Delay-constrained wireless multi-hop networks in the tactile internet

Abstract

Das Taktile Internet verspricht weltweite haptische Kommunikation, also physische Interaktion zwischen Endpunkten, als weitere Modalität zusätzlich zu Audio- und Videosignalen. Haptische Kommunikation zeichnet sich imWesentlichen durch hohe Latenzanforderungen im Bereich von einer Millisekunde aus (Round-Trip-Time). Weiterhin bestehen hohe Ansprüche an die Zuverlässigkeit im Sinne einer niedrigen Paketverlustrate im Bereich um 0:001%. Der Trend wird häufig unter dem Begriff URLLC (engl. Ultra Reliable and Low-Latency Communication) zusammengefasst. URLLC ist durch physikalische Grenzen in der Signalübertragung auf eine maximale Kommunikationsreichweite von etwa 100–150km beschränkt. Zur Zeit lässt sich ein genereller Trend hin zu drahtloser Kommunikation beobachten. Latenzarme drahtlose Multi-Hop-Netze können somit ein Fundament für das Taktile Internet bilden. Das drahtlose Medium birgt jedoch noch zahlreiche Herausforderungen, besonders hinsichtlich unseres Verständnisses über das Latenzverhalten. Es hat sich in der Forschungsliteratur gezeigt, dass das gesamte Netz nicht einfach anhand des Verhaltens einzelner Knoten modelliert werden kann. Bisher konnte für drahtlose Multi-Hop-Netze nur der Durchsatz zufriedenstellend modelliert werden, was aber für das Taktile Internet nicht mehr ausreicht. Zudem müssen sich Applikationen im Taktilen Internet aber auch mit der Reichweitenbeschränkung von URLLC arrangieren, was noch viele Forschungsfragen aufwirft. Mit dieser Arbeit führen wir zunächst den Begriff der Tactile Internet Application ein, um eine Abgrenzung zwischen reichweitenbeschränkter URLLC und potenziell weltweit ausgedehnter haptischer Kommunikation im Taktilen Internet zu schaffen. Über hohe Distanzen muss vor allem der propagation Delay mit Software-Mitteln beseitigt werden. In unserer Vision vom Taktilen Internet fungieren Digitale Zwilinge als Stellvertreter für reale Objekte, welche frei im Internet insatanziiert werden und so zumindest virtuell Distanzen verringern können. Unser Forschungsbeitrag ist dreigeteilt und zeigt in Summe einen Ansatz, wie die Transition der bestehenden Infrastruktur des Internets hin zum Taktilen Internet gelingen kann. Zuerst definieren wir mit dem Applikations-Framework HDTF eine Softwarearchitektur, die die Herausforderungen haptischer Kommunikation über große Distanzen neu darstellt und neue Lösungswege aufzeigt. Zweitens entwickeln wir einen neuen Ansatz für ein probabilistisches Latenzmodell für drahtlose Multi-Hop-Netze, das auf einem matrix-exponentiellen (ME) Warteschlangenmodell basiert. Drittens entwickeln wir mit der Tactile Coordination Function (TCF) eine Erweiterung für den MAC-Layer in drahtlosen Netzen, das wir exemplarisch für IEEE 802.11 implementieren. Wir evaluieren sowohl unser Latenzmodell als auch die Tactile Coordination Function mittels Simulationen und realen Testbed-Daten. Das HDTF-Framework implementieren wir zumindest teilweise in der Form des Haptic Communication Testbeds an der OVGU (OVGUHC), als Teil des MIoT-Labs. Als Erkenntnis aus unserem Vorhaben ist eine ganzheitliche Entwicklung in alle drei Richtungen sowohl im low-layer Protokollentwurf als auch im highlevel Softwareentwurf nötig, um dem Ziel einer weltweiten haptischen Kommunikation näher zu kommen.

The Tactile Internet aims to provide worldwide Haptic Communication as the next evolutionary step of the Internet. Haptic Communication introduces a new modality of physical interaction between endpoints, in addition to classic audio and video signals. The key performance criteria are low latency in the range of a millisecond round-trip time, and high reliability in the range of 99:999% in terms of packet delivery rate. In the networking community, the trend is picked up by the term Ultra-Reliable and Low-Latency Communication (URLLC), which is one major part of the Tactile Internet vision. However, URLLC is limited to communication distances in the range of 100–150km. Wireless communication offers good conditions, as the speed of light for radio waves is among the highest, pushing the operating distances towards the 150km mark. Delay-constrained wireless multi-hop networks are thus a key enabler for the Tactile Internet, but they have effects on the application and are difficult to model and predict. The shared medium imposes a major challenge, as the behavior of the entire network can not be modeled from just the isolated behavior of the individual nodes. So far, wireless multi-hop networks could only be modeled in terms of throughput, which is not sufficient anymore for the Tactile Internet. At the current state of the art, the utility of wireless multi-hop networks for URLLC is unclear, as no protocols exist and latency can not be modeled effectively. With this thesis, we first introduce the notion of a Tactile Internet Application to motivate the necessity of different approaches for short-distance and long-distance Haptic Communication. For longer distances, the propagation delay has to be overcome by means of the application software. In our vision of the Tactile Internet, Digital Twins can act as proxies of real objects, which can move and instantiate freely on the Internet. Thus, they can be a means to overcome distance-related propagation delay. Our three-fold contribution shows how the Tactile Internet can be realized while respecting the existing Internet infrastructure and employing wireless multi-hop networks for Access Network URLLC. First, with an application framework called Haptic Digital Twin Framework (HDTF), we define a software architecture that can solve the problem of worldwide Haptic Communication. Second, our probabilistic latency and reliability model for wireless multi-hop Access Networks, based on a Matrix-Exponential (ME) queueing model, is a novel modeling technique for wireless URLLC. Finally, with the Tactile Coordination Function (TCF) for wireless MAC-Layer protocols, which we implement exemplarily for IEEE 802.11, we contribute a method for integrating Haptic Communication in existing wireless technologies. We evaluate both our probabilistic modeling approach and the Tactile Coordination Function through simulation and real-world testbed experiments. We implement the proposed software framework, at least in parts, in the form of the Haptic Communication Testbed at the Otto-von-Guericke University of Magdeburg (OVGU-HC), a testbed extension for the MIoT-Lab at the OVGU. We find that all three steps, from low-layer protocol development, to modeling, to a highlevel software framework must be pursued together in order to achieve the goal of worldwide 1 ms-connectivity.