Avaliação de mecanismos de QoS em redes Ad Hoc sem fio: uma análise quantitativa

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Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 1, n. 1, p. 193-203, jan./dez. 2005 Avaliação de mecanismos de QoS em redes Ad Hoc sem fio: uma análise quantitativa Fabrício Lira Figueiredo * , Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Marcel Cavalcanti de Castro, Marcos Antonio de Siqueira, Anibal Cesar Aguiar de Carvalho e José Antonio Martins * Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected]. 1. Introdução Aplicações em tempo real caracterizam-se pela imposição de requisitos mínimos de desempenho em rede, os quais são especificados a partir de parâmetros de Qualidade de Serviço (QoS). No caso de redes Ad Hoc sem fio, a garantia de níveis de QoS representa um problema bastante complexo devido aos seguintes fatores: Dinâmica da topologia: devido à mobilidade ou inoperância dos nós, a topologia de uma rede Ad Hoc está constantemente sujeita a alterações. Elas podem provocar a quebra de rotas já estabelecidas, tornando necessário o re- estabelecimento das sessões de tráfego através de uma nova rota. Informações imprecisas sobre o estado da rede: devido à dinâmica da topologia, as informações de estado armazenadas nos nós (ex., banda residual, atraso, perda de pacotes, requisitos de QoS) têm precisão limitada. O aumento desse nível de precisão é severamente penalizado com o aumento de overhead devido à sinalização. Ausência de coordenação central: redes Ad Hoc sem fio se caracterizam pela inexistência de uma unidade de controle central, o que dificulta significativamente a garantia de QoS no sistema. Canal de rádio sujeito a erros: o canal de rádio se distingue por diversos efeitos dinâmicos e aleatórios, tais como atenuações, interferências e desvaneci- mento por multipercursos, que provocam erros na recepção e dificultam ainda mais a obtenção de níveis adequados de QoS. Problema do terminal escondido: trata-se de um problema de conectividade das redes que utilizam mecanismos de controle de acesso ao meio baseados em contenção, por exemplo, IEEE 802.11. Isso ocasiona a colisão de pacotes no receptor. Disponibilidade limitada de recursos: largura de banda, energia, espaço de armazenamento e capacidade de proces- samento são recursos limitados nos termi- nais que compõem redes Ad Hoc sem fio. O suporte a serviços em tempo real em redes Ad Hoc sem fio representa um importante desafio tecnológico com diversos obstáculos a serem tratados. Muitas pesquisas têm sido realizadas nessa área e várias soluções têm sido propostas. As soluções apresentadas para o suporte a QoS em redes Ad Hoc sem fio podem ser implementadas através de mecanismos nas camadas de enlace e de rede. Para a garantia de Este trabalho apresenta uma comparação de desempenho de soluções para suporte a tráfego em tempo real em redes Ad Hoc sem fio, baseadas em frameworks específicos de QoS. Os resultados foram obtidos através de simulações, utilizando cenários de tráfego em tempo real sobre redes Ad Hoc sem fio, operando em ambiente outdoor. Foram avaliados os frameworks SWAN e INSIGNIA, integrados com os protocolos de roteamento DSR e AODV, com base nas métricas de atraso fim-a-fim, vazão, jitter e overhead de roteamento, em função da variação do nível de carga na rede e do número de nós. Palavras-chave: Qualidade de Serviço (QoS). Redes ad hoc sem fio. Frameworks de QoS. Serviços em tempo real. Roteamento ad hoc.

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Avaliação de mecanismos de QoS em redesAd Hoc sem fio: uma análise quantitativa

Fabrício Lira Figueiredo*, Heloísa Peixoto de Barros Pimentel, Marcel Cavalcantide Castro, Marcos Antonio de Siqueira, Anibal Cesar Aguiar de Carvalho e JoséAntonio Martins

* Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: [email protected].

