Cooperative framework for open real-time systems

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

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

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

A framework for realistic real-time walkthroughs in a VR distributed environment

Virtual and augmented reality (VR/AR) are increasingly being used in various business scenarios and are important driving forces in technology development. However the usage of these technologies in the home environment is restricted due to several factors including lack of low-cost (from the client point of view) highperformance solutions. In this paper we present a general client/server rendering architecture based on Real-Time concepts, including support for a wide range of client platforms and applications. The idea of focusing on the real-time behaviour of all components involved in distributed IP-based VR scenarios is new and has not been addressed before, except for simple sub-solutions. This is considered as “the most significant problem with the IP environment” [1]. Thus, the most important contribution of this research will be the holistic approach, in which networking, end-systems and rendering aspects are integrated into a cost-effective infrastructure for building distributed real-time VR applications on IP-based networks.

Convex optimization framework for intermediate deadline assignment in soft and hard real-time distributed systems

It is generally challenging to determine end-to-end delays of applications for maximizing the aggregate system utility subject to timing constraints. Many practical approaches suggest the use of intermediate deadline of tasks in order to control and upper-bound their end-to-end delays. This paper proposes a unified framework for different time-sensitive, global optimization problems, and solves them in a distributed manner using Lagrangian duality. The framework uses global viewpoints to assign intermediate deadlines, taking resource contention among tasks into consideration. For soft real-time tasks, the proposed framework effectively addresses the deadline assignment problem while maximizing the aggregate quality of service. For hard real-time tasks, we show that existing heuristic solutions to the deadline assignment problem can be incorporated into the proposed framework, enriching their mathematical interpretation.

Parallel real-time support for distributed adaptive embedded applications

Real-time embedded applications require to process large amounts of data within small time windows. Parallelize and distribute workloads adaptively is suitable solution for computational demanding applications. The purpose of the Parallel Real-Time Framework for distributed adaptive embedded systems is to guarantee local and distributed processing of real-time applications. This work identifies some promising research directions for parallel/distributed real-time embedded applications.

A framework for the development of parallel and distributed real-time embedded systems

Embedded real-time applications increasingly present high computation requirements, which need to be completed within specific deadlines, but that present highly variable patterns, depending on the set of data available in a determined instant. The current trend to provide parallel processing in the embedded domain allows providing higher processing power; however, it does not address the variability in the processing pattern. Dimensioning each device for its worst-case scenario implies lower average utilization, and increased available, but unusable, processing in the overall system. A solution for this problem is to extend the parallel execution of the applications, allowing networked nodes to distribute the workload, on peak situations, to neighbour nodes. In this context, this report proposes a framework to develop parallel and distributed real-time embedded applications, transparently using OpenMP and Message Passing Interface (MPI), within a programming model based on OpenMP. The technical report also devises an integrated timing model, which enables the structured reasoning on the timing behaviour of these hybrid architectures.

Nano-CF: a Coordination Framework for macro-programming in wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSN) are being used for a number of applications involving infrastructure monitoring, building energy monitoring and industrial sensing. The difficulty of programming individual sensor nodes and the associated overhead have encouraged researchers to design macro-programming systems which can help program the network as a whole or as a combination of subnets. Most of the current macro-programming schemes do not support multiple users seamlessly deploying diverse applications on the same shared sensor network. As WSNs are becoming more common, it is important to provide such support, since it enables higher-level optimizations such as code reuse, energy savings, and traffic reduction. In this paper, we propose a macro-programming framework called Nano-CF, which, in addition to supporting in-network programming, allows multiple applications written by different programmers to be executed simultaneously on a sensor networking infrastructure. This framework enables the use of a common sensing infrastructure for a number of applications without the users having to worrying about the applications already deployed on the network. The framework also supports timing constraints and resource reservations using the Nano-RK operating system. Nano- CF is efficient at improving WSN performance by (a) combining multiple user programs, (b) aggregating packets for data delivery, and (c) satisfying timing and energy specifications using Rate- Harmonized Scheduling. Using representative applications, we demonstrate that Nano-CF achieves 90% reduction in Source Lines-of-Code (SLoC) and 50% energy savings from aggregated data delivery.

