Selbstheilende IoT-Netzwerke durch leichtes Checkpointing und digitale Zwillinge

Der Einsatz von groß angelegten Internet-of-Things-Systemen (IoT) nimmt in der industriellen Automatisierung, in der Landwirtschaft, in intelligenten Gebäuden und in künftigen Telekommunikationsumgebungen wie 6G stetig zu. Diese Systeme beruhen häufig auf drahtloser Multi-Hop-Kommunikation zwischen batteriebetriebenen, ressourcenbeschränkten eingebetteten Geräten. Während solche Netzwerke flexibel, schnell zu implementieren und kosteneffizient sind, bleibt die Aufrechterhaltung ihrer langfristigen Zuverlässigkeit eine große Herausforderung. IoT-Knoten leiden häufig unter vorübergehenden Stromausfällen, Energiemangel, Speicherfehlern oder unterbrochener Konnektivität. Aufgrund des dezentralen Charakters drahtloser Multi-Hop-Netzwerke können Ausfälle einzelner Knoten erhebliche Auswirkungen auf benachbarte Knoten und auf die Gesamtleistung des Netzwerks haben. Um einen robusten Betrieb zu gewährleisten, müssen Ausfälle frühzeitig erkannt werden, und das Netz muss in die Lage versetzt werden, sich selbständig von ihnen zu erholen.

Wir gehen dieses Problem an, indem wir leichtgewichtige Checkpointing-Mechanismen auf Systemebene mit der Technologie des digitalen Zwillings kombinieren. Lightweight Checkpointing ermöglicht es IoT-Geräten, minimale Schnappschüsse ihres internen Zustands zu speichern, die nach unerwarteten Stromunterbrechungen oder Softwarefehlern wiederhergestellt werden können. Digitale Zwillinge hingegen halten eine aktuelle virtuelle Darstellung des Netzwerks und seiner Knoten aufrecht. Durch die Synchronisierung relevanter Zustände auf Knotenebene mit dem digitalen Zwilling können Ausfälle auf Netzwerkebene erkannt, rekonstruiert und kompensiert werden.

Auf der Grundlage dieses Ansatzes entwickeln wir verschiedene Varianten von Selbstheilungsmechanismen für IoT-Multi-Hop-Netzwerke. Diese Mechanismen erkennen Ausfälle durch Inkonsistenzen zwischen dem physischen Knoten und seiner digitalen Zwillingsrepräsentation, lösen Wiederherstellungsprozeduren unter Verwendung von Kontrollpunkten aus und konfigurieren Kommunikationspfade dynamisch neu, um die Netzwerkfunktionalität aufrechtzuerhalten. Ziel ist es, Ausfallzeiten zu reduzieren, kaskadierende Ausfälle zu verhindern und einen stabilen Betrieb auch unter unzuverlässigen Stromversorgungsbedingungen und heterogenen Gerätefähigkeiten zu gewährleisten.

Mit diesem Projekt wollen wir einen Beitrag zur Entwicklung belastbarer IoT-Infrastrukturen für zukünftige 6G-Umgebungen und cyber-physische Systeme leisten. Unsere Methoden werden den langfristigen, zuverlässigen und energieeffizienten Betrieb von großen IoT-Installationen unterstützen.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt am 18.12.2025

Self-Healing IoT Networks via Lightweight Checkpointing and Digital Twins

The deployment of large-scale Internet of Things (IoT) systems is steadily increasing in industrial automation, agriculture, smart buildings, and future telecommunication environments such as 6G. These systems often rely on wireless multi-hop communication among battery-powered, resource-constrained embedded devices. While such networks are flexible, fast to deploy, and cost-efficient, maintaining their long-term reliability remains a major challenge. IoT nodes frequently suffer from temporary power loss, energy depletion, memory faults, or intermittent connectivity. Due to the decentralized nature of wireless multi-hop networks, failures of individual nodes can have significant effects on neighboring nodes and on the overall network performance. To ensure robust operation, it is essential to detect failures early and enable the network to recover from them autonomously.

We address this problem by combining lightweight system-level checkpointing mechanisms with digital twin technology. Lightweight checkpointing allows IoT devices to store minimal snapshots of their internal state that can be restored after unexpected power interruptions or software faults. Digital twins, on the other hand, maintain an up-to-date virtual representation of the network and its nodes. By synchronizing relevant node-level state with the digital twin, failures can be detected, reconstructed, and compensated for at the network level.

Based on this approach, we develop different variants of self-healing mechanisms for IoT multi-hop networks. These mechanisms detect failures through inconsistencies between the physical node and its digital twin representation, trigger recovery procedures using checkpointed state, and dynamically reconfigure communication paths to maintain network functionality. The goal is to reduce downtime, prevent cascading failures, and ensure stable operation even under unreliable power conditions and heterogeneous device capabilities.

With this project, we aim to contribute to the development of resilient IoT infrastructures for future 6G environments and cyber-physical systems. Our methods will support long-term, reliable, and energy-efficient operation of large-scale IoT deployments.