Design of a New High Bandwidth Network for Agricultural Machines

Ethernet is by now the most adopted bus for fast digital communications in many environments, from household entertainment to PLC robotics in industrial assembly lines. Even in automotive industry, the interest in this technology is increasingly growing, pushed forward by research and by the need of high throughput that high dynamics distributed control demands. Although 100base-TX physical layer (PHY) does not seem to meet EMC requirements for vehicular and heavy-duty environments, OPEN Alliance BroadR Reach (soon becoming IEEE standard as IEEE 802.3bw) technology is the most promising and already adopted Ethernet-compatible PHY, reaching 100Mbps over an unshielded twisted pair. An agricultural machine is usually a system including tractor and one or more implements attached to it, to the back or to the front. Nowadays, a specific CAN-based distributed control network support treatments and applications, namely ISOBUS, defined by ISO 11783. This work deals with architectural and technological aspects of advanced Ethernet networks in order to provide a high-throughput deterministic network for in-vehicle distributed control for agricultural machinery. Two main paths of investigation will be presented: one concerning the prioritization of standard Ethernet taking advantage of standard ways of prioritization in well-established technologies; the other changing the channel access method of Ethernet using an industrial fieldbus, chosen after careful investigation. The prioritization of standard Ethernet is performed at two, non-mutual exclusive layers of the ISO OSI stack: one at L3, using the diffserv (former TOS) Ip field; one at L2, using the priorities defined in IEEE 802.1p, used in IEEE 802.1q (VLAN). These choices have several implications in the specific field of application of the agricultural machines. The change of the access method, instead, focused on the adoption of a specific fieldbus, in order to grant deterministic access to the medium and reliability of communications for safety-relevant applications. After a survey, that will be reported, the Powerlink fieldbus was chosen and some modifications will be discussed in order to suit the scope of the research

