I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   E l e c t r i c a l   a n d   C o m p u t e r   E n g i n e e r i n g   ( I J E C E )   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9 ,   p p .   1 7 1 ~ 1 8 0   I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8 ,   D O I :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j e c e . v 9 i 1 . p p 1 7 1 - 1 8 0             1 7 0       J o u r n a l   h o m e p a g e :   h t t p : / / i a e s c o r e . c o m / j o u r n a l s / i n d e x . p h p / I J E C E   H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m   g e n e r a t o r       Y u s m a r d i a h   Y u s u f ,   D a r m a w a t y   M o h d   A l i ,   N o r s u z i l a   Y a a c o b   W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y   G r o u p ,   U n i v e r s i t i   T e k n o l o g i   M A R A ,   M a l a y s i a       A r t i c l e   I n f o     A B S T R A C T   A r t i c l e   h i s t o r y :   R e c e i v e d   D e c   2 0 ,   2 0 1 7   R e v i s e d   J u l   3 1 ,   2 0 1 8   A c c e p t e d   A u g   1 6 ,   2 0 1 8       S c h e d u l i n g   m e c h a n i s m   i s   t h e   p r o c e s s   o f   a l l o c a t i n g   r a d i o   r e s o u r c e s   t o   U s e r   E q u i p m e n t   ( U E )   t h a t   t r a n s m i t s   d i f f e r e n t   f l o w s   a t   t h e   s a m e   t i m e .   I t   i s   p e r f o r m e d   b y   t h e   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   i m p l e m e n t e d   i n   t h e   L o n g   T e r m   E v o l u t i o n   b a s e   s t a t i o n ,   E v o l v e d   N o d e   B .   N o r m a l l y ,   m o s t   o f   t h e   p r o p o s e d   a l g o r i t h m s   a r e   n o t   f o c u s i n g   o n   h a n d l i n g   t h e   r e a l - t i m e   a n d   n o n - r e a l - t i m e   t r a f f i c s   s i m u l t a n e o u s l y .   T h u s ,   U E   w i t h   b a d   c h a n n e l   q u a l i t y   m a y   s t a r v e   d u e   t o   n o   r e s o u r c e s   a l l o c a t e d   f o r   q u i t e   a   l o n g   t i m e .   T o   s o l v e   t h e   p r o b l e m s ,   E x p o n e n t i a l   B l i n d   E q u a l   T h r o u g h p u t   ( E X P - B E T )   a l g o r i t h m   i s   p r o p o s e d .   U s e r   w i t h   t h e   h i g h e s t   p r i o r i t y   m e t r i c s   i s   a l l o c a t e d   t h e   r e s o u r c e s   f i r s t l y   w h i c h   i s   c a l c u l a t e d   u s i n g   t h e   E X P - B E T   m e t r i c   e q u a t i o n .   T h i s   s t u d y   i n v e s t i g a t e s   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   E X P - B E T   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   o n   t h e   F P G A   p l a t f o r m .   T h e   m e t r i c   e q u a t i o n   o f   t h e   E X P - B E T   i s   m o d e l l e d   a n d   s i m u l a t e d   u s i n g   S y s t e m   G e n e r a t o r .   T h i s   d e s i g n   h a s   u t i l i z e d   o n l y   1 0 %   o f   a v a i l a b l e   r e s o u r c e s   o n   F P G A .   F i x e d   n u m b e r s   a r e   u s e d   f o r   a l l   t h e   i n p u t   t o   t h e   s c h e d u l e r .   T h e   s y s t e m   v e r i f i c a t i o n   i s   p e r f o r m e d   b y   s i m u l a t i n g   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   f o r   t h e   m e t r i c   v a l u e   o f   t h e   E X P - B E T   m e t r i c   a l g o r i t h m .   T h e   o u t p u t   f r o m   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   s h o w e d   t h a t   t h e   m e t r i c   v a l u e s   o f   E X P - B E T   p r o d u c e   s i m i l a r   r e s u l t s   t o   t h e   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t .     T h u s ,   t h e   a l g o r i t h m   i s   r e a d y   f o r   p r o t o t y p i n g   a n d   V i r t e x - 6   F P G A   i s   c h o s e n   a s   t h e   p l a t f o r m .   K e y w o r d s :   F P G A   H a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   L T E   S c h e d u l i n g   A l g o r i t h m   M A T L A B   S i m u l i n k   X i l i n x   S y s t e m   G e n e r a t o r   C o p y r i g h t   ©   2 0 1 9   I n s t i t u t e   o f   A d v a n c e d   E n g i n e e r i n g   a n d   S c i e n c e .     A l l   r i g h t s   r e s e r v e d .   C o r r e s p o n d i n g   A u t h o r :   Y u s m a r d i a h   Y u s u f ,     W i r e l e s s   C o m m u n i c a t i o n   T e c h n o l o g y   G r o u p   ( W i C o T ) ,   F a c u l t y   o f   E l e c t r i c a l   E n g i n e e r i n g   U n i v e r s i t i   T e k n o l o g i   M A R A ,   4 0 4 5 0   S h a h   A l a m ,   M a l a y s i a .   E m a i l :   y m a r d i a h y u s u f @ g m a i l . c o m       1 .   I N T R O D U C T I O N   S c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   i s   t h e   m e t h o d   t o   a l l o c a t e   r a d i o   r e s o u r c e s   t o   u s e r   e q u i p m e n t   ( U E )   [ 1 ] .   T h e   U E ,   f o r   e x a m p l e   m o b i l e   p h o n e   t h a t   t r a n s m i t   d i f f e r e n t   f l o w s   s u c h   a s   w e b   b r o w s i n g   o r   v i d e o   s t r e a m i n g   a t   t h e   s a m e   t i m e .   T h e   p r o c e s s   o f   s c h e d u l i n g   m e c h a n i s m   i s   b a s e d   o n   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m s   i m p l e m e n t e d   a t   t h e   L o n g   T e r m   E v o l u t i o n   S t a n d a r d   ( L T E )   b a s e   s t a t i o n ,   E v o l v e d   N o d e   B .   T h e   s c h e d u l i n g   p r o c e s s   i s   p e r f o r m e d   i n   t h e   M e d i u m   A c c e s s   C o n t r o l   ( M A C )   l a y e r .   S i n c e   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   i s   a n   o p e n   i s s u e   i n   L T E ,   m a n y   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m s   h a v e   b e e n   p r o p o s e d   b y   t h e   r e s e a r c h e r s   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   P r e v i o u s l y ,   v a r i o u s   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   w h i c h   o f f e r e d   s e v e r a l   t e c h n i q u e s   i n   h a n d l i n g   r e s o u r c e s   t o   t h e   u s e r s   h a v e   b e e n   d e v e l o p e d   s u c h   a s   F r a m e   L e v e l   S c h e d u l e r   ( F L S )   [ 4 ] ,   M o d i f i e d   L a r g e s t   W e i g h t e d   D e l a y   F i r s t   ( M L W D F )   [ 5 ] ,   P r o p o r t i o n a l   F a i r n e s s   ( P F )   [ 6 ] .   I n   g e n e r a l ,   m a n y   r e s e a r c h e r s   h a v e   a l s o   s u g g e s t e d   p a c k e t   s c h e d u l e r s   t h a t   a l l o c a t e   t h e   r e s o u r c e s   t o   U E s   b y   c o n s i d e r i n g   t h e   c h a n n e l   q u a l i t y   c o n d i t i o n s   s u c h   a s   B e s t   C h a n n e l   Q u a l i t y   I n d i c a t o r   ( B C Q I )   [ 7 ]   a n d   M a x i m u m   R a t e   [ 8 ] .   I n   L T E ,   o n e   o f   t h e   i m p o r t a n t   f e a t u r e s   i s   t h e   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m .   T h e   a l g o r i t h m   i t s e l f   w i l l   d e t e r m i n e   w h i c h   p a c k e t   b r i n g   t h e   f i r s t   p r i o r i t y   t o   b e   s c h e d u l e d .     