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Age- and deviation-of-information in networked cyber-physical systems

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autorschaft

  • Mahsa Noroozi

Organisationseinheiten

Details

OriginalspracheDeutsch
Betreut von
Datum der Verleihung des Grades21 Okt. 2024
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2024

Abstract

Vernetzte cyber-physische Systeme sind auf zeitnahe Statusaktualisierungen von verschiedenen entfernten Sensoren angewiesen. An einer Datensenke wird die Aktualität dieser Statusinformationen sowohl von Netzwerkverzögerungen als auch von der Aktualisierungsrate des Sensors beeinflusst. Die Altersinformation (Age-of-Information) quantifiziert diese Aktualität, indem sie die Zeit misst, die zwischen der Erzeugung einer Sensorablesung und ihrer Nutzung vergangen ist. Die Forschung zur Altersinformation zielt darauf ab, Aktualisierungsstrategien zu finden, um diese Metrik zu minimieren. In solchen Systemen wurden verschiedene Abtastungsstrategien eingeführt. Eine signal-agnostische Abtastung löst Sensoraktualisierungen zu vorbestimmten Zeiten aus, unabhängig vom tatsächlichen Sensorsignal. Im Gegensatz dazu generiert eine signal-bewusste Strategie Aktualisierungen zufällig basierend auf spezifischen Sensorereignissen. Allerdings ist es nicht immer vorteilhaft, die Altersinformation zu minimieren. Das Erzeugen zusätzlicher Statusaktualisierungen, die keine neuen Informationen liefern, erhöht den Netzwerkverkehr. Die Berücksichtigung der Werte der Sensoraktualisierungen in diesen Systemen führt zu einer neuen Metrik, nämlich der Informationswert (Value-of-Information). Abhängig vom Sensormodell des Systems ist eine andere Abtastungsstrategie besser geeignet, was ein umfassendes Wissen über das System erfordert. In einem geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung, einer häufigen Architektur in vernetzten cyber-physischen Systemen, kann eine andere Abtastungsstrategie optimal sein. Die Zero-Wait-Strategie löst Abtastungen basierend auf dem Empfang der letzten Abtastung durch den Monitor aus, was Rückmeldungen über den Netzwerkzustand erfordert. Das ideale Verhalten dieser Strategie lässt sich jedoch nicht auf Multi-Hop-Netzwerke oder Netzwerke mit Zwei-Wege-Verzögerungen übertragen.In dieser Arbeit stellen wir zunächst ein Modell der Altersinformation (Age-of-Information) mithilfe der Min-Plus-Algebra in der Netzwerkkalkulation vor, als mathematisches Rahmenwerk zur Modellierung von Leistungsmetriken in Kommunikationsnetzen. Dies ermöglicht uns, die Multiplexierung von Datenströmen und zeitvariierende Dienste zu modellieren. Wir leiten statistische Schranken für die Altersinformation ab und geben eine optimale Abtastrate für periodische und zufällige Aktualisierungen an. Unsere Ergebnisse zeigen verschiedene Einflüsse auf die Altersinformation, einschließlich Dienstausfall, Stauverzögerung und Leerlaufwarten. Zweitens führen wir die Metrik Abweichungsinformation (Deviation-of-Information) für Sensormodelle ein und analysieren Systeme mit verschiedenen Abtastrichtlinien, einschließlich zeitgesteuerter und ereignisgesteuerter Ansätze. Eine hybride ereignis- und zeitgesteuerte Richtlinie wird ebenfalls untersucht, die einen ereignisgesteuerten Mechanismus und vordefinierte minimale und maximale Aktualisierungsintervalle integriert. Unsere umfassende Studie zur Alters- und Abweichungsinformation unter verschiedenen Abtastrichtlinien zeigt ein unterschiedliches Nutzungsverhalten. Abschließend betrachten wir das vernetzte cyber-physische System als ein geschlossenes Regelkreissystem mit Rückkopplung und untersuchen verschiedene Szenarien, einschließlich Multi-Hop-Netzwerken und Zwei-Wege-Verzögerungen. In solchen Systemen ist eine andere Abtastrichtlinie erforderlich, die den Rückkopplungskanal berücksichtigt. Wir bieten einen Nachrichten-Pipelining-Ansatz an, bei dem wir zu jedem Zeitpunkt eine feste Anzahl von Proben und Bestätigungen im Netzwerk haben. Wir analysieren die maximale Altersinformation in solchen Systemen und liefern einen optimalen Grad des Pipelinings. In einem unbekannten und sich ändernden Netzwerk ist es jedoch nicht möglich, die optimale Anzahl von Proben zu finden. Wir entwickeln ein adaptives System, das auf Verzögerungs-basierten Staukontrollansätzen basiert und die Größe der Warteschlangen im Netzwerk schätzt, um den Grad des Pipelinings dynamisch anzupassen.

Zitieren

Age- and deviation-of-information in networked cyber-physical systems. / Noroozi, Mahsa.
Hannover, 2024. 107 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Noroozi M. Age- and deviation-of-information in networked cyber-physical systems. Hannover, 2024. 107 S. doi: 10.15488/18094
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TY - BOOK

T1 - Age- and deviation-of-information in networked cyber-physical systems

AU - Noroozi, Mahsa

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Vernetzte cyber-physische Systeme sind auf zeitnahe Statusaktualisierungen von verschiedenen entfernten Sensoren angewiesen. An einer Datensenke wird die Aktualität dieser Statusinformationen sowohl von Netzwerkverzögerungen als auch von der Aktualisierungsrate des Sensors beeinflusst. Die Altersinformation (Age-of-Information) quantifiziert diese Aktualität, indem sie die Zeit misst, die zwischen der Erzeugung einer Sensorablesung und ihrer Nutzung vergangen ist. Die Forschung zur Altersinformation zielt darauf ab, Aktualisierungsstrategien zu finden, um diese Metrik zu minimieren. In solchen Systemen wurden verschiedene Abtastungsstrategien eingeführt. Eine signal-agnostische Abtastung löst Sensoraktualisierungen zu vorbestimmten Zeiten aus, unabhängig vom tatsächlichen Sensorsignal. Im Gegensatz dazu generiert eine signal-bewusste Strategie Aktualisierungen zufällig basierend auf spezifischen Sensorereignissen. Allerdings ist es nicht immer vorteilhaft, die Altersinformation zu minimieren. Das Erzeugen zusätzlicher Statusaktualisierungen, die keine neuen Informationen liefern, erhöht den Netzwerkverkehr. Die Berücksichtigung der Werte der Sensoraktualisierungen in diesen Systemen führt zu einer neuen Metrik, nämlich der Informationswert (Value-of-Information). Abhängig vom Sensormodell des Systems ist eine andere Abtastungsstrategie besser geeignet, was ein umfassendes Wissen über das System erfordert. In einem geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung, einer häufigen Architektur in vernetzten cyber-physischen Systemen, kann eine andere Abtastungsstrategie optimal sein. Die Zero-Wait-Strategie löst Abtastungen basierend auf dem Empfang der letzten Abtastung durch den Monitor aus, was Rückmeldungen über den Netzwerkzustand erfordert. Das ideale Verhalten dieser Strategie lässt sich jedoch nicht auf Multi-Hop-Netzwerke oder Netzwerke mit Zwei-Wege-Verzögerungen übertragen.In dieser Arbeit stellen wir zunächst ein Modell der Altersinformation (Age-of-Information) mithilfe der Min-Plus-Algebra in der Netzwerkkalkulation vor, als mathematisches Rahmenwerk zur Modellierung von Leistungsmetriken in Kommunikationsnetzen. Dies ermöglicht uns, die Multiplexierung von Datenströmen und zeitvariierende Dienste zu modellieren. Wir leiten statistische Schranken für die Altersinformation ab und geben eine optimale Abtastrate für periodische und zufällige Aktualisierungen an. Unsere Ergebnisse zeigen verschiedene Einflüsse auf die Altersinformation, einschließlich Dienstausfall, Stauverzögerung und Leerlaufwarten. Zweitens führen wir die Metrik Abweichungsinformation (Deviation-of-Information) für Sensormodelle ein und analysieren Systeme mit verschiedenen Abtastrichtlinien, einschließlich zeitgesteuerter und ereignisgesteuerter Ansätze. Eine hybride ereignis- und zeitgesteuerte Richtlinie wird ebenfalls untersucht, die einen ereignisgesteuerten Mechanismus und vordefinierte minimale und maximale Aktualisierungsintervalle integriert. Unsere umfassende Studie zur Alters- und Abweichungsinformation unter verschiedenen Abtastrichtlinien zeigt ein unterschiedliches Nutzungsverhalten. Abschließend betrachten wir das vernetzte cyber-physische System als ein geschlossenes Regelkreissystem mit Rückkopplung und untersuchen verschiedene Szenarien, einschließlich Multi-Hop-Netzwerken und Zwei-Wege-Verzögerungen. In solchen Systemen ist eine andere Abtastrichtlinie erforderlich, die den Rückkopplungskanal berücksichtigt. Wir bieten einen Nachrichten-Pipelining-Ansatz an, bei dem wir zu jedem Zeitpunkt eine feste Anzahl von Proben und Bestätigungen im Netzwerk haben. Wir analysieren die maximale Altersinformation in solchen Systemen und liefern einen optimalen Grad des Pipelinings. In einem unbekannten und sich ändernden Netzwerk ist es jedoch nicht möglich, die optimale Anzahl von Proben zu finden. Wir entwickeln ein adaptives System, das auf Verzögerungs-basierten Staukontrollansätzen basiert und die Größe der Warteschlangen im Netzwerk schätzt, um den Grad des Pipelinings dynamisch anzupassen.

AB - Vernetzte cyber-physische Systeme sind auf zeitnahe Statusaktualisierungen von verschiedenen entfernten Sensoren angewiesen. An einer Datensenke wird die Aktualität dieser Statusinformationen sowohl von Netzwerkverzögerungen als auch von der Aktualisierungsrate des Sensors beeinflusst. Die Altersinformation (Age-of-Information) quantifiziert diese Aktualität, indem sie die Zeit misst, die zwischen der Erzeugung einer Sensorablesung und ihrer Nutzung vergangen ist. Die Forschung zur Altersinformation zielt darauf ab, Aktualisierungsstrategien zu finden, um diese Metrik zu minimieren. In solchen Systemen wurden verschiedene Abtastungsstrategien eingeführt. Eine signal-agnostische Abtastung löst Sensoraktualisierungen zu vorbestimmten Zeiten aus, unabhängig vom tatsächlichen Sensorsignal. Im Gegensatz dazu generiert eine signal-bewusste Strategie Aktualisierungen zufällig basierend auf spezifischen Sensorereignissen. Allerdings ist es nicht immer vorteilhaft, die Altersinformation zu minimieren. Das Erzeugen zusätzlicher Statusaktualisierungen, die keine neuen Informationen liefern, erhöht den Netzwerkverkehr. Die Berücksichtigung der Werte der Sensoraktualisierungen in diesen Systemen führt zu einer neuen Metrik, nämlich der Informationswert (Value-of-Information). Abhängig vom Sensormodell des Systems ist eine andere Abtastungsstrategie besser geeignet, was ein umfassendes Wissen über das System erfordert. In einem geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung, einer häufigen Architektur in vernetzten cyber-physischen Systemen, kann eine andere Abtastungsstrategie optimal sein. Die Zero-Wait-Strategie löst Abtastungen basierend auf dem Empfang der letzten Abtastung durch den Monitor aus, was Rückmeldungen über den Netzwerkzustand erfordert. Das ideale Verhalten dieser Strategie lässt sich jedoch nicht auf Multi-Hop-Netzwerke oder Netzwerke mit Zwei-Wege-Verzögerungen übertragen.In dieser Arbeit stellen wir zunächst ein Modell der Altersinformation (Age-of-Information) mithilfe der Min-Plus-Algebra in der Netzwerkkalkulation vor, als mathematisches Rahmenwerk zur Modellierung von Leistungsmetriken in Kommunikationsnetzen. Dies ermöglicht uns, die Multiplexierung von Datenströmen und zeitvariierende Dienste zu modellieren. Wir leiten statistische Schranken für die Altersinformation ab und geben eine optimale Abtastrate für periodische und zufällige Aktualisierungen an. Unsere Ergebnisse zeigen verschiedene Einflüsse auf die Altersinformation, einschließlich Dienstausfall, Stauverzögerung und Leerlaufwarten. Zweitens führen wir die Metrik Abweichungsinformation (Deviation-of-Information) für Sensormodelle ein und analysieren Systeme mit verschiedenen Abtastrichtlinien, einschließlich zeitgesteuerter und ereignisgesteuerter Ansätze. Eine hybride ereignis- und zeitgesteuerte Richtlinie wird ebenfalls untersucht, die einen ereignisgesteuerten Mechanismus und vordefinierte minimale und maximale Aktualisierungsintervalle integriert. Unsere umfassende Studie zur Alters- und Abweichungsinformation unter verschiedenen Abtastrichtlinien zeigt ein unterschiedliches Nutzungsverhalten. Abschließend betrachten wir das vernetzte cyber-physische System als ein geschlossenes Regelkreissystem mit Rückkopplung und untersuchen verschiedene Szenarien, einschließlich Multi-Hop-Netzwerken und Zwei-Wege-Verzögerungen. In solchen Systemen ist eine andere Abtastrichtlinie erforderlich, die den Rückkopplungskanal berücksichtigt. Wir bieten einen Nachrichten-Pipelining-Ansatz an, bei dem wir zu jedem Zeitpunkt eine feste Anzahl von Proben und Bestätigungen im Netzwerk haben. Wir analysieren die maximale Altersinformation in solchen Systemen und liefern einen optimalen Grad des Pipelinings. In einem unbekannten und sich ändernden Netzwerk ist es jedoch nicht möglich, die optimale Anzahl von Proben zu finden. Wir entwickeln ein adaptives System, das auf Verzögerungs-basierten Staukontrollansätzen basiert und die Größe der Warteschlangen im Netzwerk schätzt, um den Grad des Pipelinings dynamisch anzupassen.

U2 - 10.15488/18094

DO - 10.15488/18094

M3 - Dissertation

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