1. Introdução

Aplicações em tempo real caracterizam-sepela imposição de requisitos mínimos dedesempenho em rede, os quais são especificadosa partir de parâmetros de Qualidade de Serviço(QoS). No caso de redes Ad Hoc sem fio, a garantiade níveis de QoS representa um problema bastantecomplexo devido aos seguintes fatores:

• Dinâmica da topologia: devido àmobilidade ou inoperância dos nós, atopologia de uma rede Ad Hoc estáconstantemente sujeita a alterações. Elaspodem provocar a quebra de rotas jáestabelecidas, tornando necessário o re-estabelecimento das sessões de tráfegoatravés de uma nova rota.

• Informações imprecisas sobre o estado darede: devido à dinâmica da topologia, asinformações de estado armazenadas nosnós (ex., banda residual, atraso, perda depacotes, requisitos de QoS) têm precisãolimitada. O aumento desse nível deprecisão é severamente penalizado como aumento de overhead devido àsinalização.

• Ausência de coordenação central: redesAd Hoc sem fio se caracterizam pelainexistência de uma unidade de controle

central, o que dificulta significativamentea garantia de QoS no sistema.

• Canal de rádio sujeito a erros: o canal derádio se distingue por diversos efeitosdinâmicos e aleatórios, tais comoatenuações, interferências e desvaneci-mento por multipercursos, que provocamerros na recepção e dificultam ainda maisa obtenção de níveis adequados de QoS.

• Problema do terminal escondido: trata-sede um problema de conectividade dasredes que utilizam mecanismos decontrole de acesso ao meio baseados emcontenção, por exemplo, IEEE 802.11. Issoocasiona a colisão de pacotes no receptor.

• Disponibilidade limitada de recursos:largura de banda, energia, espaço dearmazenamento e capacidade de proces-samento são recursos limitados nos termi-nais que compõem redes Ad Hoc sem fio.

O suporte a serviços em tempo real em redesAd Hoc sem fio representa um importante desafiotecnológico com diversos obstáculos a seremtratados. Muitas pesquisas têm sido realizadasnessa área e várias soluções têm sido propostas.

As soluções apresentadas para o suporte aQoS em redes Ad Hoc sem fio podem serimplementadas através de mecanismos nascamadas de enlace e de rede. Para a garantia de

Este trabalho apresenta uma comparação de desempenho de soluções para suporte a tráfego em tempo realem redes Ad Hoc sem fio, baseadas em frameworks específicos de QoS. Os resultados foram obtidos atravésde simulações, utilizando cenários de tráfego em tempo real sobre redes Ad Hoc sem fio, operando emambiente outdoor. Foram avaliados os frameworks SWAN e INSIGNIA, integrados com os protocolos de roteamentoDSR e AODV, com base nas métricas de atraso fim-a-fim, vazão, jitter e overhead de roteamento, em função davariação do nível de carga na rede e do número de nós.

Palavras-chave: Qualidade de Serviço (QoS). Redes ad hoc sem fio. Frameworks de QoS. Serviços emtempo real. Roteamento ad hoc.

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qualidade de serviço fim-a-fim é essencial que asolução de QoS considere a camada de rede.Nessa camada as soluções de QoS podem serdivididas em duas categorias: protocolos deroteamento orientados a QoS e mecanismos paraprovisão de QoS (frameworks) operando de formaindependente do protocolo de roteamento.

A utilização de protocolos de roteamentoorientados a QoS corresponde a uma solução depouca flexibilidade, já que os problemas deroteamento e controle de QoS são tratados nomesmo nível ou camada, através defuncionalidades específicas de cada protocolo.

Em protocolos de roteamento pró-ativos, aadoção de protocolos orientados a QoS apresentalimitações importantes. Para realizar a busca derotas ótimas segundo as métricas de QoS, torna-se necessário manter atualizadas as informaçõessobre os recursos disponíveis em cada nó da rede.Isso implica em um overhead significativo eproporcional à dinâmica da topologia e do própriotráfego envolvido. Adicionalmente, múltiplasmétricas de QoS aumentam a complexidade doalgoritmo de busca por uma rota ótima,comprometendo ainda mais a escalabilidade dasolução. Um exemplo de protocolo pró-ativoorientado a QoS é o “Quality of Sevice for Ad HocOptimized Link State Routing Protocol” (QOLSR)[1], que corresponde a uma extensão do protocolopró-ativo “Optimized Link State Routing Protocol”(OLSR) [2].