H o w e v e r ,   n o n e   o f   t h e m   h a v e   p r o p o s e d   t h e   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   t h a t   c o n s i d e r   b o t h   r e a l - t i m e   f l o w   s u c h   a s   v i d e o   s t r e a m i n g ,   o n l i n e   g a m i n g   a n d   n o n   r e a l - t i m e   f l o w   s u c h   a s   w e b   b r o w s e r ,   e m a i l .   T h e   s t u d y   i n   [ 9 ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m ( Y u s m a r d i a h   Y u s u f )   1 7 1 h a s   p r o p o s e d   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m s .   T h e s e   a l g o r i t h m   c o n s i d e r   b o t h   r e a l   t i m e   a n d   n o n   r e a l   t i m e   f l o w s   s i m u l t a n e o u s l y .   B a s e d   o n   t h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s ,   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   p e r f o r m a n c e   w a s   b e t t e r   t h a n   t h e   F L S   a n d   E X P - P F   a l g o r i t h m s   f o r   t h e   r e a l - t i m e   s e r v i c e s .   F o r   t h e   n o n - r e a l - t i m e   s e r v i c e s ,   E X P - B E T   h a s   s h o w n   a   1 7 . 7 2 %   i m p r o v e m e n t   a s   c o m p a r e d   t o   F L S   a n d   7 . 5 2 %   f o r   E X P - P F   i n   f a i r n e s s   i n d e x .   T h e   a u t h o r s   c o n c l u d e   t h a t ,   s c h e d u l i n g   c o u l d   b e   r e c o m m e n d e d   a s   o n e   o f   t h e   m e t h o d s   t o   s o l v e   t h e   p r o b l e m   o f   t h e   c e l l   e d g e   u s e r s   s i n c e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   g a v e   a   f a i r   s h a r e   o f   t h e   s y s t e m   r e s o u r c e s   t o   u s e r s   c o n s i d e r i n g   m u l t i p l e   s e r v i c e s . .   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   G a t e   A r r a y   ( F P G A )   w a s   e s t a b l i s h e d   b y   X i l i n x   C o m p a n y   I t   i s   d e v e l o p e d   b a s e d   o n   t h e   p r o g r a m m a b l e   l o g i c   d e v i c e s   ( P L D s )   a n d   t h e   l o g i c   c e l l   a r r a y   ( L C A )   c o n c e p t .   B y   p r o v i d i n g   a   t w o - d i m e n s i o n a l   a r r a y   o f   c o n f i g u r a b l e   l o g i c   b l o c k s   ( C L B s )   a n d   p r o g r a m m i n g   t h e   i n t e r c o n n e c t i o n   t h a t   c o n n e c t s   t h e   c o n f i g u r a b l e   r e s o u r c e s ,   F P G A   c a n   i m p l e m e n t   a   w i d e   r a n g e   o f   a r i t h m e t i c   a n d   l o g i c   f u n c t i o n s   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   T h e   a r c h i t e c t u r e   i s   a   r e c o n f i g u r a b l e   l o g i c a l   d e v i c e   m a d e   u p   o f   a n   a r r a y   o f   s m a l l   l o g i c   b l o c k s   a n d   a l l o c a t e d   i n t e r c o n n e c t i o n   r e s o u r c e s .   F P G A   h a s   t h e   a d v a n t a g e s   i n   t e r m s   o f   p e r f o r m a n c e ,   c o s t ,   r e l i a b i l i t y ,   f l e x i b i l i t y   a n d   t i m e - t o - m a r k e t   [ 1 2 ]   a s   c o m p a r e d   t o   o t h e r   p o p u l a r   I C   t e c h n o l o g i e s   s u c h   a s   a p p l i c a t i o n   s p e c i f i c   i n t e g r a t e d   c i r c u i t s   ( A S I C s )   a n d   d i g i t a l   s i g n a l   p r o c e s s o r s   ( D S P s ) .   I n   t e r m s   o f   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n ,   n o n e   o f   t h e   r e s e a r c h e r s   h a v e   i m p l e m e n t e d   t h e   E X P - B E T   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   u s i n g   t h e   h a r d w a r e   p l a t f o r m .   I n   2 0 1 5 ,   t h e   a u t h o r s   o f   p a p e r   [ 1 3 ]   h a v e   f o c u s e d   o n   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   v a r i o u s   a l g o r i t h m s   f o r   a n   a r b i t e r   w i t h   l o w   p o r t   d e n s i t y   ( 8 - b i t )   u s i n g   F P G A   p l a t f o r m .   R o u n d   r o b i n   a r b i t e r   w h i c h   l e d   t o   s t r o n g   f a i r n e s s   i s   s e l e c t e d   a n d   i t   w o r k s   o n   t h e   p r i n c i p l e   t h a t   a   r e q u e s t   t h a t   w a s   j u s t   s e r v e d   s h o u l d   h a v e   t h e   l o w e s t   p r i o r i t y   o n   t h e   n e x t   r o u n d   o f   a r b i t r a t i o n .     O v e r   t h e   p a s t   f e w   y e a r s ,   n e w   s o f t w a r e   t o o l s   h a v e   b e e n   e s t a b l i s h e d   b y   X i l i n x   C o m p a n y   f o r   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   t h e   F P G A .   U s i n g   S i m u l i n k   a s   a d d   o n   t o o l ,   t h e y   p r e s e n t e d   t h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   t h a t   c o n c e d e s   t h e   d e s i g n   o f   t h e   h a r d w a r e   c i r c u i t s   c o n f i g u r e d   w i t h   t h e   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t .   F u r t h e r m o r e ,   t h e   c o m b i n a t i o n   o f   X i l i n x   S y s t e m   G e n e r a t o r   a n d   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t   p r o v i d e s   s i m p l e   t e c h n i q u e   o f   t h e   h a r d w a r e   d e s i g n   t h r o u g h   t h e   u s e   o f   e x i s t i n g   S y s t e m   G e n e r a t o r   b l o c k s   a n d   s u b s y s t e m s .   T h i s   w i l l   s a v e   b o t h   t h e   r e q u i r e d   d e s i g n   t i m e   a n d   h a r d w a r e   i m p l e m e n t a t i o n   r e s o u r c e s .   H e n c e ,   t h e   p r o p o s e d   a l g o r i t h m   i s   r e a d y   f o r   c o m m e r c i a l i z a t i o n   a s   F P G A   i s   f a s t e r   t o   m a r k e t .   I n   F P G A ,   n o   l a y o u t ,   m a s k s   o r   o t h e r   f a b r i c a t i n g   s t e p s   a r e   n e e d e d   a n d   i t   i s   s i m p l e r   t o   d e s i g n   a s   c o m p a r e d   t o   A S I C   [ 1 4 ] .   T h e   h a r d w a r e   i m p l e m e n t a t i o n   i s   i m p o r t a n t   f o r   d e s i g n e r s   o f   h i g h - p e r f o r m a n c e   ( D i g i t a l   S i g n a l   P r o c e s s i n g )   D S P   s y s t e m s   s u c h   a s   w i r e l e s s   n e t w o r k s .   H e n c e ,   v e r i f i c a t i o n   o n   a   h a r d w a r e   i s   n e e d e d   t o   v a l i d a t e   t h e   t h e o r e t i c a l   a n d   s i m u l a t i o n   w o r k .     T h e r e f o r e ,   t h i s   s t u d y   a i m s   t o   i m p l e m e n t   a n d   v e r i f y   t h e   h a r d w a r e   s i m u l a t i o n   o f   E X P - B E T   a l g o r i t h m   u s i n g   X i l i n x   S y s t e m   G e n e r a t o r   ( X S G ) .   T h e   a l g o r i t h m   i s   m o d e l l e d   u s i n g   M A T L A B   S i m u l i n k   w h i c h   i s   c o n f i g u r e d   w i t h   X S G .   T h e   p a p e r   i s   o r g a n i z e d   a s   f o l l o w :   i n   S e c t i o n   2 ,   w e   d e s c r i b e   t h e   r e s e a r c h   m e t h o d .   S e c t i o n   3   p r e s e n t s   t h e   r e s u l t s   a n d   d i s c u s s i o n .   