Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Interference cancellation for distributed wireless systems

O tema principal desta tese é o problema de cancelamento de interferência para sistemas multi-utilizador, com antenas distribuídas. Como tal, ao iniciar, uma visão geral das principais propriedades de um sistema de antenas distribuídas é apresentada. Esta descrição inclui o estudo analítico do impacto da ligação, dos utilizadores do sistema, a mais antenas distribuídas. Durante essa análise é demonstrado que a propriedade mais importante do sistema para obtenção do ganho máximo, através da ligação de mais antenas de transmissão, é a simetria espacial e que os utilizadores nas fronteiras das células são os mais bene ciados. Tais resultados são comprovados através de simulação. O problema de cancelamento de interferência multi-utilizador é considerado tanto para o caso unidimensional (i.e. sem codi cação) como para o multidimensional (i.e. com codi cação). Para o caso unidimensional um algoritmo de pré-codi cação não-linear é proposto e avaliado, tendo como objectivo a minimização da taxa de erro de bit. Tanto o caso de portadora única como o de multipla-portadora são abordados, bem como o cenário de antenas colocadas e distribuidas. É demonstrado que o esquema proposto pode ser visto como uma extensão do bem conhecido esquema de zeros forçados, cuja desempenho é provado ser um limite inferior para o esquema generalizado. O algoritmo é avaliado, para diferentes cenários, através de simulação, a qual indica desempenho perto do óptimo, com baixa complexidade. Para o caso multi-dimensional um esquema para efectuar "dirty paper coding" binário, tendo como base códigos de dupla camada é proposto. No desenvolvimento deste esquema, a compressão com perdas de informação, é considerada como um subproblema. Resultados de simulação indicam transmissão dedigna proxima do limite de Shannon.

Mediator framework for inserting xDRs into hadoop

During the last decades, we assisted to what is called “information explosion”. With the advent of the new technologies and new contexts, the volume, velocity and variety of data has increased exponentially, becoming what is known today as big data. Among them, we emphasize telecommunications operators, which gather, using network monitoring equipment, millions of network event records, the Call Detail Records (CDRs) and the Event Detail Records (EDRs), commonly known as xDRs. These records are stored and later processed to compute network performance and quality of service metrics. With the ever increasing number of collected xDRs, its generated volume needing to be stored has increased exponentially, making the current solutions based on relational databases not suited anymore. To tackle this problem, the relational data store can be replaced by Hadoop File System (HDFS). However, HDFS is simply a distributed file system, this way not supporting any aspect of the relational paradigm. To overcome this difficulty, this paper presents a framework that enables the current systems inserting data into relational databases, to keep doing it transparently when migrating to Hadoop. As proof of concept, the developed platform was integrated with the Altaia - a performance and QoS management of telecommunications networks and services.

Distributed coding for systems with cooperative diversity

O presente trabalho propõe-se a divulgar as mais significativas técnicas de esquemas cooperativos, de forma a ultrapassar alguns dos problemas dos sistemas móveis sem fios da próxima geração, estendendo a área de cobertura destes sistemas, assim como a sua capacidade e fiabilidade. O estudo de diversos esquemas cooperativos é efetuado em termos de capacidade e de taxa de erros, fazendo variar o número de relays e de antenas em cada elemento do sistema. Diversos algoritmos com aplicação em sistemas cooperativos são desenvolvidos e propostos ao longo desta tese, como códigos espaço-frequência aplicados de forma distribuída nos relays, para sistemas baseados na tecnologia OFDM e sob diversos cenários próximos da realidade. Os sistemas cooperativos são particularmente úteis em situações em que o caminho direto entre dois terminais não está acessível ou tem uma fraca qualidade de transmissão. Tendo este aspeto em consideração, e pretendendo ter a máxima eficiência espetral e máxima diversidade, um algoritmo com precodificação é também proposto para múltiplos relays, cada um equipado com uma ou duas antenas. A formulação matemática associada aos algoritmos propostos é apresentada, assim como a derivação da probabilidade de erro teórica. O desempenho dos sistemas assistidos por relays usando os algoritmos propostos é comparado em relação a outros esquemas cooperativos equivalentes e a esquemas não-cooperativos, considerando cenários com diferentes qualidades de canal, daí advindo importantes conclusões em relação a estes sistemas.

