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Anwendungs-spezifische Rechnerarchitekturen
Energie-Effiziente Berechnungen durch FPGA/CGRA-basierte Hardwarebeschleuniger
Drahtlose Sensornetze (Routing, Synchronisation)

Eine heterogene Architektur für energieeffiziente drahtlose Sensorknoten in rechenintensiven verteilten Anwendungen

Drahtlose Sensornetze (Wireless Sensor Networks, WSNs) kombinieren eingebettete Sensorik und Rechenleistung mit einer drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur, wodurch räumlich verteilte Überwachungsanwendungen unterstützt werden. WSNs werden seit mehr als drei Jahrzehnten erforscht, aktuelle soziale und industrielle Trends wie intelligentes Wohnen oder das Internet der Dinge haben aber auch die kommerzielle Bedeutung dieser Schlüsseltechnologie verstärkt. Die übertragbaren Datenmengen sind durch das Transportmedium und die verfügbare Energie der Sensorknoten beschränkt. Um die wachsende Anzahl an Sensoren und die steigenden Abtastraten dennoch zu bewältigen, wurden die ursprünglich als einfache Datenerfassungssysteme ausgelegten WSNs um Fähigkeiten zur dezentralen Datenaggregation erweitert. Um den dadurch ständig wachsenden Bedarf an verteilter Rechenleistung mit den beschränkten Energieressourcen zu realisieren, werden energieeffiziente Recheneinheiten benötigt.

Die heterogene Hardware-Accelerated Low-Power Mote (HaLoMote) Architektur kombiniert ein Fiel-Programmable Gate Array (FPGA) für die Hardware-Beschleunigung von Datenaggregationsalgorithmen und einem Funksystem mit integriertem Mikrocontroller für das Netzwerkmanagement und die übergeordnete Steuerung der Anwendungen. Um eine effiziente Energieverwaltung für die HaLoMote zu ermöglichen, verwendet die prototypische Implementierung namens Hardware-Accelerated Low Energy Wireless Embedded Sensor Node (HaLOEWEn) ein FPGA mit persistentem Konfigurationsspeicher. Wie bei jeder Multiprozessorarchitektur beeinflusst die Interprozessorkommunikation und -koordination auch die Effizienz der HaLoMote. Daher wurde ein anwendungsunabhängiges Kommunikationsschema entwickelt, welches eng mit den Energiesparmechanismen der Plattform verknüpft und auf schnelle Wechsel zwischen Aktiv- und Ruhemodi ausgelegt ist. Dadurch können Schlafphasen innerhalb jedes Abtastzykluses selbst bei Abtastraten von mehreren Hundert Hertz genutzt werden.

Darüber hinaus wurde das Abwägen zwischen der drahtlosen Übertragung von Sensordaten und deren lokaler Aggregation untersucht. Dazu wird die HaLOEWEn Plattform mit herkömmlichen Software-Prozessoren bezüglich ihrer Laufzeit- und Energieeffizienz im Rahmen von verschiedenen Überwachungsanwendungen verglichen. Die verwendeten Algorithmen kombinieren Hardware-Beschleuniger für digitale Signalverarbeitungsprimitiven und verlustfreie Datenkompression mit einem präzisen Zeitsynchronisationsmechanismus sowie einem Verfahren zum kollisionsfreien Verteilen von Informationen im Netzwerk. Diese allgemeinen Komponenten können für ähnliche verteilte Überwachungsanwendungen mit aufwändiger dezentraler Datenaggregation wiederverwendet werden.

Eine Anwendung aus dem Bereich der Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) wird für die systemische Evaluation des (HaLoMote) Konzepts verwendet. Die Random Decrement Technik (RDT) ist ein spezieller Aggregationsalgorithmus, welcher das freie Ausschwingverhalten der überwachten Struktur ermittelt, selbst wenn die eigentliche Anregung der Struktur nicht bekannt ist. Dies ermöglicht eine operative Modalanalyse, welche die Voraussetzung für eine autonome Langzeitüberwachung ist. Die Berechnung der RDT auf der HaLOEWEn Plattform benötigt nur 43 % der Energie, welche ein aktueller ARM Cortex-M Mikrocontroller für den gleichen Algorithmus verbraucht. Um die Funktionsfähigkeit des gesamten WSN-basierten SHM Systems nachzuweisen, wurde ein Demonstrator im Labormaßstab aufgebaut. Im Vergleich zu einem drahtgebundenen Labormesssystem können die wesentlichen Strukturinformationen vom HaLOEWEn Netzwerk mit weniger als 1 % Abweichung erfasst werden.

Publications

Wolf, D., Engel, A., Ruschke, T., Koch, A., and Hochberger, C. (2021). UltraSynth: Insights of a CGRA Integration into a Control Engineering Environment. Journal of Signal Processing Systems, 1–17. doi: 10.1007/s11265-021-01641-7
Preprint DOI

Bibtex

@article{wolf2021jsps,
  author = {Wolf, Dennis and Engel, Andreas and Ruschke, Tajas and Koch, Andreas and Hochberger, Christian},
  year = {2021},
  month = feb,
  pages = {1-17},
  title = {UltraSynth: Insights of a CGRA Integration into a Control
  Engineering Environment},
  journal = {Journal of Signal Processing Systems},
  doi = {10.1007/s11265-021-01641-7},
  preprint = {https://doi.org/10.1007/s11265-021-01641-7}
}

Wolf, D., Ruschke, T., Hochberger, C., Engel, A., and Koch, A. (2019). UltraSynth: Integration of a CGRA into a Control Engineering Environment. In C. Hochberger, B. Nelson, A. Koch, R. Woods, and P. Diniz (Eds.), Applied Reconfigurable Computing (pp. 247–261). Cham: Springer International Publishing.
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Bibtex

@inproceedings{engel2019ultrasynth,
  author = {Wolf, Dennis and Ruschke, Tajas and Hochberger, Christian and Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  editor = {Hochberger, Christian and Nelson, Brent and Koch, Andreas and Woods, Roger and Diniz, Pedro},
  title = {UltraSynth: Integration of a CGRA into a Control Engineering Environment},
  booktitle = {Applied Reconfigurable Computing},
  year = {2019},
  publisher = {Springer International Publishing},
  address = {Cham},
  pages = {247--261},
  isbn = {978-3-030-17227-5},
  preprint = {https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-17227-5_18}
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Engel, A., and Koch, A. (2017). Energy-Efficient Reconfiguration of Flash-based FPGAs in Heterogeneous Wireless Sensor Nodes. In IEEE Proc. International Conference on ReConFigurable Computing and FPGAs (ReConFig). IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2017eerffpgahwsn,
  title = {Energy-Efficient Reconfiguration of Flash-based FPGAs in Heterogeneous Wireless Sensor Nodes},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. International Conference on ReConFigurable Computing and FPGAs (ReConFig)},
  year = {2017},
  organization = {IEEE}
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Engel, A., and Koch, A. (2016). Heterogeneous Wireless Sensor Nodes That Target the Internet of Things. In IEEE Micro Magazine. IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2016hwsnttit,
  title = {Heterogeneous Wireless Sensor Nodes That Target the Internet of Things},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Micro Magazine},
  year = {2016},
  organization = {IEEE}
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Engel, A., and Koch, A. (2015). Accelerated Clock Drift Estimation for High-Precision Wireless Time-Synchronization. In IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN). IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2015acdehpwts,
  title = {Accelerated Clock Drift Estimation for High-Precision Wireless Time-Synchronization},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN)},
  year = {2015},
  organization = {IEEE}
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Engel, A., and Koch, A. (2015). DEMO: The Need for Wireless Clock Drift Estimation and Its Acceleration on a Heterogeneous Sensor Node. In IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN). IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2015demotnwcdeiahsn,
  title = {DEMO: The Need for Wireless Clock Drift Estimation and Its Acceleration on a Heterogeneous Sensor Node},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN)},
  year = {2015},
  organization = {IEEE}
}

Engel, A., Siebel, T., and Koch, A. (2015). A Heterogeneous System Architecture for Low-Power Wireless Sensor Nodes in Compute-intensive Distributed Applications. In IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN). IEEE.
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Bibtex