F i n a l l y   s e c t i o n   6   d r a w s   t h e   c o n c l u s i o n .       2 .   R E S E A R C H   M E T H O D   T h e   p r o p o s e d   p a c k e t   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   f o r   t h e   d o w n l i n k   t r a n s m i s s i o n   o f   L T E   i s   t h e   E x p o n e n t i a l   R u l e   a n d   B l i n d   E q u a l   T h r o u g h p u t   ( E X P - B E T )   a l g o r i t h m s .   T h e   f l o w c h a r t   f o r   t h e   d e s i g n   o f   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   i s   p r e s e n t e d   i n   F i g u r e   1 .   T h e   E X P   R u l e   a l g o r i t h m   s c h e d u l e s   t h e   r e a l - t i m e   s e r v i c e s   w h i l e   t h e   B E T   a l g o r i t h m   t a k e   c a r e s   o f   t h e   n o n - r e a l - t i m e   s e r v i c e s   a n d   s e r v e d   t h e   u s e r s   b a s e d   o n   t h e   m e t r i c s   e q u a t i o n   ( 1 - 2 ) .     2 . 1 .     E x p o n e n t i a l   ( E X P )   r u l e   T h e   m a i n   i d e a   b e h i n d   t h e   E X P   R u l e   a l g o r i t h m   i s   t o   h a v e   f a i r   t r e a t m e n t   b e t w e e n   t h r o u g h p u t ,   f a i r n e s s ,   a n d   d e l a y   r e q u i r e m e n t s   f o r   a   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m .   T h e   E X P   R u l e   g i v e s   h i g h e r   p r i o r i t y   t o   t h e   u s e r   w i t h   t h e   h i g h e s t   t r a n s m i s s i o n   d e l a y   o r   u s e r   t h a t   h a s   m o r e   p a c k e t s   i n   i t s   b u f f e r .   I t   i s   a   c h a n n e l - a w a r e   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   w h i c h   c o n s i d e r s   t h e   C Q I   m e t r i c   i n   t h e   s c h e d u l i n g   d e c i s i o n   [ 1 5 ]   a n d   h a s   b e e n   p r o v e d   t o   b e   t h e   m o s t   p r o m i s i n g   a p p r o a c h   f o r   d e l a y   s e n s i t i v e   r e a l - t i m e   a p p l i c a t i o n s   s u c h   a s   v i d e o   a n d   V o I P .     T h i s   i s   d e s c r i b e d   b y   t h e   m e t r i c   o f   ( 1 ) :     ,   , 1 i H o L i E X P R u l e i i k k H o L a D m e x p A v e r a g e D     ( 1 )     W h e r e   α i   i s   t h e   t u n e a b l e   p a r a m e t e r   w h i c h   i s   e q u a l   t o   5 / 0 . 9 9 τ i ,   τ i   i s   t h e   t h e   t o l e r a b l e   t i m e   i n t e r v a l   w i t h i n   w h i c h   t h e   p a c k e t   m u s t   r e c e i v e ,   D H O L   i s   t h e   d e l a y   o f   t h e   f i r s t   p a c k e t   t o   b e   t r a n s m i t t e d   b y   t h e   i t h   u s e r ,   A v e r a g e D H O L   i s   e q u a l   t o   R T N i H o L R T D N 1 1 ,   N R T   i s   t h e   n u m b e r   o f   a c t i v e   d o w n l i n k   r e a l   t i m e   f l o w s ,   Г i k   i s   t h e   s p e c t r a l   e f f i c i e n c y   f o r   i t h   u s e r   o v e r   k t h   r e s o u r c e   b l o c k     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     1 7 1   -   1 8 0   1 7 2 2 . 2 .     B l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   F a i r n e s s   c a n   b e   a c h i e v e d   w i t h   B l i n d   E q u a l   T h r o u g h p u t   ( B E T )   w h i c h   s t o r e s   t h e   p a s t   a v e r a g e   t h r o u g h p u t   a c h i e v e d   b y   e a c h   u s e r .   T h e   m e t r i c   ( f o r   t h e   i t h   u s e r )   i s   c a l c u l a t e d   a s :         ( 2 )     W h e r e   R i ( t )   i s   e q u a l   t o   β R i ( t - 1 )   +   ( 1 - β )   r i ( t ) ,   β   i s   t h e   w e i g h   f a c t o r   f o r   m o v i n g   a v e r a g e   β ( 1 β 0 ) ,   R i ( t - 1 )   i s   t h e   p a s t   a v e r a g e   t h r o u g h p u t   o f   t h e   u s e r   a t   t i m e   t - 1 ,   r i ( t )   i s   t h e   a c h i e v a b l e   d a t a   r a t e   f o r   u s e r   i t h   a t   t i m e   t t h .           F i g u r e   1 .   E X P - B E T   d e s i g n   f l o w       T h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   i s   m o d e l l e d   u s i n g   t h e   X i l i n x   B l o c k s e t .   T h e   X i l i n x   B l o c k s e t   l i b r a r y   c o n t a i n s   a l l   t h e   b a s i c   b l o c k s   s u c h   a s   a d d e r s ,   m u l t i p l i e r s ,   r e g i s t e r s   a n d   m e m o r i e s   f o r   t h e   s p e c i f i c   d e s i g n .   T h e   a l g o r i t h m s   a r e   d e v e l o p e d   a n d   m o d e l s   a r e   c r e a t e d   f o r   a l l   t h e   m a t h e m a t i c a l   o p e r a t i o n   f o r   t h e   E X P - B E T   m e t r i c s   c o m p u t a t i o n   u s i n g   l i b r a r y   p r o v i d e d   b y   X i l i n x   B l o c k   s e t .   T o   i m p l e m e n t   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   i n t o   F P G A ,   M A T L A B   S i m u l i n k   [ 1 6 ] ,   a n d   X i l i n x   s y s t e m   g e n e r a t o r   t o o l s   n e e d   t o   b e   c o n f i g u r e d .   I n   t h e   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t ,   t h e   F P G A   b o u n d a r y   i s   d e f i n e d   i n   t h e   G a t e w a y   I n   a n d   G a t e w a y   O u t   b l o c k s   w h e r e   t h e   i n p u t   a n d   o u t p u t   f o r   t h e   F P G A   i s   f e d   i n t o   t h e   G a t e w a y   I n   a n d   t h e   o u t p u t   i s   p r o d u c e d   f r o m   t h e   G a t e w a y   O u t   p o r t .   T h e s e   p o r t s   i n t e r f a c e   t h e   S i m u l i n k   d o u b l e   d a t a   t y p e   a n d   t h e   F P G A   f i x e d   p o i n t   e n v i r o n m e n t s .   I n   t h e   G a t e w a y   I n   b l o c k ,   t h e   S i m u l i n k   f l o a t i n g   p o i n t   i n p u t   i s   c o n v e r t e d   t o   a   f i x e d   p o i n t   f o r m a t ,   s a t u r a t i o n   a n d   r o u n d i n g   m o d e s .   T h e s e   p a r a m e t e r s   a r e   d e f i n e d   b y   t h e   d e s i g n e r .   T h e   s y s t e m   o u t p u t   w h i c h   i s   g e n e r a t e d   b y   t h e   G a t e w a y   O u t   p o r t   c o n v e r t s   t h e   F P G A   f i x e d   p o i n t   f o r m a t   t o   S i m u l i n k   d o u b l e   n u m e r i c a l   p r e c i s i o n   f l o a t i n g   p o i n t   f o r m a t .     H e n c e ,   t h e   s y s t e m   i s   s i m u l a t e d ,   t e s t e d   a n d   v e r i f i e d   b y   e x a m i n i n g   t h e   r e s u l t s   w h i c h   i s   g e n e r a t e d   o n   t h e   d i s p l a y   p o r t   f r o m   t h e   S i m u l i n k   s o u r c e   l i b r a r y .   T o   v a l i d a t e   t h e   d e s i g n e d   m o d e l   i n   S i m u l i n k ,   t i m i n g   , 1 ( t ) B E T i k i m R S T A R T   D e s i g n   t h e   E X P - B E T   A l g o r i t h m   u s i n g   S i m u l i n k   B l o c k s   D e s i g n   V e r i f i e d ?   T e s t   t h e   S y s t e m   u n d e r   S i m u l i n k   D e s i g n   t h e   E X P - B E T   A l g o r i t h m   u s i n g   X i l i n x   B l o c k s e t   T e s t   t h e   s y s t e m   u n d e r   S y s t e m   G e n e r a t o r   D e s i g n   V e r i f i e d ?   