Protocolos reativos são caracterizados pelabusca de rotas sob demanda, no momento emque pacotes de tráfego precisam ser transmitidospara um destino no qual não existe uma rota válida.Sua utilização orientada a QoS tende a ser maiseficiente no estabelecimento de rotas ótimas.Dentre os principais protocolos reativos orientadosa QoS, pode-se destacar o “Ad Hoc QoS on-demand routing” (AQOR) [3] e o ‘Quality of Servicefor Ad Hoc on-demand distance vector routing’(AODV-QoS) [4].

Para garantir maior flexibilidade ao suportea serviços em tempo real em redes Ad Hoc semfio, os frameworks de QoS apresentam-se comouma boa opção. Esses frameworks são sistemascompostos de vários elementos responsáveis porfunções específicas para o gerenciamento de QoS,tais como controle de admissão, reserva de bandae roteamento. O INSIGNIA [5][6] e o “StatelessWireless Ad Hoc Networks’ (SWAN) [7] sãoexemplos de frameworks de QoS para redes AdHoc sem fio”.

Algumas análises qualitativas envolvendoframeworks de QoS podem ser encontradas naliteratura [8][9]. Em [10] uma comparaçãoquantitativa é realizada entre os frameworks

INSIGNIA e SWAN em termos de vazão e atraso,em cenários indoor e com mobilidade, paradiferentes níveis de carga na rede e de mobilidade.

Com o objetivo de avaliar o desempenho dosframeworks de QoS INSIGNIA e SWAN integradoscom os protocolos “Dynamic Source RoutingProtocol’ (DSR) [11]” e “Ad Hoc On-DemandDistance Vector’ (AODV) [12] para redes Ad Hocsem fio em cenários de operação outdoor e semmobilidade, foram realizadas várias simulaçõesutilizando o simulador NS-2. As métricasconsiderados foram: vazão, atraso fim-a-fim, jittere nível de overhead de roteamento, em função doaumento do número de nós e da carga na rede”.

Neste trabalho são apresentados e analisadosos resultados dessas simulações. Na seção 2 sãodescritos os mecanismos de QoS INSIGNIA eSWAN para redes Ad Hoc sem fio. A seção 3apresenta uma análise dos resultados comparativosentre o desempenho desses mecanismos de QoS,e finalmente na seção 4 são apresentadas asconclusões deste trabalho.

2. Mecanismos de QoS em redes Ad Hocsem fio

Os mecanismos de QoS têm o objetivo dedesempenhar funções específicas, tais comocontrole de admissão e reserva de banda.Fornecem flexibilidade à solução paragerenciamento de QoS, pois são compatíveis comdiferentes protocolos de roteamento e protocolosde controle de acesso ao meio. A seguir sãodescritos os frameworks de QoS INSIGNIA e SWAN,avaliados neste trabalho.

2.1. INSIGNIA - Modelo de Gerenciamento deFluxo Sem Fio para Redes Ad HocMóveis

O framework INSIGNIA corresponde aoprimeiro esquema de sinalização projetadoexclusivamente para suportar QoS nas redes AdHoc móveis (MANETs) por Ahn et al. [6]. Consisteem um sistema de sinalização implícito projetadopara proporcionar qualidade de serviço (QoS) emredes Ad Hoc móveis, com suporte a serviços emtempo real e reserva rápida de recursos parasessões de tráfego, fluxo e microfluxo. Pode sercaracterizado como um protocolo RSVP (ResourceReservation Protocol) implícito, ou seja, cujasinformações são transmitidas juntamente com osdados nos pacotes IP, mantendo o estado dosfluxos estabelecidos. Os principais módulos doframework INSIGNIA são ilustrados na Figura 1.

