A Preliminary FPGA Implementation and Analysis of Phatak’s Quotient-First Scaling Algorithm in the Reduced-Precision Residue Number System

We built and tested the first hardware implementation of Phatak’s Quotient-First Scaling (QFS) algorithm in the reduced-precision residue number system (RP-RNS). This algorithm is designed to expedite division in the Residue Number System for the special case when the divisor is known ahead of time (i.e., when the divisor can be considered to be a constant, as in the modular exponentiation required for the RSA encryption/decryption). We implemented the QFS algorithm using an FPGA and tested it for operand lengths up to 1024 bits. The RP-RNS modular exponentiation algorithm is not based on Montgomery’s method, but on quotient estimation derived from the straightforward division algorithm, with substantial amount of precomputations whose results are read from look-up tables at run-time. Phatak’s preliminary analysis indicates that under reasonable assumptions about hardware capabilities, a single modular multiplication’s (or QFS’s) execution time grows logarithmically with respect to the operand word length. We experimentally confirmed this predicted growth rate of the delay of a modular multiplication with our FPGA implementation. Though our implementation did not outperform the most recent implementations such as that by Gandino, et al., we determined that this outcome was solely a consequence of tradeoffs stemming from our decision to store the lookup tables on the FPGA

New Secure IoT Architectures, Communication Protocols and User Interaction Technologies for Home Automation, Industrial and Smart Environments