T i m i n g   A n a l y s i s   H a r d w a r e   C o - S i m u l a t i o n   T i m i n g   V e r i f i e d ?   D e s i g n   V e r i f i e d ?   E N D   Y e s   N o   Y e s   Y e s   Y e s   N o   N o   N o   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m ( Y u s m a r d i a h   Y u s u f )   1 7 3 a n a l y s i s   i s   u s e d .   T i m i n g   a n a l y s i s   i s   r e p r e s e n t e d   w i t h   d e l a y   p a r a m e t e r   a n d   i t   i s   u s e d   f o r   v e r i f i c a t i o n   o f   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t   d e s i g n .   T h i s   v e r i f i e s   t h e   f u n c t i o n a l i t y   o f   t h e   s y s t e m   m o d e l   g e n e r a t e d   u s i n g   t h e   X S G   a n d   S i m u l i n k .   T h e   n e x t   s t e p   i s   t o   s e t   u p   t h e   s y s t e m   g e n e r a t o r   f o r   t h e   h a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n .   I n   f a c t ,   t h e   h a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n   i s   o n e   o f   t h e   t e c h n i q u e s   p r o v i d e d   b y   t h e   s y s t e m   g e n e r a t o r   t o   t r a n s f o r m   t h e   m o d e l   b u i l t   i n   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t   i n t o   h a r d w a r e .   T h e   X S G   c a n   b e   u s e d   w i t h   d i f f e r e n t   t y p e s   o f   F P G A   b o a r d s   a n d   p r o v i d e   f e w   o t h e r   o p t i o n s   f o r   c l o c k   s p e e d ,   c o m p i l a t i o n   t y p e   a n d   a n a l y s i s .   F P G A   b o a r d   u s e d   f o r   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   E X P - B E T   a l g o r i t h m   i s   V i r t e x - 6   x c 6 v l x 2 4 0 t - 1 f f 1 1 5 6 .     L a s t l y ,   t h e   F P G A   i s   c o m p i l e d   u s i n g   b i t s t r e a m   p r o g r a m m i n g   f i l e   ( B I T )   t h a t   i s   a u t o m a t i c a l l y   g e n e r a t e d   b y   t h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   d u r i n g   H a r d w a r e   C o - S i m u l a t i o n .   A f t e r   t h e   g e n e r a t e d   b i t   f i l e   i s   d o w n l o a d e d   o n t o   t h e   F P G A ,   t h e   i n p u t   t o   t h e   d e v i c e   i s   f e d   f r o m   S i m u l i n k s   s o u r c e   b l o c k   a n d   t h e   d e v i c e   o u t p u t   i s   r e c e i v e d   b a c k   i n   S i m u l i n k s   s i n k s   b l o c k .   T h i s   e n a b l e s   w i d e - r a n g i n g   t e s t i n g   a s   t h e   d a t a   f r o m   t h e   F P G A   c a n   b e   d i r e c t l y   t r a n s f e r r e d   t o   t h e   M A T L A B   e n v i r o n m e n t .   A f t e r   t h e   h a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n   i s   c o m p l e t e d ,   t h e   r e s u l t s   c a n   b e   s e e n   o n   a   d i s p l a y   s i n k   b l o c k s   f r o m   t h e   S i m u l i n k   l i b r a r y .   I f   t h e   o u t p u t   i s   s i m i l a r   t o   t h e   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t s   o u t p u t ,   t h e n   t h e   a l g o r i t h m   i s   c o n f i m e d   t o   b e   s u c c e s s f u l l y   p r o t o t y p e d .   T h e   X i l i n x   b l o c k s e t   u s e d   i n   t h e   d e s i g n   i s   p r e s e n t e d   i n   F i g u r e   2 .           F i g u r e   2 .   X i l i n x   b l o c k s e t   u s e d   i n   t h e   s i m u l i n k   d e s i g n   [ 1 7 ]       3 .   R E S U L T S   A N D   A N A L Y S I S   T h i s   s e c t i o n   d i s c u s s e s   o n   t h e   r e s u l t s   o f   s i m u l a t i n g   t h e   E X P - B E T   m e t r i c   e q u a t i o n   i n   t h e   S y s t e m   G e n e r a t o r .   T h e   r e s u l t s   o b t a i n e d   a r e   t h e n   v e r i f i e d   u s i n g   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n .     3 . 1 .     S i m u l a t i n g   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m   g e n e r a t o r   F i r s t l y ,   t h e   d e s i g n   o f   E X P - B E T   i s   v e r i f i e d   t h r o u g h   r a t e   a n d   t y p e   p r o p a g a t i o n   u s i n g   t h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   b l o c k .   I f   a   s i g n a l   c a r r y i n g   f l o a t i n g - p o i n t   d a t a   i s   c o n n e c t e d   t o   t h e   p o r t   o f   a   S y s t e m   G e n e r a t o r   b l o c k   t h a t   d o e s   n o t   s u p p o r t   t h e   f l o a t i n g - p o i n t   d a t a   t y p e ,   e r r o r   w i l l   b e   d e t e c t e d .   T h e   r a t e   a n d   p r o p o g a t i o n   t y p e   f o r   E X P   a n d   B E T   a l g o r i t h m s   a r e   i l l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   3   a n d   F i g u r e   4 .           F i g u r e   3 .   R a t e   a n d   t y p e   p r o p a g a t i o n   f o r   B E T   a l g o r i t h m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     1 7 1   -   1 8 0   1 7 4       F i g u r e   4 .   R a t e   a n d   t y p e   p r o p a g a t i o n   f o r   E X P   r u l e   a l g o r i t h m       3 . 2 .     T i m i n g   a n a l y s i s   T i m i n g   i s   v e r y   i m p o r t a n t   w h e n   t h e   d e s i g n e r   i s   w o r k i n g   w i t h   h a r d w a r e   d e s c r i p t i o n   l a n g u a g e .   H a r d w a r e   l a n g u a g e   i n v o l v e s   s i m u l t a n e o u s   e x e c u t i o n   o f   p r o c e s s   w h i c h   m e a n s   i t   r u n s   i n   p a r a l l e l   m a n n e r .   T h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   p r o v i d e s   a   t i m i n g   a n a l y s i s   t o o l   n a m e d   t h e   t i m i n g   a n a l y z e r   t o   a s s i s t   t h e   t i m i n g   a n a l y s i s   o f   t h e   h a r d w a r e   d e s i g n .   T i m i n g   a n a l y z e r   p r o v i d e s   a   r e p o r t   o n   s l o w   p a t h s   a n d   c l e a r l y   d i s p l a y s   t h e   p a t h s   t h a t   f a i l e d   o n   h a r d w a r e .   T h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   b l o c k   g i v e s   t h r e e   o p t i o n s   o f   c l o c k   f r e q u e n c y   w h i c h   a r e   1 0 0   M H z ,   5 0   M H z   o r   3 3 . 3 M H z   [ 1 5 ]   f o r   t h e   X i l i n x   M L 6 0 5   b o a r d .   T o   s t a r t   o f f ,   5 0   M H z   o f   c l o c k   f r e q u e n c y   i s   s e l e c t e d   w h i c h   m e a n s   t h a t   t h e   s y s t e m   s h o u l d   o p e r a t e   w i t h i n   2 0   n s   o f   F P G A   c l o c k   p e r i o d .   T h e   f o r m u l a   f o r   t h e   c a l c u l a t i o n   o f   c l o c k   p e r i o d   i s :     f T 1   ( 3 )     w h e r e   f   i s   t h e   f r e q u e n c y .   I t   i s   o b s e r v e d   t h a t   t h e   E X P   s y s t e m   i s   f a i l e d   t o   g e n e r a t e   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   a n d   t h e   t o t a l   p a t h   d e l a y   i s   1 1 2 . 6 4   n s   w h i c h   i s   o b v i o u s l y   h i g h e r   t h a n   2 0   n s   o f   c l o c k   p e r i o d   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   5 .   T h e   t i m i n g   a n a l y z e r   i n   F i g u r e   6   i s   d e t a i l i n g   o n   t h e   f a i l e d   p a t h   o f   t h e   E X P   s y s t e m   a n d   w i l l   a u t o m a t i c a l l y   h i g h l i g h t i n g   t h e   b l o c k s e t   o f   t h e   E X P   s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7   w h e n   t h e   c u r s o r   i s   p o i n t e d   o n   t o   o n e   o f   t h e   l i s t i n g   a s   i n   F i g u r e   6 .   T h e   f a i l i n g   p a t h   s h o w s   t h a t   t i m i n g   v i o l a t i o n s   h a v e   o c c u r r e d   a n d   t h e   i n p u t   f r o m   o n e   s y n c h r o n o u s   o u t p u t   s t a g e   d o e s   n o t   r e a c h   t h e   i n p u t   o f   t h e   n e x t   s t a g e   w i t h i n   t h e   r e q u i r e d   t i m e   b y   t h e   s y s t e m   d e s i g n .   A s   o b s e r v e d   i n   F i g u r e   7 ,   t h e   t i m i n g   f a i l e d   f o r   t h e   p a t h s   o f   d i v i d e ,   s q u a r e   r o o t   a n d   C O R D I C   4 . 0 .   H e n c e f o r t h ,   t h e   f a i l i n g   p a t h s   n e e d   t o   b e   o p t i m i z e d .           F i g u r e   5 .   H i s t o g r a m   f o r   E X P   s y s t e m   f a i l i n g   p a t h   ( 5 0   M H z )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m ( Y u s m a r d i a h   Y u s u f )   1 7 5     F i g u r e   6 .   E X P   r u l e   s y s t e m   t i m i n g   a n a l y z e r           F i g u r e   7 .   E X P   r u l e   a l g o r i t h m   f a i l i n g   p a t h   ( 5 0   M H z )       T h e   s l o w   p a t h   f o r   e a c h   b l o c k   i s   o p t i m i z e d   u s i n g   p i p e l i n i n g   m e t h o d   s i n c e   t h e   h a r d w a r e   o p e r a t i o n   i s   w o r k i n g   i n   p a r a l l e l   m a n n e r .   T h u s ,   t h e   c a l c u l a t i o n   i s   s p l i t   u p   i n t o   m u l t i p l e   c y c l e s .   F o r   e x a m p l e ,   t h e   a d d i t i o n   o p e r a t i o n   n e e d s   t o   w a i t   f o r   t h e   d i v i s i o n   o p e r a t i o n   t h a t   t a k e s   m u c h   i t e r a t i o n   t o   p r o d u c e   o u t p u t .   T h u s ,   t h e   l a t e n c y   i s   a d d e d   t o   t h e   a d d i t i o n   o p e r a t i o n   a s   t o   w a i t   f o r   t h e   d i v i s i o n   o p e r a t i o n .   O n e   o f   t h e   w a y s   t h a t   c a n   b e   u s e d   t o   a d d r e s s   t h e   p r o b l e m   a s   a f o r e m e n t i o n e d   i s   b y   i m p l e m e n t i n g   t h e   p i p e l i n i n g   m e t h o d .   T h i s   c a n   b e   d o n e   b y   a d d i n g   r e g i s t e r   o r   d e l a y   s t a g e s   r e q u i r e m e n t s   d u r i n g   s y n t h e s i s   a n d   t r i e s   t o   g e n e r a t e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   a s   t o   m e e t   t h e   r e q u i r e m e n t .   I n   t h i s   r e s e a r c h ,   t h e   l a t e n c y   o f   t h e   i n d i v i d u a l   b l o c k   i s   a d d e d   t h r o u g h o u t   t h e   d e s i g n   a s   t a b u l a t e d   i n   T a b l e   1 .   L a t e n c y   o r   c l o c k   p e r i o d   i s   t h e   n u m b e r   o f   c y c l e s   r e q u i r e d   f o r   t h e   s y s t e m   t o   a c c e p t   t h e   n e x t   i n p u t .   F o r   e x a m p l e ,   i f   t h e   d e s i g n   n e e d s   t o   a c c e p t   n e w   i n p u t   a n d   r e q u i r e s   1 0   c y c l e s   t o   p r o p a g a t e   f r o m   i n p u t   t o   o u t p u t ,   t h u s ,   i t   m e a n s   t h a t   t h e   l a t e n c y   i s   1 0 .   T h u s ,   t o   a d d r e s s   t h e   p r o b l e m s   a s   i n   F i g u r e   6   t o   F i g u r e   8 ,   t h e   c l o c k   f r e q u e n c y   s h o u l d   b e   s e t   t o   t h e   m i n i m u m   w h i c h   i s   3 3 . 3 3 3   M H z .   I f   t h e   c l o c k   f r e q u e n c y   i s   a t   a   s l o w e r   r a t e ,   t h e n   t h e   t i m i n g   c o n s t r a i n t   w i l l   b e   m u c h   e a s i e r   t o   a c c o m p l i s h .   T a b l e   2   s h o w s   t h e   f r e q u e n c y   a n d   F P G A   c l o c k   p e r i o d   f o r   t h e   E X P - B E T   s y s t e m   b e f o r e   a n d   a f t e r   o p t i m i z a t i o n   p r o c e s s .       T a b l e   1 .   L a t e n c y   B e f o r e   a n d   A f t e r   O p t i m i z a t i o n     T a b l e   2 .   F r e q u e n c y   a n d   F P G A   C l o c k   P e r i o d   B e f o r e   a n d   A f t e r   O p t i m i z a t i o n   B l o c k s e t   L a t e n c y     P a r a m e t e r s   B e f o r e   A f t e r     B e f o r e   A f t e r     C l o c k   P e r i o d / C l o c k   R a t e   ( n s )   2 0   3 0   D i v i d e   0   1 9     F r e q u e n c y   ( M H z )   5 0   3 3 . 3 3 3   S q u a r e   R o o t   0   1 7     M u l t i p l y   3   3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     1 7 1   -   1 8 0   1 7 6 T h e   o p t i m i z e d   E X P - B E T   s y s t e m   i s   s i m u l a t e d   o n c e   a g a i n   a n d   a c h i e v e s   a l l   t h e   t i m i n g   c o n s t r a i n t s .   T h e   E X P - B E T   s y s t e m   i s   s u c c e s s f u l l y   v e r i f i e d   i n   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   w h e n   t h e   o u t p u t   o f   b i t s t r e a m   i s   s u c c e s s f u l l y   g e n e r a t e d   a f t e r   t h e   c o m p i l a t i o n   s t a g e .   T h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   i s   c o n s i d e r e d   f a i l   w h e n   t h e   t i m i n g   c o n s t r a i n t   i s   v i o l a t e d .   F i g u r e   8   a n d   F i g u r e   9   i l l u s t r a t e   t h e   h i s t o g r a m   f o r   E X P - B E T   p a t h   d e l a y   a f t e r   t h e   s y s t e m   i s   b e i n g   o p t i m i z e d .   T h e   H i s t o g r a m   C h a r t s   o f   1 5 0   p a t h s   d e l a y   d i s t r i b u t i o n   a r e   b e h a v i o u r a l l y   g e n e r a t e d   v i a   t h e   X i l i n x   t i m i n g   a n a l y z e r   t a r g e t i n g   t h e   V i r t e x - 6   F P G A   b o a r d .   E a c h   h i s t o g r a m   c h a r t   i s   a   u s e f u l   m e t r i c   t o   a n a l y z e   t h e   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   o f   E X P - B E T   a n d   g r o u p i n g   1 5 0   p a t h s   i n t o   r e g i o n s   o f   r o u g h l y   f o r m e d   n o r m a l   d i s t r i b u t i o n   c l u s t e r   d u e   t o   d i f f e r e n t   p o r t i o n s   o f   t h e   s y s t e m   g e n e r a t o r   a r c h i t e c t u r e s ,   o r   f r o m   d i f f e r e n t   t i m i n g   c l o c k   r e g i o n   c o n s t r a i n t s .   T h e   n u m b e r s   a t   t h e   t o p   o f   t h e   b i n s   i n d i c a t e   t h e   n u m b e r   o f   s l o w   p a t h s .   T h e   i m p r o v e d   p a r a m e t e r i z e d   F P G A   i m p l e m e n t a t i o n   c a n   b e   a d j u s t e d   s o   t h a t   a l l   s i g n a l s   a r e   c o m p l e t e l y   r o u t e d ,   a n d   a l l   t i m i n g   c o n s t r a i n t s   a r e   m e t .           F i g u r e   8 .   