-fim em uma rede com vários tipos de escalonadores.

Diante disso, o modelo de funcionamento de um escalonador, baseado no servidor LR, é determinado por dois parâmetros: a latência e a taxa alocada pelo servidor. A latência de um servidor LR é o pior caso de atraso, medido pelo primeiro pacote do período ocupado em uma sessão, que é um pacote chegando quando a fila da sessão está vazia.

O escalonador TQ/PSO utiliza o algoritmo do balde de fichas (token bucket) para modelar seu tráfego de entrada. A ideia é que o balde de fichas estabeleça um limite para a entrada do tráfego e o escalonador estabeleça uma taxa de alocação para cada usuário. Desta forma, se a taxa alocada pelo escalonador é maior que a taxa do balde de fichas, um atraso máximo é calculado.

Assim como no modelo LR [12], o comportamento do escalonador TQ/PSO é determinado por dois parâmetros para cada sessão: θi e ri. A latência é um período do tempo do quadro (TDL + TUL), do tempo para transmitir um pacote de tamanho máximo (Lmax,i / R) e dos parâmetros dos intervalos de separação dos subquadros de DL e UL (TTTG e TRTG), determinado pela Equação 3.

RTGTTGimax,

ULDLi T+T+R

L+T+T=θ

(3) A aplicação usando a sessão i declara Lmax,i e requisita o Di

e que é utilizado pelo escalonador para calcular a taxa de serviço de cada sessão, para que possa garantir o atraso requisitado e, desta forma, otimizar o número de estações na rede. Assim, o tráfego de entrada (A), em um determinado período de tempo (t), da sessão i (i = 1, ..., N), passa pelo balde de fichas de uma SS durante o intervalo (0, t), conforme mostrado na Fig. 8.

Figura 8. Tráfego de entrada modelado por um balde de fichas.

Essa passagem do tráfego de entrada pelo balde de fichas é limitada por Bti e por Bri, expressa pela Equação (4).

( )tBr+Bt<A iii (4)

Desta forma, o pacote fica na fila da estação, até que ele acesse o meio sem fio e transmita. Esse tempo de espera é medido desde quando o último bit do pacote é recebido e enfileirado na estação, até que ele acesse o meio sem fio e transmita. Esse atraso na fila depende dos parâmetros do balde de fichas, da latência da rede e da taxa alocada pelo servidor.

O limite de atraso superior é definido pela Equação (5).

i

imax,i

i

ibound r

Lθ+

rBt=D −

(5) Com Di e Dbound definidos, o terceiro tipo de atraso no

escalonador TQ/PSO é o atraso Dmax,i. A relação entre eles é Di ≤ Dbound ≤ Dmax,i.

Com os três tipos de atraso definidos e através das Equações (3), (4) e (5), é possível definir a primeira condição de restrição de atraso para que o escalonador TQ/PSO possa realizar o cálculo da duração do TQ ideal, que é definida pela Equação (6).

( )imax,RTGTTG

imax,

imax,i

imax,i DT+T+R

L+TQ+

L+RΔTQrTQLBt

∗−∗∗−

(6) A Fig. 9 mostra a estrutura de um quadro TDD com a

alocação das fórmulas descritas pela Equação (6).

Figura 9. Alocação das fórmulas na estrutura de um quadro TDD.

No escalonador TQ/PSO, R, Lmax,i e Bti são parâmetros declarados pela aplicação. Entretanto, TQi e ri são parâmetros que devem ser calculados para satisfazer a Equação (6).

A segunda condição de restrição para que o escalonador TQ/PSO possa realizar o cálculo da duração do TQ ideal, é definida pela Equação (7), onde Bri, ∆ e Lmax,i, devem ser menor do que ri, para o atraso Dbound.

ii

i rTQ

L+R=Br ≤

Δ max,*

(7)

B. Otimização do tempo do quadro (TQ) utilizando o PSO Neste trabalho, para encontrar o valor do TQ ideal, é

utilizada a otimização por enxame de partículas (PSO) [7], por se tratar de um método de otimização heurística, que tem como objetivo a busca de valores, dentro de um conjunto de parâmetros, para maximizar ou minimizar uma determinada função objetivo, sujeita a certas restrições que são impostas pelo problema. As restrições fazem com que ocorra uma redução no número de soluções possíveis, sendo que, se uma solução satisfaz todas as restrições, ela é chamada de solução viável. Dentre todas as soluções viáveis, o problema de otimização refere-se à detecção de uma solução ótima.

