Datacenter Design for Future Cloud Radio Access Network.

Cloud radio access network (C-RAN), an emerging cloud service that combines the traditional radio access network (RAN) with cloud computing technology, has been proposed as a solution to handle the growing energy consumption and cost of the traditional RAN. Through aggregating baseband units (BBUs) in a centralized cloud datacenter, C-RAN reduces energy and cost, and improves wireless throughput and quality of service. However, designing a datacenter for C-RAN has not yet been studied. In this dissertation, I investigate how a datacenter for C-RAN BBUs should be built on commodity servers. I first design WiBench, an open-source benchmark suite containing the key signal processing kernels of many mainstream wireless protocols, and study its characteristics. The characterization study shows that there is abundant data level parallelism (DLP) and thread level parallelism (TLP). Based on this result, I then develop high performance software implementations of C-RAN BBU kernels in C++ and CUDA for both CPUs and GPUs. In addition, I generalize the GPU parallelization techniques of the Turbo decoder to the trellis algorithms, an important family of algorithms that are widely used in data compression and channel coding. Then I evaluate the performance of commodity CPU servers and GPU servers. The study shows that the datacenter with GPU servers can meet the LTE standard throughput with 4× to 16× fewer machines than with CPU servers. A further energy and cost analysis show that GPU servers can save on average 13× more energy and 6× more cost. Thus, I propose the C-RAN datacenter be built using GPUs as a server platform. Next I study resource management techniques to handle the temporal and spatial traffic imbalance in a C-RAN datacenter. I propose a “hill-climbing” power management that combines powering-off GPUs and DVFS to match the temporal C-RAN traffic pattern. Under a practical traffic model, this technique saves 40% of the BBU energy in a GPU-based C-RAN datacenter. For spatial traffic imbalance, I propose three workload distribution techniques to improve load balance and throughput. Among all three techniques, pipelining packets has the most throughput improvement at 10% and 16% for balanced and unbalanced loads, respectively.PhDComputer Science and EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/120825/1/qizheng_1.pd

Efficient implementation of channel estimation algorithm for beamforming

Abstract. The future 5G mobile network technology is expected to offer significantly better performance than its predecessors. Improved data rates in conjunction with low latency is believed to enable technological revolutions such as self-driving cars. To achieve faster data rates, MIMO systems can be utilized. These systems enable the use of spatial filtering technique known as beamforming. Beamforming that is based on the preacquired channel matrix is computationally very demanding causing challenges in achieving low latency. By acquiring the channel matrix as efficiently as possible, we can facilitate this challenge. In this thesis we examined the implementation of channel estimation algorithm for beamforming with a digital signal processor specialized in vector computation. We present implementations for different antenna configurations based on three different approaches. The results show that the best performance is achieved by applying the algorithm according to the limitations given by the system and the processor architecture. Although the exploitation of the parallel architecture was proved to be challenging, the implementation of the algorithm would have benefitted from the greater amount of parallelism. The current parallel resources will be a challenge especially in the future as the size of antenna configurations is expected to grow.Keilanmuodostuksen tarvitseman kanavaestimointialgoritmin tehokas toteutus. Tiivistelmä. Tulevan viidennen sukupolven mobiiliverkkoteknologian odotetaan tarjoavan merkittävästi edeltäjäänsä parempaa suorituskykyä. Tämän suorituskyvyn tarjoamat suuret datanopeudet yhdistettynä pieneen latenssiin uskotaan mahdollistavan esimerkiksi itsestään ajavat autot. Suurempien datanopeuksien saavuttamiseksi voidaan hyödyntää monitiekanavassa käytettävää MIMO-systeemiä, joka mahdollistaa keilanmuodostuksena tunnetun spatiaalisen suodatusmenetelmän käytön. Etukäteen hankittuun kanavatilatietoon perustuva keilanmuodostus on laskennallisesti erittäin kallista. Tämä aiheuttaa haasteita verkon pienen latenssivaatimuksen saavuttamisessa. Tässä työssä tutkittiin keilanmuodostukselle tarkoitetun kanavaestimointialgoritmin tehokasta toteutusta hyödyntäen vektorilaskentaan erikoistunutta prosessoriarkkitehtuuria. Työssä esitellään kolmea eri lähestymistapaa hyödyntävät toteutukset eri kokoisille antennikonfiguraatioille. Tuloksista nähdään, että paras suorituskyky saavutetaan sovittamalla algoritmi järjestelmän ja arkkitehtuurin asettamien rajoitusten mukaisesti. Vaikka rinnakkaisarkkitehtuurin hyödyntäminen asetti omat haasteensa, olisi algoritmin toteutus hyötynyt suuremmasta rinnakkaisuuden määrästä. Nykyinen rinnakkaisuuden määrä tulee olemaan haaste erityisesti tulevaisuudessa, sillä antennikonfiguraatioiden koon odotetaan kasvavan

A new vision of software defined radio: from academic experimentation to industrial explotation

The broad objective of this study is to examine the role of Software Defined Radio in an industrial field. Basically examines the changes that have to be done to achieve moving this technology in a commercial domain. It is important to predict the impacts of the introduction of Software Defined Radio in the telecommunications industry because it is a real future that is coming. The project starts with the evolution of mobile telecommunications systems through the history. Following this, Software Defined Radio is defined and its main features are commented such as its architecture. Moreover, it wants to predict the changes that the telecommunications industry will might suffer with the introduction of SDR and some future structural and organizational variations are suggested. Additionally, it is discussed the positive and negative aspects of the introduction of SDR in the commercial domain from different points of view and finally, the future SDR mobile phone is described with its possible hardware and software.Outgoin

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI