Energy and power aware scheduling algorithm modeling for battery powered embedded systems

Energy management has always been recognized as a challenge in mobile systems, especially in modern OS-based mobile systems where multi-functioning are widely supported. Nowadays, it is common for a mobile system user to run multiple applications simultaneously while having a target battery lifetime in mind for a specific application. Traditional OS-level power management (PM) policies make their best effort to save energy under performance constraint, but fail to guarantee a target lifetime, leaving the painful trading off between the total performance of applications and the target lifetime to the user itself. This thesis provides a new way to deal with the problem. It is advocated that a strong energy-aware PM scheme should first guarantee a user-specified battery lifetime to a target application by restricting the average power of those less important applications, and in addition to that, maximize the total performance of applications without harming the lifetime guarantee. As a support, energy, instead of CPU or transmission bandwidth, should be globally managed as the first-class resource by the OS. As the first-stage work of a complete PM scheme, this thesis presents the energy-based fair queuing scheduling, a novel class of energy-aware scheduling algorithms which, in combination with a mechanism of battery discharge rate restricting, systematically manage energy as the first-class resource with the objective of guaranteeing a user-specified battery lifetime for a target application in OS-based mobile systems. Energy-based fair queuing is a cross-application of the traditional fair queuing in the energy management domain. It assigns a power share to each task, and manages energy by proportionally serving energy to tasks according to their assigned power shares. The proportional energy use establishes proportional share of the system power among tasks, which guarantees a minimum power for each task and thus, avoids energy starvation on any task. Energy-based fair queuing treats all tasks equally as one type and supports periodical time-sensitive tasks by allocating each of them a share of system power that is adequate to meet the highest energy demand in all periods. However, an overly conservative power share is usually required to guarantee the meeting of all time constraints. To provide more effective and flexible support for various types of time-sensitive tasks in general purpose operating systems, an extra real-time friendly mechanism is introduced to combine priority-based scheduling into the energy-based fair queuing. Since a method is available to control the maximum time one time-sensitive task can run with priority, the power control and time-constraint meeting can be flexibly traded off. A SystemC-based test-bench is designed to assess the algorithms. Simulation results show the success of the energy-based fair queuing in achieving proportional energy use, time-constraint meeting, and a proper trading off between them. La gestión de energía en los sistema móviles está considerada hoy en día como un reto fundamental, notándose, especialmente, en aquellos terminales que utilizando un sistema operativo implementan múltiples funciones. Es común en los sistemas móviles actuales ejecutar simultaneamente diferentes aplicaciones y tener, para una de ellas, un objetivo de tiempo de uso de la batería. Tradicionalmente, las políticas de gestión de consumo de potencia de los sistemas operativos hacen lo que está en sus manos para ahorrar energía y satisfacer sus requisitos de prestaciones, pero no son capaces de proporcionar un objetivo de tiempo de utilización del sistema, dejando al usuario la difícil tarea de buscar un compromiso entre prestaciones y tiempo de utilización del sistema. Esta tesis, como contribución, proporciona una nueva manera de afrontar el problema. En ella se establece que un esquema de gestión de consumo de energía debería, en primer lugar, garantizar, para una aplicación dada, un tiempo mínimo de utilización de la batería que estuviera especificado por el usuario, restringiendo la potencia media consumida por las aplicaciones que se puedan considerar menos importantes y, en segundo lugar, maximizar las prestaciones globales sin comprometer la garantía de utilización de la batería. Como soporte de lo anterior, la energía, en lugar del tiempo de CPU o el ancho de banda, debería gestionarse globalmente por el sistema operativo como recurso de primera clase. Como primera fase en el desarrollo completo de un esquema de gestión de consumo, esta tesis presenta un algoritmo de planificación de encolado equitativo (fair queueing) basado en el consumo de energía, es decir, una nueva clase de algoritmos de planificación que, en combinación con mecanismos que restrinjan la tasa de descarga de una batería, gestionen de forma sistemática la energía como recurso de primera clase, con el objetivo de garantizar, para una aplicación dada, un tiempo de uso de la batería, definido por el usuario, en sistemas móviles empotrados. El encolado equitativo de energía es una extensión al dominio de la energía del encolado equitativo tradicional. Esta clase de algoritmos asigna una reserva de potencia a cada tarea y gestiona la energía sirviéndola de manera proporcional a su reserva. Este uso proporcional de la energía garantiza que cada tarea reciba una porción de potencia y evita que haya tareas que se vean privadas de recibir energía por otras con un comportamiento más ambicioso. Esta clase de algoritmos trata a todas las tareas por igual y puede planificar tareas periódicas en tiempo real asignando a cada una de ellas una reserva de potencia que es adecuada para proporcionar la mayor de las cantidades de energía demandadas por período. Sin embargo, es posible demostrar que sólo se consigue cumplir con los requisitos impuestos por todos los plazos temporales con reservas de potencia extremadamente conservadoras. En esta tesis, para proporcionar un soporte más flexible y eficiente para diferentes tipos de tareas de tiempo real junto con el resto de tareas, se combina un mecanismo de planificación basado en prioridades con el encolado equitativo basado en energía. En esta clase de algoritmos, gracias al método introducido, que controla el tiempo que se ejecuta con prioridad una tarea de tiempo real, se puede establecer un compromiso entre el cumplimiento de los requisitos de tiempo real y el consumo de potencia. Para evaluar los algoritmos, se ha diseñado en SystemC un banco de pruebas. Los resultados muestran que el algoritmo de encolado equitativo basado en el consumo de energía consigue el balance entre el uso proporcional a la energía reservada y el cumplimiento de los requisitos de tiempo real.

