Múltiplos Rádios em Redes Sem Fio Short Hop

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. 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). 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”. 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. 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 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; 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; 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? 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); 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; 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” Seminário de Computação Móvel – IME

11. 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; Seminário de Computação Móvel – IME

12. Materiais 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; • IEEE802.15 {1,4} baixo consumo de energia, baixa taxa de dados; e comunicação e mobilidade ineficiente. Exemplo: Bluetooth. Seminário de Computação Móvel – IME

14. Conceito de Multi-Radio • Um único “wireless NIC” contem Rádio IEEE802.11 {a,b, g} + Rádio ZigBee IEEE802.15.4. [Balh03] Seminário de Computação Móvel – IME

15. Consumo de Energia 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”). Wireless Card [Manish03] 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%; 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. Seminário de Computação Móvel – IME

19. IEEE 802.11b Power Save Mode [Shih 02] Seminário de Computação Móvel – IME

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. Seminário de Computação Móvel – IME

21. IEEE 802.11b Power Save Mode • “Power Savings Performance”: [Balh03] Seminário de Computação Móvel – IME

22. Standby Lifetime [Shih 02] 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-PCM350 802.11b, utilizando “high power radio – HPR”. Seminário de Computação Móvel – IME

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

26. Arquitetura UCoM Implementação Hardware

27. Implementação Hardware Seminário de Computação Móvel – IME

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

29. MiniBrick Hardware Seminário de Computação Móvel – IME

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

31. SmartBrick Hardware • Energia Derivada da porta serial do PC; • Não pode ser incluído em outro dispositivo; [Shih02] 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 802.11b card (2.4 GHz) está desligado; • Os registros do dispositivo com LPR proxy se comunicam com dispositivos móveis usando o TR1000 radio; 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 802.11b card. 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 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 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. Seminário de Computação Móvel – IME

36. Consumo de Energia do UCoM • Consumo de energia do dispositivo UCoM em diferentes modos: [Shih02] Seminário de Computação Móvel – IME

37. 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. 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. Seminário de Computação Móvel – IME

40. 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. Seminário de Computação Móvel – IME

41. Arquitetura do MUP Seminário de Computação Móvel – IME

42. Trabalhos Correlatos Conservação de Energia

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) 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; 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. 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. 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. Seminário de Computação Móvel – IME

48. Leituras Recomendadas • Energy Saving Sensor Wireless Networks; Seminário de Computação Móvel – IME

49. 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. Seminário de Computação Móvel – IME

50. 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. Seminário de Computação Móvel – IME