Multilayer optimization in radio resource allocation for the packet transmission in wireless networks

Na última década tem-se assistido a um crescimento exponencial das redes de comunicações sem fios, nomeadamente no que se refere a taxa de penetração do serviço prestado e na implementação de novas infra-estruturas em todo o globo. É ponto assente neste momento que esta tendência irá não só continuar como se fortalecer devido à convergência que é esperada entre as redes móveis sem fio e a disponibilização de serviços de banda larga para a rede Internet fixa, numa evolução para um paradigma de uma arquitectura integrada e baseada em serviços e aplicações IP. Por este motivo, as comunicações móveis sem fios irão ter um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade de informação a médio e longo prazos. A estratégia seguida no projecto e implementação das redes móveis celulares da actual geração (2G e 3G) foi a da estratificação da sua arquitectura protocolar numa estrutura modular em camadas estanques, onde cada camada do modelo é responsável pela implementação de um conjunto de funcionalidades. Neste modelo a comunicação dá-se apenas entre camadas adjacentes através de primitivas de comunicação pré-estabelecidas. Este modelo de arquitectura resulta numa mais fácil implementação e introdução de novas funcionalidades na rede. Entretanto, o facto das camadas inferiores do modelo protocolar não utilizarem informação disponibilizada pelas camadas superiores, e vice-versa acarreta uma degradação no desempenho do sistema. Este paradigma é particularmente importante quando sistemas de antenas múltiplas são implementados (sistemas MIMO). Sistemas de antenas múltiplas introduzem um grau adicional de liberdade no que respeita a atribuição de recursos rádio: o domínio espacial. Contrariamente a atribuição de recursos no domínio do tempo e da frequência, no domínio espacial os recursos rádio mapeados no domínio espacial não podem ser assumidos como sendo completamente ortogonais, devido a interferência resultante do facto de vários terminais transmitirem no mesmo canal e/ou slots temporais mas em feixes espaciais diferentes. Sendo assim, a disponibilidade de informação relativa ao estado dos recursos rádio às camadas superiores do modelo protocolar é de fundamental importância na satisfação dos critérios de qualidade de serviço exigidos. Uma forma eficiente de gestão dos recursos rádio exige a implementação de algoritmos de agendamento de pacotes de baixo grau de complexidade, que definem os níveis de prioridade no acesso a esses recursos por base dos utilizadores com base na informação disponibilizada quer pelas camadas inferiores quer pelas camadas superiores do modelo. Este novo paradigma de comunicação, designado por cross-layer resulta na maximização da capacidade de transporte de dados por parte do canal rádio móvel, bem como a satisfação dos requisitos de qualidade de serviço derivados a partir da camada de aplicação do modelo. Na sua elaboração, procurou-se que o standard IEEE 802.16e, conhecido por Mobile WiMAX respeitasse as especificações associadas aos sistemas móveis celulares de quarta geração. A arquitectura escalonável, o baixo custo de implementação e as elevadas taxas de transmissão de dados resultam num processo de multiplexagem de dados e valores baixos no atraso decorrente da transmissão de pacotes, os quais são atributos fundamentais para a disponibilização de serviços de banda larga. Da mesma forma a comunicação orientada à comutação de pacotes, inenente na camada de acesso ao meio, é totalmente compatível com as exigências em termos da qualidade de serviço dessas aplicações. Sendo assim, o Mobile WiMAX parece satisfazer os requisitos exigentes das redes móveis de quarta geração. Nesta tese procede-se à investigação, projecto e implementação de algoritmos de encaminhamento de pacotes tendo em vista a eficiente gestão do conjunto de recursos rádio nos domínios do tempo, frequência e espacial das redes móveis celulares, tendo como caso prático as redes móveis celulares suportadas no standard IEEE802.16e. Os algoritmos propostos combinam métricas provenientes da camada física bem como os requisitos de qualidade de serviço das camadas superiores, de acordo com a arquitectura de redes baseadas no paradigma do cross-layer. O desempenho desses algoritmos é analisado a partir de simulações efectuadas por um simulador de sistema, numa plataforma que implementa as camadas física e de acesso ao meio do standard IEEE802.16e.

Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Optimisation of viscoelastic treatments using genetic algorithms

Viscoelastic treatments are one of the most efficient treatments, as far as passive damping is concerned, particularly in the case of thin and light structures. In this type of treatment, part of the strain energy generated in the viscoelastic material is dissipated to the surroundings, in the form of heat. A layer of viscoelastic material is applied to a structure in an unconstrained or constrained configuration, the latter proving to be the most efficient arrangement. This is due to the fact that the relative movement of both the host and constraining layers cause the viscoelastic material to be subjected to a relatively high strain energy. There are studies, however, that claim that the partial application of the viscoelastic material is just as efficient, in terms of economic costs or any other form of treatment application costs. The application of patches of material in specific and selected areas of the structure, thus minimising the extension of damping material, results in an equally efficient treatment. Since the damping mechanism of a viscoelastic material is based on the dissipation of part of the strain energy, the efficiency of the partial treatment can be correlated to the modal strain energy of the structure. Even though the results obtained with this approach in various studies are considered very satisfactory, an optimisation procedure is deemed necessary. In order to obtain optimum solutions, however, time consuming numerical simulations are required. The optimisation process to use the minimum amount of viscoelastic material is based on an evolutionary geometry re-design and calculation of the modal damping, making this procedure computationally costly. To avert this disadvantage, this study uses adaptive layerwise finite elements and applies Genetic Algorithms in the optimisation process.

On the application of optimal control techniques in lossy fieldbuses

The performance of real-time networks is under continuous improvement as a result of several trends in the digital world. However, these tendencies not only cause improvements, but also exacerbates a series of unideal aspects of real-time networks such as communication latency, jitter of the latency and packet drop rate. This Thesis focuses on the communication errors that appear on such realtime networks, from the point-of-view of automatic control. Specifically, it investigates the effects of packet drops in automatic control over fieldbuses, as well as the architectures and optimal techniques for their compensation. Firstly, a new approach to address the problems that rise in virtue of such packet drops, is proposed. This novel approach is based on the simultaneous transmission of several values in a single message. Such messages can be from sensor to controller, in which case they are comprised of several past sensor readings, or from controller to actuator in which case they are comprised of estimates of several future control values. A series of tests reveal the advantages of this approach. The above-explained approach is then expanded as to accommodate the techniques of contemporary optimal control. However, unlike the aforementioned approach, that deliberately does not send certain messages in order to make a more efficient use of network resources; in the second case, the techniques are used to reduce the effects of packet losses. After these two approaches that are based on data aggregation, it is also studied the optimal control in packet dropping fieldbuses, using generalized actuator output functions. This study ends with the development of a new optimal controller, as well as the function, among the generalized functions that dictate the actuator’s behaviour in the absence of a new control message, that leads to the optimal performance. The Thesis also presents a different line of research, related with the output oscillations that take place as a consequence of the use of classic co-design techniques of networked control. The proposed algorithm has the goal of allowing the execution of such classical co-design algorithms without causing an output oscillation that increases the value of the cost function. Such increases may, under certain circumstances, negate the advantages of the application of the classical co-design techniques. A yet another line of research, investigated algorithms, more efficient than contemporary ones, to generate task execution sequences that guarantee that at least a given number of activated jobs will be executed out of every set composed by a predetermined number of contiguous activations. This algorithm may, in the future, be applied to the generation of message transmission patterns in the above-mentioned techniques for the efficient use of network resources. The proposed task generation algorithm is better than its predecessors in the sense that it is capable of scheduling systems that cannot be scheduled by its predecessor algorithms. The Thesis also presents a mechanism that allows to perform multi-path routing in wireless sensor networks, while ensuring that no value will be counted in duplicate. Thereby, this technique improves the performance of wireless sensor networks, rendering them more suitable for control applications. As mentioned before, this Thesis is centered around techniques for the improvement of performance of distributed control systems in which several elements are connected through a fieldbus that may be subject to packet drops. The first three approaches are directly related to this topic, with the first two approaching the problem from an architectural standpoint, whereas the third one does so from more theoretical grounds. The fourth approach ensures that the approaches to this and similar problems that can be found in the literature that try to achieve goals similar to objectives of this Thesis, can do so without causing other problems that may invalidate the solutions in question. Then, the thesis presents an approach to the problem dealt with in it, which is centered in the efficient generation of the transmission patterns that are used in the aforementioned approaches.