Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: API e comunicação entre nós cooperantes

Este trabalho é uma parte do tema global “Suporte à Computação Paralela e Distribuída em Java”, também tema da tese de Daniel Barciela no mestrado de Engenharia Informática do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O seu objetivo principal consiste na definição/criação da interface com o programador, assim como também abrange a forma como os nós comunicam e cooperam entre si para a execução de determinadas tarefas, de modo a atingirem um único objetivo global. No âmbito desta dissertação foi realizado um estudo prévio relativamente aos modelos teóricos referentes à computação paralela, assim como também foram analisadas linguagens e frameworks que fornecem suporte a este mesmo tipo de computação. Este estudo teve como principal objetivo a análise da forma como estes modelos e linguagens permitem ao programador expressar o processamento paralelo no desenvolvimento das aplicações. Como resultado desta dissertação surgiu a framework denominada Distributed Parallel Framework for Java (DPF4j), cujo objetivo principal é fornecer aos programadores o suporte para o desenvolvimento de aplicações paralelas e distribuídas. Esta framework foi desenvolvida na linguagem Java. Esta dissertação contempla a parte referente à interface de programação e a toda a comunicação entre nós cooperantes da framework DPF4j. Por fim, foi demonstrado através dos testes realizados que a DPF4j, apesar de ser ainda um protótipo, já demonstra ter uma performance superior a outras frameworks e linguagens que possuem os mesmos objetivos.

Desenvolvimento de módulos para planeamento e controlo de execução de missões de veículos aéreos não tripulados

Com a evolução da tecnologia, os UAVs (unmanned aerial vehicles) são cada vez mais utilizados, não só em missões de risco para o ser Humano, mas também noutro tipo de missões, como é o caso de missões de inspeção, vigilância, busca e salvamento. Isto devese ao baixo custo das plataformas assim como à sua enorme fiabilidade e facilidade de operação. Esta dissertação surge da necessidade de aumentar a autonomia dos UAVs do projeto PITVANT (Projeto de Investigação e Tecnologia em Veículos Aéreos Não Tripulados), projeto de investigação colaborativa entre a AFA (Academia da Força Aérea) e a FEUP (Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto), relativamente ao planeamento de trajetórias entre dois pontos no espaço, evitando os obstáculos que intersetem o caminho. Para executar o planeamento da trajetória mais curta entre dois pontos, foi implementado o algoritmo de pesquisa A*, por ser um algoritmo de pesquisa de soluções ótimas. A área de pesquisa é decomposta em células regulares e o centro das células são os nós de pesquisa do A*. O tamanho de cada célula é dependente da dinâmica de cada aeronave. Para que as aeronaves não colidam com os obstáculos, foi desenvolvido um método numérico baseado em relações trigonométricas para criar uma margem de segurança em torno de cada obstáculo. Estas margens de segurança são configuráveis, sendo o seu valor por defeito igual ao raio mínimo de curvatura da aeronave à velocidade de cruzeiro. De forma a avaliar a sua escalabilidade, o algoritmo foi avaliado com diferentes números de obstáculos. As métricas utilizadas para avaliação do algoritmo foram o tempo de computação do mesmo e o comprimento do trajeto obtido. Foi ainda comparado o desempenho do algoritmo desenvolvido com um algoritmo já implementado, do tipo fast marching.

Analysing TDMA with slot skipping

We propose a schedulability analysis for a particular class of time division multiple access (TDMA) networks, which we label as TDMA/SS. SS stands for slot skipping, reflecting the fact that a slot is skipped whenever it is not used. Hence, the next slot can start earlier in benefit of hard real-time traffic. In the proposed schedulability analysis, we assume knowledge of all message streams in the system, and that each node schedules messages in its output queue according to a rate monotonic policy (as an example). We present the analysis in two steps. Firstly, we address the case where a node is only permitted to transmit a maximum of one message per TDMA cycle. Secondly, we generalise the analysis to the case where a node is assigned a budget of messages per TDMA cycle it may transmit. A simple algorithm to assign budgets to nodes is also presented.

Disseminating data using broadcast when topology is unknown

Consider the problem of disseminating data from an arbitrary source node to all other nodes in a distributed computer system, like Wireless Sensor Networks (WSNs). We assume that wireless broadcast is used and nodes do not know the topology. We propose new protocols which disseminate data faster and use fewer broadcasts than the simple broadcast protocol.

QoS-based surrogates selection and service proposal formulation in offloading environments

Resource constraints are becoming a problem as many of the wireless mobile devices have increased generality. Our work tries to address this growing demand on resources and performance, by proposing the dynamic selection of neighbor nodes for cooperative service execution. This selection is in uenced by user's quality of service requirements expressed in his request, tailoring provided service to user's speci c needs. In this paper we improve our proposal's formulation algorithm with the ability to trade o time for the quality of the solution. At any given time, a complete solution for service execution exists, and the quality of that solution is expected to improve overtime.

