Ανάπτυξη συστηματικής μεθοδολογίας δυναμικής διαχείρισης πόρων σε ενσωματωμένα συστήματα

Abstract

Next generation wireless systems support a wide range of communication protocols and services, thus opening new design challenges. The desired flexibility requires an effective utilization of system resources. A well-known example of a platform with these capabilities is Software Defined Radio (SDR). SDR terminals are critical to enable concrete and consecutive inter-working between fourth generation wireless access systems or communication modes. These platforms have heavy hardware requirements and switching between them introduce dynamism in respect to timing and size of resource requests. Very often these devices experience transient overloads due to workload bursts or hardware malfunctions. For that reason such systems have to be designed to take timely reactions to the occurrences of unexpected usage scenarios. In this thesis, we concentrate on these design challenges using the concept of the system scenario proposing solutions especially for wireless communication systems. We examine the special characteristics of the SDR wireless platforms concentrating on the baseband signal processing. Our work is not limited to applying system scenarios; we propose novel methodology extensions for the clustering of system behaviors into system scenarios and the run-time detection of these scenarios. More precisely, we study the main trade–off between clustering overhead (which is correlated with how representative are the scenarios), detection overhead (proposing transformations at the implementation of the detection algorithm) and switching overhead, which represent the tuning cost of the platform. In the context of our study, we exploit the flexibility of a system-level framework, combining a SDR coarse-grain simulator with a cycle-accurate Network-on-Chip simulation environment. For the needs of our analysis, we used an SDR application modelled as task graph. The simulation flow can be used at an early design phase. The scope is to enable a pre-implemented cycle accurate characterization of a potential SDR platform extracting the optimal system configurations. The automatic exploration of the SDR platform and the interface between the two layers succeed through two wrappers, which ensure the automatic execution of our framework, and thus the automatic exploration of different SDR hardware platform configurations. A set of cost trade-offs is defined and can be exploited to the final platform development. The aim was to be achieved an efficient resource utilization retaining the reconfiguration cost in reasonable levels. More precisely, at the first case study, using a WLAN communication protocol, we succeeded a reduction of the idle times 92% on average at the execution of each block of bits, in comparison with the worst case. In the second case study, it is showed that the exploitation of the system scenarios allowed 1) a significant decrease of the tuning situations (from 54 Pareto curves with 3888 design space points to 7 Pareto curves with 49 Pareto points) and 2) a remarkable energy saving about45-73% (based on the system’s deadlines). In the third case study, we apply a signal power scaling technique based on the running system scenario decreasing the antennas energy consumption 50-94%. The results are encouraging and show that system scenario methodology are applicable at dynamic wireless systems and can cope with their complexity.Finally in the last section, we propose a systematic methodology to predict the workload trend based on advanced mathematical tools from the Chaos Theory domain. The benefit of our approach is that we can analyse workloads with high complexity without requiring knowledge of the specifications of the target application. To evaluate the effectiveness of our approach we applied a DFS technique based in our workload analysis simulating a complex dynamic multithreaded application in a cycle-accurate NoC simulator. Using the proposed DFS strategy the designer can achieve remarkable power consumption improvements, ranging from 17.5% (hard timing constraints) up to 37.8% (relaxed timing constraints), depending on the timing constraints of the application.

