Тактилният интернет може да се дефинира като мрежова среда, позволяваща отдалечен достъп за работа, изпълнение и контрол на реални или виртуални обекти в реално време от хора или машини

Тактилният интернет трябва да осигурява дистанционно не само съдържание, но и умения. За това тактилният интернет изисква много надеждна и много бърза връзка, способна да осигури стойности на надеждност и закъснение, обикновено необходими за физически взаимодействия в реално време. Технически, тактилният интернет изисква създаването на комуникационна инфраструктура, която съчетава ниска латентност, детерминизъм, висока достъпност, устойчивост и надеждност, плюс високо ниво на сигурност. Тези изисквания трябва да бъдат изпълнени за всички приложения едновременно и да бъдат предназначени както за посочените „критични“ приложения така и частично изпълнени за много некритични приложения. За да отговори на тези строги изисквания, тактилният интернет ще трябва да бъде свързан с компютърния облак. И тъй като времето за взаимодействие трябва да е много малко, това предполага наличието на контролни и обработващи центрове за данни, много близки до потребителя. Тактилният интернет ще трябва да бъде свързан с виртуална или разширена реалност за сензорен и хаптичен контрол, за да се обработват заявки с време за реакция от диапазон милисекунди. Когато тези условия са изпълнени, тактилният интернет трябва да бъде в състояние да управлява едновременно критични приложения (каквито се намират в производството в реално време, контрол на транспорта или откриване на неизправности в здравеопазването) и некритични приложения (като игри или образователен софтуер). Ако искаме да дадем повече подробности, трябва да изучим класовете за приложения, засегнати от тактилния интернет. В следващите редове даваме примери за приложения.

- Областта на промишлеността 4.0 (The field of Industry 4.0). Традиционната производствена индустрия се развива благодарение на промените, предизвикани от дигиталния свят. Контролът на индустриално оборудване (роботи или интелигентни сензори) попада в тази категория, където реалното време и дистанционното управление са от съществено значение. Предстоящата индустриална революция (Industry 4.0) се основава на автоматизирани системи, които могат да бъдат активирани в реално време. Тази революция предполага много големи промени в производството, машиностроенето, използването на нов материал, веригата на доставки и управлението на жизнения цикъл. Тези интелигентни фабрики трябва да бъдат особено гъвкави и самоорганизирани. Услугите и приложенията трябва да бъдат свързани с платформи, които позволяват автоматизирането на средата, която също ще се използва за комуникация между хора, обекти и системи. Изискванията за закъснение за различни приложения варират от няколко десетки милисекунди за механика до няколко милисекунди за комуникация M2M (машина към машина) и 1 ms за електрически уреди. Стойността на времето за реакция за контролните цикли на бързо движещи се устройства може да достигне стойности, по-малки от 1 ms. И накрая, някои много чувствителни подсистеми изискват много кратка латентност, която може да се преброи за няколко десетки милисекунди.

- Автомобилния отрасъл - напълно автономно и автоматизирано шофиране, трябва напълно да промени трафика. Чрез откриване на разстояния между автоматизирани превозни средства и потенциално опасни ситуации автономната система за шофиране, представена от набор от машини, трябва драстично да намали броя на пътнотранспортните произшествия и задръстванията. Необходимото време за избягване на сблъсъци в приложенията за безопасност на превозно средство е по-ниско от 10 ms. Ако се обмисли двупосочен обмен на данни за автономно ръчно шофиране, вероятно ще е необходимо закъснение в диапазона от милисекунда.

- Онлайн здравеопазване - благодарение на усъвършенстваните инструменти за диагностика, медицинският преглед може да се извърши навсякъде и по всяко време, независимо от това къде е лекарят. Това приложение идва със строги изисквания по отношение на надеждността, наличността, производителността и безопасността. Специфичните приложения за домашни грижи или хоспитализация в домашни условия могат да изискват работа, по-малко важна от, например, дистанционна операция в реално време. В някои случаи латентността, качеството на изображението и безопасността са основни параметри и изискват особена точност. Освен това, точното лечение с телемедицина не може да се извърши без бърза обратна връзка, което е възможно и ако взаимодействието човек-машина (MMI) се извършва в реално време. Например, в приложенията на eHealth за тактилен интернет се изисква латентност от няколко милисекунди, както и много висока надеждност при свързване и предаване на данни.

