Software defined FFT architecture for IEEE 802.11ac

The upcoming IEEE 802.11ac standard boosts the throughput of previous IEEE 802.11n by adding wider 80 MHz and 160 MHz channels with up to 8 antennas (versus 40 MHz channel and 4 antennas in 802.11n). This necessitates new 1-8 stream 256/512-point Fast Fourier Transform (FFT) / inverse FFT (IFFT) processing with 80/160 MSample/s throughput. Although there are abundant related work, they all fail to meet the requirements of IEEE 802.11ac FFT/IFFT on point size, throughput and multiple data streams at the same time. This paper proposes the first software defined FFT/IFFT architecture as a solution. By making use of a customised soft stream processor on FPGA, we show how a software defined FFT architecture can meet all the requirements of IEEE 802.11ac with low cost and high resource efficiency. When compared with dedicated Xilinx FFT core, our implementation exhibits only one third of the resources also up to three times of resource efficiency.

Prying into the intimate secrets of animal lives; software beyond hardware for comprehensive annotation in 'Daily Diary' tags

BACKGROUND: Smart tags attached to freely-roaming animals recording multiple parameters at infra-second rates are becoming commonplace, and are transforming our understanding of the way wild animals behave. Interpretation of such data is complex and currently limits the ability of biologists to realise the value of their recorded information.

DESCRIPTION: This work presents Framework4, an all-encompassing software suite which operates on smart sensor data to determine the 4 key elements considered pivotal for movement analysis from such tags (Endangered Species Res 4: 123-37, 2008). These are; animal trajectory, behaviour, energy expenditure and quantification of the environment in which the animal moves. The program transforms smart sensor data into dead-reckoned movements, template-matched behaviours, dynamic body acceleration-derived energetics and position-linked environmental data before outputting it all into a single file. Biologists are thus left with a single data set where animal actions and environmental conditions can be linked across time and space.

CONCLUSIONS: Framework4 is a user-friendly software that assists biologists in elucidating 4 key aspects of wild animal ecology using data derived from tags with multiple sensors recording at high rates. Its use should enhance the ability of biologists to derive meaningful data rapidly from complex data.

A method of measuring anterior chamber volume using the anterior segment optical coherence tomographer and specialized software.

PURPOSE: To describe and evaluate a new method for measuring anterior chamber volume (ACV). DESIGN: Observational case series. METHODS: The authors measured ACV using the anterior chamber (AC) optical coherence tomographer (OCT) and applied image-processing software developed by them. Repeatability was evaluated. The ACV was measured in patient groups with normal ACs, shallow ACs, and deep ACs. The volume difference before and after laser peripheral iridotomy (LPI) was analyzed for the shallow and deep groups. RESULTS: Coefficients of repeatability for intraoperator, interoperator, and interimage measurements were 0.406%, 0.958%, and 0.851%, respectively. The limits of agreement for intraoperator and interoperator measurement were -0.911 microl to 1.343 microl and -7.875 microl to -2.463 microl, respectively. There were significant ACV differences in normal, shallow, and deep AC eyes (P < .001) and before and after LPI in shallow AC (P < .001) and deep AC (P = .008) eyes. CONCLUSIONS: The ACV values obtained by this method were repeatable and in accord with clinical observation.

A Configurable Packet Classification Architecture for Software-Defined Networking

Network management tools must be able to monitor and analyze traffic flowing through network systems. According to the OpenFlow protocol applied in Software-Defined Networking (SDN), packets are classified into flows that are searched in flow tables. Further actions, such as packet forwarding, modification, and redirection to a group table, are made in the flow table with respect to the search results. A novel hardware solution for SDN-enabled packet classification is presented in this paper. The proposed scheme is focused on a label-based search method, achieving high flexibility in memory usage. The implemented hardware architecture provides optimal lookup performance by configuring the search algorithm and by performing fast incremental update as programmed the software controller.

Optimized Packet Classification for Software-Defined Networking

Recent trends, such as Software-Defined Networking (SDN), introduce programmability to the network with the opportunity to dynamically route traffic based on flow descriptions. Packet header lookup is the first phase in this process. In this paper, we illustrate improved header lookup and flow rule update speeds over conventional lookup algorithms. This is achieved by performing individual packet header field searches and combining the search results. We propose that individual algorithms should be selected for packet classification based on the application requirements. Improving the network processing performance with our configurable solution will directly support the proposed capability of programmability in SDN.

A tool to include gamma analysis software into a quality assurance program

PURPOSE: To provide a tool to enable gamma analysis software algorithms to be included in a quality assurance (QA) program.

METHODS: Four image sets were created comprising two geometric images to independently test the distance to agreement (DTA) and dose difference (DD) elements of the gamma algorithm, a clinical step and shoot IMRT field and a clinical VMAT arc. The images were analysed using global and local gamma analysis with 2 in-house and 8 commercially available software encompassing 15 software versions. The effect of image resolution on gamma pass rates was also investigated.

RESULTS: All but one software accurately calculated the gamma passing rate for the geometric images. Variation in global gamma passing rates of 1% at 3%/3mm and over 2% at 1%/1mm was measured between software and software versions with analysis of appropriately sampled images.

CONCLUSION: This study provides a suite of test images and the gamma pass rates achieved for a selection of commercially available software. This image suite will enable validation of gamma analysis software within a QA program and provide a frame of reference by which to compare results reported in the literature from various manufacturers and software versions.

Manufacturing System Simulation & Human Robot Interaction in VR:Manufacturing system simulation: Methodologies, software tools, case study in transportation design

Virtual Reality techniques are relatively new, having experienced significant development only during the last few years, in accordance with the progress achieved by computer science and hardware and software technologies. The study of such advanced design systems has led to the realization of an immersive environment in which new procedures for the evaluation of product prototypes, ergonomics and manufacturing operations have been simulated. The application of the environment realized to robotics, ergonomics, plant simulations and maintainability verifications has allowed us to highlight the advantages offered by a design methodology: the possibility of working on the industrial product in the first phase of conception; of placing the designer in front of the virtual reproduction of the product in a realistic way; and of interacting with the same concept. The aim of this book is to present an updated vision of VM through different aspects. We will describe the trends and results achieved in the automotive, aerospace and railway fields, in terms of the Digital Product Creation Process to design the product and the manufacturing process.

Optimização de recursos para difusão em redes de próxima geração

Esta tese aborda o problema de optimização de recursos de rede, na entrega de Serviços de Comunicação em Grupo, em Redes de Próxima Geração que suportem tecnologias de difusão. De acordo com esta problemática, são feitas propostas que levam em atenção a evolução espectável das redes 3G em Redes Heterogéneas de Próxima Geração que incluam tecnologias de difusão tais como o DVB. A optimização de recursos em Comunicações em Grupo é apresentada como um desafio vertical que deve cruzar diversas camadas. As optimizações aqui propostas cobrem tanto a interface entre Aplicação e a Plataforma de Serviços para a disponibilização de serviços de comunicação em grupo, como as abstracções e mapeamentos feitos na interface entre a Rede Central e a Rede de Acesso Rádio. As optimizações propostas nesta tese, assumem que o caminho evolutivo na direcção de uma Rede de Próxima Geração é feito através do IP. Em primeiro lugar são endereçadas as optimizações entre a Aplicação e a Plataforma de Serviços que já podem ser integradas nas redes 3G existentes. Estas optimizações podem potenciar o desenvolvimento de novas e inovadoras aplicações, que através do uso de mecanismos de distribuição em difusão podem fazer um uso mais eficiente dos recursos de rede. De seguida são apresentadas optimizações ao nível da interface entre a Rede Central e a Rede de Acesso Rádio que abordam a heterogeneidade das redes futuras assim como a necessidade de suportar tecnologias de difusão. É ainda considerada a possibilidade de aumentar a qualidade de serviço de serviços de difusão através do mapeamento do IP multicast em portadoras unidireccionais. Por forma a validar todas estas optimizações, vários protótipos foram desenvolvidos com base num router avançado para redes de acesso de próxima geração. As funcionalidades e arquitectura de software desse router são também aqui apresentadas.

