Age- and deviation-of-information in networked cyber-physical systems
Creators: name: Noroozi, Mahsa
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Age-of-Information
subject: Deviation-of-Information
subject: Networked Cyber-Physical Systems
subject: Informationszeitalter
subject: Informationsabweichung
subject: vernetzte cyberphysikalische Systeme
subject: Dewey Decimal Classification::000 | Allgemeines, Wissenschaft::000 | Informatik, Wissen, Systeme::004 | Informatik
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik

description: 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.
description: Networked cyber-physical systems depend on timely status updates from various remote sensors. At a data sink, the freshness of this status information is influenced by both network delays and the update rate of the sensor. The age-of-information metric quantifies this freshness by measuring the time elapsed between the generation of a sensor reading and its utilization. Research in age-of-information aims to find updating policies to minimize this metric. Different sampling policies in such systems were introduced. A signal-agnostic sampling triggers sensor updates at predetermined times, independent of the actual sensor signal. In contrast, a signal-aware policy generates updates randomly based on specific sensor events. However, only minimizing the age-of-information is not beneficial for every system. Generating more status updates, while they do not provide new information, increases the traffic in the network. Considering the values of the sensor updates in these systems introduces a new metric namely value-of-information. Depending on the sensor model of the system, a different sampling policy may perform better, which requires a broad knowledge of the system. In a closed-loop system with feedback as a common architecture in networked cyber-physical systems, another sampling policy may be optimal. The zero-wait policy triggers samples based on the reception of the last sample by the monitor, which requires feedback on network state information. The ideal behavior of this policy, however, can not extend to multi-hop networks or networks with two-way delays. In this thesis, first, we introduce a model of age-of-information using min-plus algebra in network calculus, as a mathematical framework to model the performance metrics in communication networks. This enables us to model the multiplexing of traffic flows and time-varying services. We derive statistical bounds on age-of-information and provide an optimal sampling rate in the case of periodic and random updates. Our results demonstrate different impacts on age-of-information including service outage, congestive delay, and idle waiting. Second, we introduce the metric deviation-of-information for sensor models and analyze systems with different sampling policies including timetriggered and event-triggered. A hybrid event- and time-triggered policy is also investigated, which integrates an event-triggered mechanism and predefined minimal and maximal update intervals. Our comprehensive study on age- and deviation-of-information under various sampling policies, shows a different behavior of utilization. Finally, considering the networked cyber-physical system as a closedloop system with feedback, we study different scenarios including multi-hop networks and two-way delays. In such systems, a different sampling policy is needed that considers the feedback channel. We provide a message pipelining approach, where we have a fixed number of samples and acknowledgments in the network at any time. We analyze the peak age-of-information in such systems and deliver an optimal degree of pipelining. However, in an unknown and changing network, finding the optimal number of samples is not possible. We develop an adaptive system based on delay-based congestion control approaches that estimate the size of queues in the network to adapt the degree of pipelining dynamically.