Um método de otimização da relação desempenho/consumo de energia para arquiteturas multi-cores heterogêneas em FPGA

Devido às tendências de crescimento da quantidade de dados processados e a crescente necessidade por computação de alto desempenho, mudanças significativas estão acontecendo no projeto de arquiteturas de computadores. Com isso, tem-se migrado do paradigma sequencial para o paralelo, com centenas ou milhares de núcleos de processamento em um mesmo chip. Dentro desse contexto, o gerenciamento de energia torna-se cada vez mais importante, principalmente em sistemas embarcados, que geralmente são alimentados por baterias. De acordo com a Lei de Moore, o desempenho de um processador dobra a cada 18 meses, porém a capacidade das baterias dobra somente a cada 10 anos. Esta situação provoca uma enorme lacuna, que pode ser amenizada com a utilização de arquiteturas multi-cores heterogêneas. Um desafio fundamental que permanece em aberto para estas arquiteturas é realizar a integração entre desenvolvimento de código embarcado, escalonamento e hardware para gerenciamento de energia. O objetivo geral deste trabalho de doutorado é investigar técnicas para otimização da relação desempenho/consumo de energia em arquiteturas multi-cores heterogêneas single-ISA implementadas em FPGA. Nesse sentido, buscou-se por soluções que obtivessem o melhor desempenho possível a um consumo de energia ótimo. Isto foi feito por meio da combinação de mineração de dados para a análise de softwares baseados em threads aliadas às técnicas tradicionais para gerenciamento de energia, como way-shutdown dinâmico, e uma nova política de escalonamento heterogeneity-aware. Como principais contribuições pode-se citar a combinação de técnicas de gerenciamento de energia em diversos níveis como o nível do hardware, do escalonamento e da compilação; e uma política de escalonamento integrada com uma arquitetura multi-core heterogênea em relação ao tamanho da memória cache L1.

Lightweight peer-to-peer secure multi-party VoIP protocol

Multi-party voice-over-IP (MVoIP) services provide economical and convenient group communication mechanisms for many emerging applications such as distance collaboration systems, on-line meetings and Internet gaming. In this paper, we present a light peer-to-peer (P2P) protocol to provide MVoIP services on small platforms like mobile phones and PDAs. Unlike other proposals, our solution is fully distributed and self-organizing without requiring specialized servers or IP multicast support.

OrientatUA: Mobile Application to guide visual disabled people at the University of Alicante

This paper shows an iOS application to guide visual disabled people in the campus of the University of Alicante by voice indications. The user interface is adapted to visual disabled people, using a bigger visual typography and a bigger area for the tactile buttons. Moreover, the application provides voice indications when users touch any of the elements in the interface, telling them where they are and how they can reach destination.

Parallel Computational Intelligence-Based Multi-Camera Surveillance System

In this work, we present a multi-camera surveillance system based on the use of self-organizing neural networks to represent events on video. The system processes several tasks in parallel using GPUs (graphic processor units). It addresses multiple vision tasks at various levels, such as segmentation, representation or characterization, analysis and monitoring of the movement. These features allow the construction of a robust representation of the environment and interpret the behavior of mobile agents in the scene. It is also necessary to integrate the vision module into a global system that operates in a complex environment by receiving images from multiple acquisition devices at video frequency. Offering relevant information to higher level systems, monitoring and making decisions in real time, it must accomplish a set of requirements, such as: time constraints, high availability, robustness, high processing speed and re-configurability. We have built a system able to represent and analyze the motion in video acquired by a multi-camera network and to process multi-source data in parallel on a multi-GPU architecture.

Design and Implementation of a Cloud-based Middleware for Persuasive Android Applications

Negli ultimi decenni, le tecnologie e i prodotti informatici sono diventati pervasivi e sono ora una parte essenziale delle nostre vite. Ogni giorno ci influenzano in maniera più o meno esplicita, cambiando il nostro modo di vivere e i nostri comportamenti più o meno intenzionalmente. Tuttavia, i computer non nacquero inizialmente per persuadere: essi furono costruiti per gestire, calcolare, immagazzinare e recuperare dati. Non appena i computer si sono spostati dai laboratori di ricerca alla vita di tutti i giorni, sono però diventati sempre più persuasivi. Questa area di ricerca è chiamata pesuasive technology o captology, anche definita come lo studio dei sistemi informatici interattivi progettati per cambiare le attitudini e le abitudini delle persone. Nonostante il successo crescente delle tecnologie persuasive, sembra esserci una mancanza di framework sia teorici che pratici, che possano aiutare gli sviluppatori di applicazioni mobili a costruire applicazioni in grado di persuadere effettivamente gli utenti finali. Tuttavia, il lavoro condotto dal Professor Helal e dal Professor Lee al Persuasive Laboratory all’interno dell’University of Florida tenta di colmare questa lacuna. Infatti, hanno proposto un modello di persuasione semplice ma efficace, il quale può essere usato in maniera intuitiva da ingegneri o specialisti informatici. Inoltre, il Professor Helal e il Professor Lee hanno anche sviluppato Cicero, un middleware per dispositivi Android basato sul loro precedente modello, il quale può essere usato in modo molto semplice e veloce dagli sviluppatori per creare applicazioni persuasive. Il mio lavoro al centro di questa tesi progettuale si concentra sull’analisi del middleware appena descritto e, successivamente, sui miglioramenti e ampliamenti portati ad esso. I più importanti sono una nuova architettura di sensing, una nuova struttura basata sul cloud e un nuovo protocollo che permette di creare applicazioni specifiche per smartwatch.

Towards Automation in Digital Investigations : Seeking Efficiency in Digital Forensics in Mobile and Cloud Environments

Cybercrime and related malicious activity in our increasingly digital world has become more prevalent and sophisticated, evading traditional security mechanisms. Digital forensics has been proposed to help investigate, understand and eventually mitigate such attacks. The practice of digital forensics, however, is still fraught with various challenges. Some of the most prominent of these challenges include the increasing amounts of data and the diversity of digital evidence sources appearing in digital investigations. Mobile devices and cloud infrastructures are an interesting specimen, as they inherently exhibit these challenging circumstances and are becoming more prevalent in digital investigations today. Additionally they embody further characteristics such as large volumes of data from multiple sources, dynamic sharing of resources, limited individual device capabilities and the presence of sensitive data. These combined set of circumstances make digital investigations in mobile and cloud environments particularly challenging. This is not aided by the fact that digital forensics today still involves manual, time consuming tasks within the processes of identifying evidence, performing evidence acquisition and correlating multiple diverse sources of evidence in the analysis phase. Furthermore, industry standard tools developed are largely evidence-oriented, have limited support for evidence integration and only automate certain precursory tasks, such as indexing and text searching. In this study, efficiency, in the form of reducing the time and human labour effort expended, is sought after in digital investigations in highly networked environments through the automation of certain activities in the digital forensic process. To this end requirements are outlined and an architecture designed for an automated system that performs digital forensics in highly networked mobile and cloud environments. Part of the remote evidence acquisition activity of this architecture is built and tested on several mobile devices in terms of speed and reliability. A method for integrating multiple diverse evidence sources in an automated manner, supporting correlation and automated reasoning is developed and tested. Finally the proposed architecture is reviewed and enhancements proposed in order to further automate the architecture by introducing decentralization particularly within the storage and processing functionality. This decentralization also improves machine to machine communication supporting several digital investigation processes enabled by the architecture through harnessing the properties of various peer-to-peer overlays. Remote evidence acquisition helps to improve the efficiency (time and effort involved) in digital investigations by removing the need for proximity to the evidence. Experiments show that a single TCP connection client-server paradigm does not offer the required scalability and reliability for remote evidence acquisition and that a multi-TCP connection paradigm is required. The automated integration, correlation and reasoning on multiple diverse evidence sources demonstrated in the experiments improves speed and reduces the human effort needed in the analysis phase by removing the need for time-consuming manual correlation. Finally, informed by published scientific literature, the proposed enhancements for further decentralizing the Live Evidence Information Aggregator (LEIA) architecture offer a platform for increased machine-to-machine communication thereby enabling automation and reducing the need for manual human intervention.

Multi-robot control in highly dynamic, competitive environments

The control and coordination of multiple mobile robots is a challenging task; particularly in environments with multiple, rapidly moving obstacles and agents. This paper describes a robust approach to multi-robot control, where robustness is gained from competency at every layer of robot control. The layers are: (i) a central coordination system (MAPS), (ii) an action system (AES), (iii) a navigation module, and (iv) a low level dynamic motion control system. The multi-robot coordination system assigns each robot a role and a sub-goal. Each robot’s action execution system then assumes the assigned role and attempts to achieve the specified sub-goal. The robot’s navigation system directs the robot to specific goal locations while ensuring that the robot avoids any obstacles. The motion system maps the heading and speed information from the navigation system to force-constrained motion. This multi-robot system has been extensively tested and applied in the robot soccer domain using both centralized and distributed coordination.

Performance analysis of multi-radio AODV in hybrid wireless mesh networks

Wireless Mesh Networks (WMNs), based on commodity hardware, present a promising technology for a wide range of applications due to their self-configuring and self-healing capabilities, as well as their low equipment and deployment costs. One of the key challenges that WMN technology faces is the limited capacity and scalability due to co-channel interference, which is typical for multi-hop wireless networks. A simple and relatively low-cost approach to address this problem is the use of multiple wireless network interfaces (radios) per node. Operating the radios on distinct orthogonal channels permits effective use of the frequency spectrum, thereby, reducing interference and contention. In this paper, we evaluate the performance of the multi-radio Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) routing protocol with a specific focus on hybrid WMNs. Our simulation results show that under high mobility and traffic load conditions, multi-radio AODV offers superior performance as compared to its single-radio counterpart. We believe that multi-radio AODV is a promising candidate for WMNs, which need to service a large number of mobile clients with low latency and high bandwidth requirements.

Demonstrating the effects of multi-path propagation and advantages of diversity antenna techniques

In this paper, experimental investigations are performed into assessing the quality of communication link between Bluetooth devices in an indoor environment, as an initial step of demonstrating benefits of diversity and smart antenna techniques in mobile computing.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Efficient Multi-hop Broadcast Data Dissemination in IoT and Smart Cities

Internet of Things (IoT) can be defined as a “network of networks” composed by billions of uniquely identified physical Smart Objects (SO), organized in an Internet-like structure. Smart Objects can be items equipped with sensors, consumer devices (e.g., smartphones, tablets, or wearable devices), and enterprise assets that are connected both to the Internet and to each others. The birth of the IoT, with its communications paradigms, can be considered as an enabling factor for the creation of the so-called Smart Cities. A Smart City uses Information and Communication Technologies (ICT) to enhance quality, performance and interactivity of urban services, ranging from traffic management and pollution monitoring to government services and energy management. This thesis is focused on multi-hop data dissemination within IoT and Smart Cities scenarios. The proposed multi-hop techniques, mostly based on probabilistic forwarding, have been used for different purposes: from the improvement of the performance of unicast protocols for Wireless Sensor Networks (WSNs) to the efficient data dissemination within Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs).

Analysis and simulation of computer controlled cellular mobile radio systems

Cellular mobile radio systems will be of increasing importance in the future. This thesis describes research work concerned with the teletraffic capacity and the canputer control requirements of such systems. The work involves theoretical analysis and experimental investigations using digital computer simulation. New formulas are derived for the congestion in single-cell systems in which there are both land-to-mobile and mobile-to-mobile calls and in which mobile-to-mobile calls go via the base station. Two approaches are used, the first yields modified forms of the familiar Erlang and Engset formulas, while the second gives more complicated but more accurate formulas. The results of computer simulations to establish the accuracy of the formulas are described. New teletraffic formulas are also derived for the congestion in multi -cell systems. Fixed, dynamic and hybrid channel assignments are considered. The formulas agree with previously published simulation results. Simulation programs are described for the evaluation of the speech traffic of mobiles and for the investigation of a possible computer network for the control of the speech traffic. The programs were developed according to the structured progranming approach leading to programs of modular construction. Two simulation methods are used for the speech traffic: the roulette method and the time-true method. The first is economical but has some restriction, while the second is expensive but gives comprehensive answers. The proposed control network operates at three hierarchical levels performing various control functions which include: the setting-up and clearing-down of calls, the hand-over of calls between cells and the address-changing of mobiles travelling between cities. The results demonstrate the feasibility of the control netwvork and indicate that small mini -computers inter-connected via voice grade data channels would be capable of providing satisfactory control

Multi-function controllers for a hydraulic pump

This project has been undertaken for Hamworthy Hydraulics Limited. Its objective was to design and develop a controller package for a variable displacement, hydraulic pump for use mainly on mobile earth moving machinery. A survey was undertaken of control options used in practice and from this a design specification was formulated, the successful implementation of which would give Hamworthy an advantage over its competitors. Two different modes for the controller were envisaged. One consisted of using conventional hydro-mechanics and the other was based upon a microprocessor. To meet short term customer prototype requirements the first section of work was the realisation of the hydro-mechanical system. Mathematical models were made to evaluate controller stability and hence aid their design. The final package met the requirements of the specification and a single version could operate all sizes of variable displacement pumps in the Hamworthy range. The choice of controller options and combinations totalled twenty-four. The hydro-mechanical controller was complex and it was realised that a micro-processor system would allow all options to be implemented with just one design of hardware, thus greatly simplifying production. The final section of this project was to determine whether such a design was feasible. This entailed finding cheap, reliable transducers, using mathematical models to predict electro-hydraulic interface stability, testing such interfaces and finally incorporating a micro-processor in an interactive control loop. The study revealed that such a system was technically possible but it would cost 60% more than its hydro-mechanical counterpart. It was therefore concluded that, in the short term, for the markets considered, the hydro-mechanical design was the better solution. Regarding the micro-processor system the final conclusion was that, because the relative costs of the two systems are decreasing, the electro-hydraulic controller will gradually become more attractive and therefore Hamworthy should continue with its development.