On the Scalability of Constructive Interference in Low-Power Wireless Networks

12th European Conference on Wireless Sensor Networks (EWSN 2015). 9 to 11, Feb, 2015. Porto, Portugal

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Cloud computing sobre a plataforma Windows Azure

A utilização massiva da internet e dos serviços que oferece por parte do utilizador final potencia a evolução dos mesmos, motivando as empresas a apostarem no desenvolvimento deste tipo de soluções. Requisitos como o poder de computação, flexibilidade e escalabilidade tornam-se cada vez mais indissociáveis do desenvolvimento aplicacional, o que leva ao surgimento de paradigmas como o de Cloud Computing. É neste âmbito que surge o presente trabalho. Com o objetivo de estudar o paradigma de Cloud Computing inicia-se um estudo sobre esta temática, onde é detalhado o seu conceito, a sua evolução histórica e comparados os diferentes tipos de implementações que suporta. O estudo detalha posteriormente a plataforma Azure, sendo analisada a sua topologia e arquitetura, detalhando-se os seus componentes e a forma como esta mitiga alguns dos problemas mencionados. Com o conhecimento teórico é desenvolvido um protótipo prático sobre esta plataforma, em que se exploram algumas das particularidades da topologia e se interage com as principais redes sociais. O estudo culmina com uma análise sobre os benefícios e desvantagens do Azure e através de um levantamento das necessidades da empresa, determinam-se as oportunidades que a utilização da plataforma poderá proporcionar.

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.

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.

Dynamic global scheduling of parallel real-time tasks

High-level parallel languages offer a simple way for application programmers to specify parallelism in a form that easily scales with problem size, leaving the scheduling of the tasks onto processors to be performed at runtime. Therefore, if the underlying system cannot efficiently execute those applications on the available cores, the benefits will be lost. In this paper, we consider how to schedule highly heterogenous parallel applications that require real-time performance guarantees on multicore processors. The paper proposes a novel scheduling approach that combines the global Earliest Deadline First (EDF) scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, which enables parallel realtime tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. Experimental results demonstrate the better scalability and lower scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Quality-of-service in wireless sensor networks: state-of-the-art and future directions

Wireless sensor networks (WSNs) are one of today’s most prominent instantiations of the ubiquituous computing paradigm. In order to achieve high levels of integration, WSNs need to be conceived considering requirements beyond the mere system’s functionality. While Quality-of-Service (QoS) is traditionally associated with bit/data rate, network throughput, message delay and bit/packet error rate, we believe that this concept is too strict, in the sense that these properties alone do not reflect the overall quality-ofservice provided to the user/application. Other non-functional properties such as scalability, security or energy sustainability must also be considered in the system design. This paper identifies the most important non-functional properties that affect the overall quality of the service provided to the users, outlining their relevance, state-of-the-art and future research directions.

IEEE 802.15.4: a Federating Communication Protocol for Time-Sensitive Wireless Sensor Networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests for developing a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in WSNs differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols. In this context, the recently standardised IEEE 802.15.4 protocol presents some potentially interesting features for deployment in wireless sensor network applications, such as power-efficiency, timeliness guarantees and scalability. Nevertheless, when addressing WSN applications with (soft/hard) timing requirements some inherent paradoxes emerge, such as power-efficiency versus timeliness, triggering the need of engineering solutions for an efficient deployment of IEEE 802.15.4 in WSNs. In this technical report, we will explore the most relevant characteristics of the IEEE 802.15.4 protocol for wireless sensor networks and present the most important challenges regarding time-sensitive WSN applications. We also provide some timing performance and analysis of the IEEE 802.15.4 that unveil some directions for resolving the previously mentioned paradoxes.