Finite Element Analysis Model of a Contactless Transformer for Battery Chargers in Electric Vehicles

A contactless transformer model is proposed in this paper using Finite Element Analysis (FEA). This model can be used to simulate Inductive Coupling Power Transfer (ICPT) systems with good accuracy of the transformer and reduce the fabrication time of these systems. The model not only takes into account the geometry of the windings but also the frequency effects in them. As the transformer does not have a magnetic core, it is complicated to model because the flux is expanded in the area around the windings. In order to obtain a very accurate model, it is necessary to use a 2D/3D field solver.

Bare wire anodes for electrodynamic tethers

The collection of electrons from the ionosphere is the major problem facing high-power electrodynamic tethers. This article discusses a simple electron-collection concept which is free of most of the physical uncertainties associated with plasma contactors in the rarefied, magnetized environment of an orbiting tether. The idea is to leave exposed a fraction of the tether length near its anodic end, such that, when a positive bias develops locally with respect to the ambient plasma, and for a tether radius small compared with both thermal gyroradius and Debye length, electrons are collected in an orbital-motion-limited regime. It is shown that large currents can be drawn in this way with only moderate voltage drops. The concept is illustrated through a discussion of performance characteristics for generators and thrusters.

Dual Active Bridge based Battery Charger for Plug-in Hybrid Electric Vehicle with Charging Current Containing Low Frequency Ripple

High power density is strongly preferable for the on-board battery charger of Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV). Wide band gap devices, such as Gallium Nitride HEMTs are being explored to push to higher switching frequency and reduce passive component size. In this case, the bulk DC link capacitor of AC-DC Power Factor Correction (PFC) stage, which is usually necessary to store ripple power of two times the line frequency in a DC current charging system, becomes a major barrier on power density. If low frequency ripple is allowed in the battery, the DC link capacitance can be significantly reduced. This paper focuses on the operation of a battery charging system, which is comprised of one Full Bridge (FB) AC-DC stage and one Dual Active Bridge (DAB) DC-DC stage, with charging current containing low frequency ripple at two times line frequency, designated as sinusoidal charging. DAB operation under sinusoidal charging is investigated. Two types of control schemes are proposed and implemented in an experimental prototype. It is proved that closed loop current control is the better. Full system test including both FB AC-DC stage and DAB DC-DC stage verified the concept of sinusoidal charging, which may lead to potentially very high power density battery charger for PHEV.

