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F01 - 02

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					      Salão de Ferramentas SBRC 2007 - Sistemas Distribuídos e Segurança                  1139




    PDA Chooser: Suporte à Tomada de Decisão na Escolha de
           PDAs e Tecnologias de Comunicação
 Roberto Rigolin Ferreira Lopes, Pedro Northon Nóbile, Caroline Beatriz Perlin,
                 Hélio Crestana Guardia, Luis Carlos Trevelin

    Departamento de Computação – Universidade Federal de São Carlos (UFSCar)
                    Caixa Postal 676 – 13565 – São Carlos, SP
   {roberto_lopes, pedro_nobile, caroline_pelin, helio}@dc.ufscar.br

    Abstract. This paper purpose a Decision Support System (DSS), called “PDA
    Chooser”, in order to help the choice of PDAs (Personal Digital Assistant)
    and communication technology, based on communication capability and
    battery consumption. Furthermore, there were made experiments to evaluate
    quantitatively communication capability and battery consumption of mobile
    devices. Two PDAs with distinct processing capabilities were tested and from
    the results a knowledge base for the DSS was modeled and implemented.

     Resumo. Este trabalho propõe um SSD (Sistema de Suporte a Decisão),
    denominado “PDA Chooser”, para auxiliar a escolha de PDAs (Personal
    Digital Assistants) e tecnologias de comunicação em função da capacidade de
    comunicação e consumo de bateria. Para tanto, foram realizados
    experimentos visando à avaliação quantitativa da capacidade de comunicação
    e consumo de bateria de dispositivos móveis. Dois PDAs com capacidades de
    processamento distintas foram experimentados e a partir dos resultados foi
    modelada e implementada uma base de conhecimento para o SSD.

1. Introdução
A próxima geração de redes sem fio, conhecida como B3G (Beyond Third Generation)
ou 4G (Fourth Generation), busca a interoperabilidade entre diversas tecnologias de
comunicação, para permitir que seus usuários permaneçam sempre conectados à melhor
rede disponível (ABC - Always Best Conected). O conceito ABC tem o objetivo de
manter o dispositivo móvel conectado à rede que ofereça as melhores condições em
termos de custo, consumo de energia, QoS (Quality of Service) e segurança [Gustafsson
et al., 2003].
        Devido a fatores técnicos e comerciais, a implementação do conceito ABC
resulta em uma tarefa bastante complexa. Dentre tais fatores, destacam-se a dificuldade
em desenvolver um algoritmo de seleção de acesso que considere tanto as características
das tecnologias de comunicação sem fio quanto os dispositivos móveis que as utilizam.
Segundo Fordor et al. (2004), os principais desafios para implementação do conceito
ABC são: a identificação dos parâmetros relevantes para seleção de acesso; o
desenvolvimento um algoritmo de seleção de acesso em função destes parâmetros; e o
projeto de uma arquitetura que suporte mobilidade, segurança e implemente uma
entidade de seleção automática de acesso.
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               Este trabalho parte da hipótese que as características de hardware do PDA
       influenciam a capacidade de comunicação e consumo de bateria do mesmo e, portanto,
       são relevantes na seleção do acesso. Com objetivo de verificar esta hipótese foram
       desenvolvidas duas aplicações: PDA Stress, que, por meio de experimentos, visa avaliar
       quantitativamente a capacidade de comunicação e consumo de bateria de PDAs; e PDA
       Chooser, que implementa um SSD (Sistema de Suporte à Decisão) para auxiliar a
       escolha de um PDA e tecnologia de comunicação para um determinado cenário. A base
       de conhecimento do SSD foi construída a partir dos resultados obtidos em estudos de
       caso, nos quais foram analisados dois PDAs com diferentes capacidades de
       processamento em duas redes distintas: Bluetooth e Wi-Fi infra-estruturada.
               Os resultados obtidos neste trabalho confirmam a hipótese levantada. Como o
       conceito de ABC ainda não está consolidado, acredita-se que atualmente a escolha do
       dispositivo móvel e da tecnologia de comunicação mais adequados deve ser realizada
       durante a etapa de projeto da aplicação. Sendo assim, o SSD proposto neste trabalho
       pode auxiliar esta escolha e, futuramente, fornecer informações para algoritmos de
       seleção de acesso.

