Mecanismos de mejora de calidad de experiencia sobre redes 802.11

Resumen

Desde que a finales del siglo XIX Guglielmo Marconi desarrollara el primer sistema telegráfico sin cables, las comunicaciones inalámbricas han evolucionado de forma notable. Este progreso ha sido propiciado fundamentalmente por las comunicaciones de voz -como es el caso de las comunicaciones móviles-, pero el desarrollo de Internet ha fomentado el uso de otros servicios. Éstos no sólo se circunscriben a la navegación web y al correo electrónico, sino que han aparecido nuevas aplicaciones con unos requisitos que no fueron contemplados en la concepción inicial de la Red, como pueden ser la difusión de vídeo, el streaming de audio o la voz sobre IP. Al igual que Internet, el estándar IEEE 802.11 no fue concebido para soportar requisitos de Calidad de Servicio, sino que se basa en un esquema de mejor esfuerzo. Por este motivo, la norma 802.11e introdujo nuevos esquemas de acceso al medio que añaden soporte de QoS en este tipo de entornos. Si bien existen múltiples soluciones basadas en estas normas, ninguna es capaz de soportar simultánea y eficazmente un tráfico heterogéneo (e.g. una mezcla de servicios de tiempo real y de tráfico elástico), siendo éste el objetivo fundamental de la tesis. Para las soluciones propuestas, se ha considerado como hipótesis de partida que la incorporación de la Calidad de Experiencia (QoE) en el diseño de algoritmos de gestión de recursos introducirá una mejora significativa en el rendimiento del sistema. Por ello, la primera contribución ha sido la definición de una metodología basada en la percepción del usuario final. Ésta se basa en el uso de funciones de utilidad que mapean estadísticas objetivas y medibles de la red (e.g. velocidad de transmisión, retardo y pérdidas) en la calidad subjetiva que apreciaría un usuario. Estas funciones permiten no sólo evaluar el rendimiento del sistema en términos de QoE, sino que la opinión del usuario también se puede tener en cuenta para la toma de decisiones en las diferentes soluciones desarrolladas. Además, la calidad percibida -usando la escala MOS- permite la comparación entre diferentes servicios con características distintas, algo que no se podría realizar con los indicadores habituales (e.g. el rendimiento de VoIP se ve influido por el retardo, jitter y pérdidas mientras que el de FTP depende fundamentalmente de la velocidad de transmisión). La segunda contribución consiste en una disciplina de planificación de paquetes capaz de contemplar servicios de diferentes tipos, como aquellos de tiempo real o los basados en TCP. Para ello, se ha adaptado un planificador existente en la literatura sobre conmutadores ATM, el Monolithic Shaper-Scheduler, para el entorno de redes IEEE 802.11 con HCCA -mecanismo coordinado de acceso al medio con soporte parametrizado de QoS-. Sus características (tasa de transmisión garantizada y retardo acotado) hacen que tenga un comportamiento adecuado para estos servicios individualmente. La tercera contribución propone una solución para escenarios con tráfico heterogéneo, i.e. con mezcla de tráficos. Para ello se ha diseñado una plataforma general para la gestión de recursos, denominada el Método de los Territorios, que divide la capacidad del medio inalámbrico en territorios para las diferentes clases de tráfico. El tamaño de estos territorios se establece a partir de la QoE -estimada en tiempo real a partir de las funciones de utilidad previamente definidas-, además de incluir una capacidad dedicada para garantizar un rendimiento mínimo y evitar la inanición de algún tipo de servicio. Basándose en esta plataforma general, la cuarta contribución consiste en la definición de políticas para que el administrador de red personalice los criterios a utilizar para compartir las oportunidades de transmisión. Así, se han diseñado cuatro políticas básicas para el reparto de los recursos: con derecho preferente, sin derecho preferente, justo en términos de QoE y para aumentar el beneficio. El rendimiento de estas soluciones ha sido evaluado y analizado a través de los resultados obtenidos en diferentes campañas de simulación, comparándose con algunos planificadores de referencia existentes en la literatura sobre HCCA. Este análisis demuestra que, en los escenarios considerados, las soluciones propuestas funcionan mejor en términos de calidad experimentada, beneficio económico y justica entre servicios. La última contribución de este trabajo es una mejora del protocolo TCP para redes WLAN. Ésta se basa en la eliminación de funcionalidades redundantes con aquellas realizadas por la capa MAC cuando se utiliza un planificador de paquetes basado en HCCA. Para poder realizar esta simplificación, ha sido necesario utilizar un proxy de rendimiento mejorado existente en la literatura, creando una conexión TCP partida (split TCP). La evaluación realizada en algunos escenarios relevantes muestra que se mejora significativamente la velocidad de transmisión de los flujos que utilizan esta solución. --- Since Guglielmo Marconi first developed a wireless telegraph system at the end of the XIX century, wireless communications have noticeably evolved. This progress has been influenced by voice communications -e.g. cellular networks-, but the Internet's growth has promoted the usage of other services. These are not only circumscribed to web browsing and e-mail, but also new applications have appeared with requirements that were not considered in the initial design of the Internet, such as video broadcasting, audio streaming or voice over IP. Similarly to the Internet, the IEEE 802.11 standard was not conceived to support Quality of Service but it is based on a best effort scheme. For that reason, the 802.11e amendment introduced new medium access schemes that added QoS support to these environments. Even though there exists a number of solutions based on these standards, none of them is able to simultaneous and efficiently handle a heterogeneous traffic mix (e.g. including real-time and TCP traffic), being this the main objective of this thesis. For the proposed solutions, it has been considered as initial hypothesis that the incorporation of Quality of Experience (QoE) in the design of radio resource management algorithms will introduce a significant improvement on the system performance. For this reason, the first contribution has been the definition of a methodology based on the end user's perception. This methodology is based on the usage of utility functions, which map objective and measurable statistics (e.g. data rate, delay and losses) into the subjective quality seen by the user. These functions do not only permit to evaluate the system performance in terms of QoE, but also to take into account the user's opinion for taking decisions in the different developed solutions. In addition, the usage of the perceived quality -using the MOS scale- permits to perform a comparison between services with different characteristics, which could not be done using the typical indicators (e.g. VoIP performance is influenced by delay, jitter and losses whereas FTP efficiency depends mainly on data rate). The second contribution consists in a packet scheduling discipline which is able to handle different types of services, such as real-time or TCP-based applications. For this purpose, an existing scheduler from the ATM switching literature, the Monolithic Shaper Scheduler, has been adapted for wireless networks using HCCA -coordinated medium access mechanism with parameterized QoS support-. This scheduler has a proper behavior for these services individually, thanks to its main characteristics (guaranteed throughput and bounded delay). The third contribution proposed a solution for scenarios with a heterogeneous traffic mix. To achieve this goal, a general framework for resource sharing, designated the Territory Method, has been designed. It splits the wireless capacity into territories for the different traffic classes. The size of these territories is adjusted based on the QoE -estimated in real-time using the previously defined utility functions-, in addition to the definition of a dedicated capacity for guaranteeing a minimum performance -thus avoiding the starvation of that service type-. Based on this general framework, the fourth contribution consists in the definition of several policies that the network administrator may use to customize the criteria for sharing the transmission opportunities. Four basic policies have been designed for resource sharing: preemptive, non-preemptive, MOS-based fairness and revenue improvement. The performance of these solutions has been evaluated and analyzed through extensive simulations. This analysis demonstrated that, in the considered scenarios, the proposed solutions outperform some reference schedulers from the HCCA literature, in terms of experienced quality, revenue and fairness between services. The last contribution of this work is an enhancement of the TCP protocol for wireless networks. It is based on the removal of redundant functionalities already available in the MAC layer when using an HCCA scheduler. For this purpose, a performance enhancing proxy was used to split the TCP connection (available in the current literature and known as split TCP) in two parts: wired and wireless. The evaluation, performed in some relevant scenarios, shows that there is a significant throughput gain for those flows using this solution.