Ανάπτυξη συστηματικής μεθοδολογίας δυναμικής διαχείρισης πόρων σε ενσωματωμένα συστήματα
Authors: Ζομπάκης Νικόλαος 
Published: September 2021

Τα προηγμένης γενιάς ασύρματα δίκτυα υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα από πρωτόκολλα επικοινωνίας και υπηρεσίες ανοίγοντας νέες προκλήσεις σχεδιασμού. Η επιθυμητή ευελιξία προϋποθέτει αποτελεσματική εκμετάλλευση των πόρων του συστήματος. Ένα ευρέως γνωστό παράδειγμα τεχνολογίας με αυτά τα χαρακτηριστικά είναι οι πλατφόρμες Software Defined Radio (SDR). Τα SDR τερματικά παίζουν σημαντικό ρόλο στην υλοποίηση συμπαγούς και συνεχούς λειτουργίας στα τέταρτης γενιάς δίκτυα. Τα συστήματα αυτά έχουν υψηλές απαιτήσεις υλοποίησης εισάγοντας υψηλή δυναμικότητα ως προς την χρήση των πόρων. Πολύ συχνά αυτές οι συσκευές εμφανίζουν παροδικές υπερφορτώσεις λόγω υψηλού φόρτου εργασίας (workload burst) ή πιθανών δυσλειτουργιών στο υλικό (reliability). Έτσι αυτό του είδους τα συστήματα σχεδιάζονται ώστε να αποκρίνονται στην εμφάνιση κάθε πιθανού σεναρίου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται σε αυτές τις σχεδιαστικές προκλήσεις χρησιμοποιώντας την έννοια των σεναρίων συστήματος (system scenarios) προτείνοντας λύσεις ειδικά για ασύρματα συστήματα επικοινωνιών. Εξετάζονται τα ειδικά χαρακτηριστικά των SDR ασύρματων πλατφόρμων με επίκεντρο την επεξεργασία σήματος βασικής ζώνης. Αναλύονται οι βασικές ροές λειτουργίας και τα κριτήρια καθορισμού των σεναρίων. Επιπλέον η συνεισφορά δεν περιορίζεται στην εφαρμογή των σεναρίων συστήματος. Προτείνονται νέες επεκτάσεις της μεθοδολογία όσο αναφορά την ομαδοποίηση των συμπεριφορών του συστήματος σε σενάρια και την ανίχνευση αυτών των σεναρίων σε πραγματικό χρόνο. Πιο συγκεκριμένα, μελετώνται οι κύριοι συμβιβασμοί μεταξύ της υπερεκτίμησης ομαδοποίησης των καταστάσεων λειτουργίας σε σενάρια (τo οποίo σχετίζεται με το πόσο αντιπροσωπευτικά είναι τα εξαγόμενα σενάρια σε σχέση με τις καταστάσεις που αντιπροσωπεύουν), σε σχέση με το κόστος ανίχνευσης των σεναρίων σε πραγματικό χρόνο (προτείνοντας μετασχηματισμούς στην υλοποίηση των γράφων ανίχνευσης των σεναρίων) και το κόστος εναλλαγής των σεναρίων, το οποίο αντιπροσωπεύει το κόστος διαμόρφωσης της πλατφόρμας από τις εναλλαγές των σεναρίων. Για τις ανάγκες της μελέτης μας αναπτύξαμε ένα ευέλικτο πλαίσιο προσομοίωσης, συνδυάζοντας ένα coarse grain SDR προσομοιωτή, ο οποίος παρέχει τα βασικά συστατικά λειτουργίας ενός SDR τερματικού (όπως είναι επεξεργαστές βασικής ζώνης, αποκωδικοποιητές, το κανάλι διασύνδεσης των τερματικών), με ένα περιβάλλον προσομοίωσης το οποίο υλοποιεί την διασύνδεση των στοιχείων της SDR πλατφόρμας σε μία Network-on-Chip (NoC) αρχιτεκτονική παρέχοντας μετρήσεις ακριβείας ως προς τους κύκλους ρολογιού (cycle accurate). Αυτού του είδους η ροή προσομοίωσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα πρώιμο στάδιο σχεδιασμού ώστε να επιτευχθεί ο ακριβής χαρακτηρισμός λειτουργίας μιας εν δυνάμει SDR πλατφόρμας καθώς και η εύρεση των βέλτιστων διαμορφώσεων λειτουργίας της. Το πλήθος των παραμέτρων λειτουργίας κατέστησαν απαραίτητη την αυτοματοποίηση της διαδικασίας εξερεύνηση της πλατφόρμας κατά την προσομοίωση κάτι το οποίο επιτεύχθηκε μέσω δύο wrapper που υλοποιούν την διεπαφή μεταξύ των δύο στρωμάτων προσομοίωσης, εξασφαλίζοντας την αυτόματη εκτέλεση του πλαισίου προσομοίωσης και κατά συνέπεια την αυτόματη εξερεύνηση των διαφορετικών διαμορφώσεων. Έτσι μπορούν τα αξιολογηθούν ένα σύνολο από συμβιβασμοί κόστους πριν την τελική ανάπτυξη της πλατφόρμας. Στόχος είναι να επιτευχθεί μια αποτελεσματική αξιοποίηση των πόρων διατηρώντας το κόστος επαναδιαμόρφωσης με βάση τα σενάρια σε λογικά επίπεδα. Ακριβέστερα, κατά την πρώτη μελέτη περίπτωσης (case study), εξετάζεται το πρωτόκολλο επικοινωνίας 802.11n. Στόχος είναι να εξαχθούν σενάρια λειτουργίας του πρωτοκόλλου που θα επιτρέψουν στο σύστημα να πετύχει καλύτερη αξιοποίηση των πόρων με βάση την τρέχουσα κατάσταση λειτουργίας χωρίς να υπονομεύεται η ποιότητα υπηρεσιών του πρωτοκόλλου. Σε αυτήν την κατεύθυνση ορίζονται σενάρια που επιτυγχάνουν μια μείωση των «αδρανών» χρόνων λειτουργίας κατά μέσο όρο 92% σε σύγκριση με την χειρότερη περίπτωση. Παράλληλα εξασφαλίζεται ότι ο ρυθμός εναλλαγής των σεναρίων καθώς και ο αριθμός τους παραμένει χαμηλός διατηρώντας το κόστος ανίχνευσης των σεναρίων σε λογικά επίπεδα. Στην δεύτερη μελέτη περίπτωσης, επικεντρωνόμαστε στην διαχείριση της ισχύος σήματος για το ίδιο πρωτόκολλο (802.11n) καθώς η κατανάλωση ενέργειας στην εκπομπή και λήψη σήματος αντιπροσωπεύει τουλάχιστον το 50% της συνολικής κατανάλωσης ενός ασύρματου συστήματος. Πιο συγκεκριμένα αναπτύσσεται μια τεχνική κλιμάκωσης της ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος με βάση το τρέχον σενάριο μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας στις κεραίες 50-94%. Τα αποτελέσματα και στις δύο περιπτώσεις είναι ενθαρρυντικά και αποδεικνύουν ότι η μεθοδολογία σεναρίων συστήματος μπορεί να επιτύχει σημαντική βελτίωση στην δυναμική αξιοποίηση πόρων σε ασύρματα συστήματα και να διαχείριση την πολυπλοκότητα τους. Τέλος, στην τελευταία ενότητα, προτείνουμε μια συστηματική μεθοδολογία ανάλυσης και πρόβλεψης της διακύμανσης του φόρτου εργασίας (workload) βασιζόμενοι σε προηγμένα μαθηματικά εργαλεία από το χώρο της Θεωρίας του Χάους. Η ανάλυση γίνεται στην βάση εξέτασης χρονοσειρών που αντιπροσωπεύουν τον όγκο δεδομένων προς επεξεργασία. Η ανάλυση γίνεται σε βήματα που ανιχνεύουν το είδος της μεταβολής των δεδομένων και αξιολογούν την δυνατότητα πρόβλεψης τους. Το πλεονέκτημα της προσέγγισής είναι ότι μπορούμε να αναλύσουμε φόρτους εργασίας (data-workloads) με υψηλή πολυπλοκότητα διακύμανσης, χωρίς να απαιτείται γνώση των προδιαγραφών της εφαρμογής στόχου. Για την αξιολόγηση της προσέγγισής εφαρμόζεται μια τεχνική DFS που βασίζεται στην δυναμική πρόβλεψη του όγκου δεδομένων με βάση τα σενάρια, προσομοιώνοντας μια σύνθετη δυναμική πολυνηματική εφαρμογή σε ένα NOC προσομοιωτή. Με την προτεινόμενη στρατηγική DFS επιτυγχάνεται αξιοσημείωτη βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας, που κυμαίνεται από 17,5% (hard deadlines) έως 37,8% (soft deadlines), ανάλογα με τους χρονικούς περιορισμούς της εφαρμογής.