Browsing by Author "Mostovaya, Elena"

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    Implementierung und Evaluierung robuster Ablaufpläne für IEEE Time Sensitive Networking (TSN)
    (2023) Mostovaya, Elena
    Verteilte Echtzeitsysteme wie Cyber Physical Systems (CPSs) setzen harte deterministische Grenzen für Netzwerkverzögerungen voraus, da sie auf die rechtzeitigen End-to-End (E2E)-Übertragungen von Sensordaten und Aktorkommandos angewiesen sind, um die Qualität der Regelung zu garantieren. Die CPSs findet man heutzutage überall: Industrial Internet of Things (IIoT), Automotive, Smart Grids oder E-Health - und in vielen weiteren Anwendungsdomänen. Die IEEE Time Sensitive Networking (TSN) Task Group entwickelt seit 2012 eine Reihe von Standards, um die Echtzeitgarantien in Ethernet-Netzwerken zu erfüllen, auf deren Grundlage die CPSs die Kommunikation aufbauen. Mittlerweile werden auch TSN-Möglichkeiten für drahtlose Technologien wie WiFi7 oder 6G erforscht, um die Flexibilität der CPSs zu erhöhen und die industrielle Modernisierung zu beschleunigen, z.B. zuverlässige Wireless-Ansteuerung von Exoskeletten oder Robotern. Im Kontext der Drahtlosigkeit spielt die Unsicherheit des Mediums eine wesentliche Rolle, da sie zu probabilistischen E2E-Verzögerungen führt. Einer der Kernmechanismen im TSN - Scheduling & Traffic Shaping - definiert ein zeitgesteuertes Mehrfachzugriffsverfahren. Scheduling-Algorithmen, welche Ablaufpläne für diesen Mechanismus berechnen, sind aber kein Gegenstand der TSN-Standards und werden intensiv erforscht. Für solche zeitgesteuerten Scheduling-Algorithmen, die z.B. im Ethernet zuverlässig funktionieren, können die zufälligen und schwer einschätzbaren Latenzzeiten auf den drahtlosen Verbindungen fatal sein. Diese Arbeit untersucht robuste Scheduling-Ansätze, die imstande sind, eine hohe Packet Delay Variation (PDV) zu tolerieren. Die Ansätze basieren auf der Idee der Kompensation der PDV und der Reduzierung der Anzahl von Kollisionen. Dafür werden Pakete mit größeren Abständen zueinander oder mit einem Zeitpuffer eingeplant. Die Probleme werden mit den Methoden des Integer Linear Programming (ILP) gelöst. Es werden die rechnerischen Kapazitäten vom Optimierungssolver Gurobi für die ILP-Instanzen praktisch eingesetzt. Die simulativen Auswertungen und die Validierung des Verfahrens werden mithilfe von OMNeT++ mit INET Framework vervollständigt. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen einen signifikanten Einfluss der robusteren Verfahren auf die Einhaltung der Zeitgarantien in TSN-Netzwerken. Solche robusteren zeitgesteuerten Algorithmen können die Zuverlässigkeit auch in den TSN-Netzen mit hoher PDV erhöhen, was den Einsatz in gemischten drahtlosen und drahtgebundenen Netzen ermöglicht. Die Evaluierung zeigt, dass sich die Varianz der Verzögerung unter der Verwendung der neuen Scheduler im Vergleich zu planlosen Übertragungen deutlich reduziert.