Redes II - IEEE 802.11p

Trabalho da disciplina Redes II da UFRJ. Aluno: Yago Meira Lopes de Carvalho

Introdução

Existem diversos problemas presentes em nossas vidas hoje que motivam o estudo e desenvolvimento de Redes Veiculares Ad-Hoc (VANETs), dentre eles se destacam a ineficiência dos transportes públicos, os altos índices de acidentes de trânsito e os congestionamentos enfrentados por toda grande cidade. Todos esses problemas poderiam ser amenizados, previstos ou até solucionados com a implementação de redes veiculares. Para implementação dessas redes o Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos (IEEE) propôs um novo padrão para a comunicação sem fio entre veículos, o IEEE 802.11p.

Arquitetura WAVE

A arquitetura WAVE (Wireless Access in the Vehicular Environment) é definida por uma série de padrões do IEEE, dentre eles o IEEE 802.11p, que define modificações nas camadas física (PHY) e de controle de acesso ao meio (MAC) em ambientes veiculares. Mas essa arquitetura não se limita a essas modificações, definido também, através da família IEEE 1609, outras camadas da pilha de protocolos como a de rede, segurança e operação em canais [ALVES et al. 2009].

O padrão IEEE 802.11p

O padrão IEEE 802.11p foi finalizado em 2010 com o intuito de formalizar e normalizar as características básicas da comunicação wireless em ambientes veiculares. Esse padrão foi baseado no padrão IEEE 802.11a e possui diversas características em comum com este, como o formato da modulação (OFDM), a utilização da técnica Forward-error-correction (FEC), entre outras. Além disso, vale ressaltar que o método de transmissão utilizado pelo 802.11p é o CSMA/CA, comum a todos os padrões da família IEEE 802.11 [FUXJÄGER et al. 2010].

802.11

• Histórico

Em 1999, o IEEE definiu o padrão de redes locais sem-fio, o 802.11. Nele são definidos aspectos das camadas física (PHY) e de controle de acesso ao meio (MAC), como todos os padrões da família 802.x. Ao longo do tempo foram surgindo diversos grupos de trabalho para definir algumas características de redes sem-fio específicas, que deram origem a outros padrões da família 802.11 como a, b, g, n e p.

• Arquitetura

Na arquitetura desse padrão, existem dois tipos de rede: infraestruturada e Ad-Hoc. No primeiro tipo, um conjunto de estações se comunicando através de um ponto de acesso (AP) é denominado conjunto básico de serviço (BSS, ou Basic Service Set). Esse tipo de rede é denominado como tal por possuir um ponto de acesso único e central onde as estações se conectam. Já no segundo, as estações se conectam umas com as outras, sem um ponto de acesso, formando um conjunto básico de serviço independente (IBSS, ou Independent BSS). No modo infraestruturado, diferentes pontos de acesso podem ser conectados através de uma conexão backbone chamada sistema de distribuição (DS, ou Distribution System). Um conjunto de BSSs e DS é chamado de conjunto de serviço estendido (ESS, ou Extended Service Set). A figura 1 ilustra esses conjuntos do IEEE 802.11.

Figura 1: Arquitetura Lógica de uma rede 802.11 (Disponível em: http://www.teleco.com.br/tutoriais/tutorialrwlanman2/pagina_2.asp)

Um BSS é identificado por um BSSID (BSS Identification), semelhante ao endereço MAC, que deve ser único. O IEEE 802.11 ainda define um BSSID coringa, com todos os bits em 1, que pode ser utilizado apenas em quadros de gerenciamento [ALVES et al. 2009].

Modificações

• Canais de operação

O IEEE 802.11p define dois tipos de canais: o Canal de Controle (CCH) e o Canal de Serviços (SCH). O CCH é utilizado para o controle da rede e para transmissão de mensagens curtas de alta prioridade, enquanto o SCH é utilizado para a transmissão de dados dos serviços de rede. Vale ressaltar que no CCH só são aceitos quadros de gerenciamento e quadros de dados contendo mensagens curtas WAVE (WSM, ou WAVE Short Messages). Já no SCH são aceitos quadros de dados contendo WSMs ou datagramas IPv6.

• WBSS

Devido à dinamicidade das redes veiculares, o IEEE 802.11p define um novo BSS, o WBSS, ou WAVE BSS, visando reduzir o tempo de associação entre os nós da rede. Nesse novo tipo de BSS, uma estação envia um quadro de anúncio com todas as informações necessárias para que outra estação saiba os serviços disponíveis nesse WBSS, cabendo a esta decidir se se associará ou não. Em caso afirmativo, o processo de associação é completado e é baseado apenas no quadro de anúncio [ALVES et al. 2009]. O WBSS eliminou todos os passos de associação e autenticação do IEEE 802.11 original, reduzindo o tempo necessário para a associação, deixando para as camadas superiores o controle de grupos e questões de segurança [ALVES et al. 2009]. Vale ressaltar que estações pertencentes a um WBSS, ou seja, que possuam um BSSID, enviem quadros com o BSSID coringa para um alcance maior da informação, através do CCH. Essa configuração é importante para aplicações de segurança, por exemplo.

• Modificações da camada física (PHY)

O padrão IEEE 802.11p também definiu algumas modificações na camada física para as redes veiculares, e possui duas grandes diferenças em relação ao padrão 802.11a, no qual foi baseado. A primeira delas foi a diminuição da largura do canal de 20Hz para 10Hz. Essa modificação ocorre para compensar o espalhamento do atraso RMS inerente aos ambientes veiculares. Em termos de implementação, essa modificação é aplicada dobrando os parâmetros de temporização do OFDM. A segunda modificação foi a faixa de operação, que foi alterada de 2,4GHz para 5,9GHz.

