1 múltiplos rádios em redes sem fio short hop jussara marândola kofuji grupo de sistemas...

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Múltiplos Rádios em Redes Sem Fio Short Hop

Jussara Marândola KofujiGrupo de Sistemas Distribuídos

Departamento de Ciência da Computação

Instituto de Matemática e Estatística - IME

Seminário de Computação Móvel – IME

2 Jussara Kofuji

Introdução O trabalho é baseado no projeto

UCoM da Microsof, do grupo de pesquisa em comunicações móveis (2001-..);

Colaboradores envolvidos no projeto: Microsoft Research: Victor Balh, Atul

Adya, Mike Sincler, Jitendra Padhye, Alec Wolman;

Eugene Shih (MIT).


3 Jussara Kofuji

Introdução A pesquisa trata do consumo de energia

dos dispositivos móveis, mais genericamente chamados “handheld devices”.

O objeto de estudo é os PDA’s phone com múltiplos rádios numa WLAN.

O uso da tecnologia RFM, bem como uso adicional desses rádios só foi possível pelo custo baixo;

O ambiente se caracteriza por Redes de Curto Alcance, chamadas “Short Hop Wireless”.


4 Jussara Kofuji

Introdução A tese a ser testada é o uso de múltiplos

rádios para incrementar o desempenho de sistemas sem fio e a funcionalidade implementados na mesma rede [Balh04];

A idéia é que dois ou mais rádios trabalhem cooperativamente para desempenhar uma mesma tarefa;

O que é “Short Hop Wireless”? É um sistema em que os nós de

comunicação tem uma distância curta entre eles, como por exemplo uma rede de sensores.


5 Jussara Kofuji

O que é Dispositivo UCoM? UCoM, “Universal Communicator” pode

ser considerado um celular que integra diversos dispositivos (tecnologias) como WiFi, RFM’s, VoIP em uma WLAN.

WiFi –IEEE 802.11b; RFM –Rádio Freqüência Monolítico; VoIP – Voz sobre IP.

A idéia parte da premissa: os dispositivos móveis são dotados de alto desempenho e alta capacidade de armazenamento;


6 Jussara Kofuji

Contexto Segundo “Eugene Shih”, a utilização de múltiplos

rádios numa WLAN, resultam em ganho de desempenho e funcionalidades dos PDA’s [Shih02];

A demanda por todos serviços oferecidos apenas em um telefone com gerenciamento de informações pessoais e capacidade de acesso a dados integrados tem sido uma explosão no mercado [Shih02];

Os “personal digit assistants” baseados em celulares, WiFi, e voz sobre IP são o foco das pesquisas.

Porém, a energia consumida pelos PDA’s phones é muito alta por causa da alta taxa de transferência de dados;


7 Jussara Kofuji

Os Problemas são Familiares?

Limitação no tempo de vida útil da tecnologia de baterias em dispositivos móveis portáteis;

Por que? Está relacionado com o consumo de energia?

Limitação quanto ao tamanho de armazenamento de dados (Pouca Memória);

Desconexão WLAN devido ao rápido tempo da bateria;

Como expandir o tempo de vida de um dispositivo para que ele fique ligado o tempo todo?

E como reduzir o consumo de energia?


8 Jussara Kofuji

Possíveis Soluções Utilização de Técnicas para redução do

consumo de energia: Desenvolvimento de Circuitos mais eficientes; Uso dinâmico de gerenciamento de energia; Redesenvolver protocolos ou rádios.

“Save energy” reduz o consumo de energia quando o dispositivo está em modo espera (Técnica Wake on Wireless);


9 Jussara Kofuji

Objetivos

Tese [Balh03]: Sistemas “Wireless” pode implementar múltiplos rádios como parte da mesma rede; Otimizar o sistema completo: hardware e

software; Rádios com diferentes propriedades

cooperam um com outro desempenho a mesma tarefa.

Reduzir o consumo de energia dos dispositivos móveis – PDA’s;


10 Jussara Kofuji

Objetivos

Gerenciar a energia da rede (Network Energy Management); Gerenciamento de energia pode

estender o tempo de vida da bateria. Implementação, Análise da Técnica

“wake on wireless”


11 Jussara Kofuji

Materiais Sistema de Rádio Freqüência

Monolítico [RFM]; “TR1000 ASH Transceiver”.

Cisco AIR-PCM350 802.11b wireless networking card;

Microcontrolador PIC16LF877; PDA iPAQ H3650 com IEEE 802.11b

card;


12 Jussara Kofuji

Materiais

PDA H3650 Transceptor Placa Microcontroladora


13 Jussara Kofuji

Materiais RF ideal[Balh03]:

Consome pouquíssima energia; Capacidade de alta taxa de dados; Comunicação e mobilidade robusta;

RF real: IEEE802.11{a,b,g} a comunicação e

mobilidade robusta, alta taxa de dados e alto consumo de energia;

IEEE802.15 {1,4} baixo consumo de energia, baixa taxa de dados; e comunicação e mobilidade ineficiente. Exemplo: Bluetooth.


14 Jussara Kofuji

Conceito de Multi-Radio Um único “wireless NIC” contem

Rádio IEEE802.11 {a,b, g} + Rádio ZigBee IEEE802.15.4.

[Balh03]


15 Jussara Kofuji

Consumo de Energia


16 Jussara Kofuji

Gerenciamento de Energia No caso dos PDA’s, a interface de rede

“802.11b wireless card” está continuamente ativa, em modo ativo (CAM);

Uma estratégia para reduzir a energia quando o PDA está em “Idle mode” é colocar em modo “sleep” (“power save mode – PS”).

[Manish03]Wireless Card


17 Jussara Kofuji

Gerenciamento de Energia Quando o PDA está em modo PS

(“power save mode”) o “wireless card” oscila roteando entre o modo ativo (CAM) e o modo salvamento (PS) para checar os pacotes [Shih02];

O modo “power save” reduz a energia em 70% ou 80%;


18 Jussara Kofuji

Definições Básicas “Active Mode”: energia consumida

para transmissão e recepção de dados;

“Idle Mode”: energia consumida para manter ligado e responder eventos assíncronos;

“Sleep Mode”: Mantém o mínimo de processamento possível, tendo um baixo consumo de energia.


19 Jussara Kofuji

IEEE 802.11b Power Save Mode

[Shih 02]


20 Jussara Kofuji

IEEE 802.11b Power Save Mode Um fator determinante em diversas

pesquisas é que para transmitir dados se consome uma alta taxa de energia e no gráfico anterior apresenta o cartão de rede 802.11b em modo PS consumindo muito mais energia que para receber e no modo “sleep” permanecia baixo o consumo de energia.


21 Jussara Kofuji

“Power Savings Performance”:

IEEE 802.11b Power Save Mode

[Balh03]


22 Jussara Kofuji

Standby Lifetime

[Shih 02]


23 Jussara Kofuji

Proposta Normalmente, há perda de energia

quando o PDA está em modo espera, ligado e esperando pela chegada de mensagens, então foi proposto o uso adicional de rádios: “TR1000 Low Power Radio – LPR em

sistemas WLAN; Cisco AIR-PCM350 802.11b, utilizando

“high power radio – HPR”.


24 Jussara Kofuji

Consumo de Energia

Reduzir o consumo de energia no modo “espera”, acresentando o segundo Radio - LPR[Balh04]


25 Jussara Kofuji

TR1000 ASH Transceiver Implementado para comunicações de dados sem fio

de curto alcance; Taxa de Dados RF acima de 115.2 kbps; Operacao 3V; RF híbrido; Desempenho de recepção robusto, acima de 1 GHz; Escolha de Modulação On-off Key (OOK) ou

Amplitude (ASK); Custo de implementação baixo; Infraestrutura para ciclo rápido.

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Arquitetura UCoM

Implementação Hardware


27 Jussara Kofuji

Implementação Hardware


28 Jussara Kofuji

Dispositivo UCoM

Figura A é um iPAQ com WiFi e Figura b é ASH Transceiver [Balh04].


29 Jussara Kofuji

MiniBrick Hardware


30 Jussara Kofuji

MiniBrick Hardware

[Shih02]


31 Jussara Kofuji

SmartBrick Hardware

Energia Derivada da porta serial do PC; Não pode ser incluído em outro

dispositivo;

[Shih02]


32 Jussara Kofuji

Despertar em LPR

A freqüência do TR1000 é de 915 MHz; O micro controlador controla o rádio

para o envio e recebimento de mensagens quando o 802.11b card (2.4 GHz) está desligado;

Os registros do dispositivo com LPR proxy se comunicam com dispositivos móveis usando o TR1000 radio;


33 Jussara Kofuji

Despertar em LPR

LPR proxy envia registro para o servidor UCoM;

Quando o servidor UCoM recebe mensagem de “send/receive”, ele envia resposta para o LPR proxy quem acorda o PDA através do TR1000.

O dispositivo inicia a comunicação formal utilizando o 802.11b card.


34 Jussara Kofuji

Controle em LPR O controlador coordena o LPR para

ativar o HPR no nível de grão fino; Os nós móveis esperam, enviam uma

mensagem e esperam uma resposta; HPR fica desligado e o dispositivo

espera por uma mensagem em LPR para ativar / ligar;

Os protocolos podem detectar períodos de alto tráfico e reduzir a latência


35 Jussara Kofuji

Dados em LPR Data on LPR trata da comunicação de

dados do HPR para o LPR utilizando a técnica de modo PS (power save);

TR1000 pode suportar 1kbps por coluna de banda enquanto o IEEE802.14.5 Zigbee suporta 220kbps;

Data on LPR detecta os requisitos necessários da banda larga para comunicação dos dispositivos móveis e usa o LPR para envio / recepção.


36 Jussara Kofuji

Consumo de Energia do UCoM Consumo de energia do dispositivo

UCoM em diferentes modos:

[Shih02]

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Trabalhos Correlatos

Multi Radio Unification Protocol – MUP

Adya det al.


38 Jussara Kofuji

MUP É um protocolo que opera no nível

de enlace de rede que foi proposto para melhorar o desempenho da comunicação multi-hop, utilizando o padrão IEEE 802.11;

Exemplo: topologias Mesh; Não necessita um hardware

adicional.


39 Jussara Kofuji

Contexto do MUP Ao contrário dos Sistemas de

Múltiplos Rádios, que enfocam redução de energia em dispositivos móveis, as Redes Multi-Hop possuem nós fixos (imóveis) e tentam otimizar as características de desempenho da rede;

Topologia utilizada: Mesh.


40 Jussara Kofuji

Função do MUP Coordena múltiplos rádios IEEE 802.11; Opera sobre múltiplos canais; Suporte Spectrum inteiro; Coordena a operação de diversos

cartões de rede; Sintoniza os cartões de rede para

canais de frequências não sobrepostos.


41 Jussara Kofuji

Arquitetura do MUP

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Trabalhos Correlatos

Conservação de Energia


43 Jussara Kofuji

Trabalhos Similares ao UCoM

Lu, Y.H., Benini, L., AND Micheli, G.D. Power-aware operating systems for interactive systems. IEEE Trans. on VLSI (April 2002);

Simunic, T., Benini, L., Glynn, P. and Micheli, G.D. Dynamic Power Management for Portable Systems. Mobile Computing and Networking (2000);

Kravets, R., and Krishnan, P. Application-driven power management for mobile communication. ACM Wireless Nets. (2000);

Krashinsky’s BSD Protocol: (MOBICOM '02)


44 Jussara Kofuji

Conclusões O sistema de múltiplos rádios gera melhor

performance e funcionalidade para os usuários, portanto o uso de único radio torna-se inadequado;

Cada um dos rádios interagem entre si em vários níveis de sistema;

Utilizando a técnica “Wake on Wireless”, o consumo de energia é reduzido em 80% devido ao uso do canal em baixa potência;

Uma das pesquisas em andamento é o UWB (“Ultra WideBand Standard”) que permite que um único rádio tenha alta taxa de dados e baixo consumo de energia;


45 Jussara Kofuji

Considerações Finais A questão de redução de gasto de energia em

dispositivos móveis e um tópico de extrema relevância para propiciar a computação pervasiva.

Tem sido foco de extrema investigação em rede de sensores.

A transmissão de dados e o fator que mais pesa no gasto de energia

Uma solução adequada e aquela que considera uma solução holística software mais hardware (“energy aware operating system and application”)

A solução proposta simplifica o problema, transferindo para o hardware a questão da energia, mas utiliza soluções não padronizadas. Estas soluções podem ser agregadas em extensões aos padrões existentes.


46 Jussara Kofuji

Considerações Finais A solução pressupõe a existência de nós

próximos o suficiente para que o sistema de comunicação de baixa energia possa operar, de forma a propiciar o gerenciamento de energia proposto.

Este cenário nem sempre e comum e estudos precisam ser realizados para que a efetividade da solução seja utilizada nos diversos cenários de aplicação.


47 Jussara Kofuji

Outros Aspectos A faixa de 900MHz utilizada,

inclusa nas faixas ISM (Industrial Scientifical Medical), e uma faixa extremamente poluída e questões de interferências tem de ser avaliadas.


48 Jussara Kofuji

Leituras Recomendadas Energy Saving Sensor Wireless

Networks;


49 Jussara Kofuji

Referências [RFM] Radio Frequent Monolithics Inc.

Home Page, “ASH Transceiver”, Overview RFM, 2004. Available on: http://www.rfm.com/products/vwire.htm

[Manish03] Manish Anand, Edmund B. Nightingale, Jason Flinn. “Self-Tuning Wireless Network Power Management”, Presentation of the MobiCom2003.


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[Balh04] Balh, Adya, Padhye, Wolman. “Reconsidering Wireless Systems with Multiple Radios”, in SIGCOMM Computer Communication Review (CCR), July 2004.

[Adya04] Atul Adya, Paramvir Bahl, Jitendra Padhye, Alec Wolman, Lidong Zhou. “A Multi-Radio Unification Protocol for IEEE 802.11 Wireless Networks”, in the Proceedings of the International Conference on Broadband Networks (Broadnets), San Jose, CA, October 2004.

Referências


51 Jussara Kofuji

Referências [Balh03] Victor Balh. “Exploring the Role of

Multiple Radios in Short Hop Wireless Systems”, Apresentation Talks on NeXtworking’03, June 23-25 2003, Greece.

[Shih02] Eugene Shih, Paramvir Bahl, and Michael J. Sinclair. "Wake on Wireless: An Event Driven Energy Saving Strategy for Battery Operated Devices", Proceedings of the Eighth Annual ACM Conference on Mobile Computing and Networking, Altanta, Georgia, USA, September 2002. Presentation of MobiCom02.

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