Adaptação da taxa de transmissão em redes veiculares

Abstract

Ao longo dos últimos anos, vários progressos em comunicações sem fios têm extendido investigações a novas áreas, onde soluções baseadas em redes com fios são impraticáveis. Neste contexto apareceram as Vehicular Ad hoc NETworks (VANETs), uma classe emergente das redes Ad Hoc, para interligação e comunicação entre veículos. Devido ás suas características peculiares como alta mobilidade, topologia dinâmica, frequente perda de conectividade, as VANETs enfrentam vários desafios para definir protolocos e mecanismos fiáveis, como a adaptação da taxa de transmissão. De facto, a monitorização do tráfego das ruas através de aplicações são o núcleo das VANETs cujo desempenho depende da taxa de envio de pacotes e da taxa de sucesso que estas redes conseguem oferecer. Mecanismos de adaptação da taxa de transmissão têm como objetivo evitar a degradação do desempenho da rede devido a uma escolha muito elevada da taxa de transmissão, quando a qualidade do canal está deteorada, ou devido à utilização de uma taxa muito baixa quando as condições da qualidade do canal melhoram. Uma vez que os dispositivos que operam segundo a norma IEEE 802.11p suportam várias taxas de transmissão, é importante que estes possam adaptar a taxa de forma dinâmica de modo a obter um desempenho elevado. Assim é essencial ter um mecanismo de adaptação da taxa de transmissão que seja robusto e capaz de lidar com elevadas flutuações e assimetrias do canal, transmissões em rajada e de duração inconstante, e perda de pacotes devido ás condições do meio e à existência de terminais escondidos. Assim sendo, esta dissertação permite avaliar e comparar os mecanismos existentes para redes sem fios, em ambientes veiculares usando o Network Simulator 3 (NS-3) e o Simulator of Urban Mobility (SUMO). Depois de analisar os principais mecanismos presentes na literatura, foram selecionados quatro para serem testados: Adaptive Auto Rate Fall Back-Collision Detection (AARF-CD), Collision-Aware Rate Adaptation (CARA), Minstrel e o Ideal. Serão considerados dois tipos de cenários: auto-estrada e urbano. A comparação dos algoritmos será baseada em métricas conhecidas como a taxa de envio de pacotes, taxa de sucesso e a percentagem de retransmissões para vários níveis de transmissão. Os resultados experimentais mostraram que o AARFCD atingiu um desempenho superior, quando comparado com os restantes algoritmos. O CARA foi o segundo melhor algoritmo segundo as métricas consideradas. De realçar que o AARF-CD obteve uma taxa de sucesso superior ao do CARA, apesar deste oferecer uma taxa de envio de pacotes superior em certos cenários. Em relação ao atraso na rede, tanto o AARFCD como o CARA alcançaram resultados similares. Foi também concluído que algoritmos com diferenciação de perdas de pacotes como o AARF-CD e o CARA oferecem uma melhor adaptação da taxa de transmissão. Por fim, é sugerido um algoritmo de adatação da taxa de transmissão que tem em conta parâmetros externos, como a velocidade, distância e a densidade de veículos. Cada parâmetro é considerado de acordo com a sua influência na transmissão de dados através de pesos. Desta forma os parâmetros que afetam mais a adaptação da taxa de transmissão serão associados a pesos maiores. A adaptação da taxa de transmissão será baseada num processo de pesos, de acordo com o efeito das condições exteriores no desempenho da rede.

Over the last years, several progresses in wireless communications have extended research in new sub-areas, where wired solutions are impracticable. In this context, VANETs arose as an emerging area of wireless ad hoc networks, which connect and allow communication between vehicles. Due to its peculiar characteristics such as high mobility, dynamic topology and frequent loss of connectivity, VANETs face many challenges to de ne reliable protocols and mechanisms like rate adaptation schemes. Indeed tra c querying and road sensing applications are the core of VANETs whose performance depends on the throughput and the success ratio these networks can provide. Rate adaptation mechanisms aim to avoid performance network degradation due to rate over-selection when channel quality is deteriorated or rate under-selection when channel quality improves. Since IEEE 802.11p supports multi-rate capabilities, devices must adapt their transmission rate dynamically in order to achieve a high performance. Thus it is critical to have a robust rate adaptation mechanism that can deal with high uctuation and asymmetry of channels, bursty and infrequent duration transmissions, and loss packet own to the extreme environment conditions or hidden terminals. Thereby, this dissertation evaluates and compares the existing rate adaptation mechanisms for wireless in vehicular environments, using NS-3 and SUMO. Four mechanisms: AARF-CD, CARA, Minstrel and Ideal were selected to be compared, after analysing the main mechanisms across literature. It will be considered two types of scenarios: highway and urban scenario. The comparison between the algorithms will be based on known metrics: network throughput, success ratio, delay and percentage of retransmissions. Experimentation results showed that AARF-CD achieved higher performance when compared with the remaining algorithms in both scenarios. CARA was the second best algorithm, considering the same metrics. Although CARA provides higher throughput in certain scenarios, it is outperformed by AARF-CD in terms of rate success. Regarding delay, AARF-CD and CARA attained similar results. It was also concluded that algorithms with loss di erentiation such as AARF-CD and CARA provide better rate adaptation. Finally, it is suggested a rate adaptation algorithm which considers external parameters like velocity, distance and density of nodes. Each parameter is considered according to its impact in the data transmission through weights. Parameters that a ect more the rate adaptation are associated to larger weights. Thus, the rate adaptation is based on a weighted process according to the e ect of external conditions in the network performance.