Cross-layer Resilience for Criticality-aware Wireless Networks

Team

Distributed Real-Time Systems Group, Leibniz Universität Hannover

  • Amr Rizk
    Amr Rizk is Head of the Distributed Real-time Systems Lab at the Leibniz University Hannover. He is interested in performance evaluation of communication systems, stochastic models of networks and their applications to real-time systems. Before joining Leibniz University Hannover, he held professorships at Ulm University and the University of Duisburg–Essen and postdoctoral positions at TU Darmstadt, UMass Amherst and University of Warwick. He received the doctoral degree (Dr.-Ing.) with distinction from the Leibniz University Hannover in 2013.

  • Nairong Liu
    PhD Student

Digitale Kommunikationssysteme, Ruhr-Universität Bochum

  • Aydin Sezgin
    Aydin Sezgin is a professor of Information Systems and Sciences at Ruhr-University Bochum, Germany. He received his Dipl.-Ing. in communications engineering from TFH Berlin in 2000 and his Dr.-Ing. in electrical engineering from TU Berlin in 2005. He has held research and teaching positions at the Heinrich-Hertz-Institut, Stanford University, the University of California Irvine, Ulm University, and TU Darmstadt. His research focuses on signal processing, communication, and information theory, particularly in wireless networks. He has published extensively, coauthored a book on multi-way communications, and received several awards, including the ITG Sponsorship Award (2006) and the prestigious Emmy-Noether Grant (2009). He currently serves as Editor-in-Chief of the Springer Journal Wireless Personal Communications and has served on editorial boards and as co-chair for major international conferences and workshops

  • Yasemin Karacora
    PhD Student

Abstract

[EN] Emerging wireless applications in healthcare, transportation, and industrial automation require strict reliability and low-latency guarantees, which are challenging to provide as wireless networks face channel variability, blockages, and sudden traffic surges. This challenge is aggravated with the emergence of mixed-critical traffic combining critical, time-sensitive traffic, such as sensor and control flows, with non-critical application traffic. State-of-the-art approaches address only isolated aspects of resilience, lacking a solution to ensure consistent performance for mixed-critical applications. This project bridges this gap by designing a cross-layer resilience framework for criticality-aware wireless communication systems. In clear contrast to established research on steady-state behavior we aim to design resilient mechanisms with transient guarantees. Our approach integrates physical layer robustness and adaptation mechanisms with flow-level queueing and scheduling mechanisms. A key focus is on criticality-aware schemes, prioritizing flows based on their time- or age-criticality, and leveraging event-triggered mechanisms based on real-time performance indicators such as Age of Information (AoI) and Value of Information (VoI). Our goal is to establish fundamental principles and novel concepts for designing resilient and future-proof wireless systems capable of supporting highly demanding mixed-critical applications.

[DE] Zukünftige drahtlose Anwendungen in Bereichen wie Gesundheitswesen, Transport und industrieller Automatisierung erfordern strenge Zuverlässigkeits- und Latenzgarantien. Diese sind jedoch schwer zu gewährleisten, da drahtlose Netzwerke mit Kanalvariabilität, Blockaden und plötzlichen Verkehrsspitzen konfrontiert sind. Die Herausforderung wird zusätzlich verschärft durch das Aufkommen von gemischt-kritischem Datenverkehr, bei dem kritischer, zeitabhängiger Verkehr (bspw. von Sensor- und Steuerungsdatenströmen) mit nicht-kritischem Anwendungsverkehr kombiniert wird. Aktuelle Ansätze adressieren lediglich einzelne Aspekte der Resilienz und bieten keine umfassende Lösung, um eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit für gemischt-kritische Anwendungen sicherzustellen. Dieses Projekt schließt diese Lücke, indem es ein schichtenübergreifendes Resilienz-Framework für kritikalitätsbewusste drahtlose Kommunikationssysteme entwirft. Im deutlichen Gegensatz zum Stand der Technik, welches sich hauptsächlich auf das stationäre Verhalten konzentriert, zielt unser Ansatz auf die Entwicklung von resilienten Mechanismen mit transienten Garantien. Dazu integrieren wir Robustheits- und Adaptionsmechanismen der physikalischen Schicht mit Warteschlangen- und Planungsmechanismen auf Flussebene.

Ein zentrales Augenmerk liegt auf kritikalitätsbewussten Verfahren, die Datenströme nach ihrer Zeit- bzw. Alterskritikalität priorisieren und ereignisgesteuerte Mechanismen nutzen, die auf Echtzeit-Leistungsindikatoren wie dem Age of Information (AoI) und dem Value of Information (VoI) basieren. Unser Ziel ist es, grundlegende Prinzipien und neuartige Konzepte für die Entwicklung resilienter und zukunftssicherer drahtloser Systeme zu etablieren, die hochanspruchsvolle gemischt-kritische Anwendungen zuverlässig unterstützen können.