Resumo – Este trabalho tem como propósito apresentar

as formas como são feitos os pedidos, as análises e as con-cessões de banda para os usuários de uma rede de comuni-cações operando sob a norma IEEE 802.16, popularmente conhecida como WiMAX. Primeiramente será feita uma introdução sobre o padrão, depois serão analisados os me-canismos de QoS, os fluxos de serviço e a arquitetura de alocação de banda. Palavras-Chave: WiMAX, Gerência de Banda, QoS.

Abstract – This essay has the purpose to present the

manners how are done the requests, the analysis and the grants of bandwidth to the users in a communication net-work operating over the IEEE 802.16 standard, commonly known as WiMAX. Firstly an introduction of the standard will be done, afterward it will be analyzed the QoS mecha-nisms, the flow services and the bandwidth allocation ar-chitectures. Keywords: WiMAX, Bandwidth Management, QoS.

I. INTRODUÇÃO

O cenário atual visto pelas empresas de comunicações de-manda uma forte competência no que diz respeito ao fluxo de seus dados em suas redes. Há também a grande evolução no número de usuários em seus sistemas, exigindo que essas ope-radoras ofereçam redes cada vez mais poderosas e confiáveis com relação à capacidade de acesso, confiabilidade, taxas de transmissão, qualidade de serviço e principalmente à mobili-dade. Os usuários têm a necessidade de obter acesso às diver-sas mídias e fontes de dados a qualquer momento e fundamen-talmente em qualquer lugar.

Os serviços requeridos se estendem basicamente entre: rá-dio, televisão, telefonia e Internet. Deve-se levar em conta também a implantação de sistemas de transmissão para cada um destes serviços, e ainda, operar de forma abrangente às necessidades dos usuários. Esta tarefa torna-se tão árdua, quanto impossível, seja fisicamente, quanto economicamente.

O padrão IEEE 802.16, nomeado como WiMAX (Wordwi-

de Interoperability for Microwave Access) pelo consórcio formado por mais de 150 empresas, o WiMAX Forum, é uma tecnologia sem fio à banda larga do tipo BWA (Broadband Wireless Access) e surge como uma solução para a unificação

destes serviços numa só rede, tornando toda a estrutura de transmissão e acesso mais barata, simples, menor e mais con-veniente, uma vez que possui a flexibilidade de transportar voz, vídeo e dados sobre IP - VoIP, IPTV e dados de um pro-vedor.

Entretanto, para que todos estes fluxos de dados operem de maneira robusta à todos os assinantes, é preciso um complexo e eficiente método de controle de utilização da largura de ban-da da rede, uma vez que todas as rede desejam ao mesmo tempo uma boa utilização dos seus recursos e atender as ne-cessidades dos serviços com relação à QoS.

A. O WiMAX

O objetivo do IEEE 802.16 ao propor a tecnologia foi pa-dronizar as camadas física e de controle de acesso ao meio, visando suprir as deficiências das redes wireless banda larga no que se refere às taxas de transmissão e à extensão geográfi-ca de alcance da rede. Este sistema definiu o WirelessMAN

(WMAN), que é uma evolução da tecnologia WLL (Wireless

Local Loop). A norma IEEE 802.16d [2] define a interface aérea para sis-

temas fixos e a norma IEEE 802.16e [3] - publicada em 28 de fevereiro de 2006 - define a interface aérea para sistemas fixos e móveis em redes metropolitanas, como uma solução para acesso BWA. As principais vantagens do IEEE 802.16 são: (i) habilidade

de prover serviços em áreas de difícil implantação de infra-estrutura, (ii) capacidade de ultrapassar limites físicos, como paredes ou prédios, (iii) alta escalabilidade, (iv) baixo custo de instalação, atualização e manutenção, entre outras [4]. As taxas de transmissão de dados vão de 50 à 150 Mbits/s,

dependendo da freqüência do canal, do tipo de modulação e das técnicas de controle de erros. Com o objetivo de prover QoS, o IEEE 802.16 definiu qua-

tro classes com diferentes pré-requisitos de QoS (melhor deta-lhadas do item II): • aplicações com taxa constante de bits, • aplicações de tempo real com taxa variável de bits, • aplicações sem requisitos de tempo real, • tráfego de melhor esforço,

assim como a configuração da conexão entre a BS (Base Sta-tion) e a SS (Subscriber Station) e seus mecanismos de sinali-zação [2]. Apesar dessas especificações, não é definido pela norma um mecanismo de gerenciamento de banda para garan-