Assim, para otimizar a duração do TQ, em cada iteração do sistema, uma nova duração do TQ ideal é calculada. Levando em consideração que a meta-heurística PSO utiliza apenas as soluções viáveis, as soluções candidatas ao TQ ideal seguem as restrições da formulação matemática descrita a seguir:

Função Objetivo:

( )TQ

TU=TQMinimizar

n

=ii

1

(8)

Sujeito a:

maximin TQTQTQ (9)

( )imax,RTGTTG

imax,

imax,i

imax,i DT+T+R

L+TQ+

L+RΔTQrTQLBt

∗−∗∗−

(10)

iimax,

i rTQ

L+RΔ+Br ≤

∗

(11)

( ) ( )[ ]1110 E (12)

Depois de realizado o cálculo da duração do TQ ideal, tem-se a taxa mínima do servidor para cada fluxo, com seu limite de atraso. Assim, o valor de TUi, pode ser calculado através da Equação (13).

ΔRTQr=TU i

i −∗

(13)

No escalonador TQ/PSO, quando uma nova SS requisitar acesso para a BS, se alguma SS deixar a rede ou se uma SS alterar seus parâmetros de QoS, os valores de TQi e TUi são calculados novamente. Esta é a característica mais importante que torna o escalonador TQ/PSO diferente dos demais escalonadores, pois enquanto, no TQ/PSO, o valor de um TQi é calculado a cada iteração, no outros escalonadores, o valor do tempo do quadro, é fixo durante todo o escalonamento.

C. Camada 2 – Alocação de Recursos A Camada 2 do escalonador TQ/PSO é responsável pela

organização das rajadas transmitidas no subquadro UL. Estas rajadas são alocadas considerando os símbolos OFDM e a configuração AMC utilizada na transmissão do quadro.

Um símbolo OFDM é uma pequena porção de informação, resultante da divisão do espectro de frequências ortogonais em subportadoras, característica do funcionamento da modulação OFDM. Na Fig. 10, que representa um símbolo OFDM, Tb é o tempo útil do símbolo OFDM, ou seja, o tempo de transmissão efetiva, e Tg corresponde ao tempo de guarda, ou seja, é uma cópia da porção final de Tb do símbolo OFDM, que tem como objetivo a geração do prefixo cíclico (CP - Cyclic Prefix).

Figura 10. Estrutura de um símbolo OFDM.

Ts é o tempo total de duração de um símbolo OFDM. A duração de um símbolo OFDM (Ts) é calculada através da Equação (14).

( )G+

NBWn

=T

FFT

s 11 ∗

∗ (14)

Na Equação (14), n representa o fator de amostragem utilizado para determinar o espaçamento entre as subportadoras e Tb. O padrão IEEE 802.16 [6] estabelece os valores que n pode assumir; BW é a largura de banda do canal; NFFT é o número de subportadoras utilizadas. Na modulação

OFDM é 256; G é uma proporção que indica o tempo destinado ao CP em relação a porção do símbolo destinada a transmissão de Tb. Os valores definidos pelo padrão são 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32. Por exemplo, quando a BS especificar a utilização de G com valor de 1/4, significa que 25% da duração do símbolo OFDM será destinada a transmissão de informações redundantes.

Como exemplo, os parâmetros definidos na Tabela III são utilizados para o cálculo da duração de um símbolo OFDM.

TABELA III. PARÂMETROS PARA O CÁLCULO DA DURAÇÃO DE UM SÍMBOLO OFDM.

Parâmetro Valor BW 20 MHzNFFT 256 portadorasG 1/4n 144/175 → como BW é definido com valor de 20 MHz,

pelo padrão IEEE 802.16 [6], o fator de amostragem é múltiplo de 1.75 MHz.

Aplicando os valores definidos na Tabela III na Equação (14), a duração do símbolo OFDM é de 13,89 μs. Este valor é utilizado neste trabalho para validação do modelo na Seção V.

A partir da definição do valor de um símbolo OFDM é possível determinar a capacidade de transmissão da unidade de alocação mínima utilizada no subquadro UL, ou seja, o segmento físico UL (NsegUL), conforme a Equação (15).

NsegUL = ⌈TQi

T s ⌈ (15)

Na Equação (15), o valor de TQi, é calculado na Camada 1, conforme os parâmetros da rede e, a cada iteração do escalonador, seu valor poderá ser alterado, de acordo com o comportamento da rede.

Retomando o exemplo do cálculo da duração do símbolo OFDM, com o valor calculado de Ts de 13,89 μs, se a duração do TQi for calculada em 10 ms, com a utilização da Equação (15), ter-se-á 720 segmentos físicos para serem utilizados por este quadro.

Com o valor de NsegUL, a Camada 2 do escalonador TQ/PSO pode definir as áreas do subquadro UL utilizadas para requisição de banda e transmissão de rajadas de dados e que são enviadas pela mensagem ULMAP. A quantidade de segmentos físicos destinados a cada uma dessas áreas é definida com a utilização do algoritmo de escalonamento PQ (Priority Queuing), com a seguinte prioridade: (i) registro inicial; (ii) IE polling; (iii) oportunidades para requisição de banda por contenção (IE contenção); e (iv) oportunidades para transmissão de dados (IE dados). A Camada 2 realiza a alocação apenas dos três primeiros grupos. A porção do quadro destinada as oportunidades de transmissão de dados (IE Dados), é gerenciada pela Camada 3.

Desta forma, a Camada 2 fornece, para a Camada 3, a quantidade de segmentos físicos disponíveis para alocação de oportunidades de transmissão de dados (NsegDados), que serão distribuídos entre as SSs para transmissão de dados. Esse parâmetro é calculado pela Equação (16).

( )( )Δ+T+T+T+TQ=N RTGTTGDLsegDados (16)

D. Camada 3 – Controle de Admissão de Conexões (CAC) A Camada 3 do escalonador TQ/PSO foi projetada para

realizar o controle de admissão das conexões, garantindo o

gerenciamento de QoS da rede, ou seja, vai definir quais requisições devem ser atendidas no próximo subquadro de UL. Desta forma, a Camada 3 é responsável pelo gerenciamento das filas de requisições de banda no sentido uplink enviadas pelas SSs nos quadros anteriores, que estão armazenadas e aguardam atendimento pela BS.

Após o cálculo da quantidade de segmentos necessários para o atendimento de cada requisição, efetuado pela Equação (16), o CAC recebe a quantidade de segmentos físicos NsegDados e inicia seu procedimento priorizando o atendimento das filas com requisitos de tempo real e com necessidade de transmissão constante. A solução escolhida é baseada na disciplina de escalonamento PQ (Priority Queuing), que armazena os pacotes dos tráfegos de serviço em filas dedicadas, permitindo que sejam atribuídos diferentes níveis de prioridade para seu atendimento.

Assim, cada classe de serviço tem como base um nível de prioridade em relação às outras classes, e foram definidos da seguinte forma: (i) para a classe de serviço ertPS, nível de prioridade 1; (ii) nível de prioridade 2 para a classe de serviço UGS; (iii) nível de prioridade 3 para a classe de serviço rtPS; (iv) para a classe de serviço nrtPS, nível de prioridade 4; e, (v) para a classe de serviço BE, nível de prioridade 5. Com esta configuração de prioridades, existe um tratamento diferenciado com a priorização para o tráfego de tempo real, armazenado em filas de maior prioridade, em relação ao tráfego de tempo não real, que é tolerante ao atraso.

V. RESULTADOS

O desempenho obtido com o escalonador TQ/PSO é realizado em duas etapas.

