Baniabdelghany, Haytham

In time-triggered systems, adaptation is performed by using metascheduling approaches to ensure temporal predictability. Wireless sensor networks (WSNs) are growing to be used as a reliable, an energy-efficient, and a scalable network infrastructure for numerous Internet of Things (IoT) applications. Because of run-time changes because of failure events, a metascheduling system is required to address the changes by precomputing schedules for several context events at design time. Therefore, this paper proposes a metascheduler that solves a new scheduling problem for each adaptation scenario in IoT-WSN using our offline algorithm named discrete particle swarm optimization for reliable task allocation (DPSO-TA), resulting in a multi-schedule graph that combines the repeated schedules. In this work, a time-triggered IoT-WSN metascheduler is proposed that takes into considerations the node or link failures that are common in WSN. Single and two failure events are considered, where a graph for all feasible schedules is formed at the network design time. Such a large number of schedules causes a state space explosion problem, which is managed using a re-convergence method. Different application model sizes and network topologies are used to assess the proposed metascheduler under various failure event scenarios. The results show a reduction in the size of the multi-schedule graph by applying inputs with different deadline values and different number of tasks. Furthermore, the validity suggested by the proposed metascheduler, which is the ratio of valid to invalid schedules, is improved when compared to algorithms that schedule tasks to hosts with the shortest completion time or algorithms that select hosts for a set of sorted tasks based on energy consumed and task arrival time.