ANÁLISE DAS CARACTERÍSTICAS DE

FUNCIONAMENTO DA GERÊNCIA DE BANDA EM

REDES WIMAX

Fabio Magagnini Quinelato & Antônio Marcos alberti

tia de qualidade de serviço. As quatro classes permitem a dis-tinção entre fluxos de tráfego e a possibilidade de um trata-mento diferenciado para cada fluxo. Entretanto, simplesmente classificar os fluxos não garante que eles recebam um serviço com a QoS desejada.

B. Topologia e Arquitetura

Esta tecnologia foi desenvolvida para atuar em redes metro-politanas (MANs - Metropolitan Area Network), como pode ser observado na Figura 1, oferecendo dois serviços para compartilhamento do canal de rádio freqüência (RF): • Topologia PMP (Point to Multi-Point): consiste de uma es-

tação base (Base Station - BS) e uma ou mais estações clientes (Subscriber Station - SS); • Topologia Mesh: os nós são organizados na forma “ad-

hoc”. Isto é, todas as estações clientes são pares (peers) e cada par pode atuar como roteador para repassar pacotes dos seus nós vizinhos [5,6].

Fig. 1. Topologia de uma rede WiMAX.

A BS é o nó central que coordena toda a comunicação e as

SSs se localizam à diferentes distâncias da BS. A estação base pode estar conectada a uma outra infra-estrutura de rede, co-mo por exemplo, um ISP (Internet Service Provider), possibi-litando uma extensão dos serviços oferecidos aos usuários. Da mesma forma, as estações clientes podem oferecer serviços diferenciados para usuários conectados através de uma rede local cabeada (Ethernet, padrão IEEE 802.3), ou sem fio (pa-drão IEEE 802.11).

A tecnologia WirelessMAN foi projetada nas camadas físi-ca e de enlace, esta última estando subdividida em três subca-madas distintas: SS-CS (Service Specific Convergence Subla-yer), CPS (Common Part Sublayer) e subcamada de segurança (Securty Sublayer). A organização das subcamadas é vista na Figura 2 [2]. As subcamadas descritas possuem as seguintes funções:

• Subcamada de Convergência de Serviços Específicos (SS-CS): a função principal desta subcamada é classificar as uni-dades de serviços de dados SDUs (Service Data Units) para a apropriada conexão MAC, preservando ou habilitando QoS e

alocação de largura de banda. A norma específica dois servi-ços: encapsulamento de células ATM e encapsulamento de pacotes IP ou Ethernet;

• Subcamada Comum (CPS): nesta subcamada são executa-das as principais funções de acesso e controle. Os principais serviços fornecidos por esta subcamada são: acesso de uma SS no sentido downlink; acesso de uma SS no sentido uplink; prover técnicas de QoS para conexões MAC; definir tipos de conexões, classes de fluxos de serviços e estrutura dos qua-dros MAC; realizar escalonamento de fluxos de serviço e con-trole de admissão de conexões (CAC);

• Subcamada de Segurança: a preocupação do padrão IEEE 802.16 foi definir uma suíte criptográfica - conjunto de fun-cionalidades desejáveis para atender aos serviços de segurança necessários. O conceito envolvido é o de associações cripto-gráficas, que contém informações sobre quais algoritmos de-vem ser aplicados, que chaves usar, entre outros. O padrão define ainda um processador dedicado à segurança na estação base (BS). Há ainda alguns requisitos de funcionalidades crip-tográficas para o tráfego, bem como para a autenticação ponto a ponto. Já na camada física existem 5 tipos diferentes de interfaces

aéreas que são suportadas pela tecnologia: WMAN SC, WMAN SCa, WMAN OFDM, WMAN OFDMA e WMAN HUMAN, que serão vistas no item C.

