Over the last decade, society and industries are undergoing rapid digitization that is expected to lead to the evolution of the cyber-physical continuum. End-to-end deterministic communications infrastructure is the essential glue that will bridge the digital and physical worlds of the continuum. We describe the state of the art and open challenges with respect to contemporary deterministic communications and compute technologies: 3GPP 5G, IEEE Time-Sensitive Networking, IETF DetNet, OPC UA as well as edge computing. While these technologies represent significant technological advancements towards networking Cyber-Physical Systems (CPS), we argue in this paper that they rather represent a first generation of systems which are still limited in different dimensions. In contrast, realizing future deterministic communication systems requires, firstly, seamless convergence between these technologies and, secondly, scalability to support heterogeneous (time-varying requirements) arising from diverse CPS applications. In addition, future deterministic communication networks will have to provide such characteristics end-to-end, which for CPS refers to the entire communication and computation loop, from sensors to actuators. In this paper, we discuss the state of the art regarding the main challenges towards these goals: predictability, end-to-end technology integration, end-to-end security, and scalable vertical application interfacing. We then present our vision regarding viable approaches and technological enablers to overcome these four central challenges. Key approaches to leverage in that regard are 6G system evolutions, wireless friendly integration of 6G into TSN and DetNet, novel end-to-end security approaches, efficient edge-cloud integrations, data-driven approaches for stochastic characterization and prediction, as well as leveraging digital twins towards system awareness.


翻译:在过去的十年中,社会和产业正在快速数字化,这预示着物理世界的数字化转型。端到端的确定性通信基础设施是连接这一数字和物理领域的关键纽带。我们描述了现代确定性通信和计算技术的现状和挑战:3GPP 5G,IEEE 时间敏感网络,IETF DetNet,OPC UA 以及边缘计算。虽然这些技术代表了朝着网络物理系统(CPS)的网络化迈进的重大技术进步,但我们在本文中认为,它们更多地代表着第一代依然在不同维度上面临限制的系统。相比之下,实现未来的确定性通信系统需要首先实现这些技术之间的无缝融合,其次要能够在规模上支持由不同 CPS 应用程序产生的异构性需求(即时间变化的要求)。此外,未来的确定性通信网络还必须提供这些特性的端到端支持,对于 CPS 来说,这是指从传感器到执行器的整个通信和计算过程。在本文中,我们讨论了关于这些目标的主要挑战 - 可预测性、端到端技术集成、端到端安全和可扩展的垂直应用程序接口的现状。然后,我们提出了我们的愿景,以克服这四个核心挑战的可行方法和技术支持。在这个过程中,值得利用的关键方法包括 6G 系统演进,6G 与 TSN 和 DetNet 的无线友好集成,新的端到端安全方法,高效的边缘云集成,基于数据驱动的随机特征化和预测,以及利用数字孪生实现系统感知。

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