Lifetime Enhancement of Real-Time Satellite Embedded Systems via Multi-Core Task Mapping and DVFS
실시간 인공위성 임베디드 시스템의 수명 향상을 위한 멀티코어 태스크 매핑 및 DVFS 기법
- 주제(키워드) low earth orbit satellites , real-time embedded systems , reliability , multi-core processor , dynamic voltage and frequency scaling (DVFS)
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 양회석
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030454
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Recently, thanks to the miniaturization and high performance of commercial-off-the-shelf (COTS) computer systems, small satellites get popular. However, due to the very expensive launching cost, it is critical to reduce the physical size and weight of the satellite systems as in cube satellites (CubeSats), making it infeasible to install high capacity batteries or solar panels. Thus, the low-power design is one of the most critical issues in the design of such systems. In addition, as satellites make periodic revolutions around the Earth in a vacuum, their operating temperature varies greatly. For instance, in a low earth orbit (LEO) CubeSats, called SwissCube, the temperatures vary from 30 to −30 degrees Celsius, resulting in a big thermal cycle (TC) in the electronic parts that is known to be one of the most critical reliability threats. Moreover, such LEO CubeSats are not fully protected by active thermal control and thermal insulation due to the cost, volume, and weight problems. In this paper, I propose to utilize temperature sensors to maximize the lifetime reliability of the LEO satellite systems via multi-core mapping and dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) under power constraint. As conventional reliability enhancement techniques primarily focus on reducing the temperature, it may still cause enlarged TCs, making them even less reliable. On the contrary, I try to maintain the TC optimal in terms of reliability with respect to the given power constraint. Experimental evaluation shows that the proposed technique improves the expected lifetime of the satellite embedded systems by up to 8.03 times in the simulation of Nvidia’s Jetson TK1.
more초록/요약
최근 상용 기성품(Commercial Off-The-Shelf, COTS) 컴퓨터 시스템의 소형화 및 고성능 덕분에 소형인공위성에서 인기를 얻고 있다. 그러나 로켓 발사 비용이 매우 비싸기 때문에 큐브 위성(Cube Satellites, CubeSats)과 같이 물리적인 크기와 무게를 줄이는 것이 굉장히 중요하고, 고용량 배터리나 태양광 패널을 장착하기에 어려움이 있다. 따라서 저전력 설계는 이러한 시스템 설계에서 가장 중요한 문제 중 하나이다. 또한 인공위성은 진공 상태에서 지구 주위를 주기적으로 회전하며 동작 온도가 크게 달라진다. 예를 들어 SwissCube라는 저궤도(Low Earth Orbit, LEO) 큐브 위성의 온도가 섭씨 약 30℃에서 -30℃로 변하며 전자 부품에 큰 열주기(Thermal Cycle, TC)를 발생하고, 이는 가장 중요한 신뢰성 위협 중 하나로 알려져 있다. 또한 이러한 저궤도 큐브위성은 비용, 부피, 및 무게 제약으로 인해 능동적인 열 제어 및 단열로 충분히 보호하기에 어려움이 있다. 본 논문에서는 전력 제약에서 저궤도 인공위성 시스템의 수명 신뢰성을 최대화하기 위한 멀티 코어 매핑과 동적 전압 및 주파수 스케일링(Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS) 기법을 제안한다. 기존의 신뢰성 향상 기법들은 주로 온도를 낮추는 것을 중점으로하는데, 이는 저궤도 인공위성 환경에서 열주기를 확대하여 오히려 신뢰성을 악화시킬 수 있다. 이에 반하여 본 논문에서는 주어진 전력 제약에 대해 신뢰성 측면에서 열주기를 최적으로 유지하고자 노력한다. 실험 결과 제안된 기법은 Nvidia의 Jetson TK1 시뮬레이션에서 인공위성 임베디드 시스템의 기대수명을 최대 8.03배까지 향상시키는 것으로 나타났다.
more목차
CHAPTER I. INTRODUCTION 1
CHAPTER II. RELATED WORK 6
CHAPTER III. SYSTEM MODEL 9
3.1 Task-Architecture Model 9
3.2 Power-Temperature Model 11
3.3 Reliability Model 14
3.4 Problem Definition 16
CHAPTER IV. PROPOSED MAPPING/DVFS TECHNIQUE 17
4.1 Initial Mapping and Frequency Assignment 19
4.2 Derivation of the Temperature Threshold 22
4.3 DVFS and Virtual Task Injection 26
4.4 Inaccuracy of Temperature Analysis 28
CHAPTER V. EXPERIMENTS 29
5.1 Evaluation Environment and Parameters 29
5.2 Simulation Results 31
5.2.1 Comparison to the Conventional Low-Power Mapping 31
5.2.2 Different Power Budgets 34
5.2.3 Effect of Frequency Ranges 37
5.2.4 Effect of Coffin-Manson Exponent 37
CHAPTER VI. CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS 39
REFERENCES 41