O módulo de roteamento estabelece emantém as rotas entre os nós origem e destino,

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com base em protocolos de roteamentoapropriados para redes Ad Hoc sem fio, tais comoDSR e AODV. O protocolo de controle de acessoao meio (Medium Access Control (MAC)) pode serescolhido arbitrariamente já que a operação doframework INSIGNIA independe desse protocolo.

O módulo INSIGNIA tem a função deestabelecer, adaptar, restaurar e desativar serviçosem tempo real entre os pares origem-destino. Osalgoritmos de restauração de fluxo são ativadospelas mudanças dinâmicas de rota causadas pelamobilidade. Já os algoritmos de adaptação sãoativados por mudanças na largura de bandadisponível. Toda a sinalização de controle étransmitida juntamente com pacotes de dados, nocampo OPTIONS do cabeçalho IP (INSIGNIA OptionField).

O módulo de controle de admissão éresponsável por alocar largura de banda para osfluxos com base na largura de faixa requisitada(máxima/mínima). Uma vez que os recursos tenhamsido alocados, eles são periodicamente atualizadospor um mecanismo soft-state, através da recepçãode pacotes de dados. Fluxos novos ou resultantesde novo roteamento serão rebaixados de categoria(degradados) se não existirem recursos adicionaisdisponíveis.

O módulo de encaminhamento de pacotesclassifica os pacotes recebidos e os encaminhaao módulo apropriado. Se o nó considerado já éo destino, então o pacote é entregue à aplicaçãolocal. As mensagens de sinalização são

processadas pelo INSIGNIA e os pacotes de dadossão entregues localmente ou encaminhados parao módulo de agendamento dos pacotes. Se, poroutro lado, o destino não é o nó corrente, o pacoteé transmitido para o próximo nó intermediário.

O módulo de agendamento é responsávelpelo tratamento de pacotes que devem serroteados para outros nós. A transmissão dospacotes pelo nó é agendada com base na políticade encaminhamento. O INSIGNIA adota a disciplinade serviço Weighted Round-Robin (WRR), masuma grande variedade de políticas de agendamentopode ser considerada.

O framework INSIGNIA suporta as classes deserviços Real Time (RT) e Best-Effort (BE). Quandoum nó intermediário recebe um pacote de dadoscom um flag RES (flag de reserva) e nenhumareserva tiver sido realizada até o momento para ofluxo correspondente, o módulo de controle deadmissão aloca os recursos mediante adisponibilidade. Caso não exista reserva, o pacoteé encaminhado ao módulo INSIGNIA que, emcoordenação com um controlador de acesso, podeassegurar (serviço Tempo Real-RT) ou negar(serviço Best Effort-BE) os recursos solicitados.Caso exista reserva, o pacote é encaminhado comos recursos autorizados. Se nenhum pacote dedados for recebido durante um tempo limitemáximo especificado, os recursos são re-alocadosde uma maneira distribuída, sem envio demensagens de sinalização. No caso de um nó setornar o gargalo da rede, o serviço de tempo real

Figura 1 Modelo INSIGNIA de gerenciamento de fluxo sem fio em host o roteador móvel

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sofrerá degradação no nível de QoS, até o nívelmínimo (BE).

Os nós destino monitoram continuamente osfluxos de dados, inspecionando o flag indicadorde banda residual dos pacotes recebidos eestimando métricas de QoS (como por exemploperda de pacote, atraso e vazão). Assim que recebeum pacote de dados com flag indicando MIN, onó destino envia um relatório de QoS para informaro nó origem correspondente que o nível de serviçono fluxo foi rebaixado de categoria de QoS(degraded). Para liberar recursos alocados, o nódestino envia um relatório de QoS para o nó origem,de maneira que os nós intermediários liberem osrecursos extras.

2.2. Stateless Wireless Ad Hoc Networks(SWAN)

O framework SWAN adota uma soluçãobaseada em estimativas dos atrasos da camadaMAC para garantir os níveis de QoS necessários.Trata-se de um esquema stateless ou “sem estado”proposto por Ahn et al. [7], que se caracteriza pornão manter informações sobre estado dos fluxos.Isto minimiza o esforço adicional de sinalização eos requisitos de capacidade de processamento earmazenamento nos nós; e aumenta a flexibilidadepara expansão da solução. Adota-se a premissade que as sessões de tráfego têm duração finita eum tempo máximo permitido de inatividade, demodo que temporizadores podem ser utilizados

para detectar a desativação de um fluxo pelousuário, evitando a necessidade de envio demensagens de sinalização para informar aosdemais nós sobre esse evento.