ENCOURAGE architecture: support for heterogeneous smart grids

Our society relies on energy for most of its activities. One application domain inciding heavily on the energy budget regards the energy consumption in residential and non-residential buildings. The ever increasing needs for energy, resulting from the industrialization of developing countries and from the limited scalability of the traditional technologies for energy production, raises both problems and opportunities. The problems are related to the devastating effects of the greenhouse gases produced by the burning of oil and gas for energy production, and from the dependence of whole countries on companies providing gas and oil. The opportunities are mostly technological, since novel markets are opening for both energy production via renewable sources, and for innovations that can rationalize energy usage. An enticing research effort can be the mixing of these two aspects, by leveraging on ICT technologies to rationalize energy production, acquisition, and consumption. The ENCOURAGE project aims to develop embedded intelligence and integration technologies that will directly optimize energy use in buildings and enable active participation in the future smart grid environment.The primary application domains targeted by the ENCOURAGE project are non-residential buildings (e.g.: campuses) and residential buildings (e.g.: neighborhoods). The goal of the project is to achieve 20% of energy savings through the improved interoperability between various types of energy generation, consumption and storage devices; interbuilding energy exchange; and systematic performance monitoring.

A wireless sensor network platform for structural health monitoring: enabling accurate and synchronized measurements through COTS+custom-based design

Structural health monitoring has long been identified as a prominent application of Wireless Sensor Networks (WSNs), as traditional wired-based solutions present some inherent limitations such as installation/maintenance cost, scalability and visual impact. Nevertheless, there is a lack of ready-to-use and off-the-shelf WSN technologies that are able to fulfill some most demanding requirements of these applications, which can span from critical physical infrastructures (e.g. bridges, tunnels, mines, energy grid) to historical buildings or even industrial machinery and vehicles. Low-power and low-cost yet extremely sensitive and accurate accelerometer and signal acquisition hardware and stringent time synchronization of all sensors data are just examples of the requirements imposed by most of these applications. This paper presents a prototype system for health monitoring of civil engineering structures that has been jointly conceived by a team of civil, and electrical and computer engineers. It merges the benefits of standard and off-the-shelf (COTS) hardware and communication technologies with a minimum set of custom-designed signal acquisition hardware that is mandatory to fulfill all application requirements.

Support System for Rational Use of Electric Energy

This paper presents the system developed to promote the rational use of electric energy among consumers and, thus, increase the energy efficiency. The goal is to provide energy consumers with an application that displays the energy consumption/production profiles, sets up consuming ceilings, defines automatic alerts and alarms, compares anonymously consumers with identical energy usage profiles by region and predicts, in the case of non-residential installations, the expected consumption/production values. The resulting distributed system is organized in two main blocks: front-end and back-end. The front-end includes user interface applications for Android mobile devices and Web browsers. The back-end provides data storage and processing functionalities and is installed in a cloud computing platform - the Google App Engine - which provides a standard Web service interface. This option ensures interoperability, scalability and robustness to the system.

RealCrono –sistema de difusão de resultados em tempo real na web

A velocidade de difusão de conteúdos numa plataforma web, assume uma elevada relevância em serviços onde a informação se pretende atualizada e em tempo real. Este projeto de Mestrado, apresenta uma abordagem de um sistema distribuído de recolher e difundir resultados em tempo real entre várias plataformas, nomeadamente sistemas móveis. Neste contexto, tempo real entende-se como uma diferença de tempo nula entre a recolha e difusão, ignorando fatores que não podem ser controlados pelo sistema, como latência de comunicação e tempo de processamento. Este projeto tem como base uma arquitetura existente de processamento e publicação de resultados desportivos, que apresentava alguns problemas relacionados com escalabilidade, segurança, tempos de entrega de resultados longos e sem integração com outras plataformas. Ao longo deste trabalho procurou-se investigar fatores que condicionassem a escalabilidade de uma aplicação web dando ênfase à implementação de uma solução baseada em replicação e escalabilidade horizontal. Procurou-se também apresentar uma solução de interoperabilidade entre sistemas e plataformas heterogêneas, mantendo sempre elevados níveis de performance e promovendo a introdução de plataformas móveis no sistema. De várias abordagens existentes para comunicação em tempo real sobre uma plataforma web, adotou-se um implementação baseada em WebSocket que elimina o tempo desperdiçado entre a recolha de informação e sua difusão. Neste projeto é descrito o processo de implementação da API de recolha de dados (Collector), da biblioteca de comunicação com o Collector, da aplicação web (Publisher) e sua API, da biblioteca de comunicação com o Publisher e por fim a implementação da aplicação móvel multi-plataforma. Com os componentes criados, avaliaram-se os resultados obtidos com a nova arquitetura de forma a aferir a escalabilidade e performance da solução criada e sua adaptação ao sistema existente.

