Traffic-Adaptive and Link-Quality-Aware Communication in Wireless Sensor Networks

This paper is a summary of the main contribu- tions of the PhD thesis published in [1]. The main research contributions of the thesis are driven by the research question how to design simple, yet efficient and robust run-time adaptive resource allocation schemes within the commu- nication stack of Wireless Sensor Network (WSN) nodes. The thesis addresses several problem domains with con- tributions on different layers of the WSN communication stack. The main contributions can be summarized as follows: First, a a novel run-time adaptive MAC protocol is intro- duced, which stepwise allocates the power-hungry radio interface in an on-demand manner when the encountered traffic load requires it. Second, the thesis outlines a metho- dology for robust, reliable and accurate software-based energy-estimation, which is calculated at network run- time on the sensor node itself. Third, the thesis evaluates several Forward Error Correction (FEC) strategies to adap- tively allocate the correctional power of Error Correcting Codes (ECCs) to cope with timely and spatially variable bit error rates. Fourth, in the context of TCP-based communi- cations in WSNs, the thesis evaluates distributed caching and local retransmission strategies to overcome the perfor- mance degrading effects of packet corruption and trans- mission failures when transmitting data over multiple hops. The performance of all developed protocols are eval- uated on a self-developed real-world WSN testbed and achieve superior performance over selected existing ap- proaches, especially where traffic load and channel condi- tions are suspect to rapid variations over time.

Monitoreo de condiciones de higiene y seguridad del ambiente en entornos industriales usando redes de sensores inalámbricos

Resumen: Las redes de sensores inalámbricos han atraído mucha atención en los últimos años debido a la integración de tecnología inalámbrica, computación y tecnología de sensores. Estas redes consisten en una serie de nodos equipados con capacidades de procesamiento, comunicación y sensado. Utilizan protocolos especiales de radio para transmitir datos en un modo multisalto de operación. En este trabajo se propone utilizar una red de sensores para el monitoreo de las condiciones ambientales de Higiene y Seguridad en entornos industriales. Concretamente se monitorean Temperatura, Humedad, Ruido y Luminosidad. Se propone esta recolección de datos para dar soporte a la inspección anual de un auditor externo, por lo que no se considera esta recolección como crítica dado que no controlan ningún dispositivo. En primera instancia se aborda el problema utilizando una red de sensores con módulos que utilizan el protocolo 802.15 los cuales transmiten a un nodo maestro que sirve como gateway para enviar la información a un servidor que la almacena. La recolección de datos se realiza a través de una plataforma arduino como interface entre el módulo inalámbrico y los sensores. Esta primera propuesta es contrastada con un enfoque de Internet de las Cosas (IoT) utilizando módulos Arduino con WiFi embebido, denominados Wido, que permiten la comunicación de datos directamente al servidor de almacenaje. El trabajo comprende la caracterización del problema, elección del hardware, diseño de la red y la realización de pruebas para evaluar el funcionamiento de ambos enfoques.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Precoder Detection for Cooperative Decode-and-Forward Relaying in OFDMA Systems

We consider an LTE network where a secondary user acts as a relay, transmitting data to the primary user using a decode-and-forward mechanism, transparent to the base-station (eNodeB). Clearly, the relay can decode symbols more reliably if the employed precoder matrix indicators (PMIs) are known. However, for closed loop spatial multiplexing (CLSM) transmit mode, this information is not always embedded in the downlink signal, leading to a need for effective methods to determine the PMI. In this thesis, we consider 2x2 MIMO and 4x4 MIMO downlink channels corresponding to CLSM and formulate two techniques to estimate the PMI at the relay using a hypothesis testing framework. We evaluate their performance via simulations for various ITU channel models over a range of SNR and for different channel quality indicators (CQIs). We compare them to the case when the true PMI is known at the relay and show that the performance of the proposed schemes are within 2 dB at 10% block error rate (BLER) in almost all scenarios. Furthermore, the techniques add minimal computational overhead over existent receiver structure. Finally, we also identify scenarios when using the proposed precoder detection algorithms in conjunction with the cooperative decode-and-forward relaying mechanism benefits the PUE and improves the BLER performance for the PUE. Therefore, we conclude from this that the proposed algorithms as well as the cooperative relaying mechanism at the CMR can be gainfully employed in a variety of real-life scenarios in LTE networks.

Operator's and organizational maintenance manual : transmitting set, radar data AN/AKT-18B (NSN 5841-01-070-4408).

"2 July 1980."