A primeira etapa é realizada em três cenários, com diferentes cargas de tráfego e os resultados obtidos são comparados com os resultados obtidos no trabalho desenvolvido por [13], para demonstrar a eficiência da utilização da meta-heurística PSO no cálculo da duração do tempo do quadro (TQ).

A segunda etapa utiliza o valor do TQ ideal, calculado na primeira etapa, e os resultados são comparados com o trabalho de [14], demonstrando o desempenho nos quesitos de atraso e vazão, utilizando o mesmo cenário e a mesma carga de tráfego de [14], tendo como única alteração a duração do TQ, que no trabalho de [14] é fixado em 5 ms e, neste trabalho, utiliza o valor do TQ ideal, calculado na primeira etapa.

A. Primeira Avaliação – Cálculo do TQ Ideal Na primeira avaliação, o ambiente de simulação utilizado

foi desenvolvido na linguagem de programação C [15], para que o ambiente de simulação representasse o ambiente utilizado em [13]. O escalonador TQ/PSO foi simulado em uma rede IEEE 802.16 composta por uma BS que se comunica com 18 SSs, com somente um tráfego por SS e o destino de todos os fluxos é a BS.

Das 18 Sss envolvidas na simulação do atraso máximo garantido, existem diferentes tipos de tráfegos, sendo que, conforme a sumarização apresentada na Tabela IV, 6 SSs enviam, para a BS, tráfego de áudio CBR, 6 SSs enviam tráfego de vídeo VBR e 6 SSs enviam tráfego de vídeo MPEG4.

TABELA IV. DIFERENTES TRÁFEGOS UTILIZADOS PARA O CÁLCULO DO TQ IDEAL.

Número de SSs

Aplicação Período de Chegada

(ms)

Tamanho do Pacote

(max)(bytes)

Taxa de Envio(kb/s)(média)

1 → 6 Áudio 4,7 160 647 → 12 Vídeo VBR 26 1024 ≈ 20013 → 18 Vídeo MPEG4 2 800 3200

Todos os parâmetros das camadas PHY e MAC, utilizados nesta simulação, estão sumarizados na Tabela V.

TABELA V PARÂMETROS DAS CAMADAS PHY E MAC PARA O CÁLCULO DO TQ IDEAL.

Parâmetro ValorLargura de Banda 20 MHzDuração do Símbolo OFDM 13,89 μsAtraso Requerido pelo Usuário 5/10/15 e 20 msΔ (Initial Ranging e BW Request) → 9 símbolos OFDM 125,10 μsTTG + RTG → 1 símbolo OFDM 13,89 μsCabeçalho do subquadro de UL → 10% símbolo OFDM 1,39 μsTaxa de Dados Máxima 70 Mbps

O desempenho do novo escalonador é avaliado através do atraso requerido pelo usuário e das estações alocadas. Inicialmente, os parâmetros do balde de fichas são estimados de acordo com as características do tráfego de entrada, conforme demonstrado na Tabela VI

TABELA VI. PARÂMETROS DO BALDE DE FICHAS PARA O CÁLCULO DO TQ IDEAL.

Parâmetro Áudio Vídeo VBR Vídeo MPEG4Tamanho do Balde de Fichas (bits) 3000 18000 10000Taxa do Balde de Fichas (kb/s) 64 500 4100

Para calcular o valor da duração do TQ ideal, são utilizados os parâmetros do balde de fichas, o atraso máximo requerido pelo usuário, a taxa física e o comprimento máximo do pacote.

A Tabela VII mostra o valor que corresponde a duração de um TQ ideal, para o três tipos de tráfego utilizados (áudio, vídeo VBR e vídeo MPEG4), com os valores de TF ótimo calculados no trabalho de [13], para os quatro valores de atraso requerido pelo usuário (5, 10, 15 e 20 ms).

TABELA VII. DURAÇÃO DO TQ IDEAL PARA DIFERENTES TRÁFEGOS.