Using the ethernet protocol for real-time communications in embedded systems

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaOs Sistemas Computacionais de Controlo Distribuído (SCCD) estão muito disseminados em aplicações que vão desde o controlo de processos e manufactura a automóveis, aviões e robôs. Muitas aplicações são de natureza tempo-real, ou seja, impõem fortes restrições às propriedades subjacentes aos sistemas de controlo, gerando a necessidade de fornecer um comportamento temporal previsível durante períodos alargados de tempo. Em particular, dependendo da aplicação, uma falha em garantir as restrições pode causar importantes perdas económicas ou mesmo pôr vidas humanas em risco. Actualmente, a quantidade e funcionalidade dos modernos SCCD têm crescido firmemente. Esta evolução é motivada por uma nova classe de aplicações que requer maior demanda de recursos tais como aplicações de multimedia (por exemplo visão), bem como pela tendência em usar grande número de processadres simples e interconectados, em vez de poucos e poderosos processadores, encapsulando cada funcionalidade num único processador. Consequentemente, a quantidade de informação que deve ser trocada entre os nós da rede também cresceu drasticamente nos últimos anos e está agora atingindo os limites que podem ser obtidos por tradicionais barramentos de campo, como por exempo CAN, WorldFIP, PROFIBUS. Outras alternativas são pois requeridas para suportar a necessidade de largura de banda e a manutenção de exigências dos sistemas de comunicação tempo-real: previsibilidade, pontualidade, atraso e variação de período limitados. Uma das linhas de trabalho tem apostado na Ethernet, tirando vantagem dos baixos custos dos circuitos, da elevada largura de banda, da fácil integração com a Internet, e da simplicidade em promover expansões e compatibilidade com redes usadas na estrutura administrativa das empresas industriais. Porém, o mecanismo padronizado de acesso ao meio da Ethernet (CSMA/CD) é destrutivo e não determinístico, o que impede seu uso directo ao nível de campo ou pelo menos em aplicações de comunicação tempo-real. Apesar disso, muitas abordagens diferentes têm sido propostas e usadas para obter comportamento tempo-real em Ethernet. As abordagens actuais para dotar de comportamento tempo-real Ethernet partilhada apresentam desvantagens tais como: exigência de hardware especializado, fornecimento de garantias temporais estatísticas, ineficiência na utilização da largura de banda ou na reposta tempo-real. São ainda por vezes inflexíveis com respeito às propriedades de tráfego bem como com as políticas de escalonamento. Podem exigir processadores com elevado poder de cálculo. Finalmente não permitem que estações tempo-real possam coexistir com estações Ethernet standard no mesmo segmento. Uma proposta recente, o algoritmo hBEB, permite a coexistência de estações tempo-real e standard no mesmo segmento. Contudo, apenas uma estação tempo-real pode estar activa, o que é inaceitável para aplicações de automação e controlo. Esta tese discute uma nova solução para promover tempo-real em Ethernet partilhada, baseando-se na passagem implícita de testemunho de forma similar à usada pelo protocolo P-NET. Esta técnica é um mecanismo de acesso ao meio físico pouco exigente em termos de processamento, sendo portanto adequada para implementar uma rede de dispositivos baseados em processadores de baixo poder de cálculo e controladores Ethernet standard. Esta tese apresenta ainda uma proposta de implementação do VTPE em IP core para superar algumas dificuldades derivadas de funcionalidades que não são suportadas por controladores standard, nomeadamente a arbitragem do meio físico durante a transmissão de uma trama. Esta nova proposta pode aumentar muito a eficiência do VTPE no uso da largura de banda. O VTPE, assim como P-NET ou protocolos similares, permite a uma estação apenas comunicar uma vez por cada circulação do testemunho. Esta imposição pode causar bloqueios de comunicação por períodos inaceitáveis em aplicações com tráfego isócrono, por exemplo multimedia. Uma solução proposta permite que uma estação possa aceder ao meio físico mais de uma vez por cada circulação do token. Os resultados experimentais a as análises desenvolvidas mostram que o bloqueio pode ser drasticamente reduzido. Por último esta tese discute uma variante do protocolo VTPE, o VTPE/h- BEB, que permite que mais de uma estação hBEB possa coexistir com diversas estações Ethernet standard num mesmo segmento partilhado. Um demonstrador para prova de conceito bem como uma aplicação foram também implementados.Distributed Computer-Control Systems (DCCS) are widely disseminated in applications ranging from automation and control to automotive, avionics and robotics. Many of these applications are real-time, posing stringent constraints to the properties of underlying control systems, which arise from the need to provide predictable behaviour during extended time periods. Depending on the particular type of application, a failure to meet these constraints can cause important economic losses or can even put human life in risk. Currently the number and functionality of modern DCCSs have been increasing steadily. This evolution has been motivated for a new class of applications of more resource demanding applications, such as multimedia (e.g. machine vision), as well as by the trend to use large numbers of simple interconnected processors, instead of a few powerful ones, encapsulating each functionality in one single processor. Consequently, the amount of information that must be exchanged among the network nodes has also increased dramatically and is now reaching the limits achievable by traditional fieldbuses. Therefore, other alternatives are required to support higher bandwidth demands while keeping the main requirements of a real-time communication system: predictability, timeliness, bounded delays and jitter. Efforts have been made with Ethernet to take advantage of the low cost of the silicon, high bandwidth, easy integration with the Internet, easy expansion and compatibility with the networks used at higher layers in the factory structure. However its standardized media access control (CSMA/CD) is destructive and not deterministic, impairing its direct use at field level at least for real-time communication. Despite this, many solutions have been proposed to achieve real-time behavior in Ethernet. However they present several disadvantages: requiring specialized hardware, providing statistical timeliness guarantees only, being bandwidth or response-time inefficient, being inflexible concerning traffic properties and/or scheduling policy, or finally not allowing real-time stations to coexist with standard Ethernet stations in the same segment. A recent proposal, the hBEB algorithm, allows the coexistence of real-time and standard Ethernet stations in the same shared segment. However hBEB limits at most one real-time station per segment which is unacceptable for applications in industrial automation and process control. This thesis discusses a new real-time shared Ethernet solution based on the virtual token passing technique similarly to the one used by the P-NET protocol. This technique is a medium access control mechanism that requires small processing power, being suitable to implement devices based on processors with small processing power. The solution is called Virtual Token Passing Ethernet or VTPE. This proposal discusses the modifications required in the Ethernet frame format, the temporal analysis to guarantee real-time communication and the implementation of two demonstrators based on microcontrollers and standard Ethernet controllers. This thesis also presents a proposal to implement VTPE in an IP Core to overcome some difficulties derived from limitations of standard Ethernet controllers, namely to allow medium access control during a frame transmission. This proposal can increase the bandwidth efficiency of VTPE. VTPE, as well as P-NET or any other protocol based on circular token rotation technique, only allows a station to communicate once for each token round. This design imposition can cause unacceptable communication blocking in applications with isochronous traffic such as multimedia. An improvement in the VTPE proposal enables a station to access the medium more than once per token round. The experimental results as well as the temporal analysis show that the blocking can be drastically reduced. This improvement can also be used in the P-NET protocol. Finally this thesis proposes a variant of VTPE, named VTPE/hBEB, to be implemented in Ethernet controllers that are able to support the hBEB algorithm. The VTPE/hBEB allows more than one hBEB station to coexist with several standard Ethernet stations in the same shared Ethernet segment. A demonstrator for the VTPE/hBEB validation, as well as an application, are also presented and discussed

