Proposta de técnicas para reserva de canal e atenuação do problema de surdez de antenas em comunicações direcionais

Abstract

O uso de antenas direcionais acopladas a dispositivos que permitam a comunicação sem o tem sido considerada uma alternativa para melhorar a utilização do espaço aéreo, a vazão e a redução de interferência. Apesar de prover um melhor uso do espaço aéreo, a utilização de antenas direcionais possui algumas limitações. Tais limitações decorrem das próprias características das comunicações direcionais, assim como do fato de que a mai- oria dos protocolos de controle de acesso ao meio (MAC) projetados para comunicações direcionais serem baseados no padrão IEEE 802.11. Apesar do padrão em questão ser am- plamente adotado na literatura correlata, ele foi projetado para suporte a comunicações omnidirecionais. Dessa forma, os protocolos MAC direcionais baseados no padrão IEEE 802.11 acabam herdando características do padrão que limitam o desempenho quando se considera o uso de comunicações direcionais. Este trabalho realiza um estudo e propõe melhorias para as técnicas relativas às comunicações direcionais. A principal contribuição deste trabalho é a proposta de uma técnica de reserva de canal otimizada para comunica- ções direcionais. A técnica proposta permite a realização da reserva de canal em menos tempo do que o gasto com o uso dos mecanismos tradicionais. Utilizando sinais pulse e tone, a técnica proposta (DPTCR) é avaliada tanto de maneira analítica como empírica. O DPTCR foi capaz de prover uma vazão até 40% maior do que as técnicas existentes. A segunda contribuição deste trabalho está na proposta de integração do DPTCR com técnicas direcionais já existentes, permitindo assim um melhor aproveitamento das ca- racterísticas das comunicações direcionais. A referida integração foi avaliada, indicando ganhos no que diz respeito à quantidade de transmissões simultâneas. Embora provenha diversos ganhos, a utilização de comunicações direcionais incorre em problemas ainda em estudo pela literatura correlata. Neste sentido, pode-se destacar o problema de surdez de antenas que pode acarretar situações de injustiça na distribuição dos recursos da rede. A terceira contribuição deste trabalho reside na proposta de um mecanismo (DPTCR-DA) que visa mitigar o problema de surdez em antenas direcionais. Este mecanismo de atenuação de surdez utiliza como base o DPTCR aliado à estimativa da ocorrência de surdez a partir de informações de uxos de tráfego. Nas avaliações apresentadas, o DPTCR-DA revela o seu potencial tanto no que tange à justiça na distribuição dos recursos da rede, quanto no que diz respeito à vazão de comunicações iniciadas pelo receptor. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The use of directional antennas attached to devices that enable wireless communi- cations has been considered an alternative to improve spatial reuse and throughput. Although the use of directional antennas provides better spatial reuse, it also imposes constraints on network performance. These constraints are inherited from directional communications characteristics, as well as the fact that most medium access control (MAC) protocols designed for directional communications are based on the IEEE 802.11 standard. Although the IEEE 802.11 standard is widely used, it was designed for omnidirectional communications. Thus, the directional MAC protocols based on the IEEE 802.11 standard inherit characteristics that limit the performance when considering the use of directional communications. This work aims to perform a study and propose improvements to techniques related to directional communications. The main contribution of this work is to propose a channel reservation technique which is designed for directional communications. The proposed technique performs channel reservation in less time than traditional schemes. Based on pulse and tone signals, the proposed technique (DPTCR)is evaluated from empirical and analytical perspectives. The results show that DPTCR is able to provide a throughput up to 40% higher than traditional schemes. Another contribution of this work is to incorporate packet scheduling techniques in order to better explore directional communications characteristics. The referred integration was eval- uated, improving the amount of simultaneous transmissions. Despite of its advantages, directional communications also impose severe constraints which are commonly addressed in related works. One of these shortcomings is the deafness problem, which may lead to an unfair assignment of network resources. The third contribution of this work is to propose a deafness mitigation technique (DPTCR-DA) that aims to minimize the deafness prob- lem. This technique is based on DPTCR coupled with the use of tra c ow information to estimate deafness occurrence. Performance evaluations reveal DPTCR-DA's potential in terms of fairness and throughput.