Atraso Requerido Dmax,i - (ms)

TF ótimo [13] (ms)

TQ/PSO ideal (ms)Áudio Vídeo VBR Vídeo MPEG4

5,00 3,00 2,91 2,95 2,9910,00 6,50 6,22 6,33 6,4715,00 10,50 10,29 10,35 10,3520,00 15,00 14,64 14,09 14,67

Na Tabela VII, observa-se que a duração do TQ/PSO ideal é praticamente igual a duração do TF ótimo [13], nos três tipos de tráfego. Isso evidencia que o método desenvolvido neste trabalho, utilizando o PSO para o cálculo do TQ ideal é validado no modelo.

A Fig. 11 mostra que, com o uso da meta-heurística PSO para o cálculo da duração do TQ ideal, haverá uma redução na quantidade de passos executados para calcular o valor do TQ/PSO ideal, em relação ao TF ótimo [13]. Essa redução se deve ao fato de que o algoritmo PSO, desenvolvido para calcular o TQ/PSO ideal, utiliza quatro restrições, definidas na Seção IV, para encontrar a solução do problema. Basicamente, o algoritmo PSO inicializa todas as partículas repetidamente, até satisfazer todas as restrições impostas. Essas partículas que satisfazem todas as restrições, são denominadas de soluções candidatas e constituem o espaço de busca viável para a encontrar a melhor solução. Este é o diferencial que faz com que o número de execuções, para encontrar o valor do

TQ/PSO ideal, seja reduzido.

Figura 11. Número de execuções para encontrar o TQ/PSO ideal.

O gráfico da Fig. 11 mostra que, com a utilização do PSO, ocorre um melhor desempenho para o cálculo da duração do TQ ideal. Por exemplo, para um atraso Dmax,i de 5 ms, que é requerido pelo usuário, a diferença entre o número de execuções é, em média, de 1.757,14%. Para um Dmax,i de 10 ms, a diferença, entre o número de execuções, é de 2.284,00%, em média. Para um Dmax,i de 15 ms, a diferença entre o número de execuções é, em média, de 2.316,16 % e, para um Dmax,i de 20 ms, a diferença, entre o número de execuções, é de 2.370,86%, em média.

Em relação ao tempo de execução, com o uso do PSO, ocorre uma redução significativa. Na Fig. 12, o resultado da simulação com o tráfego de vídeo MPEG4 pode ser observado e a Tabela VIII relaciona todos os valores do atraso requerido pelo usuário com o cálculo do TQ/PSO Ideal e o TF Ótimo[13].

Figura 12. Tempo de execução do TQ/PSO Ideal vs. TF Ótimo[13].

TABELA VIII. TEMPO DE EXECUÇÃO DO TQ IDEAL E DO TF ÓTIMO [13].

Atraso requerido pelo usuário - Dmax,i (ms)

TQ/PSO ideal (ms)

TF Ótimo (ms)

5 0,23790 2,8470010 0,44370 8,3070015 0,80340 14,664020 0,95910 25,4530

Desta forma, é possível estabelecer que, com a utilização de uma ferramenta de otimização, neste caso o PSO, ocorre a redução do número de execuções e também do tempo gasto para executar o cálculo da duração do tempo de um quadro, possibilitando que a rede tenha um melhor rendimento, pois

mais usuários poderão ser alocados, utilizando todo o espaço disponível do quadro na transmissão dos pacotes, ou seja, não ocorrerá a transmissão com quadros portando segmentos vazios.

B. Segunda Avaliação – Comparação com [14] Nesta segunda etapa de avaliação do escalonador TQ/PSO,

o ambiente é modelado e avaliado com a utilização da ferramenta de simulação de redes de computadores NS-2 (Network Simulator) [16], na versão NS-2.33, em conjunto com o módulo que implementa a camada MAC do padrão IEEE 802.16, desenvolvido em [17]. As simulações realizadas têm o objetivo de verificar as propriedades do escalonador TQ/PSO e analisar seu comportamento em uma rede com canal em condições ideais, ou seja, sem perda ou alteração dos pacotes.

Neste experimento, o cenário de simulação utilizado consiste de uma BS e 62 SSs, sendo 15 SSs com tráfego UGS, 20 SSs com tráfego nrtPS, 20 SSs com tráfego BE, e as SSs com tráfego rtPS variam de 1-7 durante a simulação. A BS está localizada no centro de uma área de 250 x 250 m, conectada a um nó fixo por meio de um enlace de 100 Mbps e retardo de 2 ms, assim como em [14], com as SSs distribuídas no entorno da BS, de maneira aleatória. Cada SS tem um fluxo uplink e um fluxo downlink, que são mapeados para o mesmo tipo de serviço.