Τα προηγμένης γενιάς ασύρματα δίκτυα υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα από πρωτόκολλα επικοινωνίας και υπηρεσίες ανοίγοντας νέες προκλήσεις σχεδιασμού. Η επιθυμητή ευελιξία προϋποθέτει αποτελεσματική εκμετάλλευση των πόρων του συστήματος. Ένα ευρέως γνωστό παράδειγμα τεχνολογίας με αυτά τα χαρακτηριστικά είναι οι πλατφόρμες Software Defined Radio (SDR). Τα SDR τερματικά παίζουν σημαντικό ρόλο στην υλοποίηση συμπαγούς και συνεχούς λειτουργίας στα τέταρτης γενιάς δίκτυα. Τα συστήματα αυτά έχουν υψηλές απαιτήσεις υλοποίησης εισάγοντας υψηλή δυναμικότητα ως προς την χρήση των πόρων. Πολύ συχνά αυτές οι συσκευές εμφανίζουν παροδικές υπερφορτώσεις λόγω υψηλού φόρτου εργασίας (workload burst) ή πιθανών δυσλειτουργιών στο υλικό (reliability). Έτσι αυτό του είδους τα συστήματα σχεδιάζονται ώστε να αποκρίνονται στην εμφάνιση κάθε πιθανού σεναρίου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε αυτές τις σχεδιαστικές προκλήσεις χρησιμοποιώντας την έννοια των σεναρίων συστήματος (system scenarios) προτείνοντας λύσεις ειδικά για ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Εξετάζονται τα ειδικά χαρακτηριστικά των SDR ασύρματων πλατφόρμων με επίκεντρο την επεξεργασία σήματος βασικής ζώνης. Αναλύονται οι βασικές ροές λειτουργίας και τα κριτήρια καθορισμού των σεναρίων. Επιπλέον η συνεισφορά δεν περιορίζεται στην εφαρμογή των σεναρίων συστήματος. Προτείνονται νέες επεκτάσεις της μεθοδολογία όσο αναφορά την ομαδοποίηση των συμπεριφορών του συστήματος σε σενάρια και την ανίχνευση αυτών των σεναρίων σε πραγματικό χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται οι κύριοι συμβιβασμοί μεταξύ της υπερεκτίμησης ομαδοποίησης των καταστάσεων λειτουργίας σε σενάρια (τo οποίo σχετίζεται με το πόσο αντιπροσωπευτικά είναι τα εξαγόμενα σενάρια σε σχέση με τις καταστάσεις που αντιπροσωπεύουν), σε σχέση με το κόστος ανίχνευσης των σεναρίων σε πραγματικό χρόνο (προτείνοντας μετασχηματισμούς στην υλοποίηση των γράφων ανίχνευσης των σεναρίων) και το κόστος εναλλαγής των σεναρίων, το οποίο αντιπροσωπεύει το κόστος διαμόρφωσης της πλατφόρμας από τις εναλλαγές των σεναρίων. Για τις ανάγκες της μελέτης μας αναπτύξαμε ένα ευέλικτο πλαίσιο προσομοίωσης, συνδυάζοντας ένα coarse grain SDR προσομοιωτή, ο οποίος παρέχει τα βασικά συστατικά λειτουργίας ενός SDR τερματικού (όπως είναι επεξεργαστές βασικής ζώνης, αποκωδικοποιητές, το κανάλι διασύνδεσης των τερματικών), με ένα περιβάλλον προσομοίωσης το οποίο υλοποιεί την διασύνδεση των στοιχείων της SDR πλατφόρμας σε μία Network-on-Chip (NoC) αρχιτεκτονική παρέχοντας μετρήσεις ακριβείας ως προς τους κύκλους ρολογιού (cycle accurate). Αυτού του είδους η ροή προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα πρώιμο στάδιο σχεδιασμού ώστε να επιτευχθεί ο ακριβής χαρακτηρισμός λειτουργίας μιας εν δυνάμει SDR πλατφόρμας καθώς και η εύρεση των βέλτιστων διαμορφώσεων λειτουργίας της. Το πλήθος των παραμέτρων λειτουργίας κατέστησαν απαραίτητη την αυτοματοποίηση της διαδικασίας εξερεύνηση της πλατφόρμας κατά την προσομοίωση κάτι