Diseño y ensayos en tierra de las baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite battery

Este proyecto consiste en el estudio y dimensionado inicial del sistema de potencia de un satélite de observación, que sirva de ayuda a otros sistemas de mayor precisión a la hora de detectar posibles terremotos y actividad volcánica mediante el análisis de señales electromagnéticas presentes en la ionosfera. Para ello el satélite incorpora, entre otros elementos sensores eléctricos, un analizador de plasma, y un detector de partículas. Con esta instrumentación se pretenden detectar los cambios que se producen en el campo electromagnético terrestre como consecuencia del movimiento de las placas tectónicas, y descubrir así las posibles anomalías que preceden a un seísmo. Para no sobrepasar el presupuesto con el que se ha ideado el proyecto se utilizarán sistemas que permitan la lectura de datos de la forma más simple, pudiendo ocurrir que los datos recogidos no se transmitan al control de Tierra en tiempo real, impidiendo a los científicos analizar los datos recogidos hasta unos días después, de ahí que este satélite experimental deba emplearse, en principio, como apoyo a programas de detención de terremotos más sofisticados y con mayores medios técnicos. Evidentemente, con este sistema también se podrán recoger datos tras los seísmos y examinarlos posteriormente. La órbita del satélite será una órbita LEO (Low Earth Orbit) de una altitud aproximada de 670 Km, estimándose el tiempo de vida del satélite en 5 años. Intentando emplear la mayor parte de los recursos económicos en el equipamiento científico, la estructura será la más simple posible, esto es, un paralelepípedo de dimensiones compactas con un peso aproximado de 185 kg, contando con paneles solares desplegables y en su interior con baterías que proporcionarán potencia al satélite durante la fase de lanzamiento y en momentos concretos.

Diseño y ensayos en tierra de paneles solares y baterías para un satélite de órbita baja = Design and testing procedures of a Low Earth Orbit (LEO) satellite power subsystem (solar panels and battery)

Las principal conclusión que se puede obtener tras el estudio es que el satélite, tal y como se ha tenido en cuenta, es perfectamente funcional desde el punto de vista eléctrico. Por la parte de la generación de potencia, los paneles son capaces de ofreces una cantidad tal como para que aproximadamente la mitad (en el caso de funcionamiento normal) de esta potencia sea destinada a la carga útil. Además, incluso en los modos de fallo definidos, el valor de potencia dedicada a la carga útil, es suficientemente alta como para que merezca la pena mantener el satélite operativo. Respecto de las baterías, se puede observar por su comportamiento que están, sobredimensionadas y por ello actúan como un elemento regulador del sistema completo, ya que tiene un amplio margen de trabajo por el cual se puede modificar el funcionamiento general. Y esto se demuestra no sólo en cuanto al estado de carga, que para el perfil de consumo constante y el de cuatro pulsos de 120 W por día se mantiene siempre por encima del 99%, si no también en términos de charging rate, el cual se está siempre dentro de los límites establecidos por el fabricante, asegurando una vida operativa acorde con la nominal. Por último, sobre el propio método de simulación se puede extraer que aun no siendo la mejor plataforma donde estudiar estos comportamientos. Presenta el inconveniente de que, en ciertas partes, restringe la flexibilidad a la hora de cambiar múltiples condiciones al mismo tiempo, pero a cambio permite un estudio bastante amplio con un requisito de conocimientos y de complejidad bajo, de manera que habilita a cualquier estudiante a llevar a cabo estudios similares.

Energy-based Fair Queuing: Energy-centric Processor Scheduling Algorithm for Battery-limited Mobile Systems

