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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.5 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000500012 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 81-88

INFORMÁTICA Y COMUNICACIONES

Esquema de Difusión de Señalización de Trama para una Red Local Inalámbrica

Frame Signaling Broadcast Scheme for a Wireless Local Area Network

J.A. Abad1 y J. Sánchez2

1) Univ. Autónoma de Baja California, Blvd. Benito Juárez s/n, Insurgentes Este, 21280 Mexicali, B.C.-México (e-mail: alfredo_abad@uabc.mx)

2) Centro de Investigación Científica y de Educación Superiores de Ensenada, Carretera a Tijuana, Km. 7.5, 22860 Ensenada, B.C.-México (e-mail: jasan@cicese.mx)


Resumen

Este articulo presenta una propuesta de protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) que emplea el esquema de Acceso Múltiple por División de Tiempo, con Duplex en Tiempo (TDMA/TDD), para distribuir el ancho de banda disponible entre los usuarios de una red inalámbrica. Se pone especial atención al proceso de señalización del protocolo, que indica a las terminales remotas la configuración de cada una de las tramas, así como el estado del sistema. Para medir la eficiencia del esquema, se tomaron parámetros como retardo y caudal eficaz. El análisis mostró que para los servicios sensibles al tiempo el retardo para el establecimiento del servicio es pequeño. De los resultados obtenidos se concluye que este protocolo podría ser implementado en una red local inalámbrica proporcionando los mismos compromisos de calidad que los sistemas alambrados.


Abstract

This paper presents a Medium Access Control (MAC) protocol proposal, based on a Time Division Multiple Access/Time Division Duplex scheme (TDMA/TDD), to manage the distribution of available bandwidth among wireless network users. Special attention is given to the signalling process of the protocol, that informs the remote terminals about the next frame configuration, as well as the system status. In order to measure the efficiency of the scheme, parameters like delay and throughput were taken. The analysis showed that for time sensitive services the service establishing delay is small. With the results obtained, it is concluded that this protocol could be implemented in a wireless local network, providing the same quality as that of wired systems.

Keywords: signaling broadcasting, wireless local network, radio channel, bandwidth


 

INTRODUCCIÓN

Con el rápido incremento de la tecnología inalámbrica y el auge por las aplicaciones multimedia, han sido muchos los sistemas que han surgido para proporcionar servicio de red local en ambientes inalámbricos. Dentro de las tendencias tecnológicas predominantes, cabe destacar los estándares para redes locales de datos inalámbricas (WLAN): HIPERLAN/2 de la ETSI (Instituto de Estándares Europeos de Telecomunicaciones), el IEEE 802.11 desarrollado en USA, y el estándar HiSWAN desarrollado por la ARIB en Asia (Doufexi et al., 2002). Por otro lado, en los últimos años se han venido desarrollando  varios proyectos para lograr una red del tipo Modo de Transferencia Asíncrono (ATM) Inalámbrica, mejor conocida como WATM; la red WATM tiene la ventaja de proporcionar una diversidad de servicios garantizando la calidad requerida por cada uno de ellos (Sánchez et al., 1997). Cabe mencionar que el protocolo de acceso al medio (MAC) de la red inalámbrica  HIPERLAN/2, está basada precisamente en un esquema compatible con ATM.

Para establecer una red WLAN, uno de los principales problemas a resolver es la distribución del ancho de banda entre el grupo de usuarios solicitantes proporcionando las mejores prestaciones de servicio durante su utilización. Lo anterior, aunado a la hostilidad del canal radio, ha dado como resultado un arduo trabajo de investigación en el diseño de protocolos MAC (Sánchez et al., 2003) para los sistemas de redes inalámbricas. El protocolo MAC debe ser capaz de manejar satisfactoriamente las diversas tasas de transmisión y requerimientos de retardo de las diferentes fuentes generadoras de información, con un buen desempeño y calidad de servicio (QoS) dentro del sistema de comunicación inalámbrico. Mikkonen y Nenonen (1998) afirman que la mayoría de los esquemas MAC propuestos para WATM se basan en alguna clase de esquema ranurado, controlado a través de una central, cuya tarea primordial es el control de la asignación de los recursos del canal radio de una forma simple y eficiente. Por la sencillez de su operación, estos esquemas representan una buena opción para WLAN. Para Huang et al. (2000), la técnica más adecuada para tráfico multimedia (asimétrico) en ambiente inalámbrico es la TDMA /TDD con asignación dinámica de ranuras. Este mecanismo permite un acomodo flexible del ancho de banda asignando un número de ranuras de tiempo, mayor o menor, de acuerdo a las condiciones actuales de tráfico.

