Adaptivní komunikace s více přístupovými rádiovými technologiemi pro ultra-spolehlivý Internet věcí

Abstract

Budoucnost Internetu je spojena s vizí vytvoření nové umělé skutečnosti šikovně provázané s každodenníhm životem. Všudepřítomné inteligence, se kterou bude možné vstupovat do interakcí, které se bude možné dotknout a na naopak jí cítit. Spolehlivě a v reálném čase. Zatímco každý aspekt návrhu nové bezdrátové technologie může být podřízen úsilí o dosažení vyjímečné spolehlivosti a nízké latence, bytostné vlastnosti četně rozmísťovaných omezených zařízení. Umožnění jejich hustého nasazení je podmíněno vyřešením otázek koexistence, omezení vzájemného rušení, a dalších.} tvořících základ těchto sítí vyžadují jiný přístup. V návaznosti na současný výzkum v oblasti mobilních sítí páté generace se využití vícero přístupových rádiových technologií jeví jako příležitost pro optimalizaci latence i spolehlivosti, která nevyžaduje zásah do nejnižších komunikačních vrstev. Využívání více komunikačních rozhraní souběžně k dosažení vyšší propustnosti bylo předmětem výzkumu v průběhu dekád, které přinesly robustní škálovatelná řešení dnes již užívaná v praxi. Ačkoliv se pojem spolehlivost prostřednictvím redundance v literatuře věnované teorii systémů začal vyskytovat již v polovině minulého století, přizpůsobivá technologická řešení řídící redundanci konektivity pro udržení požadované kvality služby jsou stále spíše vyjímečná a jejich možnosti jsou omezené. Navzdory obecné náchylnosti analytických technik modelování složitých stochastických systémů trpět prokletím dimenzionality, se autorovi zdařilo vyvinout dva rozličné, byť doplňující se, postupy, které prostřednictím nástrojů teorií front a rozvrhování umožňují využít diverzitu rozhraní řízeně a přizpůsobivě. Přístup vycházející z teorie front nabízí úplnou analýzu odezvy systému různorodých souběžných front, zatímto přístup inspirovaný teorií rozvrhování představuje efektivní algoritmucké řešení velmi obecné třídy systémů s více přístupovými rádiovými technologiemi. Díky podpoře široké škály uspořádání komunikačního systému, poskytnuté numerické simulační nástroje tvoří infrastrukturu použitelnou pro plánování a dimenzování sítí.

The promise of the future Internet is to deliver a new artificial reality dexterously interwoven with the daily business of life. A ubiquitous intelligence to be interacted with, to be touched and felt. Reliably and in real-time. While every design aspect of a novel wireless technology may be subordinated to the pursuit of ultra-reliability and low-latency, the inherent features of the massively deployed constrained devices forming a foundation of these networks beg for a different approach. Following the recent research into the fifth-generation mobile communications, the use of multiple interfaces presents itself as an opportunity to optimise both latency and reliability whilst avoiding the necessity of introducing any engineering constraints into the lowest communication layers. The utilisation of multiple communication interfaces simultaneously to achieve higher throughput has been in the focus of researchers for decades with robust and scalable solutions making their way into the industry. However, although the notion of reliability through redundancy has been adopted in the systems-theoretic literature by the mid-20th century, adaptive schemes to maintain a defined quality of service by controlling the redundancy of connectivity are still scarce and limited. Despite the general tendency of analytical approaches to modelling complex stochastic systems to be affected by the curse of dimensionality, the author succeeds at developing two diverse yet complementary frameworks that by dealing with the fundamental problems of queueing and scheduling enable exploitation of the interface diversity in a controlled, adaptive manner. The queueing-theoretic model provides a complete response time analysis of a heterogeneous parallel queueing system while the scheduling algorithmic solutions present an efficient approach applicable to a general class of multi-interface systems. By supporting a wide range of system configurations, the provided high-performance numerical simulation tools form an infrastructure employable for network planning and dimensioning purposes.