Programa Oficial de Doutoramento en Tecnoloxías da Información e das Comunicacións en Redes Móbiles. 5029V01Tese por compendio de publicacións[Abstract] The Internet of Things (IoT) presents a communication network where heterogeneous physical devices such as vehicles, homes, urban infrastructures or industrial machinery are interconnected and share data. For these communications to be successful, it is necessary to integrate and embed electronic devices that allow for obtaining environmental information (sensors), for performing physical actuations (actuators) as well as for sending and receiving data (network interfaces). This integration of embedded systems poses several challenges. It is needed for these devices to present very low power consumption. In many cases IoT nodes are powered by batteries or constrained power supplies. Moreover, the great amount of devices needed in an IoT network makes power e ciency one of the major concerns of these deployments, due to the cost and environmental impact of the energy consumption. This need for low energy consumption is demanded by resource constrained devices, con icting with the second major concern of IoT: security and data privacy. There are critical urban and industrial systems, such as tra c management, water supply, maritime control, railway control or high risk industrial manufacturing systems such as oil re neries that will obtain great bene ts from IoT deployments, for which non-authorized access can posse severe risks for public safety. On the other hand, both these public systems and the ones deployed on private environments (homes, working places, malls) present a risk for the privacy and security of their users. These IoT deployments need advanced security mechanisms, both to prevent access to the devices and to protect the data exchanged by them. As a consequence, it is needed to improve two main aspects: energy e ciency of IoT devices and the use of lightweight security mechanisms that can be implemented by these resource constrained devices but at the same time guarantee a fair degree of security. The huge amount of data transmitted by this type of networks also presents another challenge. There are big data systems capable of processing large amounts of data, but with IoT the granularity and dispersion of the generated information presents a new scenario very di erent from the one existing nowadays. Forecasts anticipate that there will be a growth from the 15 billion installed devices in 2015 to more than 75 billion devices in 2025. Moreover, there will be much more services exploiting the data produced by these networks, meaning the resulting tra c will be even higher. The information must not only be processed in real time, but data mining processes will have to be performed to historical data. The main goal of this Ph.D. thesis is to analyze each one of the previously described challenges and to provide solutions that allow for an adequate adoption of IoT in Industrial, domestic and, in general, any scenario that can obtain any bene t from the interconnection and exibility that IoT brings.[Resumen] La internet de las cosas (IoT o Internet of Things) representa una red de intercomunicaciones en la que participan dispositivos físicos de toda índole, como vehículos, viviendas, electrodomésticos, infraestructuras urbanas o maquinaria y dispositivos industriales. Para que esta comunicación se pueda llevar a cabo es necesario integrar elementos electr onicos que permitan obtener informaci on del entorno (sensores), realizar acciones f sicas (actuadores) y enviar y recibir la informaci on necesaria (interfaces de comunicaciones de red). La integración y uso de estos sistemas electrónicos embebidos supone varios retos. Es necesario que dichos dispositivos presenten un consumo reducido. En muchos casos deberían ser alimentados por baterías o fuentes de alimentación limitadas. Además, la gran cantidad de dispositivos que involucra la IoT hace necesario que la e ciencia energética de los mismos sea una de las principales preocupaciones, por el coste e implicaciones medioambientales que supone el consumo de electricidad de los mismos. Esta necesidad de limitar el consumo provoca que dichos dispositivos tengan unas prestaciones muy limitadas, lo que entra en conflicto con la segunda mayor preocupación de la IoT: la seguridad y privacidad de los datos. Por un lado existen sistemas críticos urbanos e industriales, como puede ser la regulación del tráfi co, el control del suministro de agua, el control marítimo, el control ferroviario o los sistemas de producción industrial de alto riesgo, como refi nerías, que son claros candidatos a benefi ciarse de la IoT, pero cuyo acceso no autorizado supone graves problemas de seguridad ciudadana. Por otro lado, tanto estos sistemas de naturaleza publica, como los que se desplieguen en entornos privados (viviendas, entornos de trabajo o centros comerciales, entre otros) suponen un riesgo para la privacidad y también para la seguridad de los usuarios. Todo esto hace que sean necesarios mecanismos de seguridad avanzados, tanto de acceso a los dispositivos como de protección de los datos que estos intercambian. En consecuencia, es necesario avanzar en dos aspectos principales: la e ciencia energética de los dispositivos y el uso de mecanismos de seguridad e ficientes, tanto computacional como energéticamente, que permitan la implantación de la IoT sin comprometer la seguridad y la privacidad de los usuarios. Por otro lado, la ingente cantidad de información que estos sistemas puede llegar a producir presenta otros dos retos que deben ser afrontados. En primer lugar, el tratamiento y análisis de datos toma una nueva dimensión. Existen sistemas de big data capaces de procesar cantidades enormes de información, pero con la internet de las cosas la granularidad y dispersión de los datos plantean un escenario muy distinto al actual. La previsión es pasar de 15.000.000.000 de dispositivos instalados en 2015 a más de 75.000.000.000 en 2025. Además existirán multitud de servicios que harán un uso intensivo de estos dispositivos y de los datos que estos intercambian, por lo que el volumen de tráfico será todavía mayor. Asimismo, la información debe ser procesada tanto en tiempo real como a posteriori sobre históricos, lo que permite obtener información estadística muy relevante en diferentes entornos. El principal objetivo de la presente tesis doctoral es analizar cada uno de estos retos (e ciencia energética, seguridad, procesamiento de datos e interacción con el usuario) y plantear soluciones que permitan una correcta adopción de la internet de las cosas en ámbitos industriales, domésticos y en general en cualquier escenario que se pueda bene ciar de la interconexión y flexibilidad de acceso que proporciona el IoT.[Resumo] O internet das cousas (IoT ou Internet of Things) representa unha rede de intercomunicaci óns na que participan dispositivos físicos moi diversos, coma vehículos, vivendas, electrodomésticos, infraestruturas urbanas ou maquinaria e dispositivos industriais. Para que estas comunicacións se poidan levar a cabo é necesario integrar elementos electrónicos que permitan obter información da contorna (sensores), realizar accións físicas (actuadores) e enviar e recibir a información necesaria (interfaces de comunicacións de rede). A integración e uso destes sistemas electrónicos integrados supón varios retos. En primeiro lugar, é necesario que estes dispositivos teñan un consumo reducido. En moitos casos deberían ser alimentados por baterías ou fontes de alimentación limitadas. Ademais, a gran cantidade de dispositivos que se empregan na IoT fai necesario que a e ciencia enerxética dos mesmos sexa unha das principais preocupacións, polo custo e implicacións medioambientais que supón o consumo de electricidade dos mesmos. Esta necesidade de limitar o consumo provoca que estes dispositivos teñan unhas prestacións moi limitadas, o que entra en con ito coa segunda maior preocupación da IoT: a seguridade e privacidade dos datos. Por un lado existen sistemas críticos urbanos e industriais, como pode ser a regulación do tráfi co, o control de augas, o control marítimo, o control ferroviario ou os sistemas de produción industrial de alto risco, como refinerías, que son claros candidatos a obter benefi cios da IoT, pero cuxo acceso non autorizado supón graves problemas de seguridade cidadá. Por outra parte tanto estes sistemas de natureza pública como os que se despreguen en contornas privadas (vivendas, contornas de traballo ou centros comerciais entre outros) supoñen un risco para a privacidade e tamén para a seguridade dos usuarios. Todo isto fai que sexan necesarios mecanismos de seguridade avanzados, tanto de acceso aos dispositivos como de protección dos datos que estes intercambian. En consecuencia, é necesario avanzar en dous aspectos principais: a e ciencia enerxética dos dispositivos e o uso de mecanismos de seguridade re cientes, tanto computacional como enerxéticamente, que permitan o despregue da IoT sen comprometer a seguridade e a privacidade dos usuarios. Por outro lado, a inxente cantidade de información que estes sistemas poden chegar a xerar presenta outros retos que deben ser tratados. O tratamento e a análise de datos toma unha nova dimensión. Existen sistemas de big data capaces de procesar cantidades enormes de información, pero coa internet das cousas a granularidade e dispersión dos datos supón un escenario moi distinto ao actual. A previsión e pasar de 15.000.000.000 de dispositivos instalados no ano 2015 a m ais de 75.000.000.000 de dispositivos no ano 2025. Ademais existirían multitude de servizos que farían un uso intensivo destes dispositivos e dos datos que intercambian, polo que o volume de tráfico sería aínda maior. Do mesmo xeito a información debe ser procesada tanto en tempo real como posteriormente sobre históricos, o que permite obter información estatística moi relevante en diferentes contornas. O principal obxectivo da presente tese doutoral é analizar cada un destes retos (e ciencia enerxética, seguridade, procesamento de datos e interacción co usuario) e propor solucións que permitan unha correcta adopción da internet das cousas en ámbitos industriais, domésticos e en xeral en todo aquel escenario que se poda bene ciar da interconexión e flexibilidade de acceso que proporciona a IoT

