Reliable, energy-efficient and temporally predictable time-triggered hybrid TSN systems combing wireless and wirebound networks

Abstract

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.

At the present time, there is widespread deployment of hybrid networks including wired (e.g., Ethernet networks) and wireless technologies, especially in automation systems, smart cities and home area networks. On the one hand, due to topology stability and a lower chance of packet loss, wired networks provide improved reliability and performance. On the other hand, compared to wired infrastructure, wireless networks offer greater flexibility and are less expensive. Recently, many systems have introduced hybrid networks in applications with real-time and safety requirements. The Time-Sensitive Networking (TSN) task group introduced for wirebound Ethernet networks a series of IEEE 802.1 sub-protocols to offer a fault-tolerant and deterministic communication infrastructure. Mapping the concepts of TSN to wireless environments requires taking into account the dynamic topology, signal interference, reliability and data transmission behaviour. Therefore, this thesis extends the TSN capabilities over hybrid (wireless and wirebound) systems. The hybrid TSN-enabled network can be applied to different architectural designs and it can be modified to incorporate further sub-standards introduced by the TSN task group. Thereby, different TSN features including clock synchronization, time-aware shaping, and fault-tolerant message delivery can be implemented over nodes in a hybrid system. This thesis focuses on real-time systems, where distributed computational and communication activities are coordinated using a global time base. Therefore, this work firstly proposes an extension of the standard time protocol (i.e. IEEE 802.1AS) for hybrid TSN systems to improve the clock synchronization. The extended protocol considers the deterministic delays and the clock drift, and the precision of the clock synchronization of the standard 802.1AS scheme is significantly improved. Furthermore, the issue of asymmetrical delays in the transmission of the timing packets is also taken into consideration in order to accommodate dynamic communication settings with mobile nodes. In order to monitor the traffic behavior of timing packets and to reject outlier values that may appear as a result of dynamic and asymmetric events, a Path Deviation Delay (PDD) filter is provided. The simulation results demonstrate that, in comparison to the standard 802.1AS protocol, the extended protocol increases the synchronization precision. The outcomes further demonstrate that it improves synchronization precision to under 1 microsecond. In contrast, when asymmetric delay ratios and mobile node scenarios are present, the synchronization error with the standard protocol greatly rises. When all nodes in a hybrid TSN network are precisely synchronized with a global timebase, the tasks of a real-time application have to be scheduled to wireless hosts and their transmitted messages have to be scheduled in a manner that all real-time constraints are fulfilled. The task and message scheduling problem is challenging particularly in wireless systems because the spatial and temporal distribution of dependent tasks to wireless hosts must satisfy the precedence constraints and minimize energy consumption. The mutual interference between signals must be also considered depending on the message transmission intervals and the spatial proximity. Interference may prevent reception, cause the corruption of signals or affect the signal quality. Therefore, this thesis focuses on task scheduling and message scheduling in real-time wireless systems. Most of prior scheduling algorithms for wireless networks consider either the perspective of saving-network resources, routing message restrictions, or the impact of interference. Therefore, to address the interference and routing restrictions for the message scheduling besides the task scheduling, a novel task and message scheduling algorithm named Task and Message Scheduling for wireless networks (TMS) is proposed. In this algorithm, Time-Triggered (TT) messages of the computational tasks use the optimal routes with minimum latency from all available routes. In addition, each message is fragmented and assigned to several time-slots. In each time-slot, messages can be transmitted simultaneously by using a physical interference model. TMS supports multi-cast communication while respecting the precedence constraints between computation tasks and period constraints. To evaluate the proposed algorithm, several algorithms that use different routing strategies are implemented. The experimental results show that TMS outperforms solutions from the related work in the simulation tests, where makespan, consumed energy, failure rate and deadline missing cases are used as metrics. Moreover, in experiments, it is observed that changing the parameters of the used interference model affects the performance of the compared algorithms. The seamless recovery from faulty behaviours is a critical issue for real-time and timesensitive systems. Therefore, this thesis presents algorithms on top of the TMS to incorporate message replication over selected redundant routes to avoid any potential link or node failure. Two reliable algorithms are presented, the first one named Reliable Task and Message Scheduling for wireless networks algorithm (R-TMS), the second one uses a bioinspired optimization algorithm to find better solutions, which is named Optimized Reliable Task and Message Scheduling for wireless networks algorithm (OR-TMS). The proposed reliable algorithms use an approach called Frame Replication and Elimination for Reliability (FRER) to replicate the communication messages through redundant disjoint routes. In R-TMS, the system reliability is improved through scheduling tasks to wireless hosts with high performance in terms of message arrival time, energy consumption and failure rate. A reliability model is also introduced to determine the reliability of the system. The reliability model computes the reliability of each task depending on the reliability of all its incoming messages. The reliability of the leaf task, which has no forwarding messages, presents the global reliability of the overall system. R-TMS is compared with state-of-the-art TT algorithms that use the shortest or load-aware routes to send messages or that schedule the tasks to hosts that have the minimum ready-time. The experimental results show that the reliability of the system computed by R-TMS is improved compared to the other algorithms while also ensuring scalability in the network design and timeliness. The impact of the injected link failures on the message delivery ratio is also studied. The Discrete Particle Swarm Optimization (DPSO) algorithm, on which OR-TMS is based, establishes a utility function for optimizing the task and message scheduling problem by trying to find a better solution iteratively. The defined function is created to achieve objectives like energy conservation, reducing task completion time, and lowering failure rates. A load balance mechanism is applied to improve balancing of the tasks on several hosts. Analysis and simulation results show the optimization of OR-TMS timeliness, deadline miss ratio, failure rates and energy efficiency compared it to prior algorithms that schedule tasks to hosts that produce the minimum completion time. An OR-TMS based metascheduler is provided that manages the state space explosion of the resulting multi-schedule graph by merging the recurring schedules.