Os parâmetros utilizados nesta segunda avaliação estão descritos na Tabela IX. Na modelagem desta simulação, o canal de comunicações foi considerado ideal, sem as configurações da camada física, pois o foco do trabalho é a camada MAC.

TABELA IX. PRINCIPAIS PARÂMETROS DE CONFIGURAÇÃO DA REDE.

Parâmetro ValorArquitetura da rede PMPDuplexação TDDCamada física OFDMModulação BPSKDuração do tempo do quadro – TQ/PSO ideal Calculado em cada iteraçãoAtraso máximo (Di) UGS / rtPS 20 ms / 100 msCapacidade do canal 40 MbpsTempo de simulação 1000 sTempo do símbolo OFDM 13,89 μsIntervalo de confiança 95 %Prefixo cíclico (1/4) 0,25Fator de amostragem 144/125Frequência de operação 20 MHzFluxo de dados UGS, rtPS, nrtPS e BEModelo de propagação Two Ray GroundAntena OmnidirecionalTaxa UL/DL 1:1

Neste cenário, cada SS possui apenas uma aplicação. As aplicações são representadas pelas fontes de tráfego de voz, vídeo, FTP e Web que são servidas, respectivamente pelos serviços UGS, rtPS, nrtPS e BE. O tráfego de voz é modelado por uma fonte on/off cuja duração segue uma distribuição exponencial com médias iguais a 1,2 e 1,8 segundos, respectivamente, com pacotes de 66 bytes gerados a cada 20 ms durante o período on [18].

O tráfego de vídeo foi obtido a partir de traces de vídeos reais cujas características são apresentadas na Tabela X [19].

TABELA X. CARACTERÍSTICAS DOS TRACES DE VÍDEOS UTILIZADOS NAS SIMULAÇÕES.

Vídeo Taxa média (Mbps)

Taxa de pico (Mbps)

Variância do tamanho frames

Hurst

Friends vol4 0.181544 1.175520 71620243.645425 0.777175Lecture Gupta 0.181544 2.218080 71620243.645425 0.777175Baseball 0.144776 1.859760 38430999.822669 0.684708Lady Tramp 0.048951 0.910080 8282030.584567 0.813108Ice Age 0.065940 1.058400 11347671.977999 0.834963Dreamcatcher 0.063146 0.932400 8685118.764458 0.700975Aladdin 0.209853 2.242800 72480467 0.876541

O tráfego de transferência de arquivos via FTP é gerado utilizando mensagens de comprimentos exponencialmente distribuídos com média de 512 KBytes.

O tráfego Web é gerado a partir de uma distribuição híbrida Lognormal/Pareto, cujo corpo da distribuição corresponde à uma área de 0,88 e é modelado por uma distribuição Lognormal com média igual a 7247 bytes, enquanto que a cauda é modelada por uma distribuição Pareto com média de 10558 bytes [20].

O intervalo entre concessões de dados periódicos para os serviços UGS é de 20 ms, pois, de acordo com o padrão IEEE 802.16 [6], a BS deve alocar concessões para esse serviço em intervalos iguais aos intervalos em que a aplicação gera os pacotes. O intervalo entre polling unicast (concessões periódicas) para o envio de mensagens de requisição de banda é de 20 ms para o serviço rtPS e de 1 s para os fluxos nrtPS. O requisito de atraso máximo limitado para os fluxos da classe rtPS é de 100 ms e o requisito de banda mínima varia para cada conexão de acordo com a taxa média do vídeo transmitido, conforme a Tabela X. Os fluxos nrtPS tem requisito de banda mínima de 200 Kbps e os fluxos BE não tem nenhum requisito de QoS. Para cada valor testado referentes à taxa de chegada das conexões, foram executadas 10 replicações com sementes diferentes, para gerar o intervalo de confiança de 95 %. Cada simulação teve duração de 1000 s.