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Metodologia híbrida de desenvolvimento centrado no utilizador: aplicada ao software educativo

No panorama atual do desenvolvimento de software educativo é importante que os processos de desenvolvimento sejam adequados e compatíveis com o contexto em que serão utilizados este tipo de recursos. Desta forma, é importante melhorar continuamente os processos de desenvolvimento bem como se proceder à avaliação de forma a garantir a sua qualidade e viabilidade económica. Este estudo propõe uma Metodologia Híbrida de Desenvolvimento Centrado no Utilizador (MHDCU) aplicada ao software educativo. Trata-se de um processo de desenvolvimento simples, iterativo e incremental que tem como “alicerces” princípios do Design Centrado no Utilizador, especificados na International Organization for Standardization - ISO 13407. Na sua base encontra-se a estrutura disciplinada de processos de desenvolvimento, bem como práticas e valores dos métodos ágeis de desenvolvimento de software. O processo é constituído por 4 fases principais: planeamento (guião didático), design (storyboard), implementação e manutenção/operação. A prototipagem e a avaliação são realizadas de modo transversal a todo o processo. A metodologia foi implementada numa Pequena e Média Empresa de desenvolvimento de recursos educacionais, com o objetivo de desenvolver recursos educacionais com qualidade reconhecida e simultaneamente viáveis do ponto de vista económico. O primeiro recurso que teve por base a utilização desta metodologia foi o Courseware Sere – “O Ser Humano e os Recursos Naturais”. O trabalho seguiu uma metodologia de investigação & desenvolvimento, de natureza mista, em que se pretendeu descrever e analisar/avaliar uma metodologia de desenvolvimento de software educativo, i.e., o processo, bem como o produto final. O estudo é fundamentalmente descritivo e exploratório. A metodologia de desenvolvimento do software (primeira questão de investigação) foi proposta, essencialmente, com base na revisão integrativa da literatura da especialidade e com base nos resultados que emergiram das Fases 2 e 3. Do ponto de vista exploratório, foi avaliado, por um lado, o potencial técnico e didático da 1ª versão do software inserido no Courseware Sere (segunda questão de investigação), e, por outro lado, analisar os pontos fortes e as fragilidades da metodologia utilizada para o seu desenvolvimento (terceira questão de investigação). Como técnicas de recolha de dados recorreu-se a dois inquéritos por questionário e à observação direta participante (mediada pela plataforma moodle). Quanto às técnicas de análise de dados optou-se pela análise estatística descritiva e pela análise de conteúdo. Os resultados indicam que o recurso desenvolvido possui qualidade técnica e didática. Relativamente a análise da Metodologia Híbrida de desenvolvimento Centrado no Utilizador foram propostas algumas melhorias relacionadas com o envolvimento do utilizador e introdução de novos métodos. Apesar de identificadas algumas limitações, este projeto permitiu que a empresa melhorasse significativamente os processos de desenvolvimento de recursos (mesmo os que não são informatizados), bem como permitiu o aumento do seu portefólio com o desenvolvimento do Courseware Sere.

Privacy in next generation networks

In the modern society, communications and digital transactions are becoming the norm rather than the exception. As we allow networked computing devices into our every-day actions, we build a digital lifestyle where networks and devices enrich our interactions. However, as we move our information towards a connected digital environment, privacy becomes extremely important as most of our personal information can be found in the network. This is especially relevant as we design and adopt next generation networks that provide ubiquitous access to services and content, increasing the impact and pervasiveness of existing networks. The environments that provide widespread connectivity and services usually rely on network protocols that have few privacy considerations, compromising user privacy. The presented work focuses on the network aspects of privacy, considering how network protocols threaten user privacy, especially on next generation networks scenarios. We target the identifiers that are present in each network protocol and support its designed function. By studying how the network identifiers can compromise user privacy, we explore how these threats can stem from the identifier itself and from relationships established between several protocol identifiers. Following the study focused on identifiers, we show that privacy in the network can be explored along two dimensions: a vertical dimension that establishes privacy relationships across several layers and protocols, reaching the user, and a horizontal dimension that highlights the threats exposed by individual protocols, usually confined to a single layer. With these concepts, we outline an integrated perspective on privacy in the network, embracing both vertical and horizontal interactions of privacy. This approach enables the discussion of several mechanisms to address privacy threats on individual layers, leading to architectural instantiations focused on user privacy. We also show how the different dimensions of privacy can provide insight into the relationships that exist in a layered network stack, providing a potential path towards designing and implementing future privacy-aware network architectures.

