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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

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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).

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Introdução

• A pesquisa trata do consumo de energia dos
  dispositivos móveis, mais genericamente chamados
  handheld devices.
• O objeto de estudo é os PDAs 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.

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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.

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O que é Dispositivo UCoM?

• UCoM, Universal Communicator pode ser
  considerado um celular que integra diversos
  dispositivos (tecnologias) como WiFi, RFMs, 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

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Contexto

• Segundo Eugene Shih, a utilização de múltiplos
  rádios numa WLAN, resultam em ganho de desempenho
  e funcionalidades dos PDAs 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 PDAs phones é
  muito alta por causa da alta taxa de
  transferência de dados

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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?

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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)

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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 PDAs

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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

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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

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Materiais
13
Materiais

• RF idealBalh03
• Consome pouquíssima energia
• Capacidade de alta taxa de dados
• Comunicação e mobilidade robusta
• RF real
• IEEE802.11a,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.

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Conceito de Multi-Radio

• Um único wireless NIC contem Rádio IEEE802.11
  a,b, g Rádio ZigBee IEEE802.15.4.

Balh03
15
Consumo de Energia
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Gerenciamento de Energia

• No caso dos PDAs, 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
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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

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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.

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IEEE 802.11b Power Save Mode
Shih 02
20
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
IEEE 802.11b Power Save Mode

• Power Savings Performance

Balh03
22
Standby Lifetime
Shih 02
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-PCM350 802.11b, utilizando high power
  radio HPR.

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Consumo de Energia
Reduzir o consumo de energia no modo espera,
acresentando o segundo Radio - LPR Balh04
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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
Implementação Hardware
28
Dispositivo UCoM
Figura A é um iPAQ com WiFi e Figura b é ASH
Transceiver Balh04.
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MiniBrick Hardware
30
MiniBrick Hardware
Shih02
31
SmartBrick Hardware

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

Shih02
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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

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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.

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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

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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.

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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
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.

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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.

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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.

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Arquitetura do MUP
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Trabalhos Correlatos

• Conservação de Energia

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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)
• Krashinskys BSD Protocol (MOBICOM '02)

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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

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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.

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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.

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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.

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Leituras Recomendadas

• Energy Saving Sensor Wireless Networks

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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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Referências

• 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.

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Referências

• Balh03 Victor Balh. Exploring the Role of
  Multiple Radios in Short Hop Wireless Systems,
  Apresentation Talks on NeXtworking03, 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.