Redundância modular dupla baseada em paridade para transmissão de dados em sistemas de processamento de bordo em Nanossatélites

dc.contributor.advisorSilveira, Luiz Felipe de Queiroz
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4139452169580807pt_BR
dc.contributor.authorAlves, Alex Carlos Rodrigues
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/2815340641545149pt_BR
dc.contributor.referees1Souza, Cleonilson Protásio de
dc.contributor.referees2Santos Júnior, Gutemberg Gonçalves dos
dc.contributor.referees3Kreutz, Márcio Eduardo
dc.contributor.referees4Dias, Samaherni Morais
dc.contributor.referees5Souza, Samuel Xavier de
dc.date.accessioned2025-02-13T17:29:08Z
dc.date.available2025-02-13T17:29:08Z
dc.date.issued2024-11-01
dc.description.abstractThe growing demand for processing capacity in embedded systems for nanosatellites has made it common to use Commercial-Off-The-Shelf (COTS) SoCs (Systemson-Chip), which are composed of a hard-core processing unit (CPU, Central Processing Unit) and reconfigurable logic (FPGA, Field-Programmable Gate Arrays) integrated on the same chip. One point of attention in these SoCs concerns the communication interfaces between CPU and FPGA, which are implemented in the reconfigurable logic area and may suffer from errors caused by radiation in a space environment. Different types of redundancy can be employed to mitigate the effects of radiation in on-chip communication buses, highlighting information redundancy and hardware redundancy. However, despite presenting considerable correction capacity, modern information redundancy codes can present high logical complexity. Furthermore, hardware redundancy techniques such as TMR (Triple Modular Redundancy) increase the system’s area and the energy overhead. These characteristics may impact the development of nanosatellite systems, which have mass, power, weight, and cost constraints. In this context, this work presents a parity-based Dual Modular Redundancy (DMR) approach for application in COTS SoC communication interfaces, aiming at increasing data transmission reliability. To this end, it was sought to propose a solution with low logical complexity and lower area and energy consumption compared to TMR. Different versions of the technique were developed based on parity bits and DMR. For each version, mathematical expressions for the correction and error probabilities were developed, as well as the detection probability for two of the presented versions. The mathematical analysis was validated by comparisons with the results of simulations in Python scripts, considering different error rates. Furthermore, the proposed technique was compared with TMR in terms of correction probabilities. The results show that, for specific rates, the proposed approach has values close to those of TMR and that, even with the retransmission of data with possible errors, the total number of transmitted bits is lower. In order to verify the occupied area and the energy consumption, hardware implementations were performed on the Xilinx Zynq-7000 SoC. Such implementations demonstrate a lower utilization of hardware resources and energy consumption than TMR.pt_BR
dc.description.resumoA crescente demanda por capacidade de processamento em sistemas embarcados para nanossatélites tornou comum a utilização de SoCs (Systems-on-Chip) comerciais de prateleira (COTS, Commercial-Off-The-Shelf), os quais são compostos por unidade de processamento hard-core (CPU, Central Processing Unit) e lógica reconfigurável (FPGA, Field-Programmable Gate Arrays) integradas em um mesmo chip. Um ponto de atenção nesses SoCs diz respeito às interfaces de comunicação entre CPU e FPGA, as quais são implementadas na área de lógica reconfigurável e podem sofrer com erros ocasionados pela radiação em ambiente espacial. Diferentes tipos de redundância podem ser empregados para mitigar os efeitos da radiação em barramentos de comunicação on-chip, destacando-se a redundância da informação e a redundância de hardware. Contudo, apesar de apresentarem considerável capacidade de correção, códigos de redundância de informação modernos podem apresentar uma alta complexidade lógica. Ademais, técnicas de redundância de hardware como a TMR (Triple Modular Redundancy) resultam em um aumento da área ocupada pelo sistema e um overhead de energia. Essas características podem impactar o desenvolvimento de sistemas de nanossatélites, os quais possuem restrições de massa, potência, peso e custo. Nesse contexto, neste trabalho é apresentada uma abordagem de Redundância Modular Dupla (DMR, Dual Modular Redundancy) baseada em paridade para aplicação em interfaces de comunicação de SoCs COTS, objetivando o aumento da confiabilidade da transmissão de dados. Para isso, buscou-se propor uma solução com baixa complexidade lógica e com um menor consumo de área e de energia quando comparada com a TMR. Diferentes versões da técnica foram desenvolvidas tomando como base bits de paridade e a DMR. Para cada uma dessas versões, foram desenvolvidas expressões matemáticas para as probabilidades de correção e de erro, bem como à probabilidade de detecção para duas das versões. A análise matemática foi validada por meio da comparação com resultados de simulações em scripts Python, levando-se em consideração diferentes taxas de erros. Além disso, a técnica proposta foi comparada com a TMR em termos de probabilidades de correção. Os resultados mostram que, para taxas específicas, a abordagem proposta possui valores aproximados aos da TMR e que, mesmo com a retransmissão de dados com possíveis erros, o número total de bits transmitidos é menor. Como forma de verificar a área ocupada e o consumo de energia, foram realizadas implementações em hardware no SoC Xilinx Zynq-7000. Tais implementações evidenciam uma menor utilização de recursos de hardware e um menor consumo energético em comparação com a TMR.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.identifier.citationALVES, Alex Carlos Rodrigues. Redundância modular dupla baseada em paridade para transmissão de dados em sistemas de processamento de bordo em Nanossatélites. Orientador: Dr. Luiz Felipe de Queiroz Silveira. 2024. 131f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/62687
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃOpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectDMRpt_BR
dc.subjectParidadept_BR
dc.subjectTMRpt_BR
dc.subjectNanossatélitespt_BR
dc.subjectTransmissão de dadospt_BR
dc.subjectTolerância a falhaspt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICApt_BR
dc.titleRedundância modular dupla baseada em paridade para transmissão de dados em sistemas de processamento de bordo em Nanossatélitespt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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