Фигура 14.1 описва някои допълнителни приложения за тактилния интернет според времето на латентност и скоростта на предаване на данни. Например, можем да намерим игри в реално време, видеоконференции, включващи няколко потребители, виртуална реалност в реално време, работа на отдалечен компютър и т.н.

Много функционалности са необходими за тактилния интернет. Основната мрежа за тактилен интернет трябва да бъде 5G. Въпреки това е напълно възможно да се извърши тактилен интернет с наземна мрежа, ако се удовлетворят потребностите за производителност. Комуникационна архитектура на 5G, с радио интерфейс за свързване на клиента, мрежа за достъп до радио (RAN) и основна мрежа (CN), отговарят на изискванията за тактилен интернет. End-to-end архитектурата за тактилен интернет е разделена на няколко домена: главен домейн (master domain), мрежов домейн (network domain) и контролен домейн (control domain). Това е показано на фигура 14.2. Основният домейн е човек или машина и системен интерфейс на разположение на човека или автоматизиран оператор. Този интерфейс има система за управление, която преобразува действията на оператора благодарение на различни техники за кодиране. Ако устройството за управление е хаптично, човекът може да докосва, чувства, манипулира и контролира обекти в реална или виртуална среда. Това контролно устройство следи главно операциите на контролирания домейн. В случай на система за управление чрез мрежата, основният домейн, който е оператора, притежава контролер, който следи сензорите и изпълнителните механизми на мрежата. Контролираният домейн се състои от контролиран обект, като робот или машина. Този обект се контролира директно от основния домейн чрез няколко контролни сигнала, за да взаимодейств върху отдалечената среда. В случай на отдалечена работа с хаптична обратна връзка, енергията се обменя между оператора и контролираните домейни, което формира цялостен контролен цикъл.

Мрежите предоставят основната връзка, която е необходима за комуникация между оператора, човека или машината и реалния или виртуален обект, който се управлява дистанционно. Тази мрежа трябва да разполага с всички необходими ресурси, за да осигури качествена комуникация с много кратки времена на закъснение, за да извърши необходимото реално време за контрол на отдалечения обект. The carrier grade мрежите носят тези свойства, особено 5G мрежи. The carrier grade показва мрежи с много висока наличност, качество на услугите и системи, които позволяват проверка на това качество. За да покриете всички тези функционалности, които са необходими за създаване на тактилен интернет, независимо дали 5G или по-общо the carrier grade networks, трябва да се проверят следните свойства:

- Свръхбързо отговаряща свързаност - Това свойство е особено важно за системи с хаптични взаимодействия или за критични комуникации, например тип комуникация машина-машина, позволяваща контрол в реално време и автоматизация на динамични процеси в области като индустриална автоматизация, производство на сложни обекти, отдалечена хирургия или управление на тактилни процеси.

- Надеждност на достъпа и наличността на типа the carrier grade. Мрежовата свързаност трябва да е много надеждна, което е изискване за тактилен интернет. Изискването за надеждност обаче е много специфично и може да варира много в зависимост от очаквания резултат.

- Възможност за управление на мулти достъп. Използването на няколко мрежи едновременно е важно за повишаване на надеждността и достъпността на мрежата. Освен това е решение за намаляване на закъснението благодарение на контролери, способни да изберат оптималната мрежа по всяко време, оптимално или

за времето за закъснение или за сигурността на комуникацията. Контролерът трябва да бъде достатъчно интелигентен, за да извършва избор в реално време. Техниките за изкуствен интелект трябва да играят важна роля в тактилния интернет.

- проактивно назначаване на необходимите ресурси, за да се постигне необходимото качество на услугите. Контролът на ресурсите пряко влияе на скоростта на данни, закъсненията, надеждността, качеството на услугата и производителността на различните слоеве протоколи. За да се получи много строга латентност, трябва да се осигурят приоритетни ресурси за стратегическите приложения на тактилния интернет. Освен това, когато приложенията трябва да съществуват едновременно, независимо дали са хаптични, гласови или зрителни или машинно контролирани, мрежите изискват силна интелигентност, за да осъществят гъвкав контрол на ресурсите. Мрежите също трябва да могат да предоставят някои функции при поискване. Разпределението на радиочестотите е важна задача, особено за 5G, която е една от основните мрежи, използвани за тактилен интернет. Мрежата за достъп, RAN (Радио мрежа за достъп), също трябва да осигури необходимото качество на услугата. Технологиите за виртуализация на RAN могат да преминат правилния курс, но тези технологии могат също така да удължат времето за реакция, ако създадената архитектура не отговаря на нуждите в реално време.

- Контрол на контурите за обратна връзка. Обратните връзки, за да реагират на системи, по-далеч от персонализираната функция на приложение, са необходими за поддържане на необходимото качество на услугата. Тактилният интернет изисква такива контури за обратна връзка, когато сигналите се обменят двупосочно в мрежата, за да позволят дистанционно управление на обекти и реални или виртуални системи.

- Основната мрежа е много реактивна, за да вземе предвид качеството на обслужване, изисквано от тактилния интернет. Създаването на мрежата може да помогне значително да се намали закъснението в основната мрежа. SDN техники, които позволяват строг контрол на ресурсите и

 разпределете ги централизирано благодарение на контролера, перфектно са пригодени за тактилен интернет. Виртуализацията на функции като NFV (Network Functions Virtualization) също е много добър начин за постигане на необходимата надеждност, наличност и безопасност. В контекста на 5G основната мрежа, нарязването е перфектно адаптирано за тактилен интернет чрез персонализиране на парче с целия набор от функционалности, необходими за приложенията.

Tactile internet must remotely provide not only content, but also skills. For this, tactile internet requires a very reliable and very reactive connectivity, capable of providing reliability and latency values usually required for physical, real-time interactions. Technically, tactile internet requires setting up a communication infrastructure which combines low latency, determinism, high availability, resilience and reliability, plus a high level of security. These requirements will necessarily be satisfied simultaneously by all applications, but they will have to be meant for the said “critical” applications, and partially performed for many non-critical applications. In order to meet these strict requirements, tactile internet will have to be linked to a computing Cloud. Yet, since the interaction time must be very small, it implies the presence of control and processing datacenters very close to the user, called edge computing. If we refer to previous chapters, it is MEC, fog or skin computing. Tactile internet will also have to be linked to virtual or augmented reality for sensory and haptic control, in order to process queries with a reaction time of a range of millisecond. When these conditions are fulfilled, tactile internet must be able to simultaneously manage critical applications (as found in real-time manufacture, transportation control or fault detection in healthcare) and non-critical applications (such as games or educational software). If we want to give further detail, we must study the application classes affected by tactile internet. In the following lines, we give examples of applications.

– The field of Industry 4.0. Traditional manufacturing industry is developing thanks to changes triggered by the digital world. Control of industrial equipment such as robots or smart sensors fall in this category where real time and remote control are essential. The upcoming industrial revolution (Industry 4.0) is based on automated systems which can be activated in real time. This revolution implies many major changes in manufacturing, engineering, the use of new material, the supply chain and the management of lifecycle. These smart factories must be especially flexible and self-organized. Services and applications must be linked to platforms which allow the automation of the environment which will also be used for communication between people, objects and systems. Latency requirements for different applications range from several dozens of milliseconds for mechanics to some milliseconds for M2M (Machine to-Machine) communication, and 1 ms for electrical appliances. The value of reaction time for control cycles of fast-moving devices can reach values which are less than 1 ms. Finally, some very sensitive subsystems require very short latency which can be counted in some dozens of milliseconds.

– Automotive field fully autonomous and automated driving should completely change traffic. By detecting distances between automated vehicles and potentially dangerous situations, the autonomous driving system, represented by a set of machines, should drastically reduce the number of road accidents and traffic jam. The necessary time to avoid collisions in the safety applications of a vehicle is inferior to 10 ms. If a bidirectional data exchange for autonomous manual driving is considered, a latency of the range of millisecond will probably be necessary.

– Online healthcare, thanks to advanced telediagnosis tools, medical examination can be performed anywhere, at any time, regardless of where the doctor is. This application comes with strict requirements regarding reliability, availability, performances and safety. Specific applications for home care or home hospitalization can require performances less important than, for example, a real-time, remote surgery. In some cases, latency, image quality, availability and safety are capital parameters and require a particularly accurate control. Moreover, accurate telemedicine treatment cannot be performed without haptic feedback, which is also possible if the man–machine interaction (MMI) is performed in real time. For example, in eHealth applications for tactile internet, an end-to-end latency of a few milliseconds is required, as well as very high reliability in data connection and transmission.

Figure 14.1 describes some complementary applications for the tactile internet according to latency time and data rate. For example, we can find massive real-time games, videoconferences involving several users, real-time virtual reality, remote desktop work, etc.

Many functionalities are required for the tactile internet. They were described in the previous section. The main network for tactile internet should be 5G. However, it is entirely possible to perform tactile internet with a terrestrial network if the performance needs are met. A communication architecture piloted by 5G, with a radio interface to connect the client, a radio access network (RAN) and a core network (CN), meets the requirements to perform a tactile internet. End-to-end architecture for tactile internet is divided into several domains: master domain, network domain and control domain. This is shown in Figure 14.2. The master domain is made of a man or a machine and a system interface at the disposal of the human or automated operator. This interface has a control system which converts the operator’s input and the input of tactile internet thanks to diverse coding techniques. If the control device is a haptic device, the human can touch, feel, manipulate and control objects in real or virtual environments. This control device mainly monitors the operations of the controlled domain. In the case of a network control system, the master domain which contains the operator owns a controller which monitors the sensors and actuators of the network. The controlled domain consists of a controlled object, like a robot, a machine-tool or any other machine. This object is directly controlled by the master domain via several control signals to interact on the remote environment. In case of remote operation with haptic feedback, energy is exchanged between the operator and the controlled domains, which forms a comprehensive control loop.

Networks provide the basic support which is necessary for communication between the operator, the man or machine and the real or virtual object which is remotely controlled. This network must have all the required resources to provide quality communication with very short latency times to perform the required real time for the control of the distant object. The carrier grade networks bring these properties, especially 5G networks. The carrier grade indicates networks with very high availability, service quality and systems that allow the verification of this quality. To cover all these functionalities, which are necessary to create a tactile internet, whether 5G or more generally a carrier grade network, the following properties must be verified:

– Ultra responsive network connectivity. This property is especially important for systems with haptic interactions or for critical communications, for example a machine-to-machine type of communication allowing real-time control and automation of dynamic processes in domains like industrial automation, manufacturing of complex objects, remote surgery or management of vocal or tactile processes.

– Access reliability and availability of carrier grade type. Network connectivity must be very reliable, which is a requirement for tactile internet. However, reliability requirement is very specific to the application process and can vary very much depending on the result expected.

– Possibility to manage multi-access. The use of several networks simultaneously is important to increase network reliability and

availability. It is also a solution to reduce latency thanks to controllers capable of choosing the optimal network at any time, optimal either

for its latency time or for communication security. The controller must be equipped with enough intelligence to perform real-time choices. This means to direct the flows towards the network with the performances requested for the proper run of the application. Artificial intelligence techniques should play an important role in tactile internet.

– Proactive appointment of necessary resources to gain the quality of services required. Resources control directly impacts the data rate, latency, reliability, service quality and performance of the different layers of protocols. To obtain a very strict latency, resources must be provided in priority for strategic applications of the tactile internet. Moreover, when applications must coexist, whether they are haptic, voice or sight-controlled or machine-controlled, networks require a strong intelligence to perform flexible control of resources. Networks have also to be able to provide some functionalities on-demand. Allocation of radio frequencies is an important task, especially for 5G, which is one of the main networks used for tactile internet. The access network, the RAN (Radio Access Network), must also bring the required quality of service. RAN virtualization technologies can go the right course, however, these technologies can also extend the reaction time if the architecture which was set up does not meet the real-time needs.

– A control of feedback loops. Feedback loops, to react on systems further away from customized function to an application, are necessary to maintain the required quality of service. Tactile internet requires such feedback loops when signals are exchanged bidirectionally on the network to allow remote control of objects and real or virtual systems.