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1 Múltiplos Rádios em Redes Sem Fio Short Hop Jussara Marândola Kofuji Grupo de Sistemas Distribuídos Departamento de Ciência da Computação Instituto de.

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1 1 Múltiplos Rádios em Redes Sem Fio Short Hop Jussara Marândola Kofuji Grupo de Sistemas Distribuídos Departamento de Ciência da Computação Instituto de Matemática e Estatística - IME

2 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 2 Introdução O trabalho é baseado no projeto UCoM da Microsof, do grupo de pesquisa em comunicações móveis ( ); Colaboradores envolvidos no projeto: Microsoft Research: Victor Balh, Atul Adya, Mike Sincler, Jitendra Padhye, Alec Wolman; Eugene Shih (MIT).

3 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 3 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 Seminário de Computação Móvel – IME 4 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 Seminário de Computação Móvel – IME 5 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 b; 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 Seminário de Computação Móvel – IME 6 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 Seminário de Computação Móvel – IME 7 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 Seminário de Computação Móvel – IME 8 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 Seminário de Computação Móvel – IME 9 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 Seminário de Computação Móvel – IME 10 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 Seminário de Computação Móvel – IME 11 Materiais Sistema de Rádio Freqüência Monolítico [RFM]; “TR1000 ASH Transceiver”. Cisco AIR-PCM b wireless networking card; Microcontrolador PIC16LF877; PDA iPAQ H3650 com IEEE b card;

12 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 12 Materiais

13 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 13 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; IEEE {1,4} baixo consumo de energia, baixa taxa de dados; e comunicação e mobilidade ineficiente. Exemplo: Bluetooth.

14 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 14 Conceito de Multi-Radio Um único “wireless NIC” contem Rádio IEEE {a,b, g} + Rádio ZigBee IEEE [Balh03]

15 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 15 Consumo de Energia

16 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 16 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 Seminário de Computação Móvel – IME 17 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 Seminário de Computação Móvel – IME 18 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 Seminário de Computação Móvel – IME 19 IEEE b Power Save Mode [Shih 02]

20 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 20 IEEE b 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 b em modo PS consumindo muito mais energia que para receber e no modo “sleep” permanecia baixo o consumo de energia.

21 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 21 “Power Savings Performance”: IEEE b Power Save Mode [Balh03]

22 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 22 Standby Lifetime [Shih 02]

23 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 23 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-PCM b, utilizando “high power radio – HPR”.

24 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 24 Consumo de Energia Reduzir o consumo de energia no modo “espera”, acresentando o segundo Radio - LPR [Balh04]

25 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 25 TR1000 ASH Transceiver Implementado para comunicações de dados sem fio de curto alcance; Taxa de Dados RF acima de 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.

26 26 Arquitetura UCoM Implementação Hardware

27 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 27 Implementação Hardware

28 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 28 Dispositivo UCoM Figura A é um iPAQ com WiFi e Figura b é ASH Transceiver [Balh04].

29 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 29 MiniBrick Hardware

30 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 30 MiniBrick Hardware [Shih02]

31 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 31 SmartBrick Hardware Energia Derivada da porta serial do PC; Não pode ser incluído em outro dispositivo; [Shih02]

32 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 32 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 b 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 Seminário de Computação Móvel – IME 33 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 b card.

34 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 34 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 Seminário de Computação Móvel – IME 35 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 IEEE 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 Seminário de Computação Móvel – IME 36 Consumo de Energia do UCoM Consumo de energia do dispositivo UCoM em diferentes modos: [Shih02]

37 37 Trabalhos Correlatos Multi Radio Unification Protocol – MUP Adya det al.

38 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 38 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 ; Exemplo: topologias Mesh; Não necessita um hardware adicional.

39 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 39 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 Seminário de Computação Móvel – IME 40 Função do MUP Coordena múltiplos rádios IEEE ; 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 Seminário de Computação Móvel – IME 41 Arquitetura do MUP

42 42 Trabalhos Correlatos Conservação de Energia

43 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 43 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 Seminário de Computação Móvel – IME 44 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 Seminário de Computação Móvel – IME 45 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 Seminário de Computação Móvel – IME 46 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 Seminário de Computação Móvel – IME 47 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 Seminário de Computação Móvel – IME 48 Leituras Recomendadas Energy Saving Sensor Wireless Networks;

49 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 49 Referências [RFM] Radio Frequent Monolithics Inc. Home Page, “ASH Transceiver”, Overview RFM, Available on: [Manish03] Manish Anand, Edmund B. Nightingale, Jason Flinn. “Self-Tuning Wireless Network Power Management”, Presentation of the MobiCom2003.

50 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 50 [Balh04] Balh, Adya, Padhye, Wolman. “Reconsidering Wireless Systems with Multiple Radios”, in SIGCOMM Computer Communication Review (CCR), July [Adya04] Atul Adya, Paramvir Bahl, Jitendra Padhye, Alec Wolman, Lidong Zhou. “A Multi-Radio Unification Protocol for IEEE Wireless Networks”, in the Proceedings of the International Conference on Broadband Networks (Broadnets), San Jose, CA, October Referências

51 Jussara Kofuji Seminário de Computação Móvel – IME 51 Referências [Balh03] Victor Balh. “Exploring the Role of Multiple Radios in Short Hop Wireless Systems”, Apresentation Talks on NeXtworking’03, June , 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 Presentation of MobiCom02.


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