Surface electrode switching of a 16-electrode wireless EIT system using RF-based digital data transmission scheme with 8 channel encoder/decoder ICs

A Radio Frequency (RF) based digital data transmission scheme with 8 channel encoder/decoder ICs is proposed for surface electrode switching of a 16-electrode wireless Electrical Impedance Tomography (EIT) system. A RF based wireless digital data transmission module (WDDTM) is developed and the electrode switching of a EIT system is studied by analyzing the boundary data collected and the resistivity images of practical phantoms. An analog multiplexers based electrode switching module (ESM) is developed with analog multiplexers and switched with parallel digital data transmitted by a wireless transmitter/receiver (T-x/R-x) module working with radio frequency technology. Parallel digital bits are generated using NI USB 6251 card working in LabVIEW platform and sent to transmission module to transmit the digital data to the receiver end. The transmitter/receiver module developed is properly interfaced with the personal computer (PC) and practical phantoms through the ESM and USB based DAQ system respectively. It is observed that the digital bits required for multiplexer operation are sequentially generated by the digital output (D/O) ports of the DAQ card. Parallel to serial and serial to parallel conversion of digital data are suitably done by encoder and decoder ICs. Wireless digital data transmission module successfully transmitted and received the parallel data required for switching the current and voltage electrodes wirelessly. 1 mA, 50 kHz sinusoidal constant current is injected at the phantom boundary using common ground current injection protocol and the boundary potentials developed at the voltage electrodes are measured. Resistivity images of the practical phantoms are reconstructed from boundary data using EIDORS. Boundary data and the resistivity images reconstructed from the surface potentials are studied to assess the wireless digital data transmission system. Boundary data profiles of the practical phantom with different configurations show that the multiplexers are operating in the required sequence for common ground current injection protocol. The voltage peaks obtained at the proper positions in the boundary data profiles proved the sequential operation of multiplexers and successful wireless transmission of digital bits. Reconstructed images and their image parameters proved that the boundary data are successfully acquired by the DAQ system which in turn again indicates a sequential and proper operation of multiplexers as well as the successful wireless transmission of digital bits. Hence the developed RF based wireless digital data transmission module (WDDTM) is found suitable for transmitting digital bits required for electrode switching in wireless EIT data acquisition system. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Selective data gathering in community sensor networks

Smartphones and other powerful sensor-equipped consumer devices make it possible to sense the physical world at an unprecedented scale. Nearly 2 million Android and iOS devices are activated every day, each carrying numerous sensors and a high-speed internet connection. Whereas traditional sensor networks have typically deployed a fixed number of devices to sense a particular phenomena, community networks can grow as additional participants choose to install apps and join the network. In principle, this allows networks of thousands or millions of sensors to be created quickly and at low cost. However, making reliable inferences about the world using so many community sensors involves several challenges, including scalability, data quality, mobility, and user privacy.

This thesis focuses on how learning at both the sensor- and network-level can provide scalable techniques for data collection and event detection. First, this thesis considers the abstract problem of distributed algorithms for data collection, and proposes a distributed, online approach to selecting which set of sensors should be queried. In addition to providing theoretical guarantees for submodular objective functions, the approach is also compatible with local rules or heuristics for detecting and transmitting potentially valuable observations. Next, the thesis presents a decentralized algorithm for spatial event detection, and describes its use detecting strong earthquakes within the Caltech Community Seismic Network. Despite the fact that strong earthquakes are rare and complex events, and that community sensors can be very noisy, our decentralized anomaly detection approach obtains theoretical guarantees for event detection performance while simultaneously limiting the rate of false alarms.

Tracking Pacific bluefin tuna (Thunnus thynnus orientalis) in the northeastern Pacific with an automated algorithm that estimates latitude by matching sea-surface-temperature data from satellites with temperature data from tags on fish

Data recovered from 11 popup satellite archival tags and 3 surgically implanted archival tags were used to analyze the movement patterns of juvenile northern bluefin tuna (Thunnus thynnus orientalis) in the eastern Pacific. The light sensors on archival and pop-up satellite transmitting archival tags (PSATs) provide data on the time of sunrise and sunset, allowing the calculation of an approximate geographic position of the animal. Light-based estimates of longitude are relatively robust but latitude estimates are prone to large degrees of error, particularly near the times of the equinoxes and when the tag is at low latitudes. Estimating latitude remains a problem for researchers using light-based geolocation algorithms and it has been suggested that sea surface temperature data from satellites may be a useful tool for refining latitude estimates. Tag data from bluefin tuna were subjected to a newly developed algorithm, called “PSAT Tracker,” which automatically matches sea surface temperature data from the tags with sea surface temperatures recorded by satellites. The results of this algorithm compared favorably to the estimates of latitude calculated with the lightbased algorithms and allowed for estimation of fish positions during times of the year when the lightbased algorithms failed. Three near one-year tracks produced by PSAT tracker showed that the fish range from the California−Oregon border to southern Baja California, Mexico, and that the majority of time is spent off the coast of central Baja Mexico. A seasonal movement pattern was evident; the fish spend winter and spring off central Baja California, and summer through fall is spent moving northward to Oregon and returning to Baja California.