H i s t o g r a m   f o r   B E T   p a t h   d e l a y   ( 3 3 . 3 3 3   M H z )           F i g u r e   9 .   H i s t o g r a m   f o r   E X P   r u l e   p a t h   d e l a y   ( 3 3 . 3 3 3   M H z )       T h e   h i s t o g r a m   c h a r t s   o f   F i g u r e   8   a n d   F i g u r e   9   s h o w s   t h e   B E T   a n d   E X P   R u l e   p a t h   d e l a y   o p e r a t e   w i t h i n   3 0   n s   o f   c l o c k   p e r i o d   ( 3 3 . 3 3 3 M H z )   a n d   m e e t   t h e   t i m i n g   c o n s t r a i n t s .   A s   i l l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   8   a n d   F i g u r e   9 ,   m a j o r i t y   o f   t h e   s l o w   p a t h s   f o r   B E T   o c c u r r e d   a t   2 5 . 0 6   n s   w h e r e a s   f o r   E X P ,   t h e   s l o w e s t   p a t h   i s   o b s e r v e d   a t   2 9 . 6 5   n s   r e s p e c t i v e l y .   T h e r e f o r e ,   i t   c a n   b e   c o n c l u d e d   t h a t   t h e   E X P - B E T   s y s t e m   i s   a b l e   t o   r u n   o n   t h e   F P G A   b o a r d   w i t h i n   3 0   n s   o f   c l o c k   p e r i o d .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m ( Y u s m a r d i a h   Y u s u f )   1 7 7 3 . 3     P o w e r   a n a l y s i s   X i l i n x   c o n s t a n t l y   i n n o v a t e s   t o   m a k e   s u r e   t h e   p o w e r   c h a l l e n g e s   a s s o c i a t e d   w i t h   s h r i n k i n g   t e c h n o l o g i e s   c a n   b e   o v e r c o m e .   X i l i n x   u n d e r s t a n d s   t h a t   F P G A   p o w e r   c o n s u m p t i o n   i s   o n e   o f   t h e   b i g g e s t   c o n c e r n s   o f   F P G A   u s e r s .   X i l i n x   P o w e r   T o o l s   h e l p   t o   p e r f o r m   p o w e r   e s t i m a t i o n   a n d   a n a l y s i s   f o r   a   g i v e n   d e s i g n .   P o w e r   e s t i m a t i o n   a n d   a n a l y s i s   b e c o m e   e v e n   m o r e   i m p o r t a n t   a s   F P G A s   i n c r e a s e   i n   l o g i c   c a p a c i t y   a n d   p e r f o r m a n c e   b y   m i g r a t i n g   t o   s m a l l e r   p r o c e s s   g e o m e t r i e s   [ 1 8 ] .   T h e   X i l i n x   P o w e r   A n a l y s e r   ( X P A )   i s   u s e d   t o   a n a l y z e   t h e   p o w e r   c o n s u m p t i o n   o f   t h e   d e s i g n   w h i c h   d e p e n d s   o n   t h e   f a m i l y   o f   t h e   d e v i c e   u s e d ,   c l o c k ,   l o g i c ,   s i g n a l ,   I / O s   a n d   l e a k a g e   p o w e r .   T a b l e   3   s h o w s   t h e   e s t i m a t e d   p o w e r   c o n s u m p t i o n   f o r   E X P - B E T   s y s t e m .   T h e   d e s i g n e d   a r c h i t e c t u r e   u s e s   a   t o t a l   p o w e r   o f   3 . 4 7 2   W a t t   a n d   3 . 4 3 7   W a t t   f o r   E X P - B E T   r e s p e c t i v e l y .   A s   a   c o n c l u s i o n ,   t h i s   p o w e r   s h o w s   m i n i m u m   c o n s u m p t i o n   o f   V i r t e x - 6   F P G A .   I t   i s   b e i n g   p r o v e d   t h a t ,   c u r r e n t   F P G A   t e c h n o l o g y   s u c h   a s   V i r t e x - 6   g i v e s   l o w   p o w e r   c o n s u m p t i o n   a n d   o p e r a t e s   a t   m a x i m u m   p e r f o r m a n c e   [ 1 9 ] .       T a b l e   3 .   E X P - B E T   P o w e r   A n a l y s i s   P a r a m e t e r   P o w e r   ( W )   U s e d   A v a i l a b l e   U t i l i z a t i o n   ( % )   E X P   B E T   E X P   B E T   E X P   B E T   E X P   B E T   C l o c k s   0 . 0 1 0   0 . 0 0 3   1   1     -   -   -   L o g i c   0 . 0 2 0   0 . 0 0 4   6 2 8 8   1 0 3 0   1 5 0 7 2 0   1 5 0 7 2 0   4   1   S i g n a l s   0 . 0 1 1   0 . 0 0 2   8 6 4 7   1 5 2 9   -   -   -   -   D S P s   0 . 0 0 0   0 . 0 0 0   6   2   6 0 0   7 6 8   1   0   I O s   0 . 0 0 8   0 . 0 0 6   1 2 9   9 7   6 0 0   6 0 0   2 2   1 6   L e a k a g e   3 . 4 2 3   3 . 4 2 2     T o t a l   3 . 4 7 2   3 . 4 3 7       3 . 4     D e s i g n   s u m m a r y   f o r   d e v i c e   u t i l i z a t i o n   T h e   E X P - B E T   w a s   i m p l e m e n t e d   i n   a n   X C 6 V L X 2 4 0   F P G A .   T h e   f l e x i b i l i t y   o f   t h e   V i r t e x 6   F P G A   i s   r e a l i z e d   i n   t h e   s l i c e   r e s o u r c e s .   E a c h   s l i c e   i s   c o m p o s e d   o f   t w o   6   i n p u t   l o o k - u p   t a b l e s   ( L U T s )   a n d   a s s o c i a t e d   l o g i c .   T h e   s l i c e s   a r e   l a i d   o u t   i n   a n   a r r a y - l i k e   s t r u c t u r e   a n d   e a c h   c a n   b e   r e c o n f i g u r e d   t o   f o r m   l a r g e r   c o m p l e x   s y s t e m s .   F P G A   l o g i c   d e s i g n   i s   c o n t r o l l e d   a t   t h e   b i t   l e v e l ,   g i v i n g   t h e   u s e r   t h e   p o w e r   t o   d e c i d e   w h a t   r e s o u r c e s   t o   u s e ,   p l a c e m e n t   o f   t h e   d e s i g n   i n   h a r d w a r e   a n d   t h e   m a x i m u m   s u s t a i n a b l e   c l o c k   f r e q u e n c y .   T a b l e   4   s h o w s   t h e   d e v i c e   u t i l i z a t i o n   s u m m a r y   f o r   E X P - B E T   s y s t e m .   T h e   m a x i m u m   o p e r a t i n g   f r e q u e n c y   a n d   p o w e r   u t i l i z a t i o n   a l o n g   w i t h   t h e   r e s o u r c e   u t i l i z a t i o n   b e f o r e   a n d   a f t e r   t h e   o p t i m i z a t i o n   s t a g e   i n   t h e   c r i t i c a l   p a t h   a r e   i n c l u d e d .       T a b l e   4 .   D e s i g n   U t i l z a t i o n   S u m m a r y     S y s t e m   E X P   R u l e   B E T   O p t i m i z a t i o n   B e f o r e   A f t e r   B e f o r e   A f t e r   F F s   1 0 5   2 1 2 2   ( 1 % )   1 0 5   3 3 7   ( 1 % )   L U T s   5 , 9 3 1   6 2 8 8   ( 4 % )   1 6 4 4   1 0 3 0   ( 1 % )   S l i c e s   1 , 7 6 5   1 , 9 6 7 ( 5 % )   6 1 0   3 0 9   ( 1 % )   L U T - F F   p a i r s   9 7   1 6 3 1   ( 2 4 % )   1 5 4   2 5 5   ( 2 3 % )   N u m b e r   o f   D S P 4 8 E 1 s   6   6   ( 1 % )   3   3   ( 1 % )   M a x i m u m   O p e r a t i n g   F r e q u e n c y   ( M H z )   6 0 0   C l o c k   P e r i o d   ( n s )   1 1 2 . 9 9 6   2 9 . 9 7 0   5 9 . 2 4 3   2 5 . 3 5 4       T h e   F P G A   f r a m e w o r k   i s   t h e   f u n d a m e n t a l   s t r u c t u r e   o f   t h e   l o g i c   d e v i c e ,   w h i c h   c o n s i s t   o f   F l i p - f l o p s   ( F F s ) ,   L o o k   U p   T a b l e s   ( L U T s )   a n d   S l i c e s .   T h e   I P s   h a r d   c o r e s   a r e   D S P 4 8 E 1   [ 2 0 ] .   E a c h   V i r t e x - 6   F P G A   s l i c e   c o n t a i n s   f o u r   L U T s   a n d   e i g h t   F F s .   O n l y   s o m e   s l i c e s   c a n   u s e   t h e i r   L U T s   a s   d i s t r i b u t e d   R A M .   E a c h   s l i c e   h a s   o n e   s e t   o f   c l o c k ,   c l o c k   e n a b l e ,   a n d   s e t / r e s e t   s i g n a l s   t h a t   a r e   c o m m o n   t o   b o t h   l o g i c   c e l l s .   