       2. Requisitos Funcionais
       Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um SSD que auxilia a escolha do PDA e
       da tecnologia de comunicação para um determinado cenário, caracterizado pela taxa de
       transmissão e autonomia da bateria do dispositivo móvel.
               A identificação das características do cenário ocorre durante a etapa de projeto
       da aplicação móvel. Para isso, é necessário que sejam identificados o volume médio de
       dados que trafegam na rede sem fio, para estimar a taxa de transmissão mínima que
       satisfaz a aplicação; e os turnos de utilização dos dispositivos móveis, que permitem
       estimar os intervalos em que o PDA pode funcionar sem a necessidade de recarga.
              Os requisitos funcionais do sistema são: (i) Quantificar a capacidade de
       comunicação e o consumo de bateria de PDAs em redes sem fio; (ii) Dado um cenário,
       recuperar os PDAs e tecnologias de comunicação que atendem ao cenário; (iii) Dado um
       PDA e um cenário, listar as tecnologias de comunicação, suportadas pelo dispositivo,
       que atendam ao cenário; (iv) Dado um PDA, uma tecnologia de comunicação e um
       cenário, verificar se a dupla “PDA + tecnologia” atendem ao cenário.
               Para atender aos requisitos funcionais foram desenvolvidas duas aplicações:
       PDA Stress e PDA Chooser. A aplicação PDA Stress atende o primeiro requisito (i)
       implementando um conjunto de experimentos que avaliam quantitativamente a
       capacidade de comunicação e consumo de bateria. Já a aplicação PDA Chooser é um
       SSD que utiliza os resultados obtidos pelo PDA Stress para atender aos demais
       requisitos. A seção 3 descreve os experimentos supracitados e a seção 7 apresenta a
       modelagem e implementação da base de conhecimento do SSD.

       3. Avaliação Quantitativa do Comportamento de PDAs
       A aplicação PDA Stress implementa dois experimentos. O primeiro ensaio avalia o
       envio de 3 MBytes de dados, enquanto o segundo avalia a recepção da mesma
       quantidade de dados. O volume de dados escolhido como conveniente foi determinado
       de forma empírica, após a análise de alguns resultados iniciais. Para obtenção dos
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primeiros resultados foram realizados experimentos com volumes de dados variando de
1 a 8 MBytes, onde foi possível observar que trabalhando com volumes superiores a 2
MBytes, os resultados permanecem constantes.
       Com o objetivo de verificar se a sobrecarga de fragmentação dos dados interfere
na taxa de transmissão ou no consumo de bateria, foram utilizados buffers variando de
32 Bytes a 64 KBytes. Sendo assim, os experimentos foram divididos em dez etapas,
onde os 3 MBytes foram enviados utilizando-se um buffer de tamanho variável cujo
tamanho era dobrado a cada nova etapa.
       O aplicativo PDA Stress, utilizado nos experimentos, possui dois módulos: o
módulo Server e o módulo Mobile. O módulo Server é executado em computadores
convencionais e comunica-se, enviando e recebendo dados, com o módulo Mobile,
executado no PDA. O módulo Server ainda é responsável por armazenar logs da
comunicação. Todos os experimentos foram realizados com o protocolo TCP
(Transmission Control Protocol) [Postel et al., 1981] em cenários que são apresentados
na próxima seção.