Hybride Netze kombinieren kabelgebundene und drahtlose Technologien und werden gegenwärtig in großem Umfang in Automatisierungssystemen, intelligenten Städten und Home-Area-Networks eingesetzt. Einerseits bieten kabelgebundene Netze aufgrund der Stabilität der Topologie und einer geringeren Wahrscheinlichkeit von Paketverlusten eine höhere Zuverlässigkeit und Leistung. Andererseits bieten drahtlose Netze im Vergleich zu kabelgebundenen Infrastrukturen eine größere Flexibilität und sind weniger kostspielig. In jüngster Zeit haben viele Systeme hybride Netze für Anwendungen mit Echtzeit- und Sicherheitsanforderungen vorgeschlagen. Die Arbeitsgruppe für TSN (Time-Sensitive Networking) hat eine Reihe von IEEE 802.1-Unterprotokollen für drahtgebundene Ethernet-Netze eingeführt um eine fehlertolerante und deterministische Kommunikationsinfrastruktur anzubieten. Die Abbildung der Konzepte von TSN auf drahtlose Umgebungen erfordert jedoch die Berücksichtigung der dynamischen Topologie, Signalstörungen, Zuverlässigkeit und des Datenübertragungsverhaltens. Deshalb erweiterte diese Arbeit die TSN-Fähigkeiten auf hybride (drahtlose und drahtgebundene) Systeme. Das hybride TSN-fähige Netz kann auf verschiedene Architekturen angewendet und modifiziert werden, um weitere von der TSN Arbeitsgruppe eingeführte Unterstandards zu integrieren. Dadurch können verschiedene TSN-Merkmale wie Taktsynchronisierung, zeitabhängige Formgebung und fehlertolerante Nachrichtenübermittlung über Knoten in einem hybriden System implementiert werden. Diese Arbeit befasst sich mit Echtzeitsystemen, bei denen verteilte Rechen- und Kommunikationsaktivitäten über eine globale Zeitbasis koordiniert werden. Daher wird in dieser Arbeit eine Erweiterung des Standard-Zeitprotokolls (d.h. IEEE 802.1AS) für hybride TSN Systeme vorgeschlagen um die Güte der Uhrensynchronisation zu verbessern. Das erweiterte Protokoll berücksichtigt die deterministischen Verzögerungen und Taktdrift, so dass die Genauigkeit der Taktsynchronisation des Standards 802.1AS erheblich verbessert wird. Außerdem wird das Problem der asymmetrischen Verzögerungen bei der Übertragung der Zeitpakete berücksichtigt, um dynamischen Kommunikationseinstellungen mit mobilen Knoten Rechnung zu tragen. Zur Überwachung des Verkehrsverhaltens von Zeitpaketen und der Ausreißerwerte, die aufgrund dynamischer und asymmetrischer Ereignisse auftreten können, wird ein Path Deviation Delay (PDD)-Filter bereitgestellt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das erweiterte Protokoll die Synchronisationsgenauigkeit im Vergleich zum 802.1AS-Standard auf unter eine Mikrosekunde verbessert. Im Gegensatz dazu steigt der Synchronisationsfehler mit dem Standardprotokoll stark an, wenn asymmetrische Verzögerungsverhältnisse und Szenarien mit mobilen Knoten vorhanden sind. Wenn alle Knoten in einem hybriden TSN-Netz mit einer globalen Zeitbasis synchronisiert sind, müssen die Aufgaben einer Echtzeitanwendung an drahtlose Hosts geplant und ihre übertragenen Nachrichten so geplant werden, dass alle Echtzeitanforderungen erfüllt werden. Das Problem der Task- und Nachrichtenplanung ist besonders in drahtlosen Systemen eine Herausforderung, da die räumliche und zeitliche Verteilung der abhängigen Tasks an die drahtlosen Hosts die Nebenbedingungen erfüllen und den Energieverbrauch minimieren muss. Die gegenseitige Störung zwischen den Signalen muss abhängig von den Nachrichtenübertragungszeiten und der räumlichen Nähe ebenfalls berücksichtigt werden. Interferenzen können den Empfang verhindern, Signale verfälschen und die Signalqualität beeinträchtigen. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf die Planung von Tasks und Nachrichten in drahtlosen Echtzeitsystemen. Die meisten der bisherigen Planungsalgorithmen für drahtlose Netze berücksichtigen entweder die Perspektive der Einsparung von Netzressourcen, Einschränkungen bei der Weiterleitung von Nachrichten oder die Auswirkungen von Störungen. Um neben der Taskplanung auch die Interferenzen und Routing-Beschränkungen für die Nachrichtenplanung zu berücksichtigen, wurde ein neuer Algorithmus zur Task- und Nachrichtenplanung namens Task and Message Scheduling for Wireless Networks (TMS) vorgeschlagen. In diesem Algorithmus werden für die zeitgesteuerten Nachrichten der Berechnungsaufgaben die optimalen Routen mit minimaler Interferenz verwendet. Darüber hinaus wird jede Nachricht fragmentiert und mehreren Zeitschlitzen zugeordnet. In jedem Zeitschlitz können Nachrichten gleichzeitig übertragen werden, indem ein physikalisches Interferenzmodell verwendet wird. TMS unterstützt die Multi-Cast-Kommunikation unter Berücksichtigung der Präzedenzbedingungen zwischen Berechnungsaufgaben mit Zeitbeschränkungen. Zur Bewertung des vorgeschlagenen Algorithmus werden mehrere Algorithmen mit unterschiedlichen Routing-Strategien implementiert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass TMS in den Simulationstests besser abschneidet als Lösungen aus verwandten Arbeiten. Dies betrifft die Echtzeitfähigkeit, die verbrauchte Energie, Fehlerraten und Ausfälle. Außerdem wird in den Experimenten festgestellt, dass die Änderung der Parameter des verwendeten Interferenzmodells die Leistung der verglichenen Algorithmen beeinflusst. Die nahtlose Wiederherstellung von korrektem Verhalten bei Fehlern ist ein weiterer kritischer Punkt für Echtzeit- und zeitempfindliche Systeme. Daher werden in dieser Arbeit Algorithmen auf der Grundlage des TMS vorgestellt, welche eine Nachrichtenreplikation über redundante Routen unterstützen. Es werden zwei zuverlässige Algorithmen vorgestellt, welche als Reliable Task and Message Scheduling for Wireless Networks (R-TMS) und Optimized Reliable Task and Message Scheduling for wireless networks (OR-TMS) bezeichnet werden. OR-TMS verwendet einen bioinspirierten Optimierungsalgorithmus um bessere Lösungen zu finden. Die vorgeschlagenen zuverlässigen Algorithmen verwenden einen Ansatz namens Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) um die Kommunikationsnachrichten über redundante disjunkte Routen zu replizieren. Bei R-TMS wird die Systemzuverlässigkeit durch die Planung von Tasks in drahtlosen Hosts verbessert. Dabei werden die Ankunftszeit der Nachrichten, der Energieverbrauch und die Ausfallraten optimiert. Es wird auch ein Zuverlässigkeitsmodell eingeführt, um die Zuverlässigkeit des Systems zu bestimmen. Das Zuverlässigkeitsmodell berechnet die Zuverlässigkeit jedes Tasks in Abhängigkeit von der Zuverlässigkeit aller eingehenden Nachrichten. Die Zuverlässigkeit eines Tasks, der keine Nachrichten weiterleitet, stellt die globale Zuverlässigkeit des Gesamtsystems dar. R-TMS wird mit Algorithmen aus verwandten Arbeiten verglichen, welche die kürzesten oder lastabhängigen Routen zum Senden von Nachrichten verwenden oder die Aufgaben auf Hosts verteilen, welche die geringste Bereitschaftszeit haben. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Zuverlässigkeit des von R-TMS berechneten Systems im Vergleich zu anderen Algorithmen verbessert wird und gleichzeitig die Skalierbarkeit des Netzentwurfs und die Aktualität gewährleistet ist. Die Auswirkungen von Verbindungsfehlern auf die Nachrichtenübermittlungsrate werden ebenfalls untersucht. Der OR-TMS-Algorithmus basiert auf der diskreten Partikelschwarmoptimierung (DPSO), wobei eine Nutzenfunktion zur Optimierung des Task- und Nachrichtenplanungsproblems aufgestellt wird. Es wird iterativ versucht eine bessere Lösung zu finden. Die Nutzenfunktion unterstützt die Energieeinsparung, Verringerung der Aufgabenerledigungszeit und die Senkung der Fehlerquote. Ein Lastenausgleichsmechanismus wird angewendet, um die Aufteilung der Tasks auf mehrere Hosts zu verbessern. Analyse und Simulationsergebnisse zeigen, dass OR-TMS die Echtzeitfähigkeit, die Zuverlässigkeit und die Energieeffizienz optimiert.

Baniabdelghany, Haytham

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