A arquitetura do framework SWAN, ilustradana Figura 2, suporta tráfego em tempo real sem anecessidade de introduzir e gerenciar informaçãode estado a cada fluxo na rede.

A principal função do controlador deadmissão é garantir que novos fluxos sejampermitidos somente se a rede disponibilizar recursossuficientes. Isso é necessário para preservar o nívelde QoS para os fluxos de tempo real jáestabelecidos. Esse procedimento é executadopelos nós origem, que verificam a disponibilidadede banda residual fim-a-fim, através do envio demensagens de “probing” para o nó destino do fluxoa ser estabelecido. Para garantir a alocação mínimade recursos para o tráfego “best-effort”, admite-seo tráfego em tempo real até uma taxa inferior a umlimiar, definido estatisticamente.

É importante salientar que cenários de falsaadmissão e re-roteamento dinâmico dos fluxosadmitidos são tratados no escopo do frameworkSWAN. Nesse caso, a falsa admissão é o resultadode vários nós origem que iniciam simultaneamenteo controle de admissão quando existesobreposição parcial das rotas para os nósdestinos.

O módulo controlador regula a taxa detransmissão efetiva do tráfego “best-effort”localmente e de forma independente de outros nós.

Figura 2 O modelo SWAN

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Para isso utiliza a banda residual em relação aotráfego em tempo real, calculada a partir deestimativas dos atrasos da camada MAC. Oframework SWAN trata o tráfego “best-effort” comoum “buffer de armazenamento”, que absorve surtosde tráfego em tempo real que são introduzidospela dinâmica topológica ou devido às variaçõesde tráfego. Para tanto, após receber um pacote IP,o módulo classificador verifica se este está marcadocomo pacote do tipo tempo real ou não (pacotetipo “best-effort”). Se o pacote não estiver marcado,o módulo formatador (“shaper”) atua para regulara taxa efetiva de transmissão, de acordo com ataxa calculada e informada pelo módulocontrolador de tráfego.

Outra funcionalidade relevante do frameworkSWAN é a regulação dinâmica do tráfego em temporeal implementada através de sinalização via campoECN (Notificação Explícita de Congestionamento),definido no cabeçalho do pacote IP. Quando umnó destino detecta condições de congestiona-mento ou sobrecarga, baseado nas estimativas debanda ocupada pelo tráfego em tempo real na rota,ele notifica o nó origem usando uma mensagemECN. Depois de receber a mensagem marcada, onó origem tenta restabelecer a sua sessão emtempo real baseada nos seus requisitos originaisde largura de faixa através do envio de um pacoteprobing para o destino. O nó origem deve encerrara sessão se a largura de faixa fim-a-fim não forsuficiente para fornecer a largura de faixaoriginalmente requisitada.

Quando um nó intermediário sofre sobre-carga de tráfego ele marca todos os fluxos comCE (Congestion Experienced, ou nó que sofreuefeitos de congestionamento). Se os nós destinoencontrarem pacotes marcados com CE, enviammensagens ECN para os respectivos nós origempara forçar o re-estabelecimento dos fluxos que játinham sido admitidos. Nesse caso, o nó origempode esperar um intervalo de tempo aleatóriodepois de receber a mensagem indicandocongestionamento antes de tentar restabelecer asessão. Alternativamente, os nós intermediáriosque estiverem congestionados podem selecionaraleatoriamente, por um período de T segundos,um conjunto de sessões de tempo realcongestionadas e marcar apenas os pacotescorrespondentes a esse conjunto.

3. Resultados

Os resultados foram obtidos a partir desimulações realizadas no simulador de redes NS-2, utilizando um cenário de operação outdoor semmobilidade. O cenário é caracterizado pelosseguintes parâmetros:

· Número de nós: 10, 25, 50, 100 e 200.