Fig. 2. Organização das subcamadas.

C. Técnicas de Duplexação

O padrão IEEE 802.16 suporta duas possibilidades quanto à técnicas de duplexação: TDD (Time-Division Duplex) e FDD (Frequency-Division Duplex). A técnica de duplexação por divisão de tempo (TDD), faz

com que o uplink e o downlink compartilhem o mesmo canal de rádio-freqüência, ou seja, eles não transmitem simultanea-mente. Assim são definidos intervalos de tempo, sendo que o canal é alternado, de acordo com a distribuição do tempo, en-tre uplink e downlink. O esquema de duplexação por divisão de freqüência (FDD),

possibilita que o uplink e o downlink operem em canais de diferentes freqüências. Isso permite que seja implementado um sistema no qual as SSs operem em half-duplex, ou seja, otimiza o enlace aéreo, ao mesmo tempo que não aumenta

muito o custo da solução, pois há transmissão simultânea nos canais. Existe também a possibilidade de utilizar-se full-duplex, on-

de, ambos canais trafegam dados ao mesmo tempo, fato que torna o sistema mais complexo e conseqüentemente o encare-ce. Tanto a técnica de transmissão TDD, quanto a FDD possu-

em a capacidade de trabalhar com adaptação dinâmica de per-fil, onde a modulação e a codificação são definidas dinamica-mente para cada rajada de dados transmitida. O padrão IEEE 802.16a/d possui diferentes especificações

de interfaces aéreas que em conjunto com a camada MAC fornecem confiabilidade ponto a ponto para o enlace. As cinco especificações das interfaces aéreas são: • WirelessMAN-SC (Single Carrier): a camada física com

interface aérea usa uma única portadora que opera em altas freqüências, sendo assim necessária a garantia de linha de visada. • WirelessMAN-SCa (Single Carrier Adaptive): usa uma ú-

nica portadora adaptativa para a interface aérea. Com isso é possível a transmissão fora de linha de visada. • WirelessMAN-OFDM (Orthogonal Frequency Division

Multiplexing): multiplexação por divisão de freqüência orto-gonal com 256 portadoras, 192 são utilizadas para dados, 56 são anuladas, por serem utilizadas como banda de guarda, e 8 são pilotos, ou seja, utilizadas para auxiliar na sincronização e equalização. O acesso múltiplo para diferentes estações clien-tes (SSs) é baseado em divisão de tempo (TDMA - Time Divi-sion Multiple Access). É o padrão encomendado pelo fórum dos fabricantes (WiMAX) por sofrer menos com interferên-cias e permitir o cálculo da transformada rápida de Fourier (FFT - Fourier Fast Transform). • WirelessMAN-OFDMA (Orthogonal Frequency Division

Multiple Access): OFDM com 2048 portadoras. O acesso múl-tiplo é fornecido atribuindo um subconjunto de portadoras para um único receptor. Este esquema de acesso múltiplo combina TDMA e OFDMA. • WirelessMAN HUMAN (High-speed Unlicensed MAN):

especificação para redes metropolitanas não licenciadas, su-porta os mesmos padrões, possuindo alguns componentes es-pecíficos de canalização e transmissão de máscara espectral.

II. QUALIDADE DE SERVIÇO

A rede WirelessMAN deve prover serviços para três dife-rentes tipos de aplicações: serviço de telefonia, distribuição de sinais de TV (broadcast) e acesso de banda larga à Internet. Para isso, foram definidos quatro classes com distintos requi-sitos de qualidade de serviço. São elas:

1. Unsolicited Grant Service (UGS): este serviço suporta tráfego com taxa constante (Constant Bit Rate - CBR) ou flu-xos similares, tal como Voz sobre IP (VoIP). Estas aplicações requerem uma largura de banda constante, por isso, os parâ-metros dos seus tráfegos são negociados apenas durante o pedido de conexão. Uma conexão UGS pode incluir serviços ATM e E1/T1.

