3. Hin zu zuverlaessigen und verfuegbaren drahtlosen Netzen
Dieser Abschnitt bewahrt den RFC-Text zu RAW-Technologien, einschliesslich Wi-Fi 6/7, IEEE 802.11, TSCH, 6TiSCH, 5G NR, TSN/TSC-Integration, UE, gNB, RAN, UPF, PDU-Sessions, LDACS, PHY/MAC-Begriffen, Abbildungen, Tabellen und Sicherheitsueberlegungen.
Originaler RFC-Text
3. Hin zu zuverlaessigen und verfuegbaren drahtlosen Netzen
3.1. Scheduling fuer Zuverlaessigkeit
Ein Paketnetz ist fuer kritische (z. B. zeitkritische) Pakete
zuverlaessig, wenn die unerwuenschten statistischen Effekte, die die
Uebertragung dieser Pakete beeinflussen (z. B. Verzoegerung oder
Verlust), eliminiert sind.
Die Zuverlaessigkeit eines deterministischen Netzes [RFC8655] beruht
haeufig auf der praezisen Anwendung eines engen Schedules, der die
Nutzung zeitlich geteilter Ressourcen wie CPUs und Puffer steuert und
jederzeit die Anzahl der kritischen Pakete innerhalb der verfuegbaren
Ressourcen der Kommunikationshardware (z. B. Puffer) und des
Uebertragungsmediums (z. B. Bandbreite, Uebertragungsslots) haelt. Der
Schedule kann auch verwendet werden, um Flows zu formen, indem der
Uebertragungszeitpunkt der Pakete, aus denen der Flow besteht, an
jedem Hop gesteuert wird.
Um dies zu erreichen, muss im gesamten Netz ein gemeinsames
Zeitverstaendnis vorhanden sein. Das Zeitverstaendnis wird
normalerweise von der unteren Schicht bereitgestellt und liegt nicht im
Umfang von RAW. Als Beispiel besitzt das Precision Time Protocol
(PTP), standardisiert als IEEE 1588 und IEC 61588, Zuordnungen ueber
Profile zu Ethernet, Industrie- und SmartGrid-Protokollen sowie zu
Wi-Fi mit IEEE Std 802.1AS.
3.2. Diversitaet fuer Verfuegbarkeit
Ein Ausfall von Ausruestung (z. B. eines Knotens) kann die Ursache
dafuer sein, dass mehrere Pakete in Folge verloren gehen, bevor die
Flows umgeleitet werden oder sich das System erholt. Beispiele fuer
Ausruestungsausfaelle sind ein defekter Switch, ein neu startender
Access Point, ein defektes Kabel oder Funkadapter oder ein festes
Hindernis fuer die Uebertragung.
Ausruestungsausfall ist fuer kritische Anwendungen wie
sicherheitsbezogene Anwendungen nicht akzeptabel. Eine typische
Prozessregelungsschleife toleriert gelegentlichen Paketverlust, aber
der Verlust mehrerer Pakete in Folge verursacht einen Notstopp. Bei
einer Fahrattraktion (z. B. in Parks von Disneyland, Universal Studios
oder MGM Studios) kann ein kontinuierlicher Paketverlust ueber einige
100 ms eine automatische Unterbrechung der Fahrt ausloesen und die
Evakuierung des Attraktionsbereichs verursachen, um sie neu zu starten.
Netzwerkverfuegbarkeit wird erreicht, indem die Uebertragung gegen
Hardwareausfaelle und Funkuebertragungsverluste durch unkontrollierte
Ereignisse wie Gleichkanalstoerer, Multipath Fading oder bewegliche
Hindernisse resilient gemacht wird. Die besten Ergebnisse werden
typischerweise erzielt, indem alle Formen von Diversitaet
pseudozufaellig kumuliert werden -- im raeumlichen Bereich mit
Replikation und Eliminierung, im Zeitbereich mit ARQ und diversen
geplanten Uebertragungen, und im Frequenzbereich mit Frequency Hopping
oder Channel Hopping zwischen Frames.
3.3. Vorteile von Scheduling
Das Scheduling redundanter Uebertragungen kritischer Pakete auf
verschiedenen Pfaden verbessert die Resilienz gegen Unterbrechungen und
statistische Uebertragungsverluste, etwa solche durch kosmische
Partikel auf Leitungen und Interferenzen im Drahtlosen. Obwohl
Uebertragungsverluste im Drahtlosen um Groessenordnungen haeufiger
sind, werden Redundanz und Diversitaet in allen Faellen fuer lebens-
und missionskritische Anwendungen benoetigt.
Bei Bedarf kann die Worst-Case-Zustellzeit als Teil des End-to-End-
Schedules garantiert werden, und das Zeitverstaendnis, das im gesamten
Netz geteilt werden muss, kann anderen Anwendungen offengelegt und von
ihnen genutzt werden.
Darueber hinaus bietet Scheduling spezifischen Wert ueber das
drahtlose Medium:
* Scheduling ermoeglicht einen Time-Sharing-Betrieb, bei dem jeder
Uebertragung ihre eigene Zeit-/Frequenzressource zugewiesen wird.
Sender und Empfaenger sind synchronisiert und geplant, um auf einer
gegebenen Frequenzressource zu einer gegebenen Zeit und fuer eine
gegebene Dauer zu kommunizieren. Auf diese Weise kann Scheduling
Kollisionen zwischen geplanten Uebertragungen vermeiden und im
Vergleich zu statistischen prioritaetsbasierten Schemata einen hohen
Anteil kritischen Verkehrs ermoeglichen (man denke an 60% oder 70%
hochpriorisierten Verkehr mit extrem geringem Verlust).
* Scheduling kann als Technik sowohl fuer Zeit- als auch
Frequenzdiversitaet verwendet werden (z. B. zwischen
Uebertragungswiederholungen), sodass die naechste Uebertragung auf
einer anderen Frequenz erfolgt, wie im Sender und Empfaenger
programmiert. Dies ist nuetzlich, um Gleichkanalinterferenzen von
unkontrollierten Sendern sowie Multipath Fading zu ueberwinden.
* Uebertragungen koennen auch parallel auf mehreren Kanaelen geplant
werden, was die Nutzung des gesamten verfuegbaren Spektrums
ermoeglicht und gleichzeitig das Hidden-Terminal-Problem vermeidet,
z. B. wenn das naechste Paket desselben Flows auf demselben Kanal
mit dem vorherigen interferiert, das bereits einige Hops weiter
fortgeschritten ist.
* Scheduling optimiert die Bandbreitennutzung. Verglichen mit
klassischen Kollisionsvermeidungstechniken gibt es in geplanten
Operationen keine Leerzeit im Zusammenhang mit Interframe Space
(IFS) und exponentiellem Back-off. Eine minimale Clear Channel
Assessment kann erforderlich sein, um lokale Vorschriften wie ETSI
300-328 einzuhalten, erkennt jedoch keine Kollision, wenn die Sender
synchronisiert sind.
* Scheduling spielt eine entscheidende Rolle beim Energiesparen. Im
Internet of Things (IoT) ist Energie das wichtigste Anliegen, und
die Synchronisierung von Sender und Listener ermoeglicht es, beide
stets im Tiefschlaf zu halten, wenn keine geplante Uebertragung
stattfindet. Dies vermeidet Idle Listening und lange Praeambeln und
ermoeglicht lange Schlafperioden zwischen Verkehr und
Resynchronisierung, sodass batteriebetriebene Knoten in einer
Mesh-Topologie ueber mehrere Jahre betrieben werden koennen.