Roaming with deterministic real-time guarantees in wireless Time-Sensitive Networking

Abstract

As Cyber-Physical Systems (CPSs) become increasingly popular in various domains such as Industrial Internet of Things (IIoT) and autonomous vehicles, the demand for deterministic real-time communication with a high reliability and bounded network delay and delay variance (jitter) has grown. In CPSs with networked sensors and actuators, these deterministic real-time bounds are often crucial in order to provide safety guarantees. Major standardization organizations like the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) have acknowledged the necessity for deterministic networks, resulting in a set of standards known as Time-Sensitive Networking (TSN), which enable deterministic communication in wired Ethernet networks. Many CPSs, however, necessitate mobility and therefore rely on wirelessly connected devices, such as a worker wearing an exoskeleton in order to carry heavy loads. To this end, the TSN standards will also be part of the upcoming Wi-Fi 7 standard (IEEE 802.11be). Although the increased flexibility offered by the mobility of devices in these scenarios is advantageous, it presents new challenges, such as controlling access to the shared wireless transmission medium and managing handovers such that deterministic real-time guarantees are maintained. In this work, we investigate these challenges and provide novel approaches to improve the reliability, delay and jitter in wireless TSN. We first modify an already existing Integer Linear Program (ILP) to generate schedules for the Time-Aware Shaping (TAS) in a wireless network environment. The necessity for this arises because the wireless transmission medium utilizes a shared access method, whereas existing approaches are limited to point-to-point Ethernet connections. Furthermore, we provide a novel seamless handover approach for wireless TSN utilizing two wireless interfaces in a single device and extend it with a proactive handover approach in order to allow for smoother handovers with a greater reliability. In order to analyze our approaches, we extend the INET framework of the OMNeT++ simulator with an implementation of our approaches. Our evaluation shows that delay and jitter are mainly influenced by the random back-off algorithm of the channel access procedure in Wi-Fi indicating research topics for future work. Moreover, we were able to significantly improve the reliability for wireless TSN by employing our proactive handover approach in the simulation.

Da Cyber-Physical System (CPS) in verschiedenen Bereichen wie Industrial Internet of Things (IIoT) und autonomen Fahrzeugen immer beliebter werden, ist die Nachfrage nach deterministischer Echtzeitkommunikation mit hoher Zuverlässigkeit und begrenzter Netzwerkverzögerung und Verzögerungsvarianz (Jitter) gestiegen. In CPSs mit vernetzten Sensoren und Aktoren sind diese deterministischen Echtzeit-Grenzen oft entscheidend, um Sicherheitsgarantien zu bieten. Wichtige Standardisierungsorganisationen wie die Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) haben die Notwendigkeit deterministischer Netzwerke erkannt, was zu einer Reihe von Standards geführt hat, die als Time-Sensitive Networking (TSN) bekannt sind und eine deterministische Kommunikation in kabelgebundenen Ethernet-Netzwerken ermöglichen. Viele CPSs erfordern jedoch die Mobilität von Geräten und sind daher auf drahtlos verbundene Geräte angewiesen, wie z. B. ein Arbeiter, der ein Exoskelett trägt, um schwere Lasten zu tragen. Zu diesem Zweck werden die TSN-Standards auch Teil der kommenden Wi-Fi 7-Norm (IEEE 802.11be) sein. Die erhöhte Flexibilität, die die Mobilität der Geräte in diesen Szenarien bietet, ist zwar vorteilhaft, bringt aber auch neue Herausforderungen mit sich, wie z. B. die Steuerung des Zugriffs auf das gemeinsam genutzte drahtlose Übertragungsmedium und die Verwaltung von Handovers in einer Form, die die Einhaltung von deterministischen Echtzeitgarantien gewährleistet. In dieser Arbeit untersuchen wir diese Herausforderungen und bieten neuartige Ansätze zur Verbesserung der Zuverlässigkeit, der Verzögerung und des Jitters für drahtloses TSN an. Zunächst modifizieren wir ein bereits bestehendes Integer Linear Program (ILP), um Schedules für Time-Aware Shaping (TAS) in einer drahtlosen Netzwerkumgebung zu generieren. Die Notwendigkeit hierfür ergibt sich daraus, dass das drahtlose Übertragungsmedium ein Shared-Access-Verfahren verwendet, während bestehende Ansätze auf die Unterstützung von Punkt-zu-Punkt-Ethernet-Verbindungen beschränkt sind. Darüber hinaus stellen wir einen neuartigen Handover-Ansatz für drahtloses TSN vor, der zwei drahtlose Netzwerkschnittstellen in einem einzigen Gerät nutzt, und erweitern ihn mit einem proaktiven Handover-Ansatz, um einen reibungsloseren Handover mit höherer Zuverlässigkeit zu ermöglichen. Um unsere Ansätze zu analysieren, erweitern wir das INET-Framework des OMNeT++-Simulators mit einer Implementierung unserer Ansätze. Unsere Auswertung zeigt, dass Verzögerung und Jitter hauptsächlich durch den zufälligen Back-Off-Algorithmus des Kanalzugriffsverfahrens in Wi-Fi beeinflusst werden, was auf Forschungsthemen für zukünftige Arbeiten hinweist. Darüber hinaus konnten wir die Zuverlässigkeit für drahtloses TSN durch den Einsatz unseres proaktiven Handover-Ansatzes in der Simulation deutlich verbessern.