· Topologia: nós posicionados em topo-logia gerada aleatoriamente (área: 50 kmx 50 km).

· Modelo de Propagação: TwoRayGround.

· Camada física: 802.11b [13]

· Direct Sequence Spread Spectrum.

· Taxa de transmissão: 11 Mbit/s.

· Faixa de freqüência: 400 MHz.

· Potência de transmissão: 1 W.

· Tipo de antena: omnidirecional.

· Altura da antena: 10 metros.

· Ganho da antena: 4 dBi.

· Sensibilidade do receptor: -78 dBm(carrier sensing threshold igual ao capturethreshold).

· Taxa de transmissão de dados: 100 kbit/s (codificador de voz G.711 + 20% deoverhead).

· Modelo de tráfego: Constant Bit Rate(CBR),

· Protocolo MAC (IEEE 802.11): CarrierSensing Multiple Access with CollisionAvoidance (CSMA/CA) [13].

· Comprimento dos pacotes de dados: 500bytes.

· Número de fluxos: 1 a 10 fluxos.

· Protocolos de roteamento: AODV, DSR.

· Frameworks de QoS: SWAN e INSIGNIA.

Foram adotadas as seguintes métricas paraavaliação de desempenho dos protocolos:

· Taxa de entrega de pacotes: definidacomo a razão entre os pacotes recebidosnos nós destino e os pacotes geradospelos nós origem. Corresponde a umamedida de vazão efetiva.

· Atraso fim-a-fim: consiste na diferença detempo medida entre o instante dageração do pacote na fonte e o instantedo recebimento no destino. Resulta dasomatória dos atrasos na rede, atrasosde processamento, atrasos dearmazenamento em buffer, tempos detransmissão e propagação de pacotes.

· Jitter: no escopo de transmissão dedados, é a variação média no atraso depacotes de dados causada por fatorescomo congestionamento da rede,pequenos deslocamentos no tempoprevisto de recepção (timing drift) oumudanças de rota.

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· Carga de roteamento normalizada:definida como a razão entre o número depacotes de controle de roteamento transmi-tidos e o número total de pacotes (dadose roteamento) transmitidos na rede.

Para provocar congestionamento foramescolhidos pares de nós origem e destino de modoa garantir a geração de rotas com sobreposiçãoem um conjunto específico de nós intermediários.A partir dessa topologia foram estimadas asmétricas de desempenho, variando o número denós ou o número de fluxos simultâneos.

Outro aspecto relevante é o modelo detráfego adotado, o qual representa ascaracterísticas de um serviço em tempo real (Voiceover IP (VoIP)) sobre uma rede Ad Hoc sem fio.Nesse caso foi utilizado o codificador G.711 (64kbit/s) [14] como base para a determinação dataxa de transmissão de dados. A estimativa (piorcaso) é de aproximadamente 20% relativos aooverhead de sinalização VoIP (por exemplo, SessionInitiation Protocol (SIP)).

A Figura 3 ilustra a taxa de entrega de pacotesem função do número de nós, a partir doestabelecimento de dez fluxos simultâneos na rede.

O aumento do número de nós não provocagrande variação na métrica, já que o elevado nívelde congestionamento é o principal obstáculo paraa entrega de pacotes aos nós destino. Aconfiguração AODV/SWAN apresenta o melhor

desempenho, variando entre 35% e 45%. Já aconfiguração AODV/INSIGNIA apresentou o piordesempenho, com um percentual em torno de 20%,independentemente do número de nós.

A Figura 4 mostra a variação da taxa deentrega de pacotes em função do número de fluxossimultâneos estabelecidos para a topologia derede com 200 nós.

Nota-se também o desempenho superior daconfiguração AODV/SWAN, com taxas de entregade pacotes entre 10% e 30% acima das taxasobtidas pelas demais configurações, apresentandodegradação mais significativa a partir de cincofluxos simultâneos. As configurações baseadas noframework INSIGNIA apresentaram o piordesempenho, com degradação a partir de trêsfluxos simultâneos, devido ao overhead adicionalassociado aos mecanismos de controle de reservade banda. A superioridade da configuração AODV/SWAN em termos de vazão, para camada MAC802.11 DCF, coincide com os resultados reportadosem [11].

