Evidências da falha do modelo de Gilbert-Elliott para perda de pacotes em redes wifi e análise de alternativas

Abstract

Resumo: As redes WiFi representam uma das formas de acesso à Internet mais utilizadas, sendo o estudo do comportamento das perdas de pacotes nestas redes de fundamental importância para a evolução e aplicação desta tecnologia. Porém, o modelo clássico de Gilbert-Elliott, amplamente utilizado para descarte de pacotes em redes de dados, não é necessariamente o modelo mais adequado para os diversos cenários de utilização das redes WiFi, devido ao método de controle de acesso ao meio empregado nestas redes. Para caracterizar a perda de pacotes nestas redes, este trabalho apresenta o resultado de diversas medições de erros em redes WiFi. Estas medições foram feitas a partir do envio de um tráfego de controle, registrando-se também outros parâmetros importantes da rede sob teste. Os dados de perda de pacotes do fluxo de controle foram inicialmente tratados com um filtro passa-baixa e então aplicado um processo de clusterização para obtenção dos estados da rede. Na etapa seguinte, foi realizada a análise estatística dos estados BOM e RUIM da rede, identificando-se uma dependência temporal de longa duração entre o tempo de duração de estados subsequentes, o que indica que o modelo de Gilbert-Elliott não se aplica nestes cenários. Finalmente, é apresentada uma alternativa para a modelagem de perdas de pacotes em redes WiFi considerando os dados amostrais. Como alternativa, foi analisada a aderência ao modelo Fractional Auto Regressive Integrated Moving Average (FARIMA) para o tempo de duração dos estados BOM e RUIM. Os resultados indicam que o modelo FARIMA não possui boa aderência aos dados empíricos observados, mas a análise realizada mostrou quais os motivos para a não aderência e indica quais os próximos passos nesta pesquisa.

Abstract: WiFi networks are widely used for Internet access. Therefore the study of packet loss in WIFi networks is very important for the evolution and application of this technology. The classic Gilbert-Elliott model for packet loss, widely used in data network, does not capture the behavior of packet loss observed in WiFi networks, mainly because the medium access control used to share the channel among the wireless devices. This work presents the result of several samples of errors in WiFi networks. The samples was made by sending a control flow, and registering the performance metrics as the packet loss, network utilization, signal-to-noise ratio, among others. The packets of control flow were used to identify the GOOD and the BAD states using a clustering method. In the next step, the statistical analysis of the duration of GOOD and BAD states of the network was performed, identifying a temporal dependence, which indicates that the Gilbert-Elliott model does not apply in these scenarios. Finally, alternative models are presented. A long range dependence is observed. The Fractionally Auto Regressive Integrated Moving Average (ARIMA) was analyzed to modeling the duration of the GOOD and BAD States. The results indicate that the FARIMA does not fit perfectly the empirical data, however, it's a good start for a new model.