Decentralizing IP mobility management in future networks

The massive adoption of sophisticated mobile devices and applications led to the increase of mobile data in the last decade, which it is expected to continue. This increase of mobile data negatively impacts the network planning and dimension, since core networks are heavy centralized. Mobile operators are investigating atten network architectures that distribute the responsibility of providing connectivity and mobility, in order to improve the network scalability and performance. Moreover, service providers are moving the content servers closer to the user, in order to ensure high availability and performance of content delivery. Besides the e orts to overcome the explosion of mobile data, current mobility management models are heavy centralized to ensure reachability and session continuity to the users connected to the network. Nowadays, deployed architectures have a small number of centralized mobility anchors managing the mobile data and the mobility context of millions of users, which introduces issues related to performance and scalability that require costly network mechanisms. The mobility management needs to be rethought out-of-the box to cope with atten network architectures and distributed content servers closer to the user, which is the purpose of the work developed in this Thesis. The Thesis starts with a characterization of mobility management into well-de ned functional blocks, their interaction and potential grouping. The decentralized mobility management is studied through analytical models and simulations, in which di erent mobility approaches distinctly distribute the mobility management functionalities through the network. The outcome of this study showed that decentralized mobility management brings advantages. Hence, it was proposed a novel distributed and dynamic mobility management approach, which is exhaustively evaluated through analytical models, simulations and testbed experiments. The proposed approach is also integrated with seamless horizontal handover mechanisms, as well as evaluated in vehicular environments. The mobility mechanisms are also speci ed for multihomed scenarios, in order to provide data o oading with IP mobility from cellular to other access networks. In the pursuing of the optimized mobile routing path, a novel network-based strategy for localized mobility is addressed, in which a replication binding system is deployed in the mobility anchors distributed through the access routers and gateways. Finally, we go further in the mobility anchoring subject, presenting a context-aware adaptive IP mobility anchoring model that dynamically assigns the mobility anchors that provide the optimized routing path to a session, based on the user and network context. The integration of dynamic and distributed concepts in the mobility management, such as context-aware adaptive mobility anchoring and dynamic mobility support, allow the optimization of network resources and the improvement of user experience. The overall outcome demonstrates that decentralized mobility management is a promising direction, hence, its ideas should be taken into account by mobile operators in the deployment of future networks.

D3M: multicast listener mobility support mechanisms over distributed mobility anchoring architectures

The explosion in mobile data traffic is a driver for future network operator technologies, given its large potential to affect both network performance and generated revenue. The concept of distributed mobility management (DMM) has emerged in order to overcome efficiency-wise limitations in centralized mobility approaches, proposing not only the distribution of anchoring functions but also dynamic mobility activation sensitive to the applications needs. Nevertheless, there is not an acceptable solution for IP multicast in DMM environments, as the first proposals based on MLD Proxy are prone to tunnel replication problem or service disruption. We propose the application of PIM-SM in mobility entities as an alternative solution for multicast support in DMM, and introduce an architecture enabling mobile multicast listeners support over distributed anchoring frameworks in a network-efficient way. The architecture aims at providing operators with flexible options to provide multicast mobility, supporting three modes: the first one introduces basic IP multicast support in DMM; the second improves subscription time through extensions to the mobility protocol, obliterating the dependence on MLD protocol; and the third enables fast listener mobility by avoiding potentially slow multicast tree convergence latency in larger infrastructures, by benefiting from mobility tunnels. The different modes were evaluated by mathematical analysis regarding disruption time and packet loss during handoff against several parameters, total and tunneling packet delivery cost, and regarding packet and signaling overhead.