O objetivo deste experimento é avaliar como o escalonador TQ/PSO se comporta, com o cálculo da duração de um TQ ideal, quando o número de conexões rtPS varia de 1 a 7. Para isso, o cálculo da duração do TQ ideal é realizado, com a utilização dos mesmos parâmetros do experimento de [14], especificados na Tabela IX, sendo o valor calculado para a duração do TQ ideal de 4,6 ms e é utilizado para a simulação deste experimento, conforme mostrado na Fig. 13.

Figura 13. Comparativo do cálculo do Tempo do Quadro.

Assim, o TQ ideal tem uma redução em 8% em relação ao tempo do quadro utilizado no experimento de [14], com os mesmos parâmetros. Isso significa que com o uso do TQ ideal, ocorre um aumento da eficiência, pois a duração do tempo do

quadro está sendo menor, utilizando, para os mesmos usuários, menos largura de banda, o que significa que ao final do escalonamento, mais quadros podem ser enviados e mais usuários podem utilizar o sistema sem desperdício de largura de banda.

Na Fig. 14 pode ser verificado que o atraso na classe de serviço UGS, nos dois escalonadores, não foi afetado pelo aumento da carga oferecida. O atraso na classe de serviço rtPS aumentou quando novas conexões foram admitidas, mas se mantendo abaixo dos 100 ms requisitados. É na questão do atraso requisitado pelas conexões da classe de serviço rtPS que o escalonador TQ/PSO pretende atuar com o uso do cálculo da duração do TQ ideal, pois, pelo experimento de [14], reproduzido aqui neste trabalho, percebe-se que existe um atraso máximo, para as conexões rtPS, abaixo de 30 ms e o solicitado foi de 100 ms, ocorrendo um desperdício de banda, pois o escalonador está garantindo sempre 100 ms.

Figura 14. Atraso das conexões UGS e rtPS.

A Fig. 15 apresenta a vazão das conexões nrtPS e BE com o uso do escalonador TQ/PSO e com o trabalho de [14].

Figura 15. Vazão das conexões nrtPS e BE.

Nos dois escalonadores, os resultados são semelhantes, sendo que o escalonador TQ/PSO tem melhor desempenho

pelo fato de utilizar o cálculo da duração do TQ ideal. Assim, na Fig. 15, pode ser verificado que até que o sistema tenha admitido 5 conexões com a classe de serviço rtPS, a vazão das conexões com tráfego da classe de serviço BE é superior que as conexões com tráfego da classe de serviço nrtPS. Isso se deve ao fato de que quando existe sobra de recursos, o escalonador destina esta sobra para o tráfego de baixa prioridade, para evitar o desperdício de banda. O tráfego da classe de serviço nrtPS, que gera uma carga de 200 Kbps é todo atendido. Quando o número de conexões da classe de serviço rtPS é superior a 5 conexões, os recursos destinados às conexões da classe de serviço BE são utilizados para satisfazer as necessidades das classes de maior prioridade. Desta forma, os resultados demonstram que a utilização do cálculo da duração do TQ ideal melhora o desempenho do escalonador TQ/PSO, pois evita que quadros trafeguem com segmentos vazios, alocando mais usuários e diminuindo o desperdício de banda.

VI. CONCLUSÃO

Na norma definida pelo padrão IEEE 802.16 [6], as camadas PHY e MAC, estão definidas como sendo orientadas à conexão, e que a comunicação entre os elementos da rede, realizada pela estação base (BS) e estação cliente (SS), é gerenciada através de fluxos de serviços, que são mapeados e atendidos de acordo com os requisitos de QoS das classes de serviço UGS, ertPS, rtPS, nrtPS e BE. Assim, o padrão é capaz de prover QoS para classes heterogêneas com diferentes requisitos de QoS.

Este artigo apresentou o desenvolvimento do escalonador TQ/PSO para o tráfego no sentido uplink para a BS em redes IEEE 802.16. O mecanismo de escalonamento proposto se utiliza de uma abordagem hierárquica, com 3 camadas, para realizar o escalonamento dos fluxos que estão na rede.