Establishment of stackable community networks

Uma das áreas de investigação em Telecomunicações de interesse crescente prende-se com os futuros sistemas de comunicações móveis de 4a geração e além destes. Nos últimos anos tem sido desenvolvido o conceito de redes comunitárias, no qual os utilizadores se agregam de acordo com interesses comuns. Estes conceitos têm sido explorados de uma forma horizontal em diferentes camadas da comunicação, desde as redes comunitárias de comunicação (Seattle Wireless ou Personal Telco, p.ex.) até às redes de interesses peer-to-peer. No entanto, estas redes são usualmente vistas como redes de overlay, ou simplesmente redes de associação livre. Na prática, a noção de uma rede auto-organizada, completamente orientada ao serviço/comunidade, integralmente suportada em termos de arquitetura, não existe. Assim este trabalho apresenta uma realização original nesta área de criação de redes comunitárias, com uma arquitetura subjacente orientada a serviço, e que suporta integralmente múltiplas redes comunitárias no mesmo dispositivo, com todas as características de segurança, confiança e disponibilização de serviço necessárias neste tipo de cenários (um nó pode pertencer simultaneamente a mais do que uma rede comunitária). Devido à sua importância para os sistemas de redes comunitárias, foi dado particular atenção a aspetos de gestão de recursos e controlo de acessos. Ambos realizados de uma forma descentralizada e considerando mecanismos dotados de grande escalabilidade. Para isso, é apresentada uma linguagem de políticas que suporta a criação de comunidades virtuais. Esta linguagem não é apenas utilizada para o mapeamento da estrutura social dos membros da comunidade, como para, gerir dispositivos, recursos e serviços detidos pelos membros, de uma forma controlada e distribuída.

Beyond the artefact and techno-centricity: towards process-centric understanding of architecture - alternative facilitation strategies and proposals

The artefact and techno-centricity of the research into the architecture process needs to be counterbalanced by other approaches. An increasing amount of information is collected and used in the process, resulting in challenges related to information and knowledge management, as this research evidences through interviews with practicing architects. However, emerging technologies are expected to resolve many of the traditional challenges, opening up new avenues for research. This research suggests that among them novel techniques addressing how architects interact with project information, especially that indirectly related to the artefacts, and tools which better address the social nature of work, notably communication between participants, become a higher priority. In the fields associated with the Human Computer Interaction generic solutions still frequently prevail, whereas it appears that specific alternative approaches would be particularly in demand for the dynamic and context dependent design process. This research identifies an opportunity for a process-centric and integrative approach for architectural practice and proposes an information management and communication software application, developed for the needs discovered in close collaboration with architects. Departing from the architects’ challenges, an information management software application, Mneme, was designed and developed until a working prototype. It proposes the use of visualizations as an interface to provide an overview of the process, facilitate project information retrieval and access, and visualize relationships between the pieces of information. Challenges with communication about visual content, such as images and 3D files, led to a development of a communication feature allowing discussions attached to any file format and searchable from a database. Based on the architects testing the prototype and literature recognizing the subjective side of usability, this thesis argues that visualizations, even 3D visualizations, present potential as an interface for information management in the architecture process. The architects confirmed that Mneme allowed them to have a better project overview, to easier locate heterogeneous content, and provided context for the project information. Communication feature in Mneme was seen to offer a lot of potential in design projects where diverse file formats are typically used. Through empirical understanding of the challenges in the architecture process, and through testing the resulting software proposal, this thesis suggests promising directions for future research into the architecture and design process.