De la serie de propuestas realizadas sobre protocolos MAC que utilizan la técnica TDMA, en este trabajo se considera la presentada por Sánchez (2001) en su tesis doctoral, la cual emplea un esquema TDMA/TDD. El objetivo de este trabajo es analizar dicho protocolo, poniéndole especial atención a la difusión de señalización, y establecer su posible implementación en redes locales inalámbricas ofreciendo garantías de Calidad de Servicio.

 

PROTOCOLO PROPUESTO

El protocolo que se propone tiene como base una trama de longitud fija, dividida en dos subtramas (subida y bajada) de longitud variable. Este esquema se puede describir como una técnica que emplea una tasa de transmisión de 23 Mbps, sobre una portadora de 6 GHz, y que cuenta con ranuras asignadas por demanda y ranuras de acceso aleatorio (ALOHA Ranurado). Cuando hay colisión de paquetes, se maneja un algoritmo de retransmisión basado en prioridad de potencia (APP), el cual incluye el efecto captura en el receptor. La descripción detallada de este algoritmo es presentada en Sánchez et al. (2002).

El área de cobertura del punto de acceso (estación base) es una picocélula, donde existe línea de vista entre el transmisor y receptor, por tanto se considera un desvanecimiento tipo Rician. En la Tabla 1, se muestran las características principales de este sistema.

El esquema TDMA/TDD de la propuesta contempla una trama de 64 ranuras (figura 1) con límite (entre subtramas) movible, donde cada ranura tiene una longitud de 65 bytes, y maneja paquetes ATM estándar a los que les agrega un encabezado necesario por la capa física de radio. La trama TDMA/TDD está dividida en dos sub-tramas. La sub-trama de enlace descendente contiene N ranuras y la sub-trama de enlace ascendente contiene  la cantidad de 64 - N ranuras.

La primera ranura de la sub-trama de enlace ascendente es utilizada para proporcionar una miniranura de cambio de sub-trama (turn-over) y tres miniranuras para contención. Se puede  convertir una ranura para transmisión de paquetes en cuatro miniranuras de contención,  en  el momento que se detecten colisiones, por cantidad de tráfico, por detección de retransmisiones y/o por tener algunas ranuras libres.

 

 Tabla 1: Características principales del esquema TDMA/TDD

Especificación

Valor

Unidades

Duración de la trama

1.4469

Ms

Tasa de transmisión

23

Mbps

Bytes por trama

4160

Bytes

Tamaño de una ranura

520

Bits

Miniranuras de contención

3 ó 7

miniranuras

Bytes asignados al periodo de contienda

48.75 ó 113.75

Bytes

Tamaño de una miniranura de contención

130

Bits

Bytes asignados al enlace descendente

Variable

Bytes

Número de ranuras en el enlace descendente

N

ranuras

Bytes asignados al enlace ascendente

Variable

Bytes

Número de ranuras en el enlace ascendente

64 – N

ranuras

Tasa de transmisión por cada ranura

359.375

Kbps

Bytes asignados al cambio de sub-trama

16.25

Bytes

Tamaño del paquete de petición

130

Bits

Tamaño paquete de transmisión

520

Bits

Tamaño del mensaje de difusión

130

Bytes

Tiempo de guarda

28

Bits

 

Fig. 1 : Estructura de la trama TDD

 

MENSAJE DE SEÑALIZACIÓN

Las dos primeras ranuras de la sub-trama descendente son utilizadas para la difusión del mensaje de señalización. Este mensaje (figura 2) controla el uso eficiente del ancho de banda requerido por el usuario para la transmisión y recepción de información. El mensaje de señalización difundido hacia las terminales remotas está compuesto por 707 bits netos de mensaje mas 333 bits requeridos para su transportación en la capa de radio, sumando un total de 1040 bits, equivalentes a 130 bytes u octetos, lo cual representa dos ranuras de la trama TDD.

Para controlar la asignación de ranuras y el tamaño de las sub-tramas, se requiere que el protocolo MAC de la estación base realice un proceso de señalización en cada trama. Este proceso de señalización será realizado a través de la difusión de un mensaje dirigido a las terminales remotas.