το οποίο επιτεύχθηκε μέσω δύο wrapper που υλοποιούν την διεπαφή μεταξύ των δύο στρωμάτων προσομοίωσης, εξασφαλίζοντας την αυτόματη εκτέλεση του πλαισίου προσομοίωσης και κατά συνέπεια την αυτόματη εξερεύνηση των διαφορετικών διαμορφώσεων. Έτσι μπορούν τα αξιολογηθούν ένα σύνολο από συμβιβασμοί κόστους πριν την τελική ανάπτυξη της πλατφόρμας. Στόχος είναι να επιτευχθεί μια αποτελεσματική αξιοποίηση των πόρων διατηρώντας το κόστος επαναδιαμόρφωσης με βάση τα σενάρια σε λογικά επίπεδα. Ακριβέστερα, κατά την πρώτη μελέτη περίπτωσης (case study), εξετάζεται το πρωτόκολλο επικοινωνίας 802.11n. Στόχος είναι να εξαχθούν σενάρια λειτουργίας του πρωτοκόλλου που θα επιτρέψουν στο σύστημα να πετύχει καλύτερη αξιοποίηση των πόρων με βάση την τρέχουσα κατάσταση λειτουργίας χωρίς να υπονομεύεται η ποιότητα υπηρεσιών του πρωτοκόλλου. Σε αυτήν την κατεύθυνση ορίζονται σενάρια που επιτυγχάνουν μια μείωση των «αδρανών» χρόνων λειτουργίας κατά μέσο όρο 92% σε σύγκριση με την χειρότερη περίπτωση. Παράλληλα εξασφαλίζεται ότι ο ρυθμός εναλλαγής των σεναρίων καθώς και ο αριθμός τους παραμένει χαμηλός διατηρώντας το κόστος ανίχνευσης των σεναρίων σε λογικά επίπεδα. Στην δεύτερη μελέτη περίπτωσης, επικεντρωνόμαστε στην διαχείριση της ισχύος σήματος για το ίδιο πρωτόκολλο (802.11n) καθώς η κατανάλωση ενέργειας στην εκπομπή και λήψη σήματος αντιπροσωπεύει τουλάχιστον το 50% της συνολικής κατανάλωσης ενός ασύρματου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα αναπτύσσεται μια τεχνική κλιμάκωσης της ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος με βάση το τρέχον σενάριο μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας στις κεραίες 50-94%. Τα αποτελέσματα και στις δύο περιπτώσεις είναι ενθαρρυντικά και αποδεικνύουν ότι η μεθοδολογία σεναρίων συστήματος μπορεί να επιτύχει σημαντική βελτίωση στην δυναμική αξιοποίηση πόρων σε ασύρματα συστήματα και να διαχείριση την πολυπλοκότητα τους. Τέλος, στην τελευταία ενότητα, προτείνουμε μια συστηματική μεθοδολογία ανάλυσης και πρόβλεψης της διακύμανσης του φόρτου εργασίας (workload) βασιζόμενοι σε προηγμένα μαθηματικά εργαλεία από το χώρο της Θεωρίας του Χάους. Η ανάλυση γίνεται στην βάση εξέτασης χρονοσειρών που αντιπροσωπεύουν τον όγκο δεδομένων προς επεξεργασία. Η ανάλυση γίνεται σε βήματα που ανιχνεύουν το είδος της μεταβολής των δεδομένων και αξιολογούν την δυνατότητα πρόβλεψης τους. Το πλεονέκτημα της προσέγγισής είναι ότι μπορούμε να αναλύσουμε φόρτους εργασίας (data-workloads) με υψηλή πολυπλοκότητα διακύμανσης, χωρίς να απαιτείται γνώση των προδιαγραφών της εφαρμογής στόχου. Για την αξιολόγηση της προσέγγισής εφαρμόζεται μια τεχνική DFS που βασίζεται στην δυναμική πρόβλεψη του όγκου δεδομένων με βάση τα σενάρια, προσομοιώνοντας μια σύνθετη δυναμική πολυνηματική εφαρμογή σε ένα NOC προσομοιωτή. Με την προτεινόμενη στρατηγική DFS επιτυγχάνεται αξιοσημείωτη βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας, που κυμαίνεται από 17,5% (hard deadlines) έως 37,8% (soft deadlines), ανάλογα με τους χρονικούς περιορισμούς της εφαρμογής.