Perception and software architecture for mobile robotics

When developing software for autonomous mobile robots, one has to inevitably tackle some kind of perception. Moreover, when dealing with agents that possess some level of reasoning for executing their actions, there is the need to model the environment and the robot internal state in a way that it represents the scenario in which the robot operates. Inserted in the ATRI group, part of the IEETA research unit at Aveiro University, this work uses two of the projects of the group as test bed, particularly in the scenario of robotic soccer with real robots. With the main objective of developing algorithms for sensor and information fusion that could be used e ectively on these teams, several state of the art approaches were studied, implemented and adapted to each of the robot types. Within the MSL RoboCup team CAMBADA, the main focus was the perception of ball and obstacles, with the creation of models capable of providing extended information so that the reasoning of the robot can be ever more e ective. To achieve it, several methodologies were analyzed, implemented, compared and improved. Concerning the ball, an analysis of ltering methodologies for stabilization of its position and estimation of its velocity was performed. Also, with the goal keeper in mind, work has been done to provide it with information of aerial balls. As for obstacles, a new de nition of the way they are perceived by the vision and the type of information provided was created, as well as a methodology for identifying which of the obstacles are team mates. Also, a tracking algorithm was developed, which ultimately assigned each of the obstacles a unique identi er. Associated with the improvement of the obstacles perception, a new algorithm of estimating reactive obstacle avoidance was created. In the context of the SPL RoboCup team Portuguese Team, besides the inevitable adaptation of many of the algorithms already developed for sensor and information fusion and considering that it was recently created, the objective was to create a sustainable software architecture that could be the base for future modular development. The software architecture created is based on a series of di erent processes and the means of communication among them. All processes were created or adapted for the new architecture and a base set of roles and behaviors was de ned during this work to achieve a base functional framework. In terms of perception, the main focus was to de ne a projection model and camera pose extraction that could provide information in metric coordinates. The second main objective was to adapt the CAMBADA localization algorithm to work on the NAO robots, considering all the limitations it presents when comparing to the MSL team, especially in terms of computational resources. A set of support tools were developed or improved in order to support the test and development in both teams. In general, the work developed during this thesis improved the performance of the teams during play and also the e ectiveness of the developers team when in development and test phases.

Novel hardware and software combination for automotive motorsport vehicles based on direct processing of graphical functions

The main motivation for the work presented here began with previously conducted experiments with a programming concept at the time named "Macro". These experiments led to the conviction that it would be possible to build a system of engine control from scratch, which could eliminate many of the current problems of engine management systems in a direct and intrinsic way. It was also hoped that it would minimize the full range of software and hardware needed to make a final and fully functional system. Initially, this paper proposes to make a comprehensive survey of the state of the art in the specific area of software and corresponding hardware of automotive tools and automotive ECUs. Problems arising from such software will be identified, and it will be clear that practically all of these problems stem directly or indirectly from the fact that we continue to make comprehensive use of extremely long and complex "tool chains". Similarly, in the hardware, it will be argued that the problems stem from the extreme complexity and inter-dependency inside processor architectures. The conclusions are presented through an extensive list of "pitfalls" which will be thoroughly enumerated, identified and characterized. Solutions will also be proposed for the various current issues and for the implementation of these same solutions. All this final work will be part of a "proof-of-concept" system called "ECU2010". The central element of this system is the before mentioned "Macro" concept, which is an graphical block representing one of many operations required in a automotive system having arithmetic, logic, filtering, integration, multiplexing functions among others. The end result of the proposed work is a single tool, fully integrated, enabling the development and management of the entire system in one simple visual interface. Part of the presented result relies on a hardware platform fully adapted to the software, as well as enabling high flexibility and scalability in addition to using exactly the same technology for ECU, data logger and peripherals alike. Current systems rely on a mostly evolutionary path, only allowing online calibration of parameters, but never the online alteration of their own automotive functionality algorithms. By contrast, the system developed and described in this thesis had the advantage of following a "clean-slate" approach, whereby everything could be rethought globally. In the end, out of all the system characteristics, "LIVE-Prototyping" is the most relevant feature, allowing the adjustment of automotive algorithms (eg. Injection, ignition, lambda control, etc.) 100% online, keeping the engine constantly working, without ever having to stop or reboot to make such changes. This consequently eliminates any "turnaround delay" typically present in current automotive systems, thereby enhancing the efficiency and handling of such systems.