2. Real-Time Polling Service (rtPS): este serviço é voltado para aplicações de tempo real com taxa de transmissão variá-vel (Variable Bit Rate - VBR), como por exemplo, vídeo

MPEG ou teleconferência. Estas aplicações possuem requisi-tos específicos de banda, bem como, um atraso máximo tole-rável.

3. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS): este serviço é voltado para fluxos sem requisitos de tempo real, mas que necessitam melhores condições do que o serviço de “melhor esforço”, como por exemplo, transferências de arquivos. Estas aplicações são insensíveis ao atraso no tempo e requerem um mínimo de alocação de banda.

4. Best Effort Service (BE): este serviço é voltado para trá-fego de “ melhor esforço”, onde não existe garantia de QoS, tais como HTTP. As aplicações recebem banda disponível após a alocação dos três fluxos anteriores.

O padrão IEEE 802.16 especifica os serviços associados às classes de fluxo de tráfego e mecanismos de sinalização para troca de informações entre a BS e as SSs, bem como configu-ração de conexões. Porém, é desejável que haja um gerencia-mento para classes de fluxos distintos, para que o comporta-mento de um determinado fluxo não afete os demais. Outro controle importante é monitorar os perfis de rajadas, isto é, as adaptações ocorridas nas modulações e nas técnicas de corre-ção de erros. Essas adaptações influenciam na largura de ban-da para as diferentes classes de fluxos e nas garantias de QoS.

III. GERÊNCIA DE BANDA

Numa rede WiMAX, uma única estação base (BS) pode su-portar milhares de usuários simultaneamente, cada qual aces-sando um tipo de serviço e ainda com prioridades diferentes.

Como foi visto no item II, de acordo com a classe de servi-ço utilizada, a BS deve garantir uma determinada QoS para o usuário, isto é, deve conceder uma quantidade de banda sufi-ciente para suportar o serviço que ele demanda. Essas conces-sões são dinâmicas e feitas simultaneamente para todos os usuários conectados na rede. Daí o grande desafio de gerência da BS é conseguir conceder quadros de banda para todos os assinantes de forma que eles sejam agraciados com uma largu-ra de banda que respeite a QoS e não prejudique o acesso dos demais assinantes, uma vez que a BS tem uma capacidade fixa de banda. Para isso, um algoritmo de controle deve ser im-plementado, porém deve seguir algumas classificações desig-nadas na norma. São mecanismos que permitem múltiplos tipos de fluxos de serviço para suportar uma grande variedade de aplicações. Estes fluxos serão discutidos nos itens B e C.

A. Polling

Polling é o processo no qual a BS aloca banda para as SSs especificamente com o objetivo de que elas possam fazer re-quisições de banda. Essas alocações podem ser para uma SS individual ou para grupos de SSs. As alocações não estão na forma de uma mensagem explicita, porém são contidas como uma série de IEs (Information Elements) dentro do UL-MAP [2].

B. Requisições de Banda

Requisições de banda são sempre feitas por conexão. Cada conexão de uma SS faz o pedido de requisição através de uma mensagem BW Request, a qual pode ser enviada como um pacote isoladamente ou via piggyback no cabeçalho de um outro pacote. Para fluxos de serviço do tipo UGS, a SS não

precisa enviar pedidos de requisição de banda, pois a BS os concede automaticamente.

Um pedido de banda pode ser incremental ou agregado. In-cremental significa que a SS pede mais banda para uma cone-xão já existente, já na agregada a SS especifica o total de ban-da necessária para uma conexão. A maioria dos pedidos são incrementais. Entretanto, os agregados são ocasionalmente utilizados para que a BS possa fazer uma percepção mais efi-ciente das necessidades das SSs, evitando que SSs façam pe-didos ilícitos de banda. O campo Type localizado no cabeça-lho da Requisição de Banda indica se o pedido é incremental ou agregado. Como Requisições de Banda Piggyback não têm um campo Type, Requisições de Banda Piggyback devem ser sempre incrementais.

A natureza de autocorreção dos protocolos de requisi-ção/concessão requer que as SSs devam periodicamente usar Requisições de Banda agregadas. Esse período pode ser uma função da QoS de um serviço e da qualidade do enlace. Li-dando com a possibilidade de colisões, Requisições de Banda transmitidas via broadcast ou multicast devem ser requisições agregadas.

Existem quatro formas de solicitação de largura de banda, que como pode ser observado na Figura 3 é representado pelo módulo “UL-BW Request Generator”:

• Implicit Requests (para UGS): é o pedido de largura de

banda mais tradicionalmente utilizado. A solicitação de banda usa o PDU com o campo HT igual a 1 e o EC com valor 0. A SS pode pedir banda implicitamente para UGS. Neste caso, o pedido é negociado no momento da estabilização da conexão, logo nenhuma mensagem é utilizada. • BW Request messages: utiliza no cabeçalho um BW Re-

quest. Serve para requisições de até 32KB em mensagem sim-ples. Requisições incrementais ou agregadas, assim como in-dicado no cabeçalho MAC. • Piggyback Request (Para serviços não-UGS apenas): A-presentada no sub-cabeçalho GM e é sempre incremental. Até 32KB por requisição para a conexão. Neste modo os pedidos de largura de banda são realizados junto com os quadros de dados. • Poll-Me Bit: As SSs enviam pedidos de alocação de largu-ra de banda em intervalos de tempo, sem contenção, e a BS sorteia quais serão agraciadas com largura de banda.

Desta maneira, requisições podem ser feitas de diferentes formas. A SS pode requerer banda implicitamente (para UGS), a qual é iniciada pela conexão, ou, a SS pode requerer banda explicitamente em resposta a uma mensagem de polling vinda da BS.

O mecanismo de polling é minucioso e adaptável, mas re-quer alguns códigos extras. Aplicações de tempo real (Real-time applications) como VoIP ou transmissão de vídeo, reque-rem um serviço de polling em tempo real que ofereça oportu-nidades de requisição dedicada e periódica. Aplicações sem requisito de tempo real (Non-real-time applications) como FTP, podem usar um serviço de polling sem requisito de tem-po real, o que permite oportunidades para transmissão randô-mica de requisição de banda.

Fig. 3. Arquitetura de escalonamento no sentido de uplink.

O padrão permite que a BS sonde as estações individual-

mente ou em grupos. No total são 3 os métodos de polling: • Unicast polls: para verificar se existem estações inativas. • Multicast e broadcast polls: quando não há banda sufici-

ente para sondar todas as estações individualmente. • Station initiated polls: as estações pedem para que a BS

as sonde. Um serviço do tipo Best Effort (BE) é também definido pa-

ra aplicações que não requerem suporte de QoS. Neste caso, a SS emite suas requisições em um período de contenção.

C. Concessões de Banda

A norma [2] prevê suporte a dois tipos de concessão para oportunidades de transmissão:

• Concessão por conexão (Grants per Connection - GPC): a largura de banda é explicitamente garantida para cada cone-xão, de acordo com o seu tipo de fluxo, que requisita sua pró-pria oportunidade de transmissão.

• Concessão por estação (Grants per Subscriber Station - GPSS): a estação cliente requisita oportunidades de transmis-são para todos os serviços que ela mantém, e esta SS é respon-sável por alocar as oportunidades recebidas entre os diferentes tipos de fluxos. Esta solução exige maior inteligência na habi-litação da qualidade de serviço.

Ambos os processos usam um protocolo de autocorreção, que é melhor que um protocolo de confirmação. Todos os erros são manipulados da mesma forma. Depois do timeout, a SS simplesmente requisita banda novamente. Este método evita o uso de códigos extras de confirmação, e consome me-nos banda. Protocolos com confirmações podem tomar um tempo adicional, incrementando os atrasos na rede. Existem diversas razões pelas quais a banda solicitada por uma SS po-de não ser disponibilizada [8]:

• a BS não viu o pedido devido a erros irrecuperáveis na camada física (PHY).

• a SS não viu o pedido devido a erros irrecuperáveis da PHY.

• a BS não teve banda suficiente disponível. • o GPSS na SS usou a banda para outro objetivo. Concessões, as quais são dadas em termos de durações de

transmissão no uplink são carregadas nas mensagens de UL-MAP. As mensagens UL-MAP são enviadas do sistema Esca-lonador de Pacotes de Uplink da BS para o Escalonador de Pacotes da SS. A BS aloca banda para a conexão ou para uma SS através da concessão de oportunidades de transmissão no UL-MAP. A decisão de concessão é principalmente baseada

no número total de requisições, às necessidades do atual fluxo de serviço e a disponibilidade dos recursos da rede.

Os dois tipos de concessão permitem uma negociação equi-librando simplicidade e eficiência nas SSs. Porém, a necessi-dade de concessões extras para largura de banda, a probabili-dade de mais entradas de fluxos em uma estação cliente e a habilidade de reagir mais rapidamente às necessidades de a-daptações da camada física, torna o tipo GPC menos eficiente e escalonável que o GPSS.

IV. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A gerência de banda em redes WiMAX é uma tarefa árdua, que demanda por algoritmos sofisticados e que envolve prati-camente todas as funções da MAC. Neste trabalho, estudamos os principais aspectos da gerência de banda WiMAX. O traba-lho continua com o estudo e elaboração de arquiteturas e algo-ritmos para a gerência de banda WiMAX.

V. AGRADECIMENTOS

Gostaríamos de agradecer a FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelo suporte a este trabalho.

REFERÊNCIAS

[1] WiMAX(2006). WiMAX forum. http://wimaxforum.org, Maio, 2006.

[2] IEEE-802.16 (2004). IEEE standard for local and metropolitan area networks - part 16: Air interface for fixed broadband wireless access systems. IEEE Std. 802.16-2004. Internet Engineering Task Force IETF.

[3] IEEE-802.16 (2005). IEEE standard for local and metropolitan area networks - part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wire-less access systems. IEEE Std. 802.16-2005.

[4] Maciel, P. (2005). Modelagem e análise de um protocolo de acesso alternativo para o padrão IEEE 802.16 de redes metropolitanas sem fio.

Universidade Federal do Rio de Janeiro - COOPPE/PESC.

[5] Akyildiz, I. and Wang, X. (2005). A survey on wireless mesh networks. IEEE Communications Magzine, vol. 43, no. 9, pp. 523-530.

[6] Bruno, R., Conti, M., and Gregori, E. (2005). Mesh networks: Commod-ity multihop ad hoc networks. IEEE Communications Magazine, vol. 43, issue: 3, pp. 123-131.

[7] Wood, Mark C., An Analysis of the Design and Implementation of QoS over IEEE 802.16.

[8] Eklund, Carl, IEEE Standard 802.16: A Technical Overview of the WirelessMAN™ Air Interface for Broadband Wireless Access

[9] Bonato, Cristiano Both, Rede Metropolitana IEEE 802.16 (WiMax) - Aspectos Técnicos: Nível de Enlace.

Fabio Magagnini Quinelato nasceu em São Paulo, SP, em 28 de outubro de 1983. Formando em Engenharia Elétrica (Inatel, dez/2008). Desenvolve um trabalho de Iniciação Científica sobre o gerenciamento de banda em redes WiMAX. Tendo interesse nos temas de TI, redes de computadores e projetos de telecomunicações.

Antônio Marcos Alberti nasceu em Tucunduva, RS, em 1972. Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), RS, em 1996. Recebeu os títulos de mestre e de doutor em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp, SP, em 1998 e 2003, respectivamente. Está no Inatel desde 2004, onde é professor adjunto e atua na graduação e pós-graduação. Faz parte do conselho editorial da revista Telecomunicações. Em 2006, fez parte do comitê técnico das confe-rências Globecom, TEMU, ICDT e ANSS. Possui vários artigos publicados em congressos e revistas, nacionais e internacionais. Sua principal área de atuação é redes de comunicações, tendo atuado no projeto, modelamento, simulação, análise de desempenho e otimização destas redes.