Published March 2, 2016 | Version v1
Publication Open

A separate design principle for priority-aware packet collection in industrial cyber-physical systems

  • 1. Shanghai Jiao Tong University
  • 2. Ministry of Education of the People's Republic of China

Description

Industrial cyber-physical systems (ICPS) bridge the physical factory floor and the cyber computational space by leveraging the emerging techniques, such as wireless sensor networks for ubiquitous connection and perception, where sensors are deployed to monitor and collect industrial data according to different timeliness requirements. Priority-aware schemes are often used to tackle the differentiated data packet collection. However, it is challenging to coordinate the multichannel access while meeting the priority-aware transmission requirement in ICPS. In this paper, we propose a separate design principle (SDP) for priority-aware packet collection. In SDP, the transmission of each priority class of sensors is separately scheduled by a multichannel superframe which fully uses the available channels. As a result, each time slot on each channel is repeatedly scheduled to sensors of different priorities by different superframes. Then, a priority-aware transmission mechanism is devised to coordinate the transmissions of different sensors in the predefined priority order. Simulation results show that for four priorities, SDP achieves as low as 16, 18, 23, and 36 % of the mean packet transmission delay of non-overlap TDMA scheduling for each priority class, respectively. Moreover, SDP greatly outperforms IEEE 802.15.4e protocol for packet collection with two priorities. We also demonstrate the feasibility of SDP based on the implementation of software-defined radios.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تعمل الأنظمة الفيزيائية السيبرانية الصناعية على سد أرضية المصنع المادية والفضاء الحاسوبي السيبراني من خلال الاستفادة من التقنيات الناشئة، مثل شبكات الاستشعار اللاسلكية للاتصال والإدراك في كل مكان، حيث يتم نشر أجهزة الاستشعار لمراقبة وجمع البيانات الصناعية وفقًا لمتطلبات التوقيت المختلفة. غالبًا ما تُستخدم مخططات الوعي بالأولويات لمعالجة جمع حزم البيانات المتمايزة. ومع ذلك، من الصعب تنسيق الوصول متعدد القنوات مع تلبية متطلبات الإرسال ذات الأولوية في مراكز المقارنات الدولية. في هذه الورقة، نقترح مبدأ تصميم منفصل (SDP) لجمع الحزم ذات الأولوية. في تخطيط السيناريو الاستراتيجي، يتم جدولة إرسال كل فئة من فئات المستشعرات ذات الأولوية بشكل منفصل بواسطة إطار فائق متعدد القنوات يستخدم القنوات المتاحة بشكل كامل. ونتيجة لذلك، تتم جدولة كل فترة زمنية على كل قناة بشكل متكرر لأجهزة استشعار أولويات مختلفة بواسطة إطارات فائقة مختلفة. بعد ذلك، يتم وضع آلية إرسال مدركة للأولوية لتنسيق عمليات إرسال أجهزة الاستشعار المختلفة بترتيب الأولوية المحدد مسبقًا. تظهر نتائج المحاكاة أنه بالنسبة لأربع أولويات، تحقق خطة التنمية المستدامة ما يصل إلى 16 و 18 و 23 و 36 ٪ من متوسط تأخير إرسال الحزم لجدولة TDMA غير المتداخلة لكل فئة من فئات الأولوية، على التوالي. علاوة على ذلك، تتفوق SDP بشكل كبير على بروتوكول IEEE 802.15.4e لجمع الحزم مع أولويتين. نوضح أيضًا جدوى تخطيط السيناريو التشاركي بناءً على تنفيذ أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات.