4. Configuração Experimental
Os estudos de caso realizados foram baseados nos cenários ilustrados pela Figura 1.
Nessa figura, em (a), tem-se uma rede ad hoc Bluetooth formada por um PDA e um
laptop; e, em (b), tem-se uma rede Wi-Fi infra-estruturada formada por um ponto de
acesso, um gateway, um hub, um laptop e um PDA, onde o ponto de acesso está
conectado ao gateway por meio de uma interface de rede cabeada, e o gateway ao laptop
por meio de um hub.
        Os dispositivos utilizados na realização dos experimentos foram: dois PDAs,
sendo um Zire 72s e um LifeDrive, ambos fabricados pela Palm Inc.; um ponto de
acesso DLink DWL-2000AP+ para o padrão 802.11g; uma interface USB Bluetooth
ENCORE Eletronics de classe 1 (até 100 metros de cobertura); um laptop, equipado
com duas interfaces de rede, uma sem fio Intel® Pro/Wireless 3945ABG 802.11g, e
outra Fast Ethernet Realtek RTL8139/810x; um computador equipado com duas
interfaces de rede Fast Ethernet Realtek RTL8139/810x; e um hardware desenvolvido
para medir o consumo de energia.
        Este hardware monitora a utilização da bateria acrescentando uma resistência,
de baixa resistividade, no condutor que liga a bateria ao PDA. Um circuito mede a
diferença de potencial entre o ponto antes da resistência e o outro ponto, depois da
resistência. A diferença de potencial é amplificada e em seguida transformada em sinal
digital por um conversor Analógico/Digital (ADC0808). Um microcontrolador de 8 bits
ajusta o valor em escala de 0 a 255, serializa os dados e envia-os para a porta serial de
um computador.
       Para transmitir pacotes TCP/IP na rede Bluetooth utilizou-se a camada
RFCOMM (Radio Frequency Communication), que provê emulação de cabo serial por
meio de um subconjunto do padrão ETSI GSM 07.10 [Das et al., 2001]. Sob a camada
RFCOMM foi configurado um enlace PPP (Point-to-Point Protocol) [Simpson, 1994],
que realiza comunicação ponto-a-ponto, neste caso, sob conexões TCP/IP.
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              Figura 1. Ambiente de testes: (a) Rede Ad Hoc e (b) Rede Infra-estruturada.

              A Tabela 1 apresenta as características dos PDAs utilizados nos estudos de caso.
       Neste trabalho são consideradas, principalmente, a capacidade de processamento e a
       autonomia da bateria, uma vez que a velocidade do processador impacta na
       fragmentação dos dados, no cálculo das seqüências de verificação de erros e nos loops
       de envio e/ou recepção de dados, enquanto a capacidade da bateria permite maior ou
       menor tempo sem a necessidade de recarga.
                            Tabela 1. Características dos PDAs estudados.
               Características             Zire 72s                    LifeDrive
               Clock do processador        320 MHz                     416 MHz
               Tamanho do LCD              320x320                     320x480
               Bluetooth (1.1)             Integrado                   Integrado
               Wi-Fi (802.11b)             Interface externa           Integrado
               Bateria                     3.7 V, 920 mAh              3.7 V, 1.660 mAh
               Ambos dispositivos são dotados de processadores Intel® PXA270. Contudo, o
       processador do LifeDrive de 416 MHz é aproximadamente 25% mais rápido que o
       processador de 315 MHz do Zire. Uma grande diferença também ocorre na alimentação
       dos dispositivos uma vez que ambos possuem baterias de 3.7 Volts, porém a bateria do
       LifeDrive de 1.660 mAh tem capacidade aproximadamente 45% superior à bateria do
       Zire de 920 mAh.