Sistema para a monitorização ativa com recurso ao cloud computing

O desenvolvimento de aplicações para dispositivos móveis já não é uma área recente, contudo continua a crescer a um ritmo veloz. É notório o avanço tecnológico dos últimos anos e a crescente popularidade destes dispositivos. Este avanço deve-se não só à grande evolução no que diz respeito às características destes dispositivos, mas também à possibilidade de criar aplicações inovadoras, práticas e passíveis de solucionar os problemas dos utilizadores em geral. Nesse sentido, as necessidades do quotidiano obrigam à implementação de soluções que satisfaçam os utilizadores, e nos dias de hoje, essa satisfação muitas vezes passa pelos dispositivos móveis, que já tem um papel fundamental na vida das pessoas. Atendendo ao aumento do número de raptos de crianças e à insegurança que se verifica nos dias de hoje, as quais dificultam a tarefa de todos os pais/cuidadores que procuraram manter as suas crianças a salvo, é relevante criar uma nova ferramenta capaz de os auxiliar nesta árdua tarefa. A partir desta realidade, e com vista a cumprir os aspetos acima mencionados, surge assim esta dissertação de mestrado. Esta aborda o estudo e implementação efetuados no sentido de desenvolver um sistema de monitorização de crianças. Assim, o objetivo deste projeto passa por desenvolver uma aplicação nativa para Android e um back-end, utilizando um servidor de base de dados NoSQL para o armazenamento da informação, aplicando os conceitos estudados e as tecnologias existentes. A solução tem como principais premissas: ser o mais user-friendly possível, a otimização, a escalabilidade para outras situações (outros tipos de monitorizações) e a aplicação das mais recentes tecnologias. Assim sendo, um dos estudos mais aprofundados nesta dissertação de mestrado está relacionado com as bases de dados NoSQL, dada a sua importância no projeto.

Sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica

Esta dissertação descreve o sistema de apoio à racionalização da utilização de energia eléctrica desenvolvido no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação. O domínio de aplicação enquadra-se no contexto da Directiva da União Europeia 2006/32/EC que declara ser necessário colocar à disposição dos consumidores a informação e os meios que promovam a redução do consumo e o aumento da eficiência energética individual. O objectivo é o desenvolvimento de uma solução que permita a representação gráfica do consumo/produção, a definição de tectos de consumo, a geração automática de alertas e alarmes, a comparação anónima com clientes com perfil idêntico por região e a previsão de consumo/produção no caso de clientes industriais. Trata-se de um sistema distribuído composto por front-end e back-end. O front-end é composto pelas aplicações de interface com o utilizador desenvolvidas para dispositivos móveis Android e navegadores Web. O back-end efectua o armazenamento e processamento de informação e encontra-se alojado numa plataforma de cloud computing – o Google App Engine – que disponibiliza uma interface padrão do tipo serviço Web. Esta opção assegura interoperabilidade, escalabilidade e robustez ao sistema. Descreve-se em detalhe a concepção, desenvolvimento e teste do protótipo realizado, incluindo: (i) as funcionalidades de gestão e análise de consumo e produção de energia implementadas; (ii) as estruturas de dados; (iii) a base de dados e o serviço Web; e (iv) os testes e a depuração efectuados. (iv) Por fim, apresenta-se o balanço deste projecto e efectuam-se sugestões de melhoria.

Real-Time Application Mapping for Many-Cores Using a Limited Migrative Model

Many-core platforms are an emerging technology in the real-time embedded domain. These devices offer various options for power savings, cost reductions and contribute to the overall system flexibility, however, issues such as unpredictability, scalability and analysis pessimism are serious challenges to their integration into the aforementioned area. The focus of this work is on many-core platforms using a limited migrative model (LMM). LMM is an approach based on the fundamental concepts of the multi-kernel paradigm, which is a promising step towards scalable and predictable many-cores. In this work, we formulate the problem of real-time application mapping on a many-core platform using LMM, and propose a three-stage method to solve it. An extended version of the existing analysis is used to assure that derived mappings (i) guarantee the fulfilment of timing constraints posed on worst-case communication delays of individual applications, and (ii) provide an environment to perform load balancing for e.g. energy/thermal management, fault tolerance and/or performance reasons.