@inproceedings{engel2015ahsalpwsncda,
  title = {A Heterogeneous System Architecture for Low-Power Wireless Sensor Nodes in Compute-intensive Distributed Applications},
  author = {Engel, Andreas and Siebel, Thomas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Local Computer Networks (LCN)},
  year = {2015},
  organization = {IEEE}
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Engel, A., Hildebrand, P., Pott, P., Schlaak, F., and Koch, A. (2014). Hardware-Accelerated Embedded Controller for a Piezo-electric Haptic Feedback System. In Proc. 14th International Conference on New Actuators and Drive Systems.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2014haecphfs,
  title = {Hardware-Accelerated Embedded Controller for a Piezo-electric Haptic Feedback System},
  author = {Engel, Andreas and Hildebrand, Paul and Pott, P. and Schlaak, F. and Koch, Andreas},
  booktitle = {Proc. 14th International Conference on New Actuators and Drive Systems},
  year = {2014}
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Engel, A., and Koch, A. (2014). Hardware-Accelerated Data Compression in Low-Power Wireless Sensor Networks. In LNCS Proc. 10th International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC). LNCS.
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Bibtex

@inproceedings{engel2014hadclpwsn,
  title = {Hardware-Accelerated Data Compression in Low-Power Wireless Sensor Networks},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {LNCS Proc. 10th International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC)},
  year = {2014},
  organization = {LNCS}
}

Hochberger, C., Jung, J., Engel, A., and Koch, A. (2014). Synthilation: JIT-Compilation of Microinstruction Sequences in AMIDAR Processors. In IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing (DASIP). IEEE.
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Bibtex

@inproceedings{hochberger2014sjitcmsamidarp,
  title = {Synthilation: JIT-Compilation of Microinstruction Sequences in AMIDAR Processors},
  author = {Hochberger, Christian and Jung, Johannes and Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing (DASIP)},
  year = {2014},
  organization = {IEEE}
}

Engel, A., Friedmann, A., Koch, M., Rohlfing, J., Siebel, T., Mayer, D., and Koch, A. (2014). Hardware-Accelerated Wireless Sensor Network for Distributed Structural Health Monitoring. In Elsevier Procedia Technology (pp. 738–747).
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2014hawsndshm,
  title = {Hardware-Accelerated Wireless Sensor Network for Distributed Structural Health Monitoring},
  author = {Engel, Andreas and Friedmann, Andreas and Koch, Michael and Rohlfing, Jens and Siebel, Thomas and Mayer, Dirk and Koch, Andreas},
  booktitle = {Elsevier Procedia Technology},
  pages = {738--747},
  year = {2014}
}

Engel, A., and Koch, A. (2014). An Energy-Efficient Wireless Routing Protocol for Distributed Structural Health Monitoring. In IEEE Proc. 7th IFIP Wireless and Mobile Networking Conference. IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2014aeewrpdshm,
  title = {An Energy-Efficient Wireless Routing Protocol for Distributed Structural Health Monitoring},
  author = {Engel, Andreas and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. 7th IFIP Wireless and Mobile Networking Conference},
  year = {2014},
  organization = {IEEE}
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Engel, A., Liebig, B., and Koch, A. (2012). Energy-efficient Heterogeneous Reconfigurable Sensor Node for Distributed Structural Health Monitoring. In IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing, 10-2012. IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2012ehrsndshm,
  title = {Energy-efficient Heterogeneous Reconfigurable Sensor Node for Distributed Structural Health Monitoring},
  author = {Engel, Andreas and Liebig, Björn and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing, 10-2012},
  year = {2012},
  organization = {IEEE}
}

Engel, A., Liebig, B., and Koch, A. (2012). HaLOEWEn: A Heterogeneous Reconfigurable Sensor Node for Distributed Structural Health Monitoring. In IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing, 10-2012
. IEEE.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2012hloeweahrsndshm,
  title = {HaLOEWEn: A Heterogeneous Reconfigurable Sensor Node for Distributed Structural Health Monitoring},
  author = {Engel, Andreas and Liebig, Björn and Koch, Andreas},
  booktitle = {IEEE Proc. Conference on Design & Architectures for Signal & Image Processing, 10-2012
},
  year = {2012},
  organization = {IEEE}
}

Engel, A., Liebig, B., and Koch, A. (2011). Feasibility Analysis of Reconfigurable Computing in Low-Power Wireless Sensor Applications. In LNCS Proc. 7th International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC). LNCS.
Preprint

Bibtex

@inproceedings{engel2011farclpwsa,
  title = {Feasibility Analysis of Reconfigurable Computing in Low-Power Wireless Sensor Applications},
  author = {Engel, Andreas and Liebig, Björn and Koch, Andreas},
  booktitle = {LNCS Proc. 7th International Symposium on Applied Reconfigurable Computing (ARC)},
  year = {2011},
  organization = {LNCS}
}