Por medio de este mensaje las terminales contendientes serán capaces de saber en qué miniranura de contención transmitir su petición, si su petición por el recurso (para llevar a cabo una transmisión) fue aceptada, y en cuales ranuras específicas podrá transmitir y recibir información de usuario. Este mensaje informa también sobre las condiciones del sistema a todas aquellas terminales que no cuentan con información a transmitir, para cuando tengan la necesidad de contender por el recurso, estén enteradas del momento exacto para hacerlo. El mensaje será difundido a las terminales remotas al inicio de cada trama y será captado por todas las terminales que pertenezcan al área de cobertura de la estación base.

 

Fig. 2: Mensaje de señalización

 

El permiso para el uso del canal radio es notificado a través del campo ACK (140 bits) del mensaje de señalización, por medio de este campo se le indica a la terminal remota la afirmación o negación de la asignación de ranuras (1 bit) para transmisión y recepción. También se le indica el intervalo entre tramas que deberá considerar de acuerdo a su tasa de transmisión (3 bits), esto es, cada cuántas tramas volverá a utilizar la ranura asignada. El reconocimiento se da para siete terminales remotas en cada trama (con 20 bits por terminal), que equivale al número máximo de ranuras de contención que se pudiera tener en un momento dado. Es a través de un identificador WVCI (Identificador de Canal Virtual Inalámbrico) como se distinguen una terminal remota de las otras; en los 16 bits restantes se transmite el WVCI anterior y actual (en su caso), de la terminal destinataria del ACK. A través del campo mapa de ranuras (496 bits) la terminal sabe la ranura especifica que le fue asignada, este campo muestra el WVCI (8 bits) que está haciendo uso de cada ranura (de las 62 ranuras posibles) de los enlaces descendente y ascendente en cada trama que se genera.

Para indicar en que ranura se encuentra ubicado el límite entre las sub-tramas de enlace descendente y ascendente, así como para  mantener la sincronización en cuanto al momento preciso en que inicia y termina la contención por el recurso, se cuenta con los campos límite de sub-trama (6 bits) y ranuras de contención (1 bit). Este último campo indica si hay 3 ó 7 mini-ranuras de contención en cada trama. La información que ofrece el mensaje de señalización a las terminales, permite en gran medida la reducción de las colisiones de paquetes dentro del sistema.

 

METODOLOGÍA DE SIMULACIÓN

Para analizar el rendimiento del esquema de acceso se utilizó la herramienta de simulación OPNET, la cual ofrece los elementos apropiados para la recreación del ambiente inalámbrico real representado por los bloques o modelos de nodo del paquete de simulación (Opnet, 2003).

Parámetros de simulación: Las siguientes son las consideraciones tomadas para la simulación:

§  Se modela el protocolo MAC con acceso TDMA/TDD.

§  Una trama es de tamaño igual a 64 ranuras.

§  Se utilizan tres o siete mini-ranuras para el periodo de contención, seleccionadas de manera aleatoria.

§  De la sub-trama descendente solo se analizan las dos primeras ranuras, equivalentes al mensaje de señalización.

§  El tiempo de procesamiento del mensaje de señalización por parte de las terminales es de una trama.

§  Las estadísticas de desempeño en su mayor parte están basadas en los paquetes de petición.

§  El modelo maneja 5 tipos de servicios: CBR, rt-VBR, nrt-VBR, Abr y UBR.

§  Cada terminal remota opera bajo un solo tipo de servicio y se le asigna un WVCI único.

§  No se considera Handover, efecto Doppler o sombreo.

§  Las terminales remotas son fijas o su movilidad es casi nula.

§  No se implementa la retroalimentación para el servicio ABR.

§  Para los servicios CBR, después de los 10 intentos por conseguir el recurso y de no lograrlo, se interrumpe el proceso.

§  Para los servicios rt-VBR se respeta el CTD establecido.

§  Para los servicios de baja prioridad no se restringe el número de retransmisiones, ni el tiempo para lograr capturar el canal.

§  Se implementa el mecanismo backoff (retraso en la transmisión) en las terminales para reducir el número de colisiones.

§  Se cuenta con un algoritmo (ADICACTM) para el incremento o decremento de periodo de contención según las condiciones del tráfico. El funcionamiento de este algoritmo es descrito en Ayala (2000).

§  Cuando una terminal se ve involucrada en una colisión durante la contienda del recurso, entra en función un algoritmo de retransmisión por prioridad de potencia (APP). Descrito en Sánchez et al. (2002).

