Acesso local sem fios em redes de comunicação: escalonamento de tráfego de tempo real em sistemas de aquisição de dados e controlo

Abstract

Este trabalho propõe soluções destinadas a optimizar o transporte do tráfego de sistemas de aquisição de dados e controlo, utilizando redes de comunicação sem fios para a interligação de unidades remotas a uma unidade central. O tráfego gerado por estes sistemas normalmente possui requisitos de tempo real, pelo que a rede sem fios utilizada deve ser capaz de suportar os requisitos de qualidade de serviço (QoS) das aplicações. No entanto, apesar de dar prioridade ao transporte de tráfego com requisitos de tempo real (isócrono), o sistema proposto admite também a transmissão, em simultâneo, de tráfego assíncrono, de forma a permitir a integração de serviços de natureza diferente sobre a mesma plataforma de comunicação. A largura de banda disponível para operação das redes sem fios é escassa, e tem que ser partilhada por todas as unidades. Além disso, a taxa de erros no canal costuma ser bem mais elevada e variável do que nas redes cabladas. Devido a esses problemas, os mecanismos de controlo de acesso ao meio, controlo de erros e escalonamento de tráfego implementados pela rede sem fios utilizada no sistema devem ser optimizados para garantir a qualidade de serviço das aplicações. Efectuado um estudo preliminar das tecnologias de redes sem fios disponíveis, de forma a seleccionar aquelas que apresentam as características mais adequadas para servir de base ao sistema proposto, a escolha recaiu sobre as redes HIPERLAN/2 e IEEE 802.11. Não sendo viável o recurso à utilização de sistemas reais, foi desenvolvido e implementado um modelo de simulação detalhado para cada uma destas redes de acordo com as respectivas normas. Com base nestes modelos, propõem-se algoritmosde escalonamento do tráfego de dados e controlo que fornecem garantias de qualidade de serviço ao tráfego isócrono, ao mesmo tempo que permitem o transporte de tráfego assíncrono no sistema. Os resultados obtidos nas simulações permitem avaliar o desempenho do sistema, mesmo quando este é sujeito a erros no canal, e comparar a qualidade de serviço da rede HIPERLAN/2 com a da rede IEEE 802.11. A tese inicia-se com a introdução dos conceitos fundamentais à compreensão do trabalho apresentado, à qual se segue a descrição das diversas tecnologias de redes sem fios existentes, realçando as normas HIPERLAN/2 e IEEE 802.11. Após a descrição dos modelos de simulação e algoritmos desenvolvidos, apresentam-se os resultados obtidos com os dois sistemas propostos

This work proposes solutions intended to optimize the transmission of traffic on data acquisition and control systems using wireless networks to interconnect remote units to a central unit. The traffic generated by such systems normally is subject to real time constraints, so the wireless network must be able to support the quality of service (QoS) requirements of the applications. Although the priority is given to the transportation of real time (isochronous) traffic, the proposed system also allows the transmission of asynchronous data simultaneously, in order to enable the integration of different services under the same communication platform. The bandwidth available to the operation of wireless networks is scarce, and has to be shared among all the units. Moreover, the channel error rate tends to be higher and more variable than on wired networks. Due to such problems, the medium access control, error control and traffic scheduling mechanisms implemented by the wireless network that is used by the system must be optimized in order to guarantee the quality of service required by the applications. After a preliminary study of the available wireless networks in order to select those who present the most appropriate characteristics to serve as the basis of the proposed system, the HIPERLAN/2 and IEEE 802.11 networks were chosen. As the utilization of real systems was not viable, a detailed simulation model for each of the chosen networks was developed and implemented, according to the respective standards. Based on these models, this thesis proposes scheduling algorithms comprising the data and control traffic, which provide quality of service guarantees to the isochronous traffic and allow the transportation of asynchronous traffic on the system at the same time. The results obtained with the simulations allow the evaluation of the performance of the system, even when it is subject to channel errors, and to compare the quality of service of the HIPERLAN/2 network with that of the IEEE 802.11 network. At the start of this thesis, the fundamental concepts related to the presented work are introduced, followed by the description of the different existing wireless networks technologies, with emphasis on the HIPERLAN/2 and IEEE 802.11 standards. After the description of the developed simulation models and algorithms, the results achieved with both proposed systems are presented.