Translated Description (French)

Les systèmes cyber-physiques industriels (ICP) relient l'usine physique et l'espace informatique cybernétique en tirant parti des techniques émergentes, telles que les réseaux de capteurs sans fil pour une connexion et une perception omniprésentes, où des capteurs sont déployés pour surveiller et collecter des données industrielles en fonction de différentes exigences de rapidité. Les schémas tenant compte des priorités sont souvent utilisés pour s'attaquer à la collecte différenciée des paquets de données. Cependant, il est difficile de coordonner l'accès multicanal tout en répondant à l'exigence de transmission tenant compte des priorités dans LES pic. Dans cet article, nous proposons un principe de conception séparé (SDP) pour la collecte de paquets tenant compte des priorités. Dans SDP, la transmission de chaque classe prioritaire de capteurs est planifiée séparément par une supertrame multicanal qui utilise pleinement les canaux disponibles. En conséquence, chaque intervalle de temps sur chaque canal est programmé à plusieurs reprises à des capteurs de priorités différentes par différentes supertrames. Ensuite, un mécanisme de transmission conscient de la priorité est conçu pour coordonner les transmissions des différents capteurs dans l'ordre de priorité prédéfini. Les résultats de la simulation montrent que pour quatre priorités, le SDP atteint respectivement 16, 18, 23 et 36 % du retard moyen de transmission de paquets de la programmation AMRT sans chevauchement pour chaque classe de priorité. De plus, SDP surpasse largement le protocole IEEE 802.15.4e pour la collecte de paquets avec deux priorités. Nous démontrons également la faisabilité du SDP basé sur la mise en œuvre de radios définies par logiciel.

Translated Description (Spanish)

Los sistemas ciberfísicos industriales (ICP) UNEN la fábrica física y el espacio cibernético computacional aprovechando las técnicas emergentes, como las redes de sensores inalámbricos para la conexión y percepción ubicuas, donde se implementan sensores para monitorear y recopilar datos industriales de acuerdo con diferentes requisitos de puntualidad. Los esquemas de prioridad se utilizan a menudo para abordar la recopilación diferenciada de paquetes de datos. Sin embargo, es un desafío coordinar el acceso multicanal mientras se cumple con el requisito de transmisión consciente de la prioridad en LOS ICP. En este documento, proponemos un principio de diseño separado (SDP) para la recolección de paquetes con prioridad. En SDP, la transmisión de cada clase de prioridad de sensores se programa por separado mediante una supertrama multicanal que utiliza completamente los canales disponibles. Como resultado, cada intervalo de tiempo en cada canal se programa repetidamente para sensores de diferentes prioridades por diferentes supertramas. Luego, se diseña un mecanismo de transmisión con prioridad para coordinar las transmisiones de diferentes sensores en el orden de prioridad predefinido. Los resultados de la simulación muestran que para cuatro prioridades, el SDP alcanza tan solo el 16, 18, 23 y 36 % del retardo medio de transmisión de paquetes de la programación TDMA sin superposición para cada clase de prioridad, respectivamente. Además, SDP supera en gran medida el protocolo IEEE 802.15.4e para la recopilación de paquetes con dos prioridades. También demostramos la viabilidad del SDP basado en la implementación de radios definidas por software.

Files

s13638-016-0572-x.pdf

Files (1.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:aa45e0aacf711c8ced40aa1830571a5a
1.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مبدأ تصميم منفصل لجمع الحزم ذات الأولوية في الأنظمة الفيزيائية السيبرانية الصناعية
Translated title (French)
Un principe de conception distinct pour la collecte de paquets tenant compte des priorités dans les systèmes cyber-physiques industriels
Translated title (Spanish)
Un principio de diseño separado para la recolección de paquetes con prioridad en sistemas ciberfísicos industriales

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2295069103
DOI
10.1186/s13638-016-0572-x

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1481436753
  • https://openalex.org/W1989590586
  • https://openalex.org/W1990736864
  • https://openalex.org/W2002019106
  • https://openalex.org/W2012915481
  • https://openalex.org/W2026128753
  • https://openalex.org/W2029608738
  • https://openalex.org/W2036371448
  • https://openalex.org/W2059806973
  • https://openalex.org/W2082055638
  • https://openalex.org/W2095712410
  • https://openalex.org/W2100909350
  • https://openalex.org/W2104598135
  • https://openalex.org/W2119514175
  • https://openalex.org/W2275502000
  • https://openalex.org/W2476898572
  • https://openalex.org/W2492721833