Optimization of Operation Sequencing in CAPP Using Hybrid Genetic Algorithm and Simulated Annealing Approach

In any CAPP system, one of the most important process planning functions is selection of the operations and corresponding machines in order to generate the optimal operation sequence. In this paper, the hybrid GA-SA algorithm is used to solve this combinatorial optimization NP (Non-deterministic Polynomial) problem. The network representation is adopted to describe operation and sequencing flexibility in process planning and the mathematical model for process planning is described with the objective of minimizing the production time. Experimental results show effectiveness of the hybrid algorithm that, in comparison with the GA and SA standalone algorithms, gives optimal operation sequence with lesser computational time and lesser number of iterations

Optimization of Operation Sequencing in CAPP Using Hybrid Genetic Algorithm and Simulated Annealing Approach

In any CAPP system, one of the most important process planning functions is selection of the operations and corresponding machines in order to generate the optimal operation sequence. In this paper, the hybrid GA-SA algorithm is used to solve this combinatorial optimization NP (Non-deterministic Polynomial) problem. The network representation is adopted to describe operation and sequencing flexibility in process planning and the mathematical model for process planning is described with the objective of minimizing the production time. Experimental results show effectiveness of the hybrid algorithm that, in comparison with the GA and SA standalone algorithms, gives optimal operation sequence with lesser computational time and lesser number of iterations

Autonomous Navigation of Automated Guided Vehicle Using Monocular Camera

This paper presents a hybrid control algorithm for Automated Guided Vehicle (AGV) consisting of two independent control loops: Position Based Control (PBC) for global navigation within manufacturing environment and Image Based Visual Servoing (IBVS) for fine motions needed for accurate steering towards loading/unloading point. The proposed hybrid control separates the initial transportation task into global navigation towards the goal point, and fine motion from the goal point to the loading/unloading point. In this manner, the need for artificial landmarks or accurate map of the environment is bypassed. Initial experimental results show the usefulness of the proposed approach.COBISS.SR-ID 27383808

Autonomous Navigation of Automated Guided Vehicle Using Monocular Camera

This paper presents a hybrid control algorithm for Automated Guided Vehicle (AGV) consisting of two independent control loops: Position Based Control (PBC) for global navigation within manufacturing environment and Image Based Visual Servoing (IBVS) for fine motions needed for accurate steering towards loading/unloading point. The proposed hybrid control separates the initial transportation task into global navigation towards the goal point, and fine motion from the goal point to the loading/unloading point. In this manner, the need for artificial landmarks or accurate map of the environment is bypassed. Initial experimental results show the usefulness of the proposed approach.COBISS.SR-ID 27383808

Symmetric and Asymmetric Data in Solution Models

This book is a Printed Edition of the Special Issue that covers research on symmetric and asymmetric data that occur in real-life problems. We invited authors to submit their theoretical or experimental research to present engineering and economic problem solution models that deal with symmetry or asymmetry of different data types. The Special Issue gained interest in the research community and received many submissions. After rigorous scientific evaluation by editors and reviewers, seventeen papers were accepted and published. The authors proposed different solution models, mainly covering uncertain data in multicriteria decision-making (MCDM) problems as complex tools to balance the symmetry between goals, risks, and constraints to cope with the complicated problems in engineering or management. Therefore, we invite researchers interested in the topics to read the papers provided in the book

Libro de Memorias: II Congreso de Microelectrónica Aplicada 2011

Este volumen contiene los trabajos presentados para el “Segundo Congreso de Microelectrónica Aplicada (μEA 2011)” que se ha de celebrar en la Ciudad de La Plata durante los días 7, 8 y 9 de Septiembre de 2011. μEA 2011 tiene los siguientes objetivos: • Constituirse en un foro de intercambio de experiencias entre los profesionales y estudiantes de todas las universidades en las áreas de Electrónica. • Comunicar a la sociedad y en nuestro idioma, los logros y resultados obtenidos, en la actividad de investigación dedicada a las aplicaciones de las Micro y Nanotecnologías.. • Incrementar la cooperación entre los grupos industriales y académicos de la Argentina y Latinoamérica con la actividad en el campo de la Microelectrónica y sus Aplicaciones.Centro de Técnicas Analógico-Digitale

Naval Postgraduate School Catalog 2016

Approved for public release; distribution is unlimited