A Figura 5 ilustra o desempenho obtido emtermos do atraso fim-a-fim. Observa-se que aconfiguração AODV/SWAN apresenta o menor nívelde atraso (em torno de 120 ms) para diferentesnúmeros de nós e dez fluxos simultâneos. Nessecaso, a configuração DSR/SWAN apresentou omaior atraso em função do número de fluxos,oscilando entre 700 e 800 ms.

Figura 3 Taxa de entrega de pacotes em função do número de nós

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Figura 4 Taxa de entrega de pacotes em função do número de fluxos

Figura 5 Atraso fim-a-fim médio em função do número de nós

O impacto do número de fluxos simultâneosestabelecidos sobre o atraso fim-a-fim, para umatopologia de 200 nós, é ilustrado na Figura 6. Aconfiguração DSR/SWAN é a mais afetada, comatrasos oscilando entre 700 e 900 ms, a partir deseis fluxos simultâneos. A configuração AODV/SWAN

apresentou o melhor desempenho geral, com atrasomáximo em torno de 240 ms. Neste caso, a diferençade desempenho em relação às configurações ba-seadas no framework INSIGNIA não é tão significativa.

A variação do nível de jitter com o aumentodo número de nós é ilustrada na Figura 7, para

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Figura 6 Atraso fim-a-fim em função do número de fluxos

Figura 7 Jitter médio em função do número de nós

dez fluxos simultâneos. Neste caso, a configuraçãoDSR/SWAN apresenta desempenho superior, como nível de jitter oscilando entre 100 e 120 ms,seguida da configuração AODV/SWAN, com jitterentre 140 e 210 ms. As configurações baseadasno framework INSIGNIA apresentam o pior

desempenho, com nível de jitter acima de 200 msna maioria dos casos.

O nível de jitter com relação ao número defluxos, mostrado na Figura 8, aumenta significativa-mente a partir de um determinado número de flu-xos simultâneos, independentemente da combina-

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Figura 8 Jitter médio em função do número de fluxos

Figura 9 Carga de roteamento normalizada em função do número de nós

ção de protocolos de roteamento e frameworks. Aconfiguração AODV/SWAN apresentou o menornível de jitter para a maioria dos casos, comdegradação significativa a partir de seis fluxos.

O desempenho das configurações éanalisado, em termos de eficiência, pela carga de

roteamento normalizada. A Figura 9 apresenta acarga de roteamento normalizada em função donúmero de nós, para dez fluxos, para as diferentesconfigurações. As combinações que utilizam oframework SWAN apresentam o menor nível deoverhead de sinalização.

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A carga de roteamento normalizada emfunção do número de fluxos, para 200 nós, ilustradona Figura 10, mostra que a configuração AODV/SWAN apresenta o melhor desempenho na maioriados casos. Já a configuração DSR/SWAN apresentamaior estabilidade e também maior flexibilidadepara expansão, mantendo o nível de overheadabaixo de 1,5% mesmo com dez fluxos simultâneos.

4. Conclusões

O gerenciamento de QoS é o maior desafiotécnico para viabilizar a transmissão de voz sobreredes Ad Hoc sem fio e pode ser baseado em váriassoluções já disponíveis atualmente. Neste trabalhofoi apresentada uma análise do desempenho desoluções de QoS em redes Ad Hoc considerandodois frameworks de QoS (INSIGNIA ou SWAN)combinados com protocolos de roteamentoreativos (AODV e DSR).

A partir dos resultados obtidos pode-seconcluir que a configuração AODV/SWAN é a maiseficiente no conjunto das métricas consideradassendo, portanto, mais indicada como solução deQoS para redes Ad Hoc sem fio. Entretanto aconfiguração DSR/SWAN apresentou desempenhorazoável em diversos cenários, apesar do elevadonível de atraso verificado para topologias commaior número de nós.