An Ada framework for QoS-Aware applications

In this paper we present a framework for managing QoS-aware applications in a dynamic, ad-hoc, distributed environment. This framework considers an available set of wireless/mobile and fixed nodes, which may temporally form groups in order to process a set of related services, and where there is the need to support different levels of service and different combinations of quality requirements. This framework is being developed both for testing and validating an approach, based on multidimensional QoS properties, which provides service negotiation and proposal evaluation algorithms, and for assessing the suitability of the Ada language to be used in the context of dynamic, QoS-aware systems.

Distributed active traction control system applied to the RoboCup middle size league

This work addresses the problem of traction control in mobile wheeled robots in the particular case of the RoboCup Middle Size League (MSL). The slip control problem is formulated using simple friction models for ISePorto Team robots with a differential wheel configuration. Traction was also characterized experimentally in the MSL scenario for relevant game events. This work proposes a hierarchical traction control architecture which relies in local slip detection and control at each wheel, with relevant information being relayed to a higher level responsible for global robot motion control. A dedicated one axis control embedded hardware subsystem allowing complex local control, high frequency current sensing and odometric information procession was developed. This local axis control board is integrated in a distributed system using CAN bus communications. The slipping observer was implemented in the axis control hardware nodes integrated in the ISePorto robots and was used to control and detect loss of for traction. %and to detect the ball in the kicking device. An external vision system was used to perform a qualitative analysis of the slip detection and observer performance results are presented.

Characterizing the timing behaviour of power-line communication by means of simulation

Although power-line communication (PLC) is not a new technology, its use to support communication with timing requirements is still the focus of ongoing research. Recently, a new infrastructure was presented, intended for communication using power lines from a central location to geographically dispersed nodes using inexpensive devices. This new infrastructure uses a two-level hierarchical power-line system, together with an IP-based network. Within this infrastructure, in order to provide end-toend communication through the two levels of the powerline system, it is necessary to fully understand the behaviour of the underlying network layers. The masterslave behaviour of the PLC MAC, together with the inherent dynamic topology of power-line networks are important issues that must be fully characterised. Therefore, in this paper we present a simulation model which is being used to study and characterise the behaviour of power-line communication.

Dynamic QoS-Aware coalition formation

Users of wireless devices increasingly demand access to multimedia content with speci c quality of service requirements. Users might tolerate di erent levels of service, or could be satis ed with di erent quality combinations choices. However, multimedia processing introduces heavy resource requirements on the client side. Our work tries to address the growing demand on resources and performance requirements, by allowing wireless nodes to cooperate with each other to meet resource allocation requests and handle stringent constraints, opportunistically taking advantage of the local ad-hoc network that is created spontaneously, as nodes move in range of each other, forming a temporary coalition for service execution. Coalition formation is necessary when a single node cannot execute a speci c service, but it may also be bene cial when groups perform more e ciently when compared to a single s node performance.

Engineering real-time applications with WorldFIP: tools and analysis

WorldFIP is standardised as European Norm EN 50170 - General Purpose Field Communication System. Field communication systems (fieldbuses) started to be widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS), and are being used in all sorts of process control and manufacturing applications within different types of industries. There are several advantages in using fieldbuses as a replacement of for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems. Indeed they concern economical ones (cable savings) but, importantly, fieldbuses allow an increased decentralisation and distribution of the processing power over the field. Typically DCCS have real-time requirements that must be fulfilled. By this, we mean that process data must be transferred between network computing nodes within a maximum admissible time span. WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers. It explicit distinguishes to types of traffic: periodic and aperiodic. In this paper we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis for guaranteeing the real-time requirements of both types of traffic. A major contribution is made in the analysis of worst-case response time of aperiodic transfer requests.

Cycle time properties of the PROFIBUS timed-token protocol

A recent trend in distributed computer-controlled systems (DCCS) is to interconnect the distributed computing elements by means of multi-point broadcast networks. Since the network medium is shared between a number of network nodes, access contention exists and must be solved by a medium access control (MAC) protocol. Usually, DCCS impose real-time constraints. In essence, by real-time constraints we mean that traffic must be sent and received within a bounded interval, otherwise a timing fault is said to occur. This motivates the use of communication networks with a MAC protocol that guarantees bounded access and response times to message requests. PROFIBUS is a communication network in which the MAC protocol is based on a simplified version of the timed-token protocol. In this paper we address the cycle time properties of the PROFIBUS MAC protocol, since the knowledge of these properties is of paramount importance for guaranteeing the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system which is supported by this type of network.

Queuing and routing in a hierarchical powerline communication system

Although power-line communication (PLC) is not a new technology, its use to support data communication with timing requirements is still the focus of ongoing research. A new infrastructure intended for communication using power lines from a central location to dispersed nodes using inexpensive devices was presented recently. This new infrastructure uses a two-level hierarchical power-line system, together with an IP-based network. Due to the master-slave behaviour of the PLC medium access, together with the inherent dynamic topology of power-line networks, a mechanism to provide end-to-end communication through the two levels of the power-line system must be provided. In this paper we introduce the architecture of the PLC protocol layer that is being implemented for this end.