An analytical model for IEEE 802.11ah networks under the restricted access window mechanism and Rayleigh fading channel

Abstract

Muitas tecnologias promissoras foram desenvolvidas desde a concepção da Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things). À luz do crescimento da IoT, o IEEE 802.11ah é uma alteração ao padrão IEEE 802.11 para enfrentar os principais desafios da IoT, que são a conectividade de muitos dispositivos a um único ponto de acesso (AP, do inglês Access Point), transmissões a longas distãncias e recursos de energia limitados. Deste modo, o IEEE 802.11ah introduz novos recursos nas camadas Física e MAC (do inglês Medium Access Control) para atender aos requisitos de IoT. Na camada Física, houve modificações para permitir a operação em faixas de frequência abaixo de 1GHz e, na camada MAC, o padrão introduz mecanismos de economia de energia para melhorar o desempenho em redes densas. Uma de suas principais inovações é a janela de acesso restrito (RAW, do inglês Restricted Access Window), que é um recurso de acesso ao canal projetado para reduzir a contenção de canais, dividindo as estações em grupos RAW. Cada grupo RAW é dividido em slots RAW, e somente as estações atribuidas a um dado slot RAW podem tentar o acesso ao canal durante o intervalo de tempo do slot RAW. Nesta tese, propomos primeiro um modelo de cadeia de Markov de tempo discreto para avaliar a vazão média agregada de redes IEEE 802.11ah que utilizam o mecanismo RAW, sob tráfego saturado e condições de canal ideal. O modelo analítico proposto descreve o comportamento de uma estação ativa dentro do seu slot RAW atribuído. O principal aspecto do modelo é a consideração do evento de conclusão do tempo de slot RAW durante o processo de backoff de uma estação. Os resultados numéricos derivados do nosso modelo analítico são comparados com simulações computacionais independentes baseadas em um módulo do IEEE 802.11ah desenvolvido para o simulador ns-3 por outros pesquisadores. Estudamos a vazão média agregada da rede para vários números de slots e estações RAW na rede e confirmamos a importância da probabilidade de término do slot RAW em nosso modelo analítico. Para isso, realizamos esta comparação em dois casos: um em que esta probabilidade foi considerada e outro em ela não foi considerada no modelo analítico. Além disso, nosso modelo analítico também é comparado com outros dois modelos analíticos propostos na literatura. Os resultados apresentados indicam que o modelo analítico proposto atinge a maior concordância com simulações computacionais derivadas independentemente. Além disso, estendemos o modelo de cadeia de Markov de tempo discreto para considerar o impacto do desvanecimento Rayleigh e da perda de caminho em grande escala na operação de redes IEEE 802.11ah. Também validamos o modelo analítico proposto por meio de simulações ns-3 e estudamos o desempenho da rede em termos de vazão em diferentes cenários, variando os esquemas de modulação e codificação (MCS, do inglês Modulation and Coding Scheme), tamanho do pacote e distância ao ponto de acesso (AP, do inglês Access Point). O modelo analítico proposto previu com precisão o desempenho da rede na maioria dos cenários. Porém, em alguns casos, observamos erros percentuais mais elevados entre o modelo analítico e as simulações computacionais. Com as simulações computacionais, percebemos que houve perdas de pacotes as quais o modelo analítico não prevê. Propomos uma expressão para ajustar a duração do slot RAW com base na distância das estações até o AP e a eficiência das estratégias de agrupamento foi medida em termos da justiça de Jain. Com nossos estudos de caso, demonstramos a necessidade de ajustar a duração do slot RAW com base na distância entre as estações e o AP para obter justiça de acesso ao canal entre os grupos.