A c c o r d i n g   t o   t h e   s i m u l a t i o n   r e p o r t s   ( r e f e r   A p p e n d i x ) ,   t h e   B E T   s y s t e m   r e q u i r e s   j u s t   3 %   o f   t h e   l o g i c   r e s o u r c e s   i n   F P G A ;   L U T s   ( 1 % ) ,   F F s   ( 1 % )   a n d   S l i c e s   ( 1 % ) .   W h e r e a s ,   f o r   E X P   R u l e   s y s t e m   r e q u i r e   1 0 %   o f   t h e   l o g i c   r e s o u r c e s   i n   t h e   F P G A .   I t   i s   c o m p o s e d   o f   L U T s   ( 4 % ) ,   F F s   ( 1 % )   a n d   S l i c e s   ( 5 % ) .   A   L U T   F l i p   F l o p   p a i r   f o r   t h i s   a r c h i t e c t u r e   r e p r e s e n t s   o n e   L U T   p a i r e d   w i t h   o n e   F l i p   F l o p   w i t h i n   a   s l i c e .   T h e   c l o c k   r a t e   o f   F P G A   V i r t e x - 6   f a m i l y   i s   6 0 0   M H z   w h i c h   i s   l a r g e   e n o u g h   t o   d r i v e   t h e   w h o l e   s y s t e m .     A c c o r d i n g   t o   t h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s ,   t h e   B E T   s y s t e m   t o o k   0 . 2 0 9   n s   t o   f i n a l i z e   t h e   g e n e r a t i o n   o f   t h e   o u t p u t .   T h e   E X P   s y s t e m   t o o k   0 . 2 4 6   n s   t o   c o m p l e t e l y   c a l c u l a t e   t h e   o u t p u t .   S i n c e   t h e   l a t e n c y   i s   s m a l l ,   t h e   E X P - B E T   s y s t e m   c a n   g e n e r a t e   o u t p u t   c o n t i n u o u s l y   b e c a u s e   o f   t h e   p i p e l i n e d   d e s i g n   o f   t h e   s y s t e m .   M o r e o v e r ,   t h e   p i p e l i n i n g   d e s i g n   m a k e s   t h e   d e l a y   o f   t h e   c l o c k   n e t   v e r y   s m a l l   w h i c h   i s   a b o u t   0 . 2   n s   a n d   i m p r o v e d   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g ,   V o l .   9 ,   N o .   1 ,   F e b r u a r y   2 0 1 9   :     1 7 1   -   1 8 0   1 7 8 s y s t e m   p e r f o r m a n c e .   U s i n g   X i l i n x   P o w e r   A n a l y z e r   a s   a   p o w e r   e s t i m a t i o n   t o o l ,   t h e   t o t a l   p o w e r   i s   e s t i m a t e d   d e p e n d i n g   o n   t h e   d e v i c e   u t i l i z a t i o n ,   c l o c k   r a t e   a n d   d e v i c e   d a t a   m o d e l .     3 . 4     H a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   T h e   f i n a l   v e r i f i c a t i o n   w a s   c o m p l e t e d   b y   i m p l e m e n t i n g   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   o f   t h e   s y s t e m   w h i c h   a l l o w s   a   s y s t e m   s i m u l a t i o n   t o   b e   r u n   c o m p l e t e l y   o n   F P G A ,   w h i l e   s h o w i n g   t h e   r e s u l t s   i n   S i m u l i n k .   B y   s e l e c t i n g   t h e   p o i n t - t o - p o i n t   E t h e r n e t   i n t e r f a c e ,   a   n e w   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   b l o c k   i s   a u t o m a t i c a l l y   g e n e r a t e d .   T h i s   i s   t h e   p r o c e s s   o f   g e n e r a t i o n   o f   t h e   e q u i v a l e n t   h a r d w a r e ,   f o r   t h e   E X P - B E T .   T h e   V i r t e x - 6   ( x c 6 v l x 2 4 0 t - 1 f f 1 1 5 6 )   i s   u s e d   a n d   w i t h   t h e   h e l p   o f   X S G   a n d   X i l i n x   X F L O W ,   t h e   e q u i v a l e n t   h a r d w a r e   g e n e r a t e d   t h e   p r o g r a m m a b l e   b i t   f i l e   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   1 0   a n d   F i g u r e   1 1 .   T a b l e   5   s h o w s   t h e   m e t r i c   v a l u e   o f   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m   g e n e r a t e d   u s i n g   t h e   C o - S i m u l a t i o n   m e t h o d   u s i n g   t h e   f i x e d   i n p u t   v a l u e s .       T a b l e   5 .   O u t p u t   P r o d u c e d   b y   t h e   C o - s i m u l a t i o n   M e t h o d   A l g o r i t h m   P a r a m e t e r s   I n p u t   O u t p u t   E X P   τ i   0 . 0 1   1 0 . 1 6   D H o L   0 . 0 0 3   A v e r a g e D H o L   0 . 0 3   N R T   1 0   Г i k   3   B E T   β   0 . 1   0 . 1 0 5 3   r i ( t )   5   R i ( t - 1 )   1 0           F i g u r e   1 0 .   B E T   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   m o d e l           F i g u r e   1 1 .   E X P   r u l e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   m o d e l   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J   E l e c   &   C o m p   E n g     I S S N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8       H a r d w a r e   s i m u l a t i o n   f o r   e x p o n e n t i a l   b l i n d   e q u a l   t h r o u g h p u t   a l g o r i t h m   u s i n g   s y s t e m ( Y u s m a r d i a h   Y u s u f )   1 7 9 T h e   p o r t   n a m e s   o n   t h e   h a r d w a r e   c o - s i m u l a t i o n   b l o c k   w h i c h   a r e   G a t e w a y   I n 1   u n t i l   G a t e w a y   I n 5   a r e   m a t c h e d   t o   t h e   p o r t   n a m e s   o n   t h e   o r i g i n a l   s u b s y s t e m .   T h e   p o r t   t y p e s   a n d   r a t e s   a l s o   m a t c h e d   t h e   o r i g i n a l   d e s i g n .   W h e n   a   v a l u e   i s   w r i t t e n   t o   o n e   o f   t h e   b l o c k ' s   G a t e w a y   i n p u t   p o r t s ,   t h e   b l o c k   s e n d s   t h e   c o r r e s p o n d i n g   d a t a   t o   t h e   a p p r o p r i a t e   l o c a t i o n   i n   h a r d w a r e ,   t h e   c o n t r o l l e r   o u t p u t   ( G a t e w a y   O u t )   f r o m   t h e   h a r d w a r e   i s   r e a d   b a c k   i n t o   t h e   S i m u l i n k   m o d u l e   u s i n g   t h e   E t h e r n e t   i n t e r f a c e ,   t h e   o u t p u t   p o r t   c o n v e r t s   t h e   f i x e d   d a t a   t y p e   i n t o   t h e   S i m u l i n k   f o r m a t   a n d   f e d   i n t o   t h e   m o d e l .   T h e   E X P - B E T   s y s t e m   h a s   b e e n   s i m u l a t e d   f o r   t h e   h a r d w a r e   s i m u l a t i o n   a n d   h a s   b e e n   s u c c e s s f u l l y   i m p l e m e n t e d   o n   t h e   F P G A .   T h e   o u t p u t   v a l u e s   f o r   t h e   E X P - B E T   s y s t e m   a r e   1 0 . 1 6   a n d   0 . 1 0 5 3   r e s p e c t i v e l y   a n d   r e p r e s e n t i n g   t h e   m e t r i c   v a l u e   o f   t h e   L T E s   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m .   T h e   E X P - B E T   s y s t e m   i s   v e r i f i e d   s i n c e   t h e   c a l c u l a t i o n   o f   t h e   m e t r i c   v a l u e s   i n   S i m u l i n k   e n v i r o n m e n t   p r o d u c e   s i m i l a r   r e s u l t s   t o   t h e   H a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n .   T h e   c h o s e n   d e v i c e   f o r   p r o t o t y p i n g   i s   V i r t e x - 6   F P G A ,   a n d   t h e   h a r d w a r e   d e s c r i p t i o n   l a n g u a g e   i s   V e r i l o g .   A   s y s t e m   i s   t h e n   g e n e r a t e d   f o r   I n t e g r a t e d   S y s t e m   E n v i r o n m e n t   ( I S E ) ,   w h i c h   i n c l u d e s   t h e   f i l e s   f o r   t h e   s t r u c t u r a l   d e s c r i p t i o n   o f   t h e   s y s t e m .       4 .   