• Modificações na camada de controle de acesso ao meio (MAC)

Além das modificações na camada física, a camada de controle de acesso ao meio também sofreu algumas modificações. Baseada no padrão IEEE 802.11e, o 802.11p utiliza uma extensão do CSMA/CA chamada Enhanced Distributed Channel Access (EDCA). Nesse protocolo, os pacotes podem ter 4 diferentes categorias de acesso (AC, ou Access Category): tráfego em segundo plano (background traffic), tráfego de melhor esforço (best-effort traffic), tráfego de voz e tráfego de vídeo. Cada uma das categorias possui diferentes parâmetros de controle de acesso ao meio, a fim de permitir essa priorização de cada uma [BARCELOS]. A tabela 1 mostra como os tipos de mensagens podem ser classificados nos ambientes veiculares.

Tabela 1: Tipos de mensagens em redes veiculares. (Barcelos)

Aplicações e testes de performance

Nesta seção serão apresentados alguns testes realizados com equipamentos que implementam o padrão IEEE 802.11p.

Teixeira et al. 2014

Nesse experimento, os autores utilizaram dois laptops com Linux e uma placa de rede que implementava o IEEE 802.11p (DCMA86-P2). O experimento foi dividido em duas partes. Na primeira, com os laptops lado a lado no laboratório foi medido o tempo de associação entre a estações, uma vez que esse é um desafio muito grande em redes veiculares devido à curta duração das conexões. Na segunda parte, foram utilizados dois carros em uma avenida, um parado e um em movimento, numa distância de, aproximadamente, 650 metros, cada carro equipado com um dispositivo e uma antena de 5 dBi, transmitindo pacotes UDP variando o tamanho dos pacotes. Nessa parte foram medidos atraso médio, jitter, taxa de perda e taxa de transferência O resultado da primeira parte do experimento foi um tempo de associação de 1,035 ± 0,0024 s. O resultado da segunda parte, quanto à taxa de transferência, é mostrado nas figuras 2 e 3.

Figura 2: Taxa de transferência a 20 km/h

Figura 3: Taxa de transferência a 40 km/h

Analisando os resultados do experimento, podemos perceber que o tempo de associação entre as estações é relativamente baixo, o que facilita a entrada de novas estações em um WBSS. Vemos também que a taxa de transferência entre as estações a 20 km/h e 40 km/h foram relativamente boas a curtas distâncias, o que é bastante interessante para a difusão de informações em vias urbanas bastante movimentadas, onde a velocidade média não é tão alta. Vale destacar que para pacotes de 1460 bytes a variação foi bem grande em comparação com os demais tamanhos de pacotes.

Conclusão

Esse trabalho mostrou as principais características do padrão IEEE 802.11p e suas modificações nos outros padrões, além de resultados experimentais da implementação desses dispositivos. O estudo de redes veiculares vem crescendo bastante ao longo do tempo, desde a finalização do padrão em 2010 e é de suma importância o estudo e análise desse novo padrão a fim de melhorar diversos problemas relacionados ao trânsito em grandes centros urbanos.

Bibliografia

• ALVES, Rafael dos S. et al. Redes veiculares: Princípios, aplicações e desafios. Minicursos do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, SBRC, 2009.
• BARCELOS, Vladimir Píccolo. Análise e experimentação do protocolo IEEE 802.11 P em redes veiculares híbridas.
• FUXJÄGER, P. et al. IEEE 802.11 p transmission using GNURadio. In: 6th Karlsruhe Workshop on Software Radios (WSR). Karlsruhe, 2010. p. 1-4.
• IEEE 802.11 WORKING GROUP et al. Part11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications. ANSI/IEEE Std. 802.11, 1999.
• VIEIRA, Danielle L. F. G. IEEE 802.11, http://www.ravel.ufrj.br/sites/ravel.ufrj.br/files/publicacoes/tutorial_padrao_ieee_802.11_2.pdf

Perguntas

1. O que é um BSS?

BSS é um conjunto de estações conectadas a um mesmo ponto de acesso (AP).

2. Qual a diferença entre um BSS e um IBSS?

No IBSS não tem a presença de um AP, apenas estações se conectando de modo ad-hoc.

3. Quais os tipos de canais que o IEEE 802.11p define? E quais as suas funções?

O padrão define dois tipos de canais: o canal de controle (CCH) e o canal de serviços (SCH).

No CCH só são permitidos quadros de gerenciamento e quadros de dados contendo WSMs (mensagens curtas e de alta prioridade). Já o SCH é utilizado para a transmissão de quadros de dados contendo WSMs ou datagramas IPv6, e é utilizado pelos serviços de rede em geral.

4. Quais as modificações que o IEEE 802.11p faz na camada de acesso ao meio?

Na camada MAC, foi definida uma extensão do CSMA/CA chamada Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), que permite a priorização de pacotes por meio de uma categorização do tráfego em 4 categorias de acesso (AC): tráfego de background, tráfego de melhor esforço, tráfego de voz e tráfego de vídeo.

5. Quais as modificações que o IEEE 802.11p faz na camada física?

Na camada física, as duas principais mudanças foram a diminuição do canal de 20 Hz para 10 Hz, e a mudança da faixa de operação de 2,4 GHz para 5,9 GHz.

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