Reconfigurable computing applied to latency reduction in control and prediction systems focused on tactile internet

Fernandes, Marcelo Augusto Costa

Universidade Federal do Rio Grande do Norte

2021-01-28

Tempo real

FPGA

Sistemas embarcados

Internet tátil

Métodos de predição

Sistemas de controle

A Internet Tátil é o atual avanço tecnológico para a Internet. Esse novo paradigma possibilita o envio de informações de toque, bem como os demais estímulos já antes enviados. Dessa forma, é preciso garantir uma latência muito baixa entre os dispositivos que compõem a interação tátil. Essa latência está associada ao tempo de propagação da informação pelo canal de comunicação, poder de processamento dos dispositivos locais, complexidade das técnicas em execução, entre outros. Nesse viés, este trabalho propõe o uso de hardwares dedicados baseados em computação reconfigurável (CR) para reduzir a latência em sistemas de controle e predição aplicados a Internet Tátil. São propostas duas abordagens para tratar a problemática da latência. Na primeira abordagem é proposta a implementação de técnicas de predição lineares e não-lineares em CR. Nessa abordagem as técnicas de predição são utilizadas para minimizar os impactos causados por atrasos e perda de informações. Na segunda abordagem é proposto um sistema de controle inteligente baseado em lógica Fuzzy em CR. O sistema é um controlador do tipo Takagi - Sugeno Fuzzy-PI que se propõe a reduzir a latência associada ao processamento dos dados controle da ferramenta. A implementação usa uma estratégia totalmente paralela associada a um esquema de formato de bit híbrido (ponto fixo e ponto flutuante). Ainda nesta abordagem são propostos dois projetos de hardware: o primeiro usa uma arquitetura de processamento de ciclo de clock único e o outro usa um esquema de pipeline. As propostas são implementadas em um de Field Programmable Gate Array na plataforma Virtex 6 xc6vlx240t-1ff1156. São apresentados dados relacionados a ocupação e throughput associados a plataforma alvo, bem como comparação entre resultados através de simulação e implementações em hardware dedicado. Os resultados se mostram superiores aos apresentados em outros trabalhos presentes na literatura.

The Tactile Internet is the current technological advance for the Internet. This new paradigm enables the sending of touch information, as well as the other stimuli already sent. Thus, it is necessary to guarantee a very low latency between the devices that make up the tactile interaction. The time of propagation of information through the communication channel, processing power of local devices, the complexity of the techniques, among others, can be the cause of the system latency. This work proposes the use of dedicated hardware-based reconfigurable computing (RC) to reduce latency in control and prediction systems applied to the Tactile Internet. Two approaches are proposed to address the latency issue. In the first approach, proposes the implementation of linear and non-linear prediction techniques in RC. In this approach, prediction techniques are used to minimize the impacts caused by delays and loss of information. The second approach an intelligent control system based on Fuzzy logic in RC is proposed. The system is a Takagi - Sugeno Fuzzy-PI type controller that aims to reduce the latency associated with processing the tool’s control data. The implementation uses a completely parallel strategy associated with a hybrid bit format scheme (fixed-point and floating-point). Still in this approach, two hardware projects are proposed: the first uses a single clock cycle processing architecture and the other uses a pipeline scheme. The proposals are implemented in a Field Programmable Gate Array on the Virtex 6 xc6vlx240t-1ff1156 platform. Data related to occupation and throughput associated with the target platform are presented, as well as a comparison between results through simulation and implementations in dedicated hardware. The results are superior to those presented in other studies in the literature.