D1: Edge-Technologie

Transitionsfähige Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen in drahtlosen Kommunikationssystemen

Das Teilprojekt D1 befasst sich mit der Herausforderung, Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen in drahtlosen Netzen zu realisieren. Aktuell gehen Anwendungen überwiegend von einer stabilen Verbindung aus oder unterscheiden nur zwischen Online- und Offline-Betrieb. Dies führt bei stark fluktuierender Konnektivität zu einer eingeschränkten Nutzbarkeit der Anwendung bzw. deren Totalausfall; die zuverlässige Nutzung von Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen ist nicht möglich. Drahtlose Kommunikationssysteme am Rand des Netzes benötigen daher Strategien, um mit dem kompletten Spektrum von perfekter Konnektivität über sporadische Verbindungsabbrüche bis hin zum zeitweiligem Offline-Zustand umzugehen.

Teilprojekt D1 baut auf bestehenden MAKI-Lösungen auf, um das Konzept der Liquid Connections für drahtlose Netze zu erforschen und umzusetzen. Liquid Connections ermöglichen es, missionsentscheidende Anforderungen für Anwendungen zu erfüllen, indem sie Betriebsmodi und damit verbundene Anforderungen an Datenströme definieren und diese sowohl den unterliegenden Protokollschichten als auch dem Netzwerk kommunizieren. Mithilfe dieser Information können alle an der Kommunikation beteiligten Netzwerkknoten Verbindungen dynamisch an die aktuellen Rahmenbedingungen anpassen und die für den jeweiligen Datenstrom optimale Mechanismenkombinationen nutzen. Liquid Connections adaptieren also nicht nur Ende-zu-Ende (etwa durch Reduktion der Datenrate bei schlechter Konnektivität), sondern erlauben es jedem Knoten, die Technologien und Sendestrategien optimal zu kombinieren. Die Vorteile des Konzepts können anhand des Beispiels eines UAV erläutert werden. Der favorisierte Betriebsmodus in diesem Szenario ermöglicht eine interaktive Steuerung des UAV und benötigt eine Steuerverbindung sowie einen Video-Livestream. Ziel ist es, diesen Modus möglichst lange beizubehalten. Hierfür können Leistungseinbrüche der drahtlosen Verbindung bis zu einem gewissen Grad, z.B. durch Reduzierung der Videoqualität oder durch kooperative Übertragungen von Infrastrukturknoten, ausgeglichen werden. Aufgrund der begrenzten Reichweite der Funkverbindung, Abschattung oder Interferenz kann dieser Betriebsmodus jedoch nicht dauerhaft garantiert werden. Liquid Connections stellen die Mechanismen zur Verfügung, um auf diese Situationen adäquat zu reagieren. So können Knoten z.B. einen Wechsel des Betriebsmodus auslösen und robustere Technologien mit weniger Bandbreite nutzen, um das UAV mit abstrakteren Kommandos, wie Wegpunkten, zu steuern. Diese fundamental unterschiedlichen Betriebsmodi erfordern wiederum Transitionen auf Anwendungsebene, um jeweils optimale Mechanismen zur Interaktion zur Verfügung zu stellen. Um den Wechsel der Betriebsmodi auszulösen, signalisieren die an der Verbindung beteiligten Knoten Einschränkungen, wie Bandbreitenlimitation oder Konnektivitätsverlust, an die Anwendung der Endknoten. Dies unterscheidet sich von aktuellen nicht-transitionsfähigen Kommunikationssystemen, die auf eine fixe Konfiguration, bestehend aus einem physischen Übertragungskanal, einer Funktechnologie, einem Kommunikationsprotokoll und einer aufgabenspezifischen Benutzeroberfläche, setzen. Für die praktische Umsetzung ist essenziell, Liquid Connections auch ohne Fachwissen bei der Entwicklung von Anwendungen einsetzen zu können und Betriebsmodi unabhängig von Details der unterliegenden Protokolle und Funktechnologien zu definieren. Basierend auf diesen Definitionen werden Daten priorisiert und kontextabhängig Mechanismenkombinationen gewählt, so dass Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen, auch bei sporadischen Verbindungsabbrüchen oder zeitweiligem Offline-Betrieb, in einem handlungsfähigen Zustand bleiben. Die Anwendung kann auch bei zeitweiliger Reduktion der Verbindungsqualität sinnvoll weiter genutzt werden. Aufgrund der Dynamik drahtloser Netze muss dies automatisiert und ohne Interaktion durch Nutzende erfolgen. Liquid Connections sollen konzipiert, prototypisch implementiert und praxisnah evaluiert werden.

Zusammengefasst leistet D1 einen zentralen Beitrag im SFB, um Anwendungen mit missionsentscheidenden Anforderungen über inhärent probabilistische Übertragungskanäle zu realisieren. Die anwendungsspezifischen Herausforderungen, vor allem der Umgang mit dem kompletten Spektrum zwischen perfekter Konnektivität bis zeitweisem Offline-Zustand, sollen mit Hilfe des Konzepts der Liquid Connections adressiert werden. Das Teilprojekt baut auf Ergebnissen der vorhergegangenen Projektphasen auf und deckt relevante Anwendungsfälle des künftigen Internets ab.

Teilprojektleitende D1

  Name Kontakt
Dr. rer. nat. Lars Baumgärtner
(06151) 16-21362
Bild: Matthias Hollick
Prof. Dr.-Ing. Matthias Hollick
+49 6151 16-25470
Dr. rer. nat. Bastian Bloessl
(06151) 16-25477