Distributed Backlog-Aware D2D Communication for Heterogeneous IIoT Applications

Delay and Age-of-Information (AoI) are two crucial performance metrics for emerging time-sensitive applications in Industrial Internet of Things (IIoT). In order to achieve optimal performance, studying the inherent interplay between these two parameters in non-trivial task. In this work, we consider a Device-to-Device (D2D)-based heterogeneous IIoT network that supports two types of traffic flows, namely AoI-orientated. First, we introduce a distributed backlog-aware random access protocol that allows the AoI-orientated nodes to opportunistically access the channel based on the queue occupancy of the delay-oriented node. Then, we develop an analytical framework to evaluate the average delay and the average AoI, and formulate an optimization problem to minimize the AoI under a given delay constraint. Finally, we provide numerical results to demonstrate the impact of different network parameters on the performance in terms of the average delay and the average AoI. We also give the numerical solutions of the optimal parameters that minimize the AoI subject to a delay constraint

Cognitive radio transmission under QoS constraints and interference limitations

In this article, the performance of cognitive transmission under quality of service (QoS) constraints and interference limitations is studied. Cognitive secondary users are assumed to initially perform sensing over multiple frequency bands (or equivalently channels) to detect the activities of primary users. Subsequently, they perform transmission in a single channel at variable power and rates depending on the channel sensing decisions and the fading environment. A state transition model is constructed to model this cognitive operation. Statistical limitations on the buffer lengths are imposed to take into account the QoS constraints of the cognitive secondary users. Under such QoS constraints and limitations on the interference caused to the primary users, the maximum throughput is identified by finding the effective capacity of the cognitive radio channel. Optimal power allocation strategies are obtained and the optimal channel selection criterion is identified. The intricate interplay between effective capacity, interference and QoS constraints, channel sensing parameters and reliability, fading, and the number of available frequency bands is investigated through numerical results.National Science Foundation/CNS-0834753National Science Foundation/CCF-091726

Performance analysis and optimization of a N-class bipolar network

A wireless network with unsaturated traffic and N classes of users sharing a channel under random access is analyzed here. Necessary and sufficient conditions for the network stability are derived, along with simple closed formulas for the stationary packet transmission success probabilities and mean packet delays for all classes under stability conditions. We also show, through simple and elegant expressions, that the channel sharing mechanism in the investigated scenario can be seen as a process of partitioning a well-defined quantity into portions, each portion assigned to each user class, the size of which determined by system parameters and performance metrics of that user class. Using the derived expressions, optimization problems are then formulated and solved to minimize the mean packet delay and to maximize the channel throughput per unit of area. These results indicate that the proposed analysis is capable of assessing the trade-off involved in radio-resource management when different classes of users are considered7135118135132CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPESFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP311485/2015-4não tem2017/21347-0This work was supported in part by the Foundation for Research Support of the State of São Paulo under Grant 2017/21347-0, in part by the Brazilian National Council for Scientific and Technological Development under Grant 311485/2015-4, in part by the Academy of Finland via the ee-IoT Project under Grant 319009, in part by the FIREMAN Consortium under Grant CHIST-ERA 326270, in part by the EnergyNet Research Fellowship under Grant 321265 and Grant 328869, in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior–Brazil (CAPES) under Grant 001, in part by the RNP, with resources from MCTIC, under the Radiocommunication Reference Center (CRR) Project of the National Institute of Telecommunications (Inatel), Brazil, under Grant 01250.075413/2018-0

On Age-of-Information Aware Resource Allocation for Industrial Control-Communication-Codesign