A Camada 1 é o componente principal do escalonador TQ/PSO, e tem como objetivo calcular a duração do TQ ideal, utilizando a meta-heurística PSO. Com o valor da duração do TQ ideal, o sistema poderá ser otimizado pelo fato de que mais usuários poderão transmitir seus dados dentro de um mesmo quadro.

A Camada 2 trata do problema da alocação dos recursos disponíveis para transmissões no sentido uplink. Esses recursos devem ser divididos considerando a capacidade de transmissão de cada segmento no subquadro de UL e, então, alocados para oportunidades de requisição de banda ou de transmissão de dados pelas SSs.

A Camada 3 é responsável pelo gerenciamento das filas de requisições de banda no sentido uplink enviadas pelas SSs nos quadros anteriores, que estão armazenadas e aguardam atendimento pela BS.

Os resultados foram apresentados em duas avaliações. Na primeira avaliação, o cálculo da duração do TQ ideal é realizado e seu desempenho é comparado com o trabalho de [13]. Os resultados obtidos com o cálculo da duração do TQ ideal, utilizando PSO, demonstraram ser bastante eficientes, não em relação a duração do TQ, mas em relação a quantidade de execuções onde houve uma redução significativa no número de passos executados para encontrar o valor da duração do TQ ideal, em relação ao cálculo da duração do TF

ótimo do trabalho de [13]. Também ocorreu uma redução no tempo de execução para o cálculo do TQ Ideal, que utiliza a meta-heurística de otimização PSO, em relação ao cálculo do TF ótimo que é executa passo-a-passo.

Na segunda avaliação, o ambiente foi modelado e avaliado através da ferramenta de simulação de redes de computadores NS-2, na versão NS-2.33 [16], em conjunto com o módulo que implementa a camada MAC do padrão IEEE 802.16, desenvolvido em [17]. Os resultados obtidos nesta simulação foram comparados com o trabalho de [14], utilizando os mesmos parâmetros, tendo somente o valor da duração do TQ como diferencial. O escalonador TQ/PSO utilizou o cálculo do TQ ideal, com valor calculado de 4,6 ms. Ficou demonstrado que, com o cálculo do TQ ideal, o sistema pode evitar que os quadros trafeguem com espaços vazios, alocando mais usuários em cada quadro, evitando o desperdício de banda.

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Eden Ricardo Dosciatti é graduado em Análise de Sistemas pela Universidade do Vale do Rio dos Sinos (UNISINOS), São Leopoldo, Rio Grande do Sul, Brasil, em 1991. Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica e Informática Industrial pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, Paraná, Brasil, em 2010. Atualmente é aluno de Doutorado, em Engenharia Elétrica e Informática Industrial na Universidade Tecnológica Federal do Paraná

(UTFPR), Curitiba, Paraná, Brasil, onde exerce suas atividades no Núcleo Avançado em Tecnologia de Comunicações – NATEC e suas pesquisas se concentram na área de redes sem fio móveis com o protocolo IEEE 802.16.

Walter Godoy Junior foi, desde 1979, professor assistente e, desde 1991, professor titular do Departamento de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, Paraná, Brasil. Recebeu o título de Doutor em Engenharia Elétrica pela Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo, Brasil, em 1990; Mestre em Engenharia de Comunicações pelo Saint Petersburg State University of Telecommunications, Saint Petersburg,

Rússia, em 1977. Foi coordenador do Núcleo Avançado em Tecnologia de Comunicações – NATEC e suas pesquisas se concentravam na área de códigos controladores de erros e criptografia. (in memoriam)

Augusto Foronda é graduado em Engenharia Eletrônica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná (CEFET-PR), Curitiba, Paraná, Brasil, em 1994. Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica e Informática Industrial pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Curitiba, Paraná, Brasil, em 2003, e de Doutor pela Kobe University, Kobe, Japão, em 2009. Atualmente é professor do Departamento de Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR),

Curitiba, Paraná, Brasil. Suas pesquisas se concentram na área de redes sem fio móveis com o protocolo IEEE 802.16.