Reduzindo colisões em redes locais sem fio através do alargamento das janelas de contenção por encurtamento dos slots e da divisão de tempo

Abstract

Resumo: As Redes Locais Sem Fio (RLSF) são uma das principais formas de acesso à rede mundial de computadores na atualidade, presentes em praticamente todos os grandes centros urbanos. Contudo, a próxima geração de RLSF terá que prover protocolos de acesso ao meio escaláveis o suficiente para suportar a grande quantidade de dispositivos Wi-Fi esperada para os próximos cinco anos. Isto, porém, tem se mostrado um grande desafio, pois resultados de pesquisas indicam que o mecanismo atual de acesso ao meio destes dispositivos utiliza um processo de contenção ineficaz em ambientes com muitos usuários, tais como estádios e locais de eventos (redes densas). Este processo de contenção visa impedir que transmissões simultâneas, provenientes de diferentes terminais, causem interferências entre si, retendo-as em uma janela de tempo e liberando-as de forma controlada. Com isto, pretende-se aliviar a degradação do desempenho da rede causada por estas interferências. No entanto, os estudos publicados sobre o tema mostram que isto tem sido pouco eficaz à medida que a quantidade de transmissores concorrentes aumenta. Buscando uma solução para tal problema, este trabalho analisa e explora a proposta de alargamento das janelas de contenção através da redução da duração dos slots, a ser implementada pela futura emenda 802.11ax. Esta proposta tem o objetivo de mitigar as falhas de acesso ao meio, existentes no padrão atual, quando aplicado em redes densas. A mudança deve melhorar o desempenho da próxima geração de RLSF nestes cenários densos, o que é um dos objetivos da nova emenda. A análise aqui apresentada considera as diferentes classes de tráfego, ponderando as categorias de acesso para priorização de dados e suas respectivas janelas. O modelo matemático desenvolvido permite estimar as taxas de colisões de acordo com a densidade da rede. Os resultados de simulação indicam que a proposta atenua o problema das colisões inerentes ao processo de contenção e diminui a probabilidade de descartes de quadros. O estudo demostra os benefícios que a mudança alcança em termos de aumento da taxa de transferência e redução das retransmissões e também alerta para o seu possível impacto no processo de verificação do canal. Além do mais, a pesquisa aponta formas de melhorar a proposta em estudo para o 802.11ax, através de mecanismos de divisão de tempo que potencializam os seus ganhos em desempenho. Os resultados apresentam formas de aperfeiçoamento da solução, contribuindo com a literatura e assistindo no avanço da próxima geração de RLSF.

Abstract: Wireless Local Area Networks (WLAN) are one of the main means of Internet access, present in virtually all major urban centers. However, the next generation of WLAN will have to provide medium access protocols scalable enough to support the large number of Wi-Fi devices expected over the next five years. But, this has been proven to be a major challenge. As research results state, the current medium access mechanism of these devices uses an inefficient contention process when applied in environments with many users, such as stadiums and event locations (dense networks). This process aims to prevent simultaneous transmissions from different terminals to avoid interference among them. It holds transmissions in a time window and releases them in a controlled way. Thus, this has intended to reduce the network performance degradation caused by these interferences. However, published studies on the subject show that this has been ineffective as increases the number of concurrent transmitters. Looking for a solution to this problem, this research analyzes and explores the proposal of contention windows enlargement through time slots reduction, to be implemented in the future 802.11ax amendment. The purpose of this proposal is to mitigate medium access failures, present in the current standard when it is applied in dense networks. This change must improve the performance of the next generation WLAN in these dense scenarios, which is one of the goals on the new amendment. Our analysis considers the different classes of traffic, reflecting on the access categories for data prioritization and their respective windows. A mathematical model was developed to estimate the collision rates accordingly to the network density. Simulation results indicate that the proposal reduces collisions issues inherent to the backoff procedure, and it decreases the frame loss. Our study shows the improvements achieved by this proposal as increased throughput and reduced retransmissions and also it warns to the impact on the clear channel assessment process. Further, the research points out how to improve the proposal, through time division mechanisms that potentiate their gains in performance. The results present ways of improving the solution, contributing to the literature and assisting in the advance of the next generation WLAN.