Pruned Bit-Reversal Permutations: Mathematical Characterization, Fast Algorithms and Architectures

A mathematical characterization of serially-pruned permutations (SPPs) employed in variable-length permuters and their associated fast pruning algorithms and architectures are proposed. Permuters are used in many signal processing systems for shuffling data and in communication systems as an adjunct to coding for error correction. Typically only a small set of discrete permuter lengths are supported. Serial pruning is a simple technique to alter the length of a permutation to support a wider range of lengths, but results in a serial processing bottleneck. In this paper, parallelizing SPPs is formulated in terms of recursively computing sums involving integer floor and related functions using integer operations, in a fashion analogous to evaluating Dedekind sums. A mathematical treatment for bit-reversal permutations (BRPs) is presented, and closed-form expressions for BRP statistics are derived. It is shown that BRP sequences have weak correlation properties. A new statistic called permutation inliers that characterizes the pruning gap of pruned interleavers is proposed. Using this statistic, a recursive algorithm that computes the minimum inliers count of a pruned BR interleaver (PBRI) in logarithmic time complexity is presented. This algorithm enables parallelizing a serial PBRI algorithm by any desired parallelism factor by computing the pruning gap in lookahead rather than a serial fashion, resulting in significant reduction in interleaving latency and memory overhead. Extensions to 2-D block and stream interleavers, as well as applications to pruned fast Fourier transforms and LTE turbo interleavers, are also presented. Moreover, hardware-efficient architectures for the proposed algorithms are developed. Simulation results demonstrate 3 to 4 orders of magnitude improvement in interleaving time compared to existing approaches.Comment: 31 page

Time domain based image generation for synthetic aperture radar on field programmable gate arrays

Aerial images are important in different scenarios including surface cartography, surveillance, disaster control, height map generation, etc. Synthetic Aperture Radar (SAR) is one way to generate these images even through clouds and in the absence of daylight. For a wide and easy usage of this technology, SAR systems should be small, mounted to Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) and process images in real-time. Since UAVs are small and lightweight, more robust (but also more complex) time-domain algorithms are required for good image quality in case of heavy turbulence. Typically the SAR data set size does not allow for ground transmission and processing, while the UAV size does not allow for huge systems and high power consumption to process the data. A small and energy-efficient signal processing system is therefore required. To fill the gap between existing systems that are capable of either high-speed processing or low power consumption, the focus of this thesis is the analysis, design, and implementation of such a system. A survey shows that most architectures either have to high power budgets or too few processing capabilities to match real-time requirements for time-domain-based processing. Therefore, a Field Programmable Gate Array (FPGA) based system is designed, as it allows for high performance and low-power consumption. The Global Backprojection (GBP) is implemented, as it is the standard time-domain-based algorithm which allows for highest image quality at arbitrary trajectories at the complexity of O(N3). To satisfy real-time requirements under all circumstances, the accelerated Fast Factorized Backprojection (FFBP) algorithm with a complexity of O(N2logN) is implemented as well, to allow for a trade-off between image quality and processing time. Additionally, algorithm and design are enhanced to correct the failing assumptions for Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) Radio Detection And Ranging (Radar) data at high velocities. Such sensors offer high-resolution data at considerably low transmit power which is especially interesting for UAVs. A full analysis of all algorithms is carried out, to design a highly utilized architecture for maximum throughput. The process covers the analysis of mathematical steps and approximations for hardware speedup, the analysis of code dependencies for instruction parallelism and the analysis of streaming capabilities, including memory access and caching strategies, as well as parallelization considerations and pipeline analysis. Each architecture is described in all details with its surrounding control structure. As proof of concepts, the architectures are mapped on a Virtex 6 FPGA and results on resource utilization, runtime and image quality are presented and discussed. A special framework allows to scale and port the design to other FPGAs easily and to enable for maximum resource utilization and speedup. The result is streaming architectures that are capable of massive parallelization with a minimum in system stalls. It is shown that real-time processing on FPGAs with strict power budgets in time-domain is possible with the GBP (mid-sized images) and the FFBP (any image size with a trade-off in quality), allowing for a UAV scenario

Communication-Efficient Probabilistic Algorithms: Selection, Sampling, and Checking

Diese Dissertation behandelt drei grundlegende Klassen von Problemen in Big-Data-Systemen, für die wir kommunikationseffiziente probabilistische Algorithmen entwickeln. Im ersten Teil betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, im zweiten Teil das Ziehen gewichteter Stichproben (Weighted Sampling) und im dritten Teil die probabilistische Korrektheitsprüfung von Basisoperationen in Big-Data-Frameworks (Checking). Diese Arbeit ist durch einen wachsenden Bedarf an Kommunikationseffizienz motiviert, der daher rührt, dass der auf das Netzwerk und seine Nutzung zurückzuführende Anteil sowohl der Anschaffungskosten als auch des Energieverbrauchs von Supercomputern und der Laufzeit verteilter Anwendungen immer weiter wächst. Überraschend wenige kommunikationseffiziente Algorithmen sind für grundlegende Big-Data-Probleme bekannt. In dieser Arbeit schließen wir einige dieser Lücken. Zunächst betrachten wir verschiedene Selektionsprobleme, beginnend mit der verteilten Version des klassischen Selektionsproblems, d. h. dem Auffinden des Elements von Rang $k$ in einer großen verteilten Eingabe. Wir zeigen, wie dieses Problem kommunikationseffizient gelöst werden kann, ohne anzunehmen, dass die Elemente der Eingabe zufällig verteilt seien. Hierzu ersetzen wir die Methode zur Pivotwahl in einem schon lange bekannten Algorithmus und zeigen, dass dies hinreichend ist. Anschließend zeigen wir, dass die Selektion aus lokal sortierten Folgen – multisequence selection – wesentlich schneller lösbar ist, wenn der genaue Rang des Ausgabeelements in einem gewissen Bereich variieren darf. Dies benutzen wir anschließend, um eine verteilte Prioritätswarteschlange mit Bulk-Operationen zu konstruieren. Später werden wir diese verwenden, um gewichtete Stichproben aus Datenströmen zu ziehen (Reservoir Sampling). Schließlich betrachten wir das Problem, die global häufigsten Objekte sowie die, deren zugehörige Werte die größten Summen ergeben, mit einem stichprobenbasierten Ansatz zu identifizieren. Im Kapitel über gewichtete Stichproben werden zunächst neue Konstruktionsalgorithmen für eine klassische Datenstruktur für dieses Problem, sogenannte Alias-Tabellen, vorgestellt. Zu Beginn stellen wir den ersten Linearzeit-Konstruktionsalgorithmus für diese Datenstruktur vor, der mit konstant viel Zusatzspeicher auskommt. Anschließend parallelisieren wir diesen Algorithmus für Shared Memory und erhalten so den ersten parallelen Konstruktionsalgorithmus für Aliastabellen. Hiernach zeigen wir, wie das Problem für verteilte Systeme mit einem zweistufigen Algorithmus angegangen werden kann. Anschließend stellen wir einen ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen vor. Ausgabesensitiv bedeutet, dass die Laufzeit des Algorithmus sich auf die Anzahl der eindeutigen Elemente in der Ausgabe bezieht und nicht auf die Größe der Stichprobe. Dieser Algorithmus kann sowohl sequentiell als auch auf Shared-Memory-Maschinen und verteilten Systemen eingesetzt werden und ist der erste derartige Algorithmus in allen drei Kategorien. Wir passen ihn anschließend an das Ziehen gewichteter Stichproben ohne Zurücklegen an, indem wir ihn mit einem Schätzer für die Anzahl der eindeutigen Elemente in einer Stichprobe mit Zurücklegen kombinieren. Poisson-Sampling, eine Verallgemeinerung des Bernoulli-Sampling auf gewichtete Elemente, kann auf ganzzahlige Sortierung zurückgeführt werden, und wir zeigen, wie ein bestehender Ansatz parallelisiert werden kann. Für das Sampling aus Datenströmen passen wir einen sequentiellen Algorithmus an und zeigen, wie er in einem Mini-Batch-Modell unter Verwendung unserer im Selektionskapitel eingeführten Bulk-Prioritätswarteschlange parallelisiert werden kann. Das Kapitel endet mit einer ausführlichen Evaluierung unserer Aliastabellen-Konstruktionsalgorithmen, unseres ausgabesensitiven Algorithmus für gewichtete Stichproben mit Zurücklegen und unseres Algorithmus für gewichtetes Reservoir-Sampling. Um die Korrektheit verteilter Algorithmen probabilistisch zu verifizieren, schlagen wir Checker für grundlegende Operationen von Big-Data-Frameworks vor. Wir zeigen, dass die Überprüfung zahlreicher Operationen auf zwei „Kern“-Checker reduziert werden kann, nämlich die Prüfung von Aggregationen und ob eine Folge eine Permutation einer anderen Folge ist. Während mehrere Ansätze für letzteres Problem seit geraumer Zeit bekannt sind und sich auch einfach parallelisieren lassen, ist unser Summenaggregations-Checker eine neuartige Anwendung der gleichen Datenstruktur, die auch zählenden Bloom-Filtern und dem Count-Min-Sketch zugrunde liegt. Wir haben beide Checker in Thrill, einem Big-Data-Framework, implementiert. Experimente mit absichtlich herbeigeführten Fehlern bestätigen die von unserer theoretischen Analyse vorhergesagte Erkennungsgenauigkeit. Dies gilt selbst dann, wenn wir häufig verwendete schnelle Hash-Funktionen mit in der Theorie suboptimalen Eigenschaften verwenden. Skalierungsexperimente auf einem Supercomputer zeigen, dass unsere Checker nur sehr geringen Laufzeit-Overhead haben, welcher im Bereich von $2\,\%$ liegt und dabei die Korrektheit des Ergebnisses nahezu garantiert wird

Proceedings of the first international workshop on Investigating dataflow in embedded computing architectures (IDEA 2015), January 21, 2015, Amsterdam, The Netherlands

IDEA '15 held at HiPEAC 2015, Amsterdam, The Netherlands on January 21st, 2015 is the rst workshop on Investigating Data ow in Embedded computing Architectures. This technical report comprises of the proceedings of IDEA '15. Over the years, data ow has been gaining popularity among Embedded Systems researchers around Europe and the world. However, research on data ow is limited to small pockets in dierent communities without a common forum for discussion. The goal of the workshop was to provide a platform to researchers and practitioners to present work on modelling and analysis of present and future high performance embedded computing architectures using data ow. Despite being the rst edition of the workshop, it was very pleasant to see a total of 14 submissions, out of which 6 papers were selected following a thorough reviewing process. All the papers were reviewed by at least 5 reviewers. This workshop could not have become a reality without the help of a Technical Program Committee (TPC). The TPC members not only did the hard work to give helpful reviews in time, but also participated in extensive discussion following the reviewing process, leading to an excellent workshop program and very valuable feedback to authors. Likewise, the Organisation Committee also deserves acknowledgment to make this workshop a successful event. We take this opportunity to thank everyone who contributed in making this workshop a success