       5. Análise da Taxa de Transmissão
       Nos experimentos realizados, o MSS (Maximum Segment Size) negociado para conexão
       do Zire 72s foi de 536 Bytes e de 1.380 Bytes para o LifeDrive. Tais valores são
       dependentes do sistema operacional de cada dispositivo, sendo possível concluir que,
       devido à fragmentação, o PDA de menor MSS utiliza mais processamento para
       transmitir a mesma quantidade de dados quando comparado ao de maior MSS. Por outro
       lado, em ambientes ruidosos os quadros maiores têm maior probabilidade de serem
       corrompidos e, dessa forma, podem gerar sobrecarga devido à necessidade de
       retransmissão.
               Os gráficos com os resultados são apresentados pela Figura 2. Nessa figura, em
       (a) tem-se os resultados para o estudo de caso com a rede Bluetooth e, em (b) tem-se os
       resultados para rede Wi-Fi. Na rede Bluetooth, o Zire 72s alcançou taxas de envio de
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dados de aproximadamente 11 KB/s para buffers maiores que 256 Bytes, no entanto, a
taxa de recepção permaneceu praticamente constante, em torno de 20 KB/s para
quaisquer tamanhos de buffers. Já o LifeDrive apresentou taxas superiores às
encontradas com o Zire, oscilando sobre a média de 46 KB/s para envio e de 48 KB/s
para recepção.




           Figura 2. Taxa de transmissão nas redes: (a) Bluetooth e (b) Wi-Fi.

        Para rede Wi-Fi, o Zire apresentou taxas de envio próximas de 23 KB/s com
buffer de 64 Bytes, sendo que esta taxa cresceu conforme o aumento de tamanho do
buffer até 256 bytes, onde atingiu aproximadamente 37 KB/s, estabilizando para os
tamanhos superiores. O mesmo não foi observado para taxa de recepção, sendo que para
o buffer de 64 Bytes a taxa estava próxima de 88 KB/s, diminuindo e oscilando até 69
KB/s para buffer de 32 KB. Para o dispositivo LifeDrive foi possível observar que a taxa
média de envio de dados permaneceu praticamente constante em 85 KB/s para
quaisquer tamanhos de buffer e a taxa de recepção apresentou um comportamento
avesso à taxa do Zire, crescendo com o aumento do tamanho do buffer, atingindo por
volta de 205 KB/s para buffer de 64 Bytes, e 305 KB/s para buffer de 32 KB.

6. Análise do Consumo de Bateria
Neste trabalho, o consumo de bateria refere-se ao gasto de energia do PDA como um
todo (e.g. display LCD, processador e interface de rede sem fio), capturando o real
comportamento de todo o sistema. Os resultados dos experimentos são apresentados
pela Figura 3, onde em (a) tem-se os resultados na rede Bluetooth e em (b) tem-se os
resultados na rede Wi-Fi. A potência foi medida a cada segundo e os resultados
apresentados são a média dos valores recuperados nas cinco repetições de cada ensaio.
        Na rede Bluetooth a potência utilizada pelo Zire cresce conforme o tamanho do
buffer aumenta, isso ocorre tanto no envio quanto na recepção de dados. Durante o
envio de dados a potência mantém-se próxima a 199 mW com buffer de 64 Bytes, e
chega a atingir 272 mW com buffer de 32 KB. Na recepção de dados a potência
utilizada é menor, mas o comportamento também é crescente, sendo a potência em torno
de 185 mW com buffer de 64 Bytes, chegando a 231 mW com buffer de 32 KB. Por
outro lado, a taxa de transmissão, apresentada pela Figura 2 (a), é praticamente
constante durante o envio e recepção de dados, permitindo concluir que o Zire consome
mais energia quando está transmitindo buffers grandes, o que provavelmente ocorre
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       devido à sobrecarga gerada pela utilização de TCP/IP over PPP em um enlace
       Bluetooth.




                  Figura 3. Consumo de bateria nas redes: (a) Bluetooth e (b) Wi-Fi.
              Para envio de dados, o Zire apresentou um comportamento praticamente
       constante na rede Wi-Fi com uma potência média em torno de 435 mW e um desvio
       padrão de 5,85. Já para recepção, as potências variaram com média por volta de 399
       mW e desvio padrão de 33,3. Comparando as potências com as taxas de transmissão,
       apresentadas pela Figura 2 (b), observou-se que, para o envio de dados, o
       comportamento foi constante tanto para as taxas quanto para as potências utilizadas. O
       mesmo não ocorreu durante a recepção, que demonstrou comportamentos divergentes,
       diminuindo a taxa conforme o buffer aumentava enquanto a potência oscilava.
              O comportamento do LifeDrive não pode ser bem definido, pois as potências
       médias oscilam com os diversos tamanhos de buffer. Isso ocorreu devido a picos de
       potência que chegaram a 800 mW durante as medições. Provavelmente este fenômeno
       aconteceu devido aos acessos aleatórios que o sistema operacional fez ao HD (Hard
       Disk) durante os experimentos. O Zire não apresentou tal comportamento pois não
       possui HD.