Unter dem Überbegriff Industrie 4.0 wird in der industriellen Fertigung die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung von industriellen Maschinen und Prozessen zusammengefasst. Die drahtlose, hoch-zuverlässige, niedrig-latente Kommunikation (engl. ultra-reliable low-latency communication, URLLC) – als Bestandteil von 5G gewährleistet höchste Dienstgüten, die mit industriellen drahtgebundenen Technologien vergleichbar sind und wird deshalb als Wegbereiter von Industrie 4.0 gesehen. Entgegen diesem Trend haben eine Reihe von Arbeiten im Forschungsbereich der vernetzten Regelungssysteme (engl. networked control systems, NCS) gezeigt, dass die hohen Dienstgüten von URLLC nicht notwendigerweise erforderlich sind, um eine hohe Regelgüte zu erzielen. Das Co-Design von Kommunikation und Regelung ermöglicht eine gemeinsame Optimierung von Regelgüte und Netzwerkparametern durch die Aufweichung der Grenze zwischen Netzwerk- und Applikationsschicht. Durch diese Verschränkung wird jedoch eine fundamentale (gemeinsame) Neuentwicklung von Regelungssystemen und Kommunikationsnetzen nötig, was ein Hindernis für die Verbreitung dieses Ansatzes darstellt. Stattdessen bedient sich diese Dissertation einem Co-Design-Ansatz, der beide Domänen weiterhin eindeutig voneinander abgrenzt, aber das Informationsalter (engl. age of information, AoI) als bedeutenden Schnittstellenparameter ausnutzt. Diese Dissertation trägt dazu bei, die Echtzeitanwendungszuverlässigkeit als Folge der Überschreitung eines vorgegebenen Informationsalterschwellenwerts zu quantifizieren und fokussiert sich dabei auf den Paketverlust als Ursache. Anhand der Beispielanwendung eines fahrerlosen Transportsystems wird gezeigt, dass die zeitlich negative Korrelation von Paketfehlern, die in heutigen Systemen keine Rolle spielt, für Echtzeitanwendungen äußerst vorteilhaft ist. Mit der Annahme von schnellem Schwund als dominanter Fehlerursache auf der Luftschnittstelle werden durch zeitdiskrete Markovmodelle, die für die zwei Netzwerkarchitekturen Single-Hop und Dual-Hop präsentiert werden, Kommunikationsfehlerfolgen auf einen Applikationsfehler abgebildet. Diese Modellierung ermöglicht die analytische Ableitung von anwendungsbezogenen Zuverlässigkeitsmetriken wie die durschnittliche Dauer bis zu einem Fehler (engl. mean time to failure). Für Single-Hop-Netze wird das neuartige Ressourcenallokationsschema State-Aware Resource Allocation (SARA) entwickelt, das auf dem Informationsalter beruht und die Anwendungszuverlässigkeit im Vergleich zu statischer Multi-Konnektivität um Größenordnungen erhöht, während der Ressourcenverbrauch im Bereich von konventioneller Einzelkonnektivität bleibt. Diese Zuverlässigkeit kann auch innerhalb eines Systems von Regelanwendungen, in welchem mehrere Agenten um eine begrenzte Anzahl Ressourcen konkurrieren, statistisch garantiert werden, wenn die Anzahl der verfügbaren Ressourcen pro Agent um ca. 10 % erhöht werden. Für das Dual-Hop Szenario wird darüberhinaus ein Optimierungsverfahren vorgestellt, das eine benutzerdefinierte Kostenfunktion minimiert, die niedrige Anwendungszuverlässigkeit, hohes Informationsalter und hohen durchschnittlichen Ressourcenverbrauch bestraft und so das benutzerdefinierte optimale SARA-Schema ableitet. Diese Optimierung kann offline durchgeführt und als Look-Up-Table in der unteren Medienzugriffsschicht zukünftiger industrieller Drahtlosnetze implementiert werden.:1. Introduction 1 1.1. The Need for an Industrial Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Related Work 7 2.1. Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Codesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. The Need for Abstraction – Age of Information . . . . . . . . 11 2.4. Dependability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Deriving Proper Communications Requirements 17 3.1. Fundamentals of Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.2. Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.3. Packet Losses and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Joint Design of Control Loop with Packet Losses . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1. Method 1: Reduced Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2. Method 2: Markov Jump Linear System . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Focus Application: The AGV Use Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1. Control Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2. Control Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3. Joint Modeling: Applying Reduced Sampling . . . . . . . . . . 34 3.3.4. Joint Modeling: Applying MJLS . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Modeling Control-Communication Failures 43 4.1. Communication Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1. Small-Scale Fading as a Cause of Failure . . . . . . . . . . . . 44 4.1.2. Connectivity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2. Failure Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.1. Single-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.2. Dual-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.1. Mean Time to Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.2. Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.3. Average Number of Assigned Channels . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.4. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Single Hop – Single Agent 61 5.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3. Erroneous Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6. Single Hop – Multiple Agents 71 6.1. Failure Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.1. Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.2. Transition Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.3. Computational Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.1.4. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2. Illustration Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.3.1. Verification through System-Level Simulation . . . . . . . . . 78 6.3.2. Applicability on the System Level . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3.3. Comparison of Admission Control Schemes . . . . . . . . . . 80 6.3.4. Impact of the Packet Loss Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.3.5. Impact of the Number of Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.6. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.7. Channel Saturation Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.8. Enforcing Full Channel Saturation . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7. Dual Hop – Single Agent 91 7.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2. Optimization Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3.1. Extensive Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.2. Non-Integer-Constrained Optimization . . . . . . . . . . . . . 98 7.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8. Conclusions and Outlook 105 8.1. Key Results and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.2. Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 A. DC Motor Model 111 Bibliography 113 Publications of the Author 127 List of Figures 129 List of Tables 131 List of Operators and Constants 133 List of Symbols 135 List of Acronyms 137 Curriculum Vitae 139In industrial manufacturing, Industry 4.0 refers to the ongoing convergence of the real and virtual worlds, enabled through intelligently interconnecting industrial machines and processes through information and communications technology. Ultrareliable low-latency communication (URLLC) is widely regarded as the enabling technology for Industry 4.0 due to its ability to fulfill highest quality-of-service (QoS) comparable to those of industrial wireline connections. In contrast to this trend, a range of works in the research domain of networked control systems have shown that URLLC’s supreme QoS is not necessarily required to achieve high quality-ofcontrol; the co-design of control and communication enables to jointly optimize and balance both quality-of-control parameters and network parameters through blurring the boundary between application and network layer. However, through the tight interlacing, this approach requires a fundamental (joint) redesign of both control systems and communication networks and may therefore not lead to short-term widespread adoption. Therefore, this thesis instead embraces a novel co-design approach which keeps both domains distinct but leverages the combination of control and communications by yet exploiting the age of information (AoI) as a valuable interface metric. This thesis contributes to quantifying application dependability as a consequence of exceeding a given peak AoI with the particular focus on packet losses. The beneficial influence of negative temporal packet loss correlation on control performance is demonstrated by means of the automated guided vehicle use case. Assuming small-scale fading as the dominant cause of communication failure, a series of communication failures are mapped to an application failure through discrete-time Markov models for single-hop (e.g, only uplink or downlink) and dual-hop (e.g., subsequent uplink and downlink) architectures. This enables the derivation of application-related dependability metrics such as the mean time to failure in closed form. For single-hop networks, an AoI-aware resource allocation strategy termed state-aware resource allocation (SARA) is proposed that increases the application reliability by orders of magnitude compared to static multi-connectivity while keeping the resource consumption in the range of best-effort single-connectivity. This dependability can also be statistically guaranteed on a system level – where multiple agents compete for a limited number of resources – if the provided amount of resources per agent is increased by approximately 10 %. For the dual-hop scenario, an AoI-aware resource allocation optimization is developed that minimizes a user-defined penalty function that punishes low application reliability, high AoI, and high average resource consumption. This optimization may be carried out offline and each resulting optimal SARA scheme may be implemented as a look-up table in the lower medium access control layer of future wireless industrial networks.:1. Introduction 1 1.1. The Need for an Industrial Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Related Work 7 2.1. Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Codesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. The Need for Abstraction – Age of Information . . . . . . . . 11 2.4. Dependability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Deriving Proper Communications Requirements 17 3.1. Fundamentals of Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.2. Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.3. Packet Losses and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Joint Design of Control Loop with Packet Losses . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1. Method 1: Reduced Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2. Method 2: Markov Jump Linear System . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Focus Application: The AGV Use Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1. Control Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2. Control Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3. Joint Modeling: Applying Reduced Sampling . . . . . . . . . . 34 3.3.4. Joint Modeling: Applying MJLS . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Modeling Control-Communication Failures 43 4.1. Communication Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1. Small-Scale Fading as a Cause of Failure . . . . . . . . . . . . 44 4.1.2. Connectivity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2. Failure Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.1. Single-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.2. Dual-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.1. Mean Time to Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.2. Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.3. Average Number of Assigned Channels . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.4. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Single Hop – Single Agent 61 5.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3. Erroneous Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6. Single Hop – Multiple Agents 71 6.1. Failure Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.1. Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.2. Transition Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.3. Computational Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.1.4. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2. Illustration Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.3.1. Verification through System-Level Simulation . . . . . . . . . 78 6.3.2. Applicability on the System Level . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3.3. Comparison of Admission Control Schemes . . . . . . . . . . 80 6.3.4. Impact of the Packet Loss Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.3.5. Impact of the Number of Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.6. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.7. Channel Saturation Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.8. Enforcing Full Channel Saturation . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7. Dual Hop – Single Agent 91 7.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2. Optimization Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3.1. Extensive Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.2. Non-Integer-Constrained Optimization . . . . . . . . . . . . . 98 7.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8. Conclusions and Outlook 105 8.1. Key Results and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.2. Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 A. DC Motor Model 111 Bibliography 113 Publications of the Author 127 List of Figures 129 List of Tables 131 List of Operators and Constants 133 List of Symbols 135 List of Acronyms 137 Curriculum Vitae 13