Towards a cloud enabler : from an optical network resource provisioning system to a generalized architecture for dynamic infrastructure services provisioning

This work was developed during a period where most of the optical management and provisioning system where manual and proprietary. This work contributed to the evolution of the state of the art of optical networks with new architectures and advanced virtual infrastructure services. The evolution of optical networks, and internet globally, have been very promising during the last decade. The impact of mobile technology, grid, cloud computing, HDTV, augmented reality and big data, among many others, have driven the evolution of optical networks towards current service technologies, mostly based on SDN (Software Defined Networking) architectures and NFV(Network Functions Virtualisation). Moreover, the convergence of IP/Optical networks and IT services, and the evolution of the internet and optical infrastructures, have generated novel service orchestrators and open source frameworks. In fact, technology has evolved that fast that none could foresee how important Internet is for our current lives. Said in other words, technology was forced to evolve in a way that network architectures became much more transparent, dynamic and flexible to the end users (applications, user interfaces or simple APIs). This Thesis exposes the work done on defining new architectures for Service Oriented Networks and the contribution to the state of the art. The research work is divided into three topics. It describes the evolution from a Network Resource Provisioning System to an advanced Service Plane, and ends with a new architecture that virtualized the optical infrastructure in order to provide coordinated, on-demand and dynamic services between the application and the network infrastructure layer, becoming an enabler for the new generation of cloud network infrastructures. The work done on defining a Network Resource Provisioning System established the first bases for future work on network infrastructure virtualization. The UCLP (User Light Path Provisioning) technology was the first attempt for Customer Empowered Networks and Articulated Private Networks. It empowered the users and brought virtualization and partitioning functionalities into the optical data plane, with new interfaces for dynamic service provisioning. The work done within the development of a new Service Plane allowed the provisioning of on-demand connectivity services from the application, and in a multi-domain and multi-technology scenario based on a virtual network infrastructure composed of resources from different infrastructure providers. This Service Plane facilitated the deployment of applications consuming large amounts of data under deterministic conditions, so allowing the networks behave as a Grid-class resource. It became the first on-demand provisioning system that at lower levels allowed the creation of one virtual domain composed from resources of different providers. The last research topic presents an architecture that consolidated the work done in virtualisation while enhancing the capabilities to upper layers, so fully integrating the optical network infrastructure into the cloud environment, and so providing an architecture that enabled cloud services by integrating the request of optical network and IT infrastructure services together at the same level. It set up a new trend into the research community and evolved towards the technology we use today based on SDN and NFV. Summing up, the work presented is focused on the provisioning of virtual infrastructures from the architectural point of view of optical networks and IT infrastructures, together with the design and definition of novel service layers. It means, architectures that enabled the creation of virtual infrastructures composed of optical networks and IT resources, isolated and provisioned on-demand and in advance with infrastructure re-planning functionalities, and a new set of interfaces to open up those services to applications or third parties.Aquesta tesi es va desenvolupar durant un període on la majoria de sistemes de gestió de xarxa òptica eren manuals i basats en sistemes propietaris. En aquest sentit, la feina presentada va contribuir a l'evolució de l'estat de l'art de les xarxes òptiques tant a nivell d’arquitectures com de provisió d’infraestructures virtuals. L'evolució de les xarxes òptiques, i d'Internet a nivell mundial, han estat molt prometedores durant l'última dècada. L'impacte de la tecnologia mòbil, la computació al núvol, la televisió d'alta definició, la realitat augmentada i el big data, entre molts altres, han impulsat l'evolució cap a xarxes d’altes prestacions amb nous serveis basats en SDN (Software Defined Networking) i NFV (Funcions de xarxa La virtualització). D'altra banda, la convergència de xarxes òptiques i els serveis IT, junt amb l'evolució d'Internet i de les infraestructures òptiques, han generat nous orquestradors de serveis i frameworks basats en codi obert. La tecnologia ha evolucionat a una velocitat on ningú podria haver predit la importància que Internet està tenint en el nostre dia a dia. Dit en altres paraules, la tecnologia es va veure obligada a evolucionar d'una manera on les arquitectures de xarxa es fessin més transparent, dinàmiques i flexibles vers als usuaris finals (aplicacions, interfícies d'usuari o APIs simples). Aquesta Tesi presenta noves arquitectures de xarxa òptica orientades a serveis. El treball de recerca es divideix en tres temes. Es presenta un sistema de virtualització i aprovisionament de recursos de xarxa i la seva evolució a un pla de servei avançat, per acabar presentant el disseny d’una nova arquitectura capaç de virtualitzar la infraestructura òptica i IT i proporcionar serveis de forma coordinada, i sota demanda, entre l'aplicació i la capa d'infraestructura de xarxa òptica. Tot esdevenint un facilitador per a la nova generació d'infraestructures de xarxa en el núvol. El treball realitzat en la definició del sistema de virtualització de recursos va establir les primeres bases sobre la virtualització de la infraestructura de xarxa òptica en el marc de les “Customer Empowered Networks” i “Articulated Private Networks”. Amb l’objectiu de virtualitzar el pla de dades òptic, i oferir noves interfícies per a la provisió de serveis dinàmics de xarxa. En quant al pla de serveis presentat, aquest va facilitat la provisió de serveis de connectivitat sota demanda per part de l'aplicació, tant en entorns multi-domini, com en entorns amb múltiples tecnologies. Aquest pla de servei, anomenat Harmony, va facilitar el desplegament de noves aplicacions que consumien grans quantitats de dades en condicions deterministes. En aquest sentit, va permetre que les xarxes es comportessin com un recurs Grid, i per tant, va esdevenir el primer sistema d'aprovisionament sota demanda que permetia la creació de dominis virtuals de xarxa composts a partir de recursos de diferents proveïdors. Finalment, es presenta l’evolució d’un pla de servei cap una arquitectura global que consolida el treball realitzat a nivell de convergència d’infraestructures (òptica + IT) i millora les capacitats de les capes superiors. Aquesta arquitectura va facilitar la plena integració de la infraestructura de xarxa òptica a l'entorn del núvol. En aquest sentit, aquest resultats van evolucionar cap a les tendències actuals de SDN i NFV. En resum, el treball presentat es centra en la provisió d'infraestructures virtuals des del punt de vista d’arquitectures de xarxa òptiques i les infraestructures IT, juntament amb el disseny i definició de nous serveis de xarxa avançats, tal i com ho va ser el servei de re-planificació dinàmicaPostprint (published version

Fronthaul C-RAN baseado em ethernet

For the last decade mobile data traffic has been increasing at impressive rates. The proliferation of mobile devices together with high-bandwidth services like video and music streaming, social media and other cloud services have increased the load on top of the mobile network infrastructure. In order to support this massive increase in both users and bandwidth the next generation of mobile telecommunications network - 5G - explores new approaches, like the utilization of new frequency bands and the densification of base stations. This kind of requirements along with the inefficiency of the co-location of base band processing near the radio units encourages a rethink of traditional radio access networks. In this scenario emerges the C-RAN paradigm that intend to centralize all the base band processing (BBU) and replace current base stations for simpler, more efficient and compact solutions that only incorporate the radio front-end and respective radio processing (RRH). In addition to these benefits, centralized processing facilitates virtualization and resource sharing, interference management and cooperative processing technologies. This split of functions brings however, some challenges in respect to the data rates, bandwidth and latency in the link that connects BBUs and RRHs - the fronthaul. Today’s existing standards like CPRI weren’t originally designed for such applications and present some intrinsic bandwidth and flexibility limitations. It’s considered that another approach, based on packet switching, could mitigate some of these problems in addition to bring some advantages such as statistical multiplexing, flexible routing and compatibility with current widespread packet switching networks. They do however, present a number of challenges regarding latency and synchronization. This dissertation work focuses on the study and development of a fronthaul solution based in 10 Gigabit Ethernet over optical fiber. Development is done on top of two development kits based in Field Programmable Gate Array (FPGA) and implemented in an already operational C-RAN test-bed - currently with CPRI based fronthaul - at the Instituto de Telecomunicações - Aveiro.Durante a última década o tráfego de dados móveis tem aumentado a um ritmo impressionante. A proliferação de dispositivos móveis juntamente com serviços consumidores de grande largura de banda como streaming de vídeo e música, redes sociais e serviços na cloud têm colocado grande pressão na infraestrutura da rede móvel. Para suportar este aumento massivo de utilizadores e largura de banda a próxima geração de telecomunicações móveis – o 5G – explora novos conceitos, entre eles a utilização de bandas de frequências mais elevadas e a massificação das estações base. A este tipo de requisitos junta-se o facto da ineficiência da co-localização do processamento junto da unidade de rádio que incentiva a uma restruturação da arquitectura tradicional das redes móveis. Neste cenário surge o paradigma C-RAN, que pretende centralizar todo o processamento em banda base (BBU) e substituir as base stations atuais por soluções mais simples, eficientes e compactas que englobam apenas o processamento da parte de rádio e respetivo front-end de rádio frequência (RRH). Para além destes beneficios, a centralização do processamento facilita a virtualização e partilha de recursos, a gestão da interferência e tecnologias de processamento cooperativo. Esta divisão de funções traz no entanto alguns desafios no que diz respeito a largura de banda, taxas de dados e latências na interligação entre BBUs e RRHs – o fronthaul. Standards atualmente utilizados no link de fronthaul como o CPRI não foram originalmente desenhados para aplicações desta dimensão e apresentam algumas limitações, sendo intrinsecamente pouco flexíveis e eficientes. Acredita-se que outro tipo de abordagem, baseada em comutação de pacotes, poderia mitigar alguns destes problemas para além de trazer vantagens como a multiplexagem estatística, routing flexível e compatibilidade com redes de comutação de pacotes actuais. Apresentam no entanto vários desafios a nível de latência e sincronização associados. Este trabalho de dissertação foca-se então no estudo e desenvolvimento de uma solução para o fronthaul baseada em 10 Gigabit Ethernet sobre fibra ótica. O desenvolvimento será feito em dois kits de desenvolvimento baseados em Field Programmable Gate Array (FPGA) e implementado num demonstrador C-RAN já operacional - com fronthaul atualmente baseado em CPRI - no Instituto de Telecomunicações de Aveiro.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

Supporting Real-Time Communication in CSMA-Based Networks : the VTP-CSMA Virtual Token Passing Approach

Tese de doutoramento. Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 200

Closed-loop real-time control on distributed networks

This thesis is an effort to develop closed-loop control strategies on computer networks and study their stability in the presence of network delays and packet losses. An algorithm using predictors was designed to ensure the system stability in presence of network delays and packet losses. A single actuator magnetic ball levitation system was used as a test bed to validate the proposed algorithm. A brief study of real-time requirements of the networked control system is presented and a client-server architecture is developed using real-time operating environment to implement the proposed algorithm. Real-time performance of the communication on Ethernet based on user datagram protocol (UDP) was explored and UDP is presented as a suitable protocol for networked control systems. Predictors were designed based on parametric estimation models. Autoregressive (AR) and autoregressive moving average (ARMA) models of various orders were designed using MATLAB and an eighth order AR model was adopted based on the best-fit criterion. The system output was predicted several steps ahead using these predictors and control output was calculated using the predictions. This control output output was used in the events of excessive network delays to maintain system stability. Experiments employing simulations of consecutive packet losses and network delays were performed to validate the satisfactory performance of the predictor based algorithm. The current system compensates for up to 20 percent data losses in the network without loosing stability

Proceedings Work-In-Progress Session of the 13th Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium

The Work-In-Progress session of the 13th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS\u2707) presents papers describing contributions both to state of the art and state of the practice in the broad field of real-time and embedded systems. The 17 accepted papers were selected from 19 submissions. This proceedings is also available as Washington University in St. Louis Technical Report WUCSE-2007-17, at http://www.cse.seas.wustl.edu/Research/FileDownload.asp?733. Special thanks go to the General Chairs – Steve Goddard and Steve Liu and Program Chairs - Scott Brandt and Frank Mueller for their support and guidance

Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaOs 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.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few decades in several application domains, from robotics, industrial process control, avionics and automotive. In fact, it is expectable that this trend will continue in the next years. In some of these application fields the dependability requirements are very important since the fail to provide services in a timely and predictable manner may cause important economic losses or even put humans in risk. In the design phase it is impossible to predict all the possible scenarios of faults, due to the non deterministic behaviour of the surrounding environment. In that way, the fault tolerance mechanisms must be included in the distributed embedded system to prevent failures occurrence. Also, many application domains require a high available bandwidth to perform the desired functions, or to turn possible the scaling with the addition of new features. The flexibility of a system also plays an important role, since it improves the capability to adapt to the surrounding world, and to the simplicity of the repair and maintenance. The flexibility improves the efficiency of all the system by providing a way to efficiently manage the available resources. This is very important in embedded systems due to the limited resources often available. A natural way to improve the bandwidth and the fault tolerance in distributed systems is to use replicated buses. Commercial and academic solutions propose the use of replicated fieldbuses for a single purpose only, either to improve the fault tolerance or to improve the available bandwidth, being the first the most common. One illustrative exception is FlexRay where the bus replica can be used to improve the bandwidth of the overall system, besides enabling redundant communications. However, only one bus replica can be used. In this thesis, a flexible bus replication scheme to improve both the dependability and the throughput of fieldbuses is presented and studied. It can be applied to any number of replicated buses, provided the required hardware support is available. The flexible use of the replicated buses can achieve an also flexible management of the network topology. This claim has been validated using the Controller Area Network (CAN) fieldbus, which has been chosen because it is widely spread in millions of systems. In fact, the proposed solution uses a paradigm that combines flexibility, time and event triggered communication, that is the Flexible Time- Triggered over CAN network (FTT-CAN). However, a generalization to native CAN is also presented and studied. The inclusion of bus replication in FTT-CAN imposes not only new mechanisms but also changes of the mechanisms associated with the master replication, which has been already studied in previous research work. In this work, these mechanisms were combined and take advantage of the centralized architecture and of the redundant masters to support an efficient and flexible bus replication. When considering the system operation, if a fault in the bus (or buses) occurs, and the consequent error leads to a system failure, the system reacts, switching to a degraded mode, where the message flows that were transmitted in the faulty bus (or buses) change to the non-faulty ones. The central node replication uses a leader-follower strategy, where the leader controls the system while the followers serve as backups. If an error occurs in the leader, a backup will take the system control maintaining the system with the same functionalities. The system has been generalized for native CAN, using two additional components that provide the same fault tolerance capabilities at the bus level, and also enable the dynamic management of the network topology. All the referred proposals were implemented and assessed in the scope of this work. The single bus version of FTT-CAN was assessed using a real application, a robotic soccer team, which has obtained excellent results in international competitions. There, the FTT-CAN based embedded system has been applied in the low level control, where, mainly it is responsible for the motion control and odometry. For the case of the multiple buses system, the assessment was performed in a laboratory test bed. For this, a fault injector was developed in order to impose faults in the buses and in the central nodes. To measure the time reaction of the system, a special hardware has been developed: a delay measurement system. It is able to measure delays between two important time marks for posterior offline analysis of the obtained values

Energy-Efficient Communication in Wireless Networks

This chapter describes the evolution of, and state of the art in, energy‐efficient techniques for wirelessly communicating networks of embedded computers, such as those found in wireless sensor network (WSN), Internet of Things (IoT) and cyberphysical systems (CPS) applications. Specifically, emphasis is placed on energy efficiency as critical to ensuring the feasibility of long lifetime, low‐maintenance and increasingly autonomous monitoring and control scenarios. A comprehensive summary of link layer and routing protocols for a variety of traffic patterns is discussed, in addition to their combination and evaluation as full protocol stacks