§  Cuando se inicializa el sistema, el tamaño de las sub-tramas es de 32 ranuras para cada una, posteriormente, dependiendo del tráfico y de la naturaleza de los servicios de comunicaciones el tamaño de las sub-tramas será asimétrica (en general será de mayor tamaño la sub-trama descendente).

§  El tiempo de simulación es de 30 segundos, suficiente para la estabilización del sistema (tiempo de calentamiento) y no muy grande para acotar el tiempo proporcional que toma el ejecutar la simulación.

§  El número de terminales remotas varía de 5 a 250; limitado a un máximo de 10 terminales con servicio CBR y rt-VBR, para los demás servicios la cantidad de ellas es equitativa.    

Caracterización del tráfico: Para la caracterización del tráfico se utilizaron cinco diferentes tipos de fuentes, por medio de las cuales se generan las diversas aplicaciones multimedia. Tales aplicaciones son: transferencia de archivos, canal de voz digitalizada, video comprimido, transferencia de imágenes, y correo electrónico, entre otros. Los parámetros utilizados para generar cada tipo de tráfico se muestran en la tabla 2.

Tabla 2: Características del tráfico

Parámetro

Tipo de tráfico

CBR

Rt-VBR

nrt-VBR

ABR

UBR

Velocidad del canal

64 kbps

       

Conexiones por hora

30

       

Duración media de llamada

30 seg.

       

Video MPEG-1 (tramas/seg)

 

25

     

PCR

 

1 Mbps

250 kbps

250 kbps

250 kbps

SCR

 

0.5 Mbps

120 kbps

   

MCR

     

0 kbps

 

CTD

      

90 ms.

     

Tamaño paquete

 

Variable

10 kbits

10 kbits

10 kbits

Intervalo entre ráfagas

   

0.5 seg.

0.5 seg.

0.5 seg.

 

Caracterización del sistema de radio: Para llevar a efecto la simulación se utilizaron las especificaciones de radio para los transceptores de la base y las terminales remotas, mostradas en la tabla 3.

 

Tabla 3: Características del sistema de radio

Especificación

Valor

Velocidad de transmisión

23 Mbps

Modulación utilizada

GMSK

Potencia de transmisión (estación base)

100 miliwatts

Potencia de transmisión (terminales)

0.625 a 160 miliwatts

Frecuencia de portadora

6 GHz

Ancho de banda utilizado

23 Mhz

 

Escenario de simulación: Se realizaron 12 secuencias de simulación tomándose como escenario un modelo inalámbrico compatible con ATM con difusión de señalización y ejecutado bajo las condiciones de simulación antes mencionadas.

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Uno de los aspectos importantes a considerar en toda red, sea ésta alambrada o inalámbrica, es la evaluación de su desempeño, y para llevarla a cabo es necesario tomar en cuenta una serie de parámetros como los son retardos, colisiones, retransmisiones, por mencionar solo algunos. A través del análisis de estos parámetros se determina si el desempeño del sistema es el apropiado para los fines para los cuales fue diseñado.

Los resultados que aquí se presentan, giran alrededor de la transmisión aleatoria de los paquetes de petición, ya que los problemas principales que se presentan en los sistemas de comunicación se dan al momento de estar accediendo al sistema (especialmente si se trata de acceso aleatorio, pues frecuentemente se presentan colisiones), y es aquí donde la señalización deberá jugar el papel más importante en el control del mismo sistema de comunicaciones.

A través de las siguientes graficas se muestran

algunos de los resultados obtenidos de la evaluación del esquema de difusión de señalización simulado. Los resultados que se muestran están vinculados con el retardo en el establecimiento del servicio. En la figura 3a se puede apreciar la manera en la cual la señalización en la trama contribuye a que los servicios sensibles al tiempo, como lo son CBR y rt-VBR, mantengan retardos pequeños en el establecimiento de conexión, evitando con ello que el tiempo de vida de sus paquetes de información expire y con ello se pierdan.

Una vez que la terminal remota obtiene el recurso y puede iniciar su transmisión, el sistema ofrece los requerimientos necesarios para las conexiones, manteniendo el retardo dentro de los límites establecidos para servicios en tiempo real; esto se aprecia en la gráfica de la figura 3b. En el caso del servicio CBR, éste se caracteriza por ser un servicio isócrono, lo que implica que el retardo entre paquetes de información deberá ser siempre igual independientemente del tráfico ofrecido de paquetes de información. Continuando con los servicios sensibles al tiempo, el retardo para rt-VBR se encuentra dentro de los 70 milisegundos, menor a los 90 milisegundos que se establece como máximo CTD soportado por este servicio.

En relación al caudal eficaz, este se mide en los canales de acceso aleatorio (transportados en las mini-ranuras de contención), que pueden ser 3 ó 7, dependiendo del tráfico. La figura 4 muestra el comportamiento del caudal eficaz en función del número de terminales remotas que en ese momento se encuentran activas en el sistema inalámbrico, y se observa que la tendencia del caudal eficaz tiende a aumentar (hasta un máximo de 60%) conforme el número de terminales es mayor, esto debido a que el tráfico ofrecido va en relación directa con la cantidad de terminales remotas

 

(a)

(b)

Fig. 3: Retardos a) en el establecimiento del servicio, b) en el servicio

 

Se puede observar, tanto en la gráfica 4a como la 4b, que los máximos caudales se alcanzan cuando se emplea un número de terminales remotas mayor de 200, con lo cual se puede establecer que el sistema soporta de manera adecuada a un número relativamente grande de  usuarios en relación al tamaño de la picocelda (radio de 200 metros). Para el caso de la figura 4a, en el cual hay 3 mini-ranuras de contención, un caudal eficaz máximo de 60% implica que aproximadamente 2 de cada 3 mini-ranuras son utilizadas eficientemente en cada trama. Para la figura 4b, donde hay 7 mini-ranuras de contención, el caudal eficaz máximo de 33% significa que en promedio 2.3 de cada 7 mini-ranuras son utilizadas exitosamente en cada trama.

 

(a)

(b)

Fig. 4: Caudal eficaz, a) con 3 miniranuras, b) con 7 miniranuras

 

Este esquema de acceso al medio fue pensado, diseñado y desarrollado para una red local inalámbrica compatible con ATM, pudiéndose implantar en alguna empresa corporativa, en una universidad, en un estadio, en un hipódromo o en un salón de juegos, en donde varios usuario en forma simultánea puedan estar accediendo a bases de datos, llevar estadísticas, realizar video-conferencias u otras aplicaciones multimedia. Su aplicación no está limitada a estos tipos de sistemas, puede emplearse también en otros sistemas actuales de redes locales inalámbricas (WLAN), tales como los que define el estándar IEEE 802.11, cuyo uso va en aumento exponencialmente. Una de las redes inalámbricas sobre la cual podría trabajar este esquema propuesto es la HIPERLAN/2; el sistema de acceso que emplea HIPERLAN/2 es del tipo TDMA/ TDD, el cual coincide con las características de operación del esquema  aquí analizado.

 

CONCLUSIONES

La señalización es la parte que lleva la inteligencia en todo sistema de comunicación, razón por la cual, es de suma importancia su estudio y evaluación, a través de ella se lleva el control, se supervisa, y se mantiene el orden entre los elementos que conforman a dicho sistema.

De los resultados obtenidos y mostrados en las graficas anteriores se puede aseverar que con el empleo del esquema de difusión de señalización para el control del acceso, la red local inalámbrica ofrece los mismos compromisos de calidad de servicio (QoS) que ofrece ATM, en cuestión de retardos para los servicios sensibles al tiempo, lográndose para CBR (tasa de bit constante) un retardo máximo de 10 milisegundos y para rt-VBR (tasa de bit variable en tiempo real) uno de aproximadamente 30 milisegundos para el establecimiento de la conexión. Una vez establecida la conexión se logró para CBR un retardo constante menor a los 40 milisegundos y para rt-VBR un retardo máximo de 70 milisegundos con el máximo tráfico ofrecido bajo las condiciones presentadas.

El esquema de difusión de señalización propuesto reduce el número de colisiones (y retransmisiones) de los paquetes de petición, disminuyendo con ello los retardos, principalmente en la fase de establecimiento del servicio.

La implantación de este esquema en sistemas inalámbricos tiene la ventaja de proporcionar garantías de calidad de servicio a los usuarios, similares a las que ofrecen los sistemas alambrados, proporcionándole una ventaja extra al usuario que consiste en la movilidad; con esto lo libera de la atadura a un espacio físico, ayudando al usuario a tener la información de manera oportuna aún cuando este no se encuentre en su lugar de trabajo.

 

AGRADECIMIENTOS

Se agradece el financiamiento parcial de este trabajo al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México (CONACYT) a través del proyecto 38833-A.

 

REFERENCIAS

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