Implementation and Performance Evaluation ofNetwork Coding for Cooperative Mobile Devices

Morten V. Pedersen, Frank H.P. Fitzek and Torben Larsen

Implementação e Avaliação de Desempenho deRede Cooperativa de Codificação para Dispositivos Móveis

ICC Workshop, 2008Michel Albonico

Roteiro

• Introdução• Fundamentos da Economia de Energia• Ambiente de Testes• Network Coding Aplicado a Dispositivos

Móveis• Conclusão• Análise Crítica

Introdução

• A Performance é medida através de throughput, delay e consumo de energia

• Sistemas puramente celular:– O dispositivo móvel é somente conectado à

estação base• Rede sem fio cooperativa:

– Além da rede celular, estabelece um link com os dispositivos próximos

Introdução

• Sistemas puramente celular:

Introdução

• Rede sem fio cooperativa:

Introdução

• Download de dados com cooperação e sem cooperação:

Introdução

• Sem cooperação:– Cada dispositivo móvel precisa receber 2

pacotes do link de cellular– Taxa de transmissão baixa– Delay e consumo de energia consideráveis

Introdução

• Cooperação I:– Dois celulares irão receber 1 pacote cada do

Link Cellular– Encaminham estes para as entidades

cooperativas– Pela rede de cooperação os pacotes são

enviados em paralelo

Introdução

• Cooperação II:– Necessita de um dispositivo intermediário

Introdução

• Cooperação e Network Coding:– Broadcast (adicionado com técnicas de

codificação) para distribuir na rede de cooperação

Introdução

• N é igual ao número de Dispositivos Móveis no cluster

• Um ambiente com N dispositivos cooperando é N vezes mais rápido que uma rede convencional

• Em caso de erro poderá haver muita retransmissão

• Network Coding diminui isso

Introdução

• Network Coding evita retransmissões• Aumenta o número de pacotes (Aumento

no consumo de energia)

Fundamentos da economia de energia

• Quatro estados para o consumo de energia:– Sending (enviando)– Receiving (recebendo)– Idle (escutando o canal, diferente de

sleeping)– Coding (codificando)

Fundamentos da economia de energia

• Foram utilizados celulares N95 e os parâmetros para o mesmo

• Consumo de energia como parâmetro muito importante

Fundamentos da economia de energia

• Rede IEEE 802.11b/g:– Utilizada para cooperação– Distancia entre 3 e 30m

Fundamentos da economia de energia

• Rede Celular (2G/3G):– Usada na comunicação com a Estacao Base– sending?

Fundamentos da economia de energia

• Rede IEEE 802.11b/g:

Fundamentos da economia de energia

• Network Coding:– Menor consumo no processo de Idle

Ambiente de Testes

• N nós dispostos ao redor de um nó interno• N + 1 (Número de nós)

Ambiente de Testes

• Um par de nós é disposto em lados opostos e tentam trocar pacotes

• Formando N/2 clusteres de cooperação

Ambiente de Testes

• Os pacotes são transmitidos em slots de tempo fixo

• Somente um nó pode utilizar o canal para transmitir

• Os nós não comunicam-se diretamente, necessitam de um nó intermediário

Ambiente de Testes

• (N + 1) estados possíveis em um slot• Somente tres possíveis estados em um

determinado slot:– sending– receiving– idle

Ambiente de Testes

• Tres casos difentes quanto à comunicação:– Pure Relaying– Pure network Coding– Network Conding in Team

Ambiente de Testes

• Pure Relaying:– Cada nó envia para o meio e este repassa

para o destino– O número de recebimentos é igual ao número

de envios– Delay igual ao número de Slots– Sender Slots = 2N

• 1 Envia / 1 Recebe (Centro) / (N - 1) Idle• Centro Envia / 1 Recebe / (N - 1) Idle

Ambiente de Testes

• Pure Relaying:

Ambiente de Testes

• Pure Network Coding:– Cada transmissão para um nó específico é

ouvida por todos os demais– O nó do meio recebe as transmissões de

todos os nós externos– Codifica todos os pacotes em um único e

envia a todos por broadcast (O pacote não ficaria muito grande?)

Ambiente de Testes

• Pure Network Coding:– A codificação habilita a requisição de um

novo pacote caso o mesmo seja perdido– Receiving = N - 1

• Todos menos o q enviou– Sending Slots = N + 1

• N – Todos enviam para o centro• 1 – O centro envia o broadcast

Ambiente de Testes

• Pure Network Coding:

Ambiente de Testes

• Network Coding in Team:– Pares pertencem a grupos– T é o número de grupos– O nó do centro recebe todos as transmissões

e cria os pacotes codificados para cada grupo– N + T Slotes para envio

• N – Todos os nós externos podem enviar• T – O nó do central envia para cada grupo

Ambiente de Testes

• Network Coding in Team:

Ambiente de Testes

• Exemplo usando 96 nós externos e 1 central (Consumo de energia)– Pure Relaying (D = 2N = 96)

sending: 192 x 1,62 = 311,04receiving: 192 x 1,37 = 263,04idle: 18240 x 0,979 = 17856,96total: 18431,04 W

Ambiente de Testes

– Pure Coding (D = N + 1 = 97)sending: 97 x 1,62 = 157,14receiving: 9216 x 1,37 = 12625,92idle: 96 x 0,041 = 3,936coding: 0,593total: 12787,59 W

Ambiente de Testes

– Pure Coding in Team (D = N + T = 100)sending: 100 x 1,62 = 162,00receiving: 2304 x 1,37 = 3156,48idle: 7296 x 0,041 = 299,14coding: 0,593total: 3618,21 W

Ambiente de Testes

– Pure Coding in Team• Conforme cresce o número de grupos, o consumo

de energia aumenta, assim como o delay

Network Coding Aplicado a Dispositivos Móveis

• Existencia de um Servidor de Cooperação (Cooperation Server)

• Todos os dispositivos conectam ao servidor para obter acesso aos serviços

• Servidor detecta na vizinhança se alguém já teve acesso ao serviço e se este pode cooperar

Network Coding Aplicado a Dispositivos Móveis

Network Coding Aplicado a Dispositivos Móveis

• Aplicação no dispositivo móvel:– Pode conter fluxos de dados de diferentes

aplicações– Pacotes baixados são armazenados no flow

cache– Peer info: informações para os demais

dispositivos– Output queue: pacotes a serem enviados aos

outros dispositivos

Network Coding Aplicado a Dispositivos Móveis

Conclusões

• A combinação de redes wireless cooperativas e Network Coding traz benefícios em troughput, delay e consumo de energia

• Cuidado com idéia de Network Coding Team, pois deve haver balanceamento entre delay e consumo de energia

Conclusões

• O consumo de energia para o estado de idle em redes WLAN é o ponto chave de todo o processo

• Trabalhos futuros: Estratégia para Servidores de Cooperação e Network Coding em dispositivos móveis

Análise Crítica

• Em poucos pontos trata de questões de troughput

• Ambiente com poucos grupos ( <= 4) seriam interessantes?

• Pouco explicado como o Network Coding diminui o consumo de energia em modo idle

• Quantos hosts por grupo? Como são definidos? (Network Coding Team)

Análise Crítica

• Descrever melhor o ambiente de testes• Já que vários pacotes são codificados em

um único, seu tamanho não torna-se muito grande?