Diseño y evaluación de los mecanismos de petición de ancho de banda basados en contención para redes ieee 802. 16 (wimax)

Resum

En los últimos años, el desarrollo de sistemas de inalámbricos de banda ancha (BWA, Broadband Wireless Access) se ha visto incrementado debido a la demanda de acceso a Internet a alta velocidad y al uso de aplicaciones caracterizadas por requisitos de ancho de banda y retardo. Además, su flexibilidad y bajo coste de instalación hacen posible el desarrollo de los mismos. Uno de los principales estándar BWA es el estándar IEEE 802.16, también conocido como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave ACCess). El estándar 802.16 define dos capas: la capa física (PHY) y la de control de acceso al medio (MAC). Esta tesis se centra en el estudio del procotolo MAC, que se basa en un mecanismo centralizado, definiendo dos tipos de nodos dentro de cualquier sistema: la estación base (BS), responsable de garantizar las peticiones de ancho de banda de cada conexión en la red, y las estaciones clientes (SS), que son los dispositivos origen y destino de dichas conexiones. Así, la BS tiene que conocer las necesidades de recursos en las direcciones ascendente y descendente para hacer un apropiado reparto de recursos. Obviamente, los requisitos de ancho de banda en sentido descendente son fácilmente calculados, chequeando el tamaño de las colas de datos de la BS. Pero en el caso del enlace ascendente, la estimación de sus requisitos no es posible, ya que la BS no tiene acceso a las colas de datos de las conexiones. Para resolver este problema el estándar define mecanismos para enviar las peticiones de ancho de banda de las conexiones ascendentes a la BS. Estos mecanismos operan según dos principios: polling y contención. Bajo polling, la BS sondea por turnos a las SSs. Al considerar el modo de operación basado en contención, una SS puede enviar sus peticiones usando un esquema de acceso aleatorio sin esperar a ser sondeada. Cuando se usa la contención, y siguiendo el estándar, la BS determina el número de slots por trama habilitados para que las SSs envíen sus peticiones. El principal problema de este mecanismo es el conflicto que puede ocurrir cuando dos o más SSs envían sus peticiones durante el mismo intervalo temporal. Para resolver este conflicto, el estándar IEEE 802.16 define un proceso obligatorio de resolución de la contención, basado en el algoritmo truncated binary exponential backoff, el cual está controlado por varios parámetros: el número de slots de contención, que determina las oportunidades de transmisión durante las cuales una SS puede enviar sus peticiones, y los valores de la ventana de backoff inicial y final, que controlan cuándo una SS envía su petición de recursos. Así pues, el número de conflictos en el proceso de contención es un aspecto a minimizar. Para ello, se pueden realizar dos aproximaciones: 1. Centrándose en el proceso de contención: reducir el número de peticiones del sistema global, pues de esta forma el número de conflictos por transmisión en el mismo intervalo temporal se reducirá, y 2. Centrándose en el algoritmo de resolución de la contención: estimar los valores apropiados de los diferentes parámetros, reduciendo así el número de conflictos y el retardo de acceso al medio. Ambas aproximaciones, ya tratadas en la literatura, son estudiadas en este trabajo. En concreto, para la primera se proponen tres nuevos mecanismos, los cuales reducen el número global de peticiones y, al mismo tiempo, reducen el retardo. Para la segunda aproximación, otros tres nuevos algoritmos son propuestos, los cuales estiman los valores de los parámetros del algoritmo de resolución de la contención para reducir el retardo de acceso al medio y el tamaño de la fase de contención.