Low-delay Wireless Connectivity for Real-time Automation
- Reference number
- ID16-0038
- Start and end dates
- 170101-171231
- Amount granted
- 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Information, Communication and Systems Technology
Summary
The next (5th) generation wireless systems are expected for initial deployment in 2020. A family of 5G use-cases involves applications requiring very low delay in combination with high reliability, such as critical communication for automation and control. Consider for example replacing the wired control loops inside a complex vehicle, like a truck or an airplane, with wireless signaling. Here it is clear that sub-millisecond latencies may be required. To support such low delays, it is no longer reasonable to assume that transmitted channel codewords are “infinite” and fundamental limitations due to short block-lengths will start to kick in. Correspondingly, also the protocols governing the signaling need to perform at extremely low latencies, introducing fundamental limitations also in the queuing domain. This challenges the theoretical foundation of present technologies, as they fundamentally rely on Shannon’s modeling of the physical link as a noiseless bitpipe with transmission rate equal to channel capacity. Research questions the project aims to answer include: What are the maximum latencies that would typically be required in real-time control for complex systems? What are the fundamental tradeoffs between cost, complexity, energy consumption, bandwidth consumption, throughput, reliability and latency? What is the lowest possible latency that can be supported by any reasonable digital communication link? Will it be necessary to introduce analog transmission?
Popular science description
Begreppet digitalisering innebär att informations- och kommunikationsteknologi används på nya sätt för att skapa förbättringar, effektiviseringar och nya värden, i nya tillämpningar utanför de etablerade inom mobil kommunikation och Internettjänster. Den pågående digitaliseringen av industri och samhälle har potentialen att skapa mycket stora framtida värden, men innebär samtidigt några av vår samtids största vetenskapliga och tekniska utmaningar. Cyberfysiska system (CPS) är system där datorbaserade enheter kopplas samman i ofta mycket stora nät, där information samlas in, transporteras och bearbetas i syfte att påverka den omgivande fysiska verkligheten. När vi nu vill ta digitaliseringen till nästa nivå, så kommer allt fler saker och maskiner omkring oss inte bara passivt att övervakas utan också automatiseras, påverkas och styrs. Ett avgörande hinder är att CPS idag utvecklas "hantverksmässigt", de skräddarsys för enskilda tillämpningar med höga kostnader som följd vilket begränsar digitaliseringen till ett fåtal stora tillämpningar. Digitalisering i vardagen, t.ex. smarta hem, hemsjukvård m.m. blir för kostsamma. Gemensamma plattformar och infrastruktur för CPS sänker kostnaderna radikalt och möjliggör nästa generations tillämpningar på samhällelig skala inom områden som energi, mobilitet och hälsa, och har potential att generera sådana fördelar för samhället som förbättrad effektivitet, sänkt energiförbrukning och en säkrare miljö. Genom sömlös mänsklig interaktion, stora beräkningsresurser, ständig uppkoppling, realtidsstyrning och en hög grad av lokal autonomi, kan CPS av samhällelig skala bidra väsentligt till utvecklingen av det framtida smarta samhället. 5e generationens mobila system (5G), vars första versioner kommer lanseras kring år 2020, kommer till viss del stödja automatisering över trådlösa nät. Dock finns mycket kvar att göra, för att förbättra framtida versioner av 5G och för att ta sikte mot den 6e generationen. Ett centralt problem som inte kommer var löst i tidiga 5G-upplagor är stödet av realtidsautomation över systemet, med mycket strikt stöd för ultralåg fördröjning i den trådlösa återkopplingen. Detta projekt kommer bidra med grundläggande och behovsmotiverad forskning för att bidra till lösningen av detta problem.