The application of Prony’s method to time-domain waveform data modeling in the presence of noise

In this paper,the Prony's method is applied to the time-domain waveform data modelling in the presence of noise.The following three problems encountered in this work are studied:(1)determination of the order of waveform;(2)de-termination of numbers of multiple roots;(3)determination of the residues.The methods of solving these problems are given and simulated on the computer.Finally,an output pulse of model PG-10N signal generator and the distorted waveform obtained by transmitting the pulse above mentioned through a piece of coaxial cable are modelled,and satisfactory results are obtained.So the effectiveness of Prony's method in waveform data modelling in the presence of noise is confirmed.

At surface behaviour, dive depth and dive duration and associated hydrographic data of adult male southern elephant seals from King George Island from expedition JUB2010 with links to datasets

Understanding the distribution and foraging ecology of major consumers within pelagic systems, specifically in relation to physical parameters, can be important for the management of bentho-pelagic systems undergoing rapid change associated with global climate change and other anthropogenic disturbances such as fishing (i.e., the Antarctic Peninsula and Scotia Sea). We tracked 11 adult male southern elephant seals (Mirounga leonina), during their five-month post-moult foraging migrations from King George Island (Isla 25 de Mayo), northern Antarctic Peninsula, using tags capable of recording and transmitting behavioural data and in situ temperature and salinity data. Seals foraged mostly within the Weddell-Scotia Confluence, while a few foraged along the western Antarctic Peninsula shelf of the Bellingshausen Sea. Mixed model outputs suggest that the at-sea behaviour of seals was associated with a number of environmental parameters, especially seafloor depth, sea-ice concentrations and the temperature structure of the water column. Seals increased dive bottom times and travelled at slower speeds in shallower areas and areas with increased sea-ice concentrations. Changes in dive depth and durations, as well as relative amount of time spent during the bottom phases of dives, were observed in relation to differences in overall temperature gradient, likely as a response to vertical changes in prey distribution associated with temperature stratification in the water column. Our results illustrate the likely complex influences of bathymetry, hydrography and sea ice on the behaviour of male southern elephant seals in a changing environment and highlight the need for region-specific approaches to studying environmental influences on behaviour.

Integration of embedded data processing algorithms inside PAMELA devices

PAMELA (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) SHMTM System is an integrated embedded ultrasonic guided waves based system consisting of several electronic devices and one system manager controller. The data collected by all PAMELA devices in the system must be transmitted to the controller, who will be responsible for carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA devices consist of hardware based on a Virtex 5 FPGA with a PowerPC 440 running an embedded Linux distribution. Therefore, PAMELA devices, in addition to the capability of performing tests and transmitting the collected data to the controller, have the capability of perform local data processing or pre-processing (reduction, normalization, pattern recognition, feature extraction, etc.). Local data processing decreases the data traffic over the network and allows CPU load of the external computer to be reduced. Even it is possible that PAMELA devices are running autonomously performing scheduled tests, and only communicates with the controller in case of detection of structural damages or when programmed. Each PAMELA device integrates a software management application (SMA) that allows to the developer downloading his own algorithm code and adding the new data processing algorithm to the device. The development of the SMA is done in a virtual machine with an Ubuntu Linux distribution including all necessary software tools to perform the entire cycle of development. Eclipse IDE (Integrated Development Environment) is used to develop the SMA project and to write the code of each data processing algorithm. This paper presents the developed software architecture and describes the necessary steps to add new data processing algorithms to SMA in order to increase the processing capabilities of PAMELA devices.An example of basic damage index estimation using delay and sum algorithm is provided.

Filtering duplicate items over distributed data streams

In recent years many real time applications need to handle data streams. We consider the distributed environments in which remote data sources keep on collecting data from real world or from other data sources, and continuously push the data to a central stream processor. In these kinds of environments, significant communication is induced by the transmitting of rapid, high-volume and time-varying data streams. At the same time, the computing overhead at the central processor is also incurred. In this paper, we develop a novel filter approach, called DTFilter approach, for evaluating the windowed distinct queries in such a distributed system. DTFilter approach is based on the searching algorithm using a data structure of two height-balanced trees, and it avoids transmitting duplicate items in data streams, thus lots of network resources are saved. In addition, theoretical analysis of the time spent in performing the search, and of the amount of memory needed is provided. Extensive experiments also show that DTFilter approach owns high performance.