Trabalhos futuros compreendem a avaliaçãode desempenho dos frameworks de QoS paraserviços de voz sobre IP, a partir de umacaracterização mais detalhada dos principaiscodificadores de voz atualmente empregados e demodelos de tráfego mais apropriados. Também sepretende avaliar soluções do tipo cross-layer,obtidas a partir da integração de funcionalidadesde protocolos de diferentes camadas.

Figura 10 Carga de roteamento normalizada em função do número de fluxos

5. Referências

[1] Badis, Hakim and Al Agha, Khaldoun, “QOLSR,QoS routing for Ad Hoc Wireless Networks UsingOLSR”, European Transactions onTelecommunications, Vol. 15, No. 4, 2005.

[2] Clausen, T., Jacquet, P., “Optimized Link StateRouting Protocol (OLSR)”, IETF RFC 3626, Outubro2003.

[3] Xue Q. and Ganz A., “Ad Hoc QoS on-demandrouting (AQOR) in mobile Ad Hoc networks”,Journal of Parallel and Distributed Computing, pp.154-165, October 2002.

[4] Perkins, C. E., Royer, E. M. and Das, S. R.,“Quality of Service for Ad Hoc on-demand distance

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vector routing”, IETF Internet Draft, draft-ietf-manet-aodvqos00.txt, July 2000.

[5] Ahn, G-S., Cambell, A. T., Lee, S-B. and ZhangX.., Improving UDP and TCP Performance in MobileAd Hoc Networks with INSIGNIA, IEEECommunications Magazine, June 2001.

[6] Ahn, G-S., Cambell, A. T., Lee, S-B. and ZhangX.., “INSIGNIA”, INTERNET-DRAFT, draft-ietf-manet-insignia-01, October 1999.

[7] G.-S. Ahn, A. T. Campbell, Andras Veres and Li-Hsiang Sun, “Supporting Service Differentiation forReal-Time and Best Effort Traffic in Stateless WirelessAd Hoc Networks (SWAN)”, IEEE Transactions onMobile Computing, September 2002.

[8] Murthy, C. Siva Ram and Manoj, B. S., “Ad HocWireless Networks: Architectures and Protocols”,Prentice Hall Professional Technical Reference, 2004.

[9] Gerharz, M., Vogt, C. and De Waal, C., “CurrentApproaches towards Improved Quality-of-ServiceProvision in Mobile Ad-hoc Networks”, TechnicalReport, March 2003, (http://web.informatik.

uni-bonn.de/IV/Mitarbeiter/dewaal/qos-report.pdf).

[10] Vadde, Kiran K. and Syrotiuk, Violet R., “FactorInteraction on Service Delivery in Mobile Ad HocNetworks”, IEEE Journal on Selected Areas inCommunications, vol. 22, September 2004.

[11] Johnson, David B., Maltz, David A. and Hu,Yih-Chun, Rice University, “The Dynamic SourceRouting Protocol for Mobile Ad Hoc Networks(DSR) “, IETF Internet Draft draft-ietf-manet-dsr-09.txt, Abril 2003.

[12] Perkins, C., Belding-Royer, E. and Das, S.,“Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV)Routing”, IETF RFC3561, Julho 2003.

[13] ANSI/IEEE Std 802.11b, 1999 Edition. Part 11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) andPhysical Layer (PHY) Specifications: Higher-SpeedPhysical Layer Extension in the 2.4 GHz Band)Specifications.

[14] ITU-T Recommendation G.711: “Pulse codemodulation (PCM) of voice frequencies”, ITU-T,1988.

Abstract

This project presents a comparison of performance between solutions for real time services over wireless AdHoc networks, based on QoS frameworks. Based on simulation results, the performance of frameworksSWAN and INSIGNIA is evaluated in terms of end-to-end delay, throughput, jitter and routing overhead, byvarying the offered load and the number of nodes in the networks.

Key words: Quality of Service (QoS). Wireless ad hoc networks. QoS frameworks. Real time services. Ad

hoc routing.