A new cross-layer adaptive architecture to guarantee quality of service in WiMAX networks

Abstract

Redes sem fio devem prover qualidade de serviço para aplicações de voz, video e dados. Um padrão definido para oferecer qualidade de serviço nessas redes é o documento IEEE 802.16. Com o objetivo de melhorar a qualidade de transmissão, este padrão utiliza dois principais mecanismos físicos: (i) Orthogonal Frequency Division Multiple Access como interface física e (ii) a possibilidade de ajustar a robustez da transmissão em relação as imperfeições físicas que podem comprometer a transmissão. Além disso, o padrão define um conjunto de componentes na estação base, tal como alocadores, escalonadores e controles de admissões que devem ser modelados para prover uma arquitetura que garanta qualidade de serviço. Entretanto, o padrão não define nem os algoritmos de cada componente, nem a integração entre estes componentes. Investigações objetivando prover qualidade de serviço tem sido propostas no contexto de redes IEEE 802.16. A literatura sobre redes IEEE 802.16 móveis mostra que as atuais pesquisas estão focadas em soluções específicas para cada componente, ou em soluções com integrações parciais. O foco destas soluções é prover a melhor alternativa para problemas individuais para um componente particular. Entretanto, em todos os estudos realizadas nesta tese, não encontrou-se nenhuma pesquisa endereçando propostas sobre a qualidade de serviço global considerando a diversidade dos requisitos de tráfegos das aplicações e as condições de propagação do canal de rádio frequência. Neste contexto, essa tese propõe uma nova arquitetura para garantir qualidade de serviço em uma estão base que deve ser modelada usando uma infraestrutura entre camada para adaptar-se aos requisitos dinâmicos do tráfego, bem como as condições do canal de rádio frequência. O objetivo é integrar os componentes definidos pelo padrão com os mecanismos físicos. Outro objetivo é analisar a arquitetura proposta, através de uma metodologia de avaliação que é baseada segundo a especificação do sistema de avaliação do fórum Worldwide Interoperability for Microwave Access. Assim, a análise da nova arquitetura adaptativa entre camadas é realizada e os resultados mostram a eficiência na alocação dos dados, bem como o mínimo atraso e jitter gerado nas aplicações de tempo real.

Wireless networks must provide quality of service to voice, video and data applications. A standard defined to offer quality of service in these networks is the IEEE 802.16 document. In order to improve the quality of transmission, this standard uses two main physical mechanisms: (i) Orthogonal Frequency Division Multiple Access as physical interface and (ii) the possibility of adjusting the transmission robustness to face the physical impairments that may compromise the transmission. Moreover, the standard defines a set of components in the base station, such as allocators, schedulers, and connection admission controllers that must be modeled to provide an architecture that guarantees quality of service. However, the standard does not define either the algorithm running inside each one of the components nor the integration among them. Investigations aiming to provide quality of service have been proposed in the context of IEEE 802.16 networks. The literature on mobile IEEE 802.16 networks shows that the current research is focused on specific solutions for each component or in solutions with partial integration. The focus of those solutions is to provide the best alternative for individual problems of a particular component. However, to the best of our knowledge, no research addressing the overall quality of service architecture considering both the diversity of applications traffic requirements and the propagation conditions of the radio frequency channel has been proposed so far. In this context, this thesis proposes a new architecture to guarantee quality of service in the base station that must be modeled using a cross-layer infrastructure able to adapt to the dynamics of traffic requirements as well as to the radio frequency channel conditions. The aim is to integrate the components defined by the standard with the physical mechanisms. Another objective is to evaluate the proposed architecture, through an evaluation methodology that is defined following the specification of the system evaluation of the Worldwide Interoperability for Microwave Access forum. Therefore, the analysis on the new cross-layer adaptive architecture is performed and the results show efficient data allocation as well as a minimal delay and jitter for real-time applications.