Los dispositivos móviles modernos disponen cada vez de más funcionalidad debido al rápido avance de las tecnologías de las comunicaciones y computaciones móviles. Sin embargo, la capacidad de la batería no ha experimentado un aumento equivalente. Por ello, la experiencia de usuario en los sistemas móviles modernos se ve muy afectada por la vida de la batería, que es un factor inestable de difícil de control. Para abordar este problema, investigaciones anteriores han propuesto un esquema de gestion del consumo (PM) centrada en la energía y que proporciona una garantía sobre la vida operativa de la batería mediante la gestión de la energía como un recurso de primera clase en el sistema. Como el planificador juega un papel fundamental en la administración del consumo de energía y en la garantía del rendimiento de las aplicaciones, esta tesis explora la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada desde la perspectiva de un planificador que tiene en cuenta el consumo de energía en un contexto en el que ésta es un recurso de primera clase. En esta tesis se analiza en primer lugar los factores que contribuyen de forma general a la experiencia de usuario en un sistema móvil. Después se determinan los requisitos esenciales que afectan a la experiencia de usuario en la planificación centrada en el consumo de energía, que son el reparto proporcional de la potencia, el cumplimiento de las restricciones temporales, y cuando sea necesario, el compromiso entre la cuota de potencia y las restricciones temporales. Para cumplir con los requisitos, el algoritmo clásico de fair queueing y su modelo de referencia se extienden desde los dominios de las comunicaciones y ancho de banda de CPU hacia el dominio de la energía, y en base a ésto, se propone el algoritmo energy-based fair queueing (EFQ) para proporcionar una planificación basada en la energía. El algoritmo EFQ está diseñado para compartir la potencia consumida entre las tareas mediante su planificación en función de la energía consumida y de la cuota reservada. La cuota de consumo de cada tarea con restricciones temporales está protegida frente a diversos cambios que puedan ocurrir en el sistema. Además, para dar mejor soporte a las tareas en tiempo real y multimedia, se propone un mecanismo para combinar con el algoritmo EFQ para dar preferencia en la planificación durante breves intervalos de tiempo a las tareas más urgentes con restricciones temporales.Las propiedades del algoritmo EFQ se evaluan a través del modelado de alto nivel y la simulación. Los resultados de las simulaciones indican que los requisitos esenciales de la planificación centrada en la energía pueden lograrse. El algoritmo EFQ se implementa más tarde en el kernel de Linux. Para evaluar las propiedades del planificador EFQ basado en Linux, se desarrolló un banco de pruebas experimental basado en una sitema empotrado, un programa de banco de pruebas multihilo, y un conjunto de pruebas de código abierto. A través de experimentos específicamente diseñados, esta tesis verifica primero las propiedades de EFQ en la gestión de la cuota de consumo de potencia y la planificación en tiempo real y, a continuación, explora los beneficios potenciales de emplear la planificación EFQ en la optimización de la experiencia de usuario para sistemas móviles con energía limitada. Los resultados experimentales sobre la gestión de la cuota de energía muestran que EFQ es más eficaz que el planificador de Linux-CFS en la gestión de energía, logrando un reparto proporcional de la energía del sistema independientemente de en qué dispositivo se consume la energía. Los resultados experimentales en la planificación en tiempo real demuestran que EFQ puede lograr de forma eficaz, flexible y robusta el cumplimiento de las restricciones temporales aunque se dé el caso de aumento del el número de tareas o del error en la estimación de energía. Por último, un análisis comparativo de los resultados experimentales sobre la optimización de la experiencia del usuario demuestra que, primero, EFQ es más eficaz y flexible que los algoritmos tradicionales de planificación del procesador, como el que se encuentra por defecto en el planificador de Linux y, segundo, que proporciona la posibilidad de optimizar y preservar la experiencia de usuario para los sistemas móviles con energía limitada. Abstract Modern mobiledevices have been becoming increasingly powerful in functionality and entertainment as the next-generation mobile computing and communication technologies are rapidly advanced. However, the battery capacity has not experienced anequivalent increase. The user experience of modern mobile systems is therefore greatly affected by the battery lifetime,which is an unstable factor that is hard to control. To address this problem, previous works proposed energy-centric power management (PM) schemes to provide strong guarantee on the battery lifetime by globally managing energy as the first-class resource in the system. As the processor scheduler plays a pivotal role in power management and application performance guarantee, this thesis explores the user experience optimization of energy-limited mobile systemsfrom the perspective of energy-centric processor scheduling in an energy-centric context. This thesis first analyzes the general contributing factors of the mobile system user experience.Then itdetermines the essential requirements on the energy-centric processor scheduling for user experience optimization, which are proportional power sharing, time-constraint compliance, and when necessary, a tradeoff between the power share and the time-constraint compliance. To meet the requirements, the classical fair queuing algorithm and its reference model are extended from the network and CPU bandwidth sharing domain to the energy sharing domain, and based on that, the energy-based fair queuing (EFQ) algorithm is proposed for performing energy-centric processor scheduling. The EFQ algorithm is designed to provide proportional power shares to tasks by scheduling the tasks based on their energy consumption and weights. The power share of each time-sensitive task is protected upon the change of the scheduling environment to guarantee a stable performance, and any instantaneous power share that is overly allocated to one time-sensitive task can be fairly re-allocated to the other tasks. In addition, to better support real-time and multimedia scheduling, certain real-time friendly mechanism is combined into the EFQ algorithm to give time-limited scheduling preference to the time-sensitive tasks. Through high-level modelling and simulation, the properties of the EFQ algorithm are evaluated. The simulation results indicate that the essential requirements of energy-centric processor scheduling can be achieved. The EFQ algorithm is later implemented in the Linux kernel. To assess the properties of the Linux-based EFQ scheduler, an experimental test-bench based on an embedded platform, a multithreading test-bench program, and an open-source benchmark suite is developed. Through specifically-designed experiments, this thesis first verifies the properties of EFQ in power share management and real-time scheduling, and then, explores the potential benefits of employing EFQ scheduling in the user experience optimization for energy-limited mobile systems. Experimental results on power share management show that EFQ is more effective than the Linux-CFS scheduler in managing power shares and it can achieve a proportional sharing of the system power regardless of on which device the energy is spent. Experimental results on real-time scheduling demonstrate that EFQ can achieve effective, flexible and robust time-constraint compliance upon the increase of energy estimation error and task number. Finally, a comparative analysis of the experimental results on user experience optimization demonstrates that EFQ is more effective and flexible than traditional processor scheduling algorithms, such as those of the default Linux scheduler, in optimizing and preserving the user experience of energy-limited mobile systems.

Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CFD)para el desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Propulsion Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este proyecto es recoger y explicar el conjunto de tareas realizadas durante el proceso de colaboración llevado a cabo en el Instituto de Microgravedad “Ignacio Da Riva” durante el curso académico 2014/2015, las cuales han conformado las prácticas externas cursadas en la titulación de Grado en Ingeniería Aeroespacial, y el Trabajo de Fin de Grado de la misma titulación. En este documento se pretende,además, poner de manifiesto la rigurosidad con la que se trabaja en el ámbito espacial y la importancia de los protocolos y procedimientos para asegurar un resultado adecuado en los trabajos realizados. Una parte importante del proyecto detalla los procesos de monitorización y mantenimiento de la batería del satélite universitario UPMSat-2 cuyo lanzamiento está previsto para el año próximo y el cual será el segundo satélite del mundo en incorporar una batería de Ión-Litio.

Análisis de sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CDF) para desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Orbit Design Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El presente proyecto se ha realizado durante las prácticas curriculares que han tenido lugar en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM). A lo largo de estas prácticas se han llevado a cabo trabajos en diversos campos, todos relacionados con el UPMSat-2, desde el subsistema de potencia (placas solares y baterías) hasta el desarrollo de módulos para la Sala de Diseño Concurrente (Concurrent Design Facility, CDF). En la realización de las mismas se ha trabajado en equipo, junto con otros dos alumnos. El objetivo del proyecto es recopilar las tareas realizadas, proporcionando el desarrollo teórico necesario para llevar a cabo todas ellas. Al ser un trabajo con varias partes claramente diferenciadas, se ha optado por comenzar con unas páginas dedicadas a las misiones espaciales. A continuación el trabajo se adentra en el subsistema de potencia de un satélite, particularizando para el UPMSat-2. Finalmente, se proporciona la teoría necesaria para el desarrollo del módulo de misión de la CDF del IDR/UPM, software que se ha desarrollado y tiene reservado un espacio al final, en el cual se describe el programa y se realizan comparaciones de los resultados que proporciona frente a casos reales.

Análisis en sistemas eléctricos en microsatélites. Desarrollo de módulos para una Concurrent Design Facility (CDF) para desarrollo y análisis de misiones espaciales = Analysis of microsatellites power subsystems (battery testing). Development and programming of a new Orbit Design Module for a space mission Concurrent Design Facility (CDF)

El objetivo de este trabajo de fin de grado es la exposición de los resultados y conclusiones, fruto de las tareas desarrolladas durante las practicas curriculares en el Instituto Universitario de Microgravedad “Ignacio Da Riva” (IDR/UPM) el presente curso académico. La estructura del trabajo se compone de dos bloques diferenciados entre sí: el seguimiento de una batería y el desarrollo de un módulo para una CDF.