       7. Suporte a Tomada de Decisão
       Os resultados dos experimentos permitem caracterizar os PDAs avaliados em função da
       taxa de transmissão e autonomia da bateria, como mostra a Figura 4. Nesta figura, são
       definidas áreas delimitadas pela taxa de transmissão e consumo recuperados nos
       experimentos. Para verificar se PDA e tecnologia atendem a um determinado cenário, o
       mesmo deve ser representado como um ponto do plano cartesiano onde a abscissa é a
       autonomia da bateria e a ordenada é a taxa de transmissão. Uma vez que o ponto esteja
       localizado dentro dos limites de um par PDA x Tecnologia de comunicação, então a
       dupla atende ao cenário.
               O mercado de dispositivos móveis está em constante atualização. Novos
       dispositivos surgem com novas características, melhores desempenhos e tecnologias de
       comunicação, fazendo com que a escalabilidade seja quase um requisito não-funcional
       da aplicação proposta. Para garantir a escalabilidade, utilizou-se a linguagem lógica
       Prolog na implementação da base de conhecimento do SSD. Isso devido ao fato de
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Prolog permitir fácil consulta, atualização e manutenção, simplificando a inserção de
resultados sobre novos PDAs experimentados.




               Figura 4. Autonomia X Taxa, nas redes: (a) Bluetooth e (b) Wi-Fi.
       Os requisitos funcionais, apresentados na seção 2, podem ser escritos na forma
de questões a serem respondidas pelo SSD: (i) Quais PDAs e tecnologias de
comunicação conseguem prover T KB/s de taxa de transmissão com uma autonomia de
M minutos? (ii) O PDA P com a tecnologia X consegue prover uma taxa de T KB/s e M
minutos de autonomia? (iii) Quais tecnologias de comunicação do PDA P conseguem
prover T KB/s de taxa de transmissão e M minutos de autonomia?
        Os principais predicados da base de conhecimento são apresentados na Figura 5.
Na primeira etapa, os resultados apresentados na Figura 4 foram representados como
fatos na base de conhecimento. São dois os fatos: autonomia(<Autonomia>, <PDA>,
<Tecnologia>) e txTransmissao(<Taxa>, <PDA>, <Tecnologia>) (linhas 31 a 40).
01   atendeRequisitos(Taxa, Autonomia):-            21   verificaTaxaTransmissao(PDA, Taxa) :-
02      verificaAutonomiaBateria(Autonomia),        22      txTransmissao(Tx, PDA, Tecnologia),
03      verificaTaxaTransmissao(Taxa),              23      Tx >= Taxa,
04      write('Cenário atendido em:'),              24      assert(transmissao(Tx, PDA, Tecnologia)), fail.
05      mostraPDAs,                                 25
06      abolish(autonomia/3),                       26   verificaAutonomiaBateria(PDA, Autonomia) :-
07      abolish(transmissao/3).                     27      autonomia(Aut, PDA, Tecnologia),
08                                                  28      Aut >= Autonomia,
09   prove(PDA, Tecnologia, Taxa, Autonomia) :-     29      assert(bateria(Aut, PDA, Tecnologia)), fail.
10      bateria(Aut, PDA, Tecnologia),              30
11      Aut >= Autonomia,                           31   % Fatos
12      txTransmissao(Tx, PDA, Tecnologia),         32   autonomia(130, zire,      wi-fi       ).
13      Tx >= Taxa.                                 33   autonomia(250, zire,      bluetooth    ).
14                                                  34   autonomia(250, lifedrive, wi-fi       ).
15   tecnologias(PDA, Taxa, Autonomia) :-           35   autonomia(410, lifedrive, bluetooth   ).
16      verificaTaxaTransmissao(PDA, Taxa),         36
17      verificaAutonomiaBateria(PDA, Autonomia),   37   txTransmissao(56, zire,       wi-fi     ).
18      mostraTecnologias,                          38   txTransmissao(16, zire,       bluetooth ).
19      abolish(transmissao/3),                     39   txTransmissao(180, lifedrive, wi-fi     ).
20      abolish(autonomia/3).                       40   txTransmissao(47, lifedrive, bluetooth ).
                  Figura 5. Principais regras e fatos da base de conhecimento.
         O primeiro requisito (i) é implementado pela regra atendeRequisitos(Taxa,
Autonomia), conforme mostra a Figura 5 (linhas 1 a 7). Esta regra recebe como parâmetros
a taxa de transmissão (KB/s) e autonomia (min) e utiliza a regra
verificaAutonomiaBateria(Autonomia) e a regra verificaTaxaTransmissao(Taxa) para percorrer os
fatos e verificar quais PDAs e tecnologias têm desempenhos maiores ou iguais aos
parâmetros fornecidos.
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               O segundo requisito (ii) é implementado pela regra prove(PDA, Tecnologia, Taxa,
       Autonomia) (linhas 09 a 13); se a dupla PDA e tecnologia atenderem o cenário, a regra
       retorna afirmativamente, caso contrário a regra retorna uma negação. Já o terceiro
       requisito (iii) especifica que, dado o PDA, a Taxa e Autonomia, o sistema deve retornar
       as tecnologias de comunicação suportadas pelo PDA que atendem ao cenário. Para
       tanto, foi implementada a regra tecnologias(PDA, Taxa, Autonomia) (linhas 15 a 20), que
       retorna uma lista com as tecnologias que atendem ao cenário.

