REsilience by multi-connectivity Network DEsign in industrial IoT EnviRonments (REINDEER)

Abstract

[EN] Resilient operation of wireless sensor networks in industrial environments is an important requirement because it allows the wireless system to provide sufficient service level after a disruptive event and to automatically recover to a stable state. One useful technique to offer higher reliability and availability of the wireless links is to establish multiple simultaneous links and multiple edge-disjoint paths from the source to fusion nodes. The motivation for the project stems from the observation that dependencies between established links and paths significantly impact the resulting reliability. The project will contribute to the fundamental understanding of these dependency structures by applying copula theory. As a result, different radio access technologies should be deployed to achieve statistically independent connectivity. For all three phases during resilient operation, namely regular, survivability, and recoverability phase, the careful selection of multi-path and -connectivity is modeled, analyzed, and optimized. First, the project develops novel algorithms for node placement and configuration. The required service function is guaranteed by adapting to small changes in the network environment. A system for monitoring the network status and detecting disruptive events is installed. After detection of a simultaneous failure of several links and nodes in the network, the system enters the survivability phase. During this phase, the system will stabilize and prevent cascading failure, and at the same time, maintains a high service level function. Second, for both goals, multi-path and -connectivity will be optimized under a multi-objective programming framework. The concept of network extensibility is extended to multi-path and -connectivity environments and both deterministic as well as statistical optimization models are developed. Third, after stabilization of the network, a plan for the recovery phase and its corresponding target configuration is derived, deployed, and activated. The transition to this new configuration must be seamless, without halting the system or causing service interruptions, and according methods are provided. Finally, the project will demonstrate the developed algorithms on a small-scale demonstrator platform in a realistic industrial factory environment. The deployment of up to 10 nodes with at most two hop connections to the fusion centers is planned. The feasibility as well as the fundamental performance will be assessed. In system-level simulations the scalability of the approaches and the algorithms will be demonstrated, too. Overall, the project will show significant gains in terms of service improvement during survivability and recoverability phases. It will also demonstrate how to shorten the time to return to the recovered system state by multi-path and multi-connectivity techniques.

[DE] Der resiliente Betrieb von drahtlosen Sensornetzwerken in Industrieumgebungen ist eine wichtige Anforderung, weil es dem drahtlosen System erlaubt, ein ausreichendes Niveau an Dienstgüte nach einem disruptiven Ereignis bereit zu stellen und automatisch in einen stabilen Zustand zurückzukehren. Eine nützliche Technik, um eine höhere Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der drahtlosen Verbindungen zu erreichen, ist es gleichzeitig mehrere simultane Verbindungen und mehrere Kanten-disjunkte Pfade von den Quellen zu den Fusionsknoten einzurichten. Die Motivation des Projektes stammt von der Beobachtung, dass Abhängigkeiten zwischen eingerichteten Verbindungen und Pfaden einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Zuverlässigkeit haben. Das Projekt wird zum grundlegenden Verständnis dieser Abhängigkeitsstrukturen durch Verwendung von Copula-Theorie beitragen. Als Folge davon sollten verschiedene Zugangstechnologien eingesetzt werden, um statistisch unabhängige Konnektivität zu erreichen. Für alle drei Phasen während des widerstandsfähigen Betriebs, nämlich der regulären, der Überlebens- und der Rückgewinnungs-Phase, wird die sorgfältige Auswahl der Mehr-Pfade und Mehrfach-Konnektivität modelliert, untersucht und optimiert. Zuerst entwickelt das Projekt neue Algorithmen für die Platzierung und Konfiguration der Netzwerkknoten. Die benötige Dienstfunktion wird durch Anpassung an kleine Änderungen in der Umgebung garantiert. Ein System zur Überwachung des Netzwerkstatus und zur Detektion von störenden Ereignissen wird installiert. Nach der Erkennung von gleichzeitigen Fehlern bei mehreren Verbindungen und Knoten im Netzwerk, betritt das System die Überlebensphase. Während dieser Phase wird sich das System stabilisieren und kaskadierende Fehlerketten verhindern und zur selben Zeit eine hohe Dienstfunktion aufrechterhalten. Zweitens werden Mehr-Pfade und Mehrfach-Konnektivität für beide Ziele unter einem multi-kriteriellen Optimierungsansatz entworfen. Das Konzept der Netzwerk-Erweiterbarkeit wird auf Mehr-Pfade und Mehrfach-Konnektivität erweitert und es werden sowohl deterministische als auch statistische Optimierungsmodelle entwickelt. Drittens, nach Stabilisierung des Netzwerks, wird ein Plan für die Wiederherstellungsphase und die dazugehörige Konfiguration entwickelt, eingesetzt und aktiviert. Der Übergang zu dieser neuen Konfiguration muss nahtlos ablaufen, ohne das System anzuhalten oder Dienstausfälle zu verursachen. Schließlich wird das Projekt die entwickelten Algorithmen auf einer kleinmaßstäblichen Demonstratorplatform in einer realistischen Industrieumgebung vorführen. Eine Installation von bis zu 10 Knoten mit maximal zwei Hop-Kommunikation zu den Fusionsknoten ist geplant. In System-Level Simulationen wird die Skalierbarkeit der Ansätze und Algorithmen auch gezeigt. Insgesamt wird das Projekt signifikante Gewinne hinsichtlich Dienstverbesserungen während der Überlebensphase und Wiederherstellungsphase zeigen.