A framework for programming sensor networks with scheduling and resource-sharing optimizations

Several projects in the recent past have aimed at promoting Wireless Sensor Networks as an infrastructure technology, where several independent users can submit applications that execute concurrently across the network. Concurrent multiple applications cause significant energy-usage overhead on sensor nodes, that cannot be eliminated by traditional schemes optimized for single-application scenarios. In this paper, we outline two main optimization techniques for reducing power consumption across applications. First, we describe a compiler based approach that identifies redundant sensing requests across applications and eliminates those. Second, we cluster the radio transmissions together by concatenating packets from independent applications based on Rate-Harmonized Scheduling.

Experiences on the implementation of a cooperative embedded system framework

As the complexity of embedded systems increases, multiple services have to compete for the limited resources of a single device. This situation is particularly critical for small embedded devices used in consumer electronics, telecommunication, industrial automation, or automotive systems. In fact, in order to satisfy a set of constraints related to weight, space, and energy consumption, these systems are typically built using microprocessors with lower processing power and limited resources. The CooperatES framework has recently been proposed to tackle these challenges, allowing resource constrained devices to collectively execute services with their neighbours in order to fulfil the complex Quality of Service (QoS) constraints imposed by users and applications. In order to demonstrate the framework's concepts, a prototype is being implemented in the Android platform. This paper discusses key challenges that must be addressed and possible directions to incorporate the desired real-time behaviour in Android.

A compositional scheduling framework for digital avionics systems

ARINC specification 653-2 describes the interface between application software and underlying middleware in a distributed real-time avionics system. The real-time workload in this system comprises of partitions, where each partition consists of one or more processes. Processes incur blocking and preemption overheads and can communicate with other processes in the system. In this work we develop compositional techniques for automated scheduling of such partitions and processes. At present, system designers manually schedule partitions based on interactions they have with the partition vendors. This approach is not only time consuming, but can also result in under utilization of resources. In contrast, the technique proposed in this paper is a principled approach for scheduling ARINC-653 partitions and therefore should facilitate system integration.

Handling mobility on a QoS-Aware servicebased framework for mobile systems

Mobile applications are becoming increasingly more complex and making heavier demands on local system resources. Moreover, mobile systems are nowadays more open, allowing users to add more and more applications, including third-party developed ones. In this perspective, it is increasingly expected that users will want to execute in their devices applications which supersede currently available resources. It is therefore important to provide frameworks which allow applications to benefit from resources available on other nodes, capable of migrating some or all of its services to other nodes, depending on the user needs. These requirements are even more stringent when users want to execute Quality of Service (QoS) aware applications, such as voice or video. The required resources to guarantee the QoS levels demanded by an application can vary with time, and consequently, applications should be able to reconfigure themselves. This paper proposes a QoS-aware service-based framework able to support distributed, migration-capable, QoS-enabled applications on top of the Android Operating system.

A framework for QoS-Aware service-based mobile systems

In this paper we propose a framework for the support of mobile application with Quality of Service (QoS) requirements, such as voice or video, capable of supporting distributed, migration-capable, QoS-enabled applications on top of the Android Operating system.

Autonomic workflow activities: the award framework

Workflows have been successfully applied to express the decomposition of complex scientific applications. This has motivated many initiatives that have been developing scientific workflow tools. However the existing tools still lack adequate support to important aspects namely, decoupling the enactment engine from workflow tasks specification, decentralizing the control of workflow activities, and allowing their tasks to run autonomous in distributed infrastructures, for instance on Clouds. Furthermore many workflow tools only support the execution of Direct Acyclic Graphs (DAG) without the concept of iterations, where activities are executed millions of iterations during long periods of time and supporting dynamic workflow reconfigurations after certain iteration. We present the AWARD (Autonomic Workflow Activities Reconfigurable and Dynamic) model of computation, based on the Process Networks model, where the workflow activities (AWA) are autonomic processes with independent control that can run in parallel on distributed infrastructures, e. g. on Clouds. Each AWA executes a Task developed as a Java class that implements a generic interface allowing end-users to code their applications without concerns for low-level details. The data-driven coordination of AWA interactions is based on a shared tuple space that also enables support to dynamic workflow reconfiguration and monitoring of the execution of workflows. We describe how AWARD supports dynamic reconfiguration and discuss typical workflow reconfiguration scenarios. For evaluation we describe experimental results of AWARD workflow executions in several application scenarios, mapped to a small dedicated cluster and the Amazon (Elastic Computing EC2) Cloud.

