IEEE 802.1Qbv scheduling techniques in multi-domain settings

Abstract

Emerging industrial applications such as factory automation with automated guided vehicles often require time-sensitive communication across multiple domains. Although these scenarios may have independent operating domains, the global traffic still needs to meet end-to-end latency and reliability requirements. This complicates scheduling in multi-domain Time-Sensitive Networking (TSN). Current approaches often rely on a global orchestrator that computes a single schedule for all streams. These centralized solutions are computationally demanding and undermine the separation of concerns between domains. Additionally, the large number of individual streams makes scheduling infeasible without aggregation mechanisms. To address these challenges, we propose a system model for multi-domain TSNs with domain-specific controllers. Inter-domain streams are assigned to service classes that combine aggregation with constraints inspired by frame-based scheduling, which capture additional delays at domain borders. Within each domain, the service classes and intra-domain streams are then scheduled independently, distributing the global problem into smaller subproblems. Our evaluation compared to a globally scheduled TSN shows that multi-domain scheduling achieves comparable end-to-end latency guarantees, while improving scheduling runtime performance by a factor of up to x20 and lowering a part of the device state by up to 40 % through stream aggregation. Domain borders introduce additional delays that can be controlled systematically through our proposed constraints combined with the service class assignment. Our work demonstrates the feasibility of scalable and reliable inter-domain scheduling without a centralized orchestrator, contributing to the development of future industrial TSN networks in which wired and wireless domains coexist. Aufkommende industrielle Anwendungen wie die Automatisierung von Fabriken mit selbstfahrenden Fahrzeugen erfordern oft eine zeitkritische Kommunikation zwischen mehreren zeitunabhängigen Domänen. Auch wenn diese Szenarien unabhängig voneinander operierende Domänen umfassen können, müssen die globalen Datenströme (Streams) dennoch die Ende-zu-Ende-Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit erfüllen. Dies macht die Erstellung von Ablaufplänen in Multi-Domänen-TSNs besonders herausfordernd. Aktuelle Ansätze basieren häufig auf einem globalen Koordinator, der einen einzigen Ablaufplan für alle Streams berechnet. Diese zentralisierten Lösungen sind jedoch rechnerisch aufwendig und verhindern die Trennung der Aufgabenbereiche zwischen den Domänen. Darüber hinaus macht die große Anzahl individueller Streams die Planung ohne Aggregationsmechanismen praktisch unmöglich. Um diese Herausforderungen zu adressieren, schlagen wir ein Systemmodell für Multi-Domänen-TSNs mit domänenspezifischen Koordinatoren vor. Domänenübergreifende Streams werden Service-Klassen zugeordnet, die Stream Aggregation mit Beschränkungen kombinieren. Diese Beschränkungen verwenden Prinzipien aus der frame-basierten Planung, um die zusätzliche Verzögerung zu ermöglichen, die an der Grenze zwischen zeitunabhängigen Domänen entsteht. Innerhalb jeder Domäne werden die Service-Klassen und die domäneninternen Streams unabhängig voneinander geplant, wodurch das globale Problem in kleinere Teilprobleme unterteilt wird. Unsere Evaluation im Vergleich zu global geplanten TSNs zeigt, dass die Multi-Domänen-Planung vergleichbare Ende-zu-Ende-Latenzgarantien erzielt und gleichzeitig die Laufzeit des Planers um einen Faktor von bis zu x20 reduziert und einen Teil der benötigten Ressourcen des Geräts durch Stream-Aggregation um bis zu 40% senkt. Domänengrenzen führen zu zusätzlichen Verzögerungen, die jedoch durch die von uns vorgeschlagenen Einschränkungen in Kombination mit der Zuordnung von Service-Klassen systematisch kontrolliert werden können. Unsere Arbeit zeigt, dass eine skalierbare und zuverlässige domänenübergreifende Planung ohne einen zentralen Koordinator möglich ist und damit eine Grundlage für zukünftige industrielle TSN-Netzwerke schafft, in denen kabelgebundene und kabellose Domänen koexistieren.