Informationsaktualität und -genauigkeit signalagnostischer und signalbewusster Sensorabtastung in der vernetzten Überwachung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Fidler
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 520006080

Wir betrachten ein System mit einem Sensor, der abgetastet wird. Die Abtastwerte werden über ein latenzbehaftetes Netzwerk an einen entfernten Monitor übertragen. Typische Beispiele sind vernetzte Regelkreise und vernetzte cyber-physische Systeme im Allgemeinen. Eine wichtige Leistungsmetrik solcher Systeme ist die Age-of-Information, die die Aktualität der Sensordaten am entfernten Monitor quantifiziert. Generell besteht das Ziel darin, eine Abtaststrategie zu finden, die die Age-of-Informationen minimiert. Bei zeitgesteuerten Systemen werden zu bestimmten Zeitpunkten Abtastwerte genommen, die Abtastung ist also signalagnostisch. Eine signalbewusste Abtastung erfolgt in ereignisgesteuerten Systemen, bei denen ein definiertes Sensorereignis, z.B. wenn die Änderung des Sensorsignals einen Schwellwert überschreitet, die Übertragung eines neuen Abtastwerts auslöst. Ereignisgesteuerte Systeme sind aus praktischer Sicht attraktiv, aber weit weniger erforscht. Insbesondere ist die Definition der Age-of-Information selbst signalagnostisch und kann daher die Vorteile einer signalbewussten Abtastung nicht berücksichtigen. In diesem Projekt werden wir Age-of-Information-bezogene, aber signalbewusste Metriken betrachten, die die tatsächliche Abweichung der Information, die Deviation-of-Information, am entfernten Monitor vom aktuellen Sensorsignal berücksichtigen. Wir werden signalbewusste Abtaststrategien entwickeln und ihre Deviation-of-Information-Leistungsfähigkeit bewerten. Dazu werden wir Sensoren durch Zufallsprozesse modellieren und Ereignisse, die die Übertragung neuer Abtastwerte auslösen, anhand dieser Prozesse definieren. Wir werden die Methoden des deterministischen und des stochastischen Netzwerkkalküls einsetzen, um Schranken der Age-of-Information und der Deviation-of-Information, die nicht oder nur mit einer kleinen, definierten Wahrscheinlichkeit überschritten werden, herzuleiten. Wir werden Servicemodelle aktueller Netzwerktechnologien, wie IEEE Time Sensitive Networking/IETF Deterministic Networking und 5G Ultra Reliable Low Latency Communications, einbeziehen, die für die angestrebten Anwendungen in vernetzten cyber-physischen Systemen von besonderer Relevanz sind. Die analytischen Arbeiten werden durch empirische Untersuchungen in Testbed-Installationen begleitet. Zwei beispielhafte Anwendungen, die wir betrachten werden, sind die vernetzte Robotik, für die wir das Robotik/TSN-Testbed unseres Instituts einsetzen, und die Fahrzeugkommunikation, basierend auf der bekannten SUMO/OMNeT++ Simulatorkopplung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen