Distributed Channel Allocation Algorithms for Wireless Sensor Networks

Interference between concurrent transmissions can cause severe performance degradation in wireless sensor networks (WSNs). While multiple channels available in WSN technology such as IEEE 802.15.4 can be exploited to mitigate interference, channel allocation can have a significant impact on the performance of multi-channel communication. This paper proposes a set of distributed algorithms for near-optimal channel allocation in WSNs with theoretical bounds. We first consider the problem of minimizing the number of channels needed to remove interference in a WSN, and propose both receiver-based and link-based distributed channel allocation protocols. For WSNs with an insufficient number of channels, we formulate a fair channel allocation problem whose objective is to minimize the maximum interference (MinMax) experienced by any transmission link in the network. We prove that MinMax channel allocation is NP-hard and propose a distributed link-based MinMax channel allocation protocol. We also propose a distributed protocol for link scheduling based on MinMax channel allocation. Simulations based on real topologies and data traces collected from a WSN testbed consisting of 74 TelosB motes, and using random topologies have shown that our channel allocation protocols significantly outperform a state-of-the-art channel allocation protocol

A new approach to detecting failures in distributed systems

textFault-tolerant distributed systems often handle failures in two steps: first, detect the failure and, second, take some recovery action. A common approach to detecting failures is end-to-end timeouts, but using timeouts brings problems. First, timeouts are inaccurate: just because a process is unresponsive does not mean that process has failed. Second, choosing a timeout is hard: short timeouts can exacerbate the problem of inaccuracy, and long timeouts can make the system wait unnecessarily. In fact, a good timeout value—one that balances the choice between accuracy and speed—may not even exist, owing to the variance in a system’s end-to-end delays. ƃis dissertation posits a new approach to detecting failures in distributed systems: use information about failures that is local to each component, e.g., the contents of an OS’s process table. We call such information inside information, and use it as the basis in the design and implementation of three failure reporting services for data center applications, which we call Falcon, Albatross, and Pigeon. Falcon deploys a network of software modules to gather inside information in the system, and it guarantees that it never reports a working process as crashed by sometimes terminating unresponsive components. ƃis choice helps applications by making reports of failure reliable, meaning that applications can treat them as ground truth. Unfortunately, Falcon cannot handle network failures because guaranteeing that a process has crashed requires network communication; we address this problem in Albatross and Pigeon. Instead of killing, Albatross blocks suspected processes from using the network, allowing applications to make progress during network partitions. Pigeon renounces interference altogether, and reports inside information to applications directly and with more detail to help applications make better recovery decisions. By using these services, applications can improve their recovery from failures both quantitatively and qualitatively. Quantitatively, these services reduce detection time by one to two orders of magnitude over the end-to-end timeouts commonly used by data center applications, thereby reducing the unavailability caused by failures. Qualitatively, these services provide more specific information about failures, which can reduce the logic required for recovery and can help applications better decide when recovery is not necessary.Computer Science

Real-Time Wireless Sensor-Actuator Networks for Cyber-Physical Systems

A cyber-physical system (CPS) employs tight integration of, and coordination between computational, networking, and physical elements. Wireless sensor-actuator networks provide a new communication technology for a broad range of CPS applications such as process control, smart manufacturing, and data center management. Sensing and control in these systems need to meet stringent real-time performance requirements on communication latency in challenging environments. There have been limited results on real-time scheduling theory for wireless sensor-actuator networks. Real-time transmission scheduling and analysis for wireless sensor-actuator networks requires new methodologies to deal with unique characteristics of wireless communication. Furthermore, the performance of a wireless control involves intricate interactions between real-time communication and control. This thesis research tackles these challenges and make a series of contributions to the theory and system for wireless CPS. (1) We establish a new real-time scheduling theory for wireless sensor-actuator networks. (2) We develop a scheduling-control co-design approach for holistic optimization of control performance in a wireless control system. (3) We design and implement a wireless sensor-actuator network for CPS in data center power management. (4) We expand our research to develop scheduling algorithms and analyses for real-time parallel computing to support computation-intensive CPS

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie