Study of the energy consumption and duration of a Cyber-Physical System reconfiguration in the Arctic Tundra: from experiments on real infrastructure to extensive simulations

Abstract

Cyber-Physical systems (CPS) deployed in scarce-resource environments like the Arctic Tundra for in-situ and long-term observation face extreme conditions. Nodes deployed on the field are under a limited energy budget. To save energy and increase their lifetimes, nodes are forced to alternate between short uptime periods and long sleeping periods. Uptime schedules depend notably on observation tasks and are not synchronised. Nodes of the CPS may collaborate to provide services such as data aggregation, analytics, etc. Due to a lack of network infrastructure, nodes have to rely on peer-to-peer connections to communicate. Nodes are able to communicate only during uptime, when their uptime periods overlap. When dealing with short and non-synchronised uptimes, opportunities for communication can be very low. Due to the Arctic Tundra conditions, nodes of the CPS are forced to be autonomous for long periods (from 6 months to a year). During these periods, nodes of the CPS have to autonomously adapt to external events by reconfiguring their systems. Due to collaboration, reconfiguration of collaborative nodes must be coordinated. Due to scarce connectivity within the CPS and its isolation from external systems, a central authority is most of the time unreachable. Nodes must be able to coordinate their reconfiguration with other nodes in a decentralised manner. Due to scarce connectivity, coordinating such reconfiguration between nodes can impose a significant energy consumption overhead on nodes and take a long time to converge. This manuscript proposes to study the decentralised reconfiguration of a Cyber-Physical system with sleeping nodes. It provides a solution to define and coordinate the execution of decentralised reconfiguration programs between sleeping nodes. Based on this solution, it aims at extensively studying the performances in terms of energy consumption and duration of such reconfiguration according to the Arctic Tundra characteristics.

Cyberfysiske systemer (CPS) som brukes i miljøer med knappe ressurser, som den arktiske tundraen, for in-situ- og langtidsobservasjon, står overfor ekstreme forhold. Noder utplassert i felten har et begrenset energibudsjett. For å spare energi og øke levetiden må nodene veksle mellom korte oppetidsperioder og lange soveperioder. Oppetidsplanene avhenger særlig av observasjonsoppgavene og er ikke synkroniserte. Nodene i CPS kan samarbeide om å tilby tjenester som dataaggregering, analyse osv. På grunn av manglende nettverksinfrastruktur må nodene basere seg på node-til-node-forbindelser for å kommunisere. Nodene kan bare kommunisere i oppetid, når oppetidsperiodene deres overlapper hverandre. Når man har å gjøre med korte og ikke-synkroniserte oppetider, kan mulighetene for kommunikasjon være svært små. På grunn av forholdene på den arktiske tundraen er nodene i CPS tvunget til å være autonome i lange perioder (fra 6 måneder til ett år). I løpet av disse periodene må nodene i CPS tilpasse seg eksterne hendelser ved å rekonfigurere systemene sine. På grunn av samarbeidet må rekonfigurasjonen av samarbeidende noder koordineres. På grunn av de begrensede forbindelsesmulighetene i CPS og isolasjonen fra eksterne systemer er det meste av tiden umulig å nå en sentral myndighet. Noder må kunne koordinere rekonfigurasjonen med andre noder på en desentralisert måte. På grunn av den knappe konnektiviteten kan koordinering av slik rekonfigurasjon mellom noder medføre et betydelig energiforbruk og ta lang tid å oppnå. I dette manuskriptet studeres desentralisert rekonfigurasjon av et cyberfysisk system med sovende noder. Det gir en løsning for å definere og koordinere utførelsen av desentraliserte rekonfigurasjonsprogrammer mellom sovende noder. Basert på denne løsningen tar det sikte på å studere ytelsen i form av energiforbruk og varighet av en slik rekonfigurasjon i henhold til egenskapene til den arktiske tundraen.