       8. Conclusões
       Neste trabalho, em um primeiro momento, foram apresentados os requisitos funcionais
       do SSD. Em um segundo momento, foram apresentados o ambiente de testes, os
       equipamentos e os experimentos realizados. Tais experimentos visam à avaliação
       quantitativa da taxa de transmissão e consumo de bateria durante o envio e recepção de
       dados em redes sem fio.
               Os resultados discutidos neste trabalho mostram que os PDAs experimentados
       tiveram comportamentos distintos nos dois ambientes de rede, ratificando a hipótese de
       que as características do hardware influenciam o comportamento dos dispositivos
       móveis, além disso, reforça a premissa de que a escolha de um dispositivo para
       determinada aplicação pode ser um gargalo para utilização da mesma. Sendo assim, o
       trabalho contribui modelando e implementando um SSD no âmbito de garantir a escolha
       mais adequada para um cenário, uma vez que a base de conhecimento do SSD armazena
       os resultados dos experimentos realizados e permite a realização de consultas.

       9. Referências
       Das A., Ghose A., Razdan A., Sarany H. and Shorey R. (2001) “Enhancing Performance
         of Asynchronous Data Traffic over the Bluetooth Wireless Ad-hoc Network”, IEEE
         Infocom, Vol. 1, p. 591-600.
       Fodor, G., Furuskar, A., Lundsjo, J. (2004) “On Access Selection Techniques in Always
         Best Connected Networks”, Proceedings of the 16th ITC Specialist Seminar on
         Performance Evaluation of Wireless and Mobile Systems, Antwerp, Belgium.
       Gustafsson, E. and Jonsson, A. (2003) “Always Best Connected”, IEEE Wireless
         Communications, Vol. 10, No. 1, p. 49-55.
       Postel, J., Garlic L. L., Rom R. (1981) “Transmission Control Protocol”, RFC 793.
       Simpson, W. (1994) “The Point-to-Point Protocol (PPP)”, RFC 1661.
       Sprague, R.H. Jr., Carlson, E.D. (1982) “Building Effective Decision Support Systems”,
         Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ.

				
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