Building adaptable, QoS-aware dependable embedded systems

Most of today’s embedded systems are required to work in dynamic environments, where the characteristics of the computational load cannot always be predicted in advance. Furthermore, resource needs are usually data dependent and vary over time. Resource constrained devices may need to cooperate with neighbour nodes in order to fulfil those requirements and handle stringent non-functional constraints. This paper describes a framework that facilitates the distribution of resource intensive services across a community of nodes, forming temporary coalitions for a cooperative QoSaware execution. The increasing need to tailor provided service to each application’s specific needs determines the dynamic selection of peers to form such a coalition. The system is able to react to load variations, degrading its performance in a controlled fashion if needed. Isolation between different services is achieved by guaranteeing a minimal service quality to accepted services and by an efficient overload control that considers the challenges and opportunities of dynamic distributed embedded systems.

Hand gesture recognition system based in computer vision and machine learning : applications on human-machine interaction

Sendo uma forma natural de interação homem-máquina, o reconhecimento de gestos implica uma forte componente de investigação em áreas como a visão por computador e a aprendizagem computacional. O reconhecimento gestual é uma área com aplicações muito diversas, fornecendo aos utilizadores uma forma mais natural e mais simples de comunicar com sistemas baseados em computador, sem a necessidade de utilização de dispositivos extras. Assim, o objectivo principal da investigação na área de reconhecimento de gestos aplicada à interacção homemmáquina é o da criação de sistemas, que possam identificar gestos específicos e usálos para transmitir informações ou para controlar dispositivos. Para isso as interfaces baseados em visão para o reconhecimento de gestos, necessitam de detectar a mão de forma rápida e robusta e de serem capazes de efetuar o reconhecimento de gestos em tempo real. Hoje em dia, os sistemas de reconhecimento de gestos baseados em visão são capazes de trabalhar com soluções específicas, construídos para resolver um determinado problema e configurados para trabalhar de uma forma particular. Este projeto de investigação estudou e implementou soluções, suficientemente genéricas, com o recurso a algoritmos de aprendizagem computacional, permitindo a sua aplicação num conjunto alargado de sistemas de interface homem-máquina, para reconhecimento de gestos em tempo real. A solução proposta, Gesture Learning Module Architecture (GeLMA), permite de forma simples definir um conjunto de comandos que pode ser baseado em gestos estáticos e dinâmicos e que pode ser facilmente integrado e configurado para ser utilizado numa série de aplicações. É um sistema de baixo custo e fácil de treinar e usar, e uma vez que é construído unicamente com bibliotecas de código. As experiências realizadas permitiram mostrar que o sistema atingiu uma precisão de 99,2% em termos de reconhecimento de gestos estáticos e uma precisão média de 93,7% em termos de reconhecimento de gestos dinâmicos. Para validar a solução proposta, foram implementados dois sistemas completos. O primeiro é um sistema em tempo real capaz de ajudar um árbitro a arbitrar um jogo de futebol robótico. A solução proposta combina um sistema de reconhecimento de gestos baseada em visão com a definição de uma linguagem formal, o CommLang Referee, à qual demos a designação de Referee Command Language Interface System (ReCLIS). O sistema identifica os comandos baseados num conjunto de gestos estáticos e dinâmicos executados pelo árbitro, sendo este posteriormente enviado para um interface de computador que transmite a respectiva informação para os robôs. O segundo é um sistema em tempo real capaz de interpretar um subconjunto da Linguagem Gestual Portuguesa. As experiências demonstraram que o sistema foi capaz de reconhecer as vogais em tempo real de forma fiável. Embora a solução implementada apenas tenha sido treinada para reconhecer as cinco vogais, o sistema é facilmente extensível para reconhecer o resto do alfabeto. As experiências também permitiram mostrar que a base dos sistemas de interação baseados em visão pode ser a mesma para todas as aplicações e, deste modo facilitar a sua implementação. A solução proposta tem ainda a vantagem de ser suficientemente genérica e uma base sólida para o desenvolvimento de sistemas baseados em reconhecimento gestual que podem ser facilmente integrados com qualquer aplicação de interface homem-máquina. A linguagem formal de definição da interface pode ser redefinida e o sistema pode ser facilmente configurado e treinado com um conjunto de gestos diferentes de forma a serem integrados na solução final.