C O N C L U S I O N   T h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   E X P - B E T   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   o n   F P G A   w a s   p r e s e n t e d   i n   t h i s   p a p e r .   T h e   E X P - B E T   i s   a n   a l g o r i t h m   w h i c h   c o n s i s t s   o f   t h e   E x p o n e n t i a l   R u l e   ( E X P   R u l e )   a n d   B l i n d   E q u a l   T h r o u g h p u t   ( B E T ) .   T h e   w o r k   p r e s e n t e d   w a s   d e s i g n e d   a n d   s i m u l a t e d   u s i n g   t h e   X i l i n x   S y s t e m   G e n e r a t o r ,   X i l i n x   I S E   D e s i g n   S u i t e   a n d   M A T L A B   S i m u l i n k .   T h i s   r e s u l t e d   i n   a   m a t h e m a t i c a l   m o d e l l i n g   o f   t h e   E X P - B E T   m e t r i c   e q u a t i o n   u s i n g   S y s t e m   G e n e r a t o r   b l o c k s .   T h e   t i m e   r e q u i r e m e n t   f o r   p a t h   d e l a y   i s   3 0   n s   w h i c h   m e a n s   t h a t   t h e   s y s t e m   i s   e x p e c t e d   t o   r u n   a t   a   c l o c k   r a t e   o f   3 0 .   O t h e r w i s e ,   t h e   s y s t e m   w i l l   n o t   m e e t   t h e   c o n s t r a i n t   a n d   c a n n o t   r u n   o n   F P G A .   T h e   f i n a l   v e r i f i c a t i o n   o f   t h e   d e s i g n   i s   c o n d u c t e d   u s i n g   H a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n   a p p r o a c h .   T h e   H a r d w a r e   C o - s i m u l a t i o n   i s   a   p r o c e s s   o f   g e n e r a t i n g   t h e   e q u i v a l e n t   h a r d w a r e   i n   t e r m s   o f   b i t s t r e a m   f o r   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m .   T h e n ,   t h e   S y s t e m   G e n e r a t o r   g e n e r a t e d   t h e   b i t   f i l e   w h i c h   i s   d o w n l o a d e d   t o   V i r t e x - 6   F P G A .   T h i s   s t u d y   p r o v i d e s   t h e   d e s i g n   a n d   i m p l e m e n t a t i o n   p r o c e s s   o f   a n   F P G A   b a s e d   s y s t e m   u s i n g   S y s t e m   G e n e r a t o r   f o r   a   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   n a m e l y   t h e   E X P - B E T   a l g o r i t h m .   I t   c a n   b e   u s e d   a s   a   b a s i s   f o r   t h e   f u t u r e   w o r k   t o w a r d s   t h e   a p p l i c a t i o n   i n   L T E / L T E - A .   I n   a d d i t i o n ,   a   p r a c t i c a l   s y s t e m   c o u l d   b e   e s t a b l i s h e d   a n d   i m p l e m e n t e d   i f   t h e   w h o l e   s y s t e m   o f   t r a n s m i t t i n g   a n d   r e c e i v i n g   o f   t h e   p h y s i c a l   l a y e r   i s   e s t a b l i s h e d .   T h e   l i m i t a t i o n   o f   t h i s   r e s e a r c h   i s   t h a t ,   t h e r e   i s   n o   i n p u t   s i g n a l   t h a t   c a n   b e   i n j e c t e d   i n t o   t h e   E X P - B E T   s y s t e m   o n   F P G A   s i n c e   t h e   s c h e d u l i n g   a l g o r i t h m   i s   l o c a t e d   a t   t h e   L T E   M A C   l a y e r   a n d   t h e   i n p u t   i s   t r a n s m i t t e d   f r o m   t h e   p h y s i c a l   l a y e r .   H e n c e ,   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   m u s t   s t a r t   f r o m   t h e   p h y s i c a l   l a y e r   t o   g e n e r a t e   t h e   i n p u t   f o r   t h e   s c h e d u l e r .   F u r t h e r   s t u d y   s h o u l d   t h e r e f o r e   c o n c e n t r a t e   o n   t h e   h a r d w a r e   i m p l e m e n t a t i o n   f o r   t h e   w h o l e   s y s t e m   w h i c h   s t a r t s   f r o m   t h e   p h y s i c a l   l a y e r   p r o t o c o l .     T h u s ,   t h e   r e s u l t s   o f   t h e   i m p l e m e n t e d   E X P - B E T   a l g o r i t h m   c a n   b e   a n a l y s e d   a n d   v a l i d a t e d   i n   t e r m s   o f   Q o S   r e q u i r e m e n t s   s u c h   a s   t h r o u g h p u t ,   d e l a y   a n d   p a c k e t   l o s s   r a t e .       A C K N O W L E D G E M E N T S     W e   a r e   g r a t e f u l   t o   t h e   U n i v e r s i t y   T e c h n o l o g y   M A R A   ( U i T M )   f o r   t h e   r e s e a r c h   g r a n t   o f   B i s t a r i   6 0 0 - I R M I / D A N A   5 / 3 / B E S T A R I   ( 1 2 2 / 2 0 1 8 )   a s   t h e   f i n a n c i a l   s u p p o r t   d u r i n g   t h e   c o u r s e   o f   t h i s   r e s e a r c h .       R E F E R E N C E S     [ 1 ]   N a s i m   F e r d o s i a n a ,   M o h a m e d   O t h m a n a ,   B o r h a n u d d i n   M o h d   A l i b   a n d   K w e h   Y e a h   L u n ,   " T h r o u g h p u t - a w a r e   R e s o u r c e   A l l o c a t i o n   f o r   Q o S   C l a s s e s   i n   L T E   N e t w o r k s , "   i n   I n t e r n a t i o n a l   C o n f e r e n c e   o n   C o m p u t e r   S c i e n c e   a n d   C o m p u t a t i o n a l   I n t e l l i g e n c e   ( I C C S C I ) ,   v o l .   5 9 ,   p p .   1 1 5 - 1 2 2 .   2 0 1 5 .   [ 2 ]   S a m i a   D a r d o u r i ,   R i d h a   B o u a l l e g u e   " C o m p a r a t i v e   S t u d y   o f   D o w n l i n k   P a c k e t   S c h e d u l i n g   f o r   L T E   N e t w o r k s , "   W i r e l e s s   P e r s o n a l   C o m m u n i c a t i o n s ,   v o l   8 2 ,   p p .   1 4 0 5 1 4 1 8 ,   2 0 1 6 .   [ 3 ]   F a r h a n a   A f r o z ,   R o s h a n a k   H e i d e r y ,   M a r u f   S h e h a b ,   K u m b e s a n   S a n d r a s e g a r a n 4   a n d   S h a r m i n   S u l t a n a   S h o m p a ,   " C o m p a r a t i v e   A n a l y s i s   o f   D o w n l i n k   P a c k e t   S c h e d u l i n g   A l g o r i t h m s   i n   3 G P P   L T E   N e t w o r k s , "   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   W i r e l e s s   &   M o b i l e   N e t w o r k s .   V o l .   7 ,   p p .   1 - 2 1 ,   2 0 1 5 .   [ 4 ]   M u s t a f a   I s m a e l   S a l m a n ,   C h e e   K y u n   N g ,   N o r   K a m a r i a h   N o o r d i n ,   B o r h a n u d d i n   M o h d   A l i   a n d   A d u w a t i   S a l i ,   " C Q I - M C S   M a p p i n g   f o r   G r e e n   L T E   D o w n l i n k   T r a n s m i s s i o n , "   P r o c e e d i n g s   o f   t h e   A s i a - P a c i f i c   A d v a n c e d   N e t w o r k ,   v o l .   3 6 ,   p p .   7 4 - 8 2 ,   2 0 1 3 .   [ 5 ]   D u y - H u y   N g u y e n ,   H a n g   N g u y e n ,   " A   n e w   C h a n n e l -   a n d   Q o S - A w a r e   S c h e d u l i n g   S c h e m e   f o r   R e a l - t i m e   S e r v i c e s   i n   L T E   N e t w o r k , "   I n t e r n a t i o n a l   J o u r n a l   o f   A p p l i e d   I n f o r m a t i o n   S y s t e m s .   V o l .   1 1 ,   p p .   1 - 8 ,   S e p t e m b e r   2 0 1 6   [ 6 ]   F .   C a p o z z i ,   G .   P i r o ,   L .   A .   G r i e c o ,   G .   B o g g i a ,   a n d   P .   C a m a r d a ,   " D o w n l i n k   p a c k e t   s c h e d u l i n g   i n   L T E   c e l l u l a r   n e t w o r k s :   K e y   d e s i g n   i s s u e s   a n d   a   s u r v e y , "   C o m m u n i c a t i o v n s   S u r v e y s   &   T u t o r i a l s ,   I E E E ,   v o l .   1 5 ,   p p .   6 7 8 - 7 0 0 ,   2 0 1 3 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.