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Abstrakt in Englisch

Mobile radio networks promise to enable connected automated driving simultaneously with other automated applications, such as those from Industry 4.0. Stringent communications demands on networks are expected from these interconnected automated processes. Since it is anticipated that these appliances share network resources, the issue of shortage of radio resources quickly exacerbates with an increasing number of devices. The radio resource bottleneck exhibits itself as a performance degradation of the connected automated processes. For the case of connected automated driving, the consequences of this communications deterioration can be catastrophic, underscoring the importance of fulfilling their communications demands. From a network perspective, the efficient usage of the shared communications resources is likewise significant; the network aims at maximizing the number of connected users without compromising their operation. Within connected automated driving, platooning is a relevant application given its benefits in safety, traffic and energy efficiency. These advantages only prevail if the platoon remains string-stable for short intervehicle distances. String stability in connected platooning is determined by distinctive interdependences among the control and communications parameters. While simulation-based studies have broadened the intuition on such interdependencies, their rigorous mathematical description has been missing. The primary aim of this thesis is to formulate a mathematical framework that reveals the interdependences among the communications and control variables of platoons. From the proposed models, communications requirements of string-stable platoons can be obtained analytically in terms of the platoon dynamic properties. These properties are mostly dictated and stated in terms of the control loop parameters of its member vehicles. By studying the dynamic properties of the vehicle models under a well-defined performance metric, the proposed frameworks relate the control parameters with the communications variables. Results show that communications requirements of string-stable platoons strongly depend on the control loop parameters dictating the dynamic properties of the vehicles. The resulting upper bounds on packet loss probabilities and transmission intervals do not always fall into the stringent domain as commonly theorized, especially when state estimation techniques are employed on the follower cars. Consequently, the scalability problem in the network is alleviated by exploiting the vehicles’ dynamic properties. Furthermore, the heterogeneity of vehicles induce different communications demands within platoon members, providing additional degrees of freedom for the radio resource allocation. An implication of understanding communications-control interdependencies is encouraging the development of strategies in either control or communications to compensate deficiencies in their respective co-domain. Another ramification of the findings in this work is on establishing a new paradigm for communications engineers interconnecting heterogeneous automated processes: their distinct dynamic properties provide a type of diversity that is exploitable through radio resource management. While the here derived methodologies explain the interdependencies between the co-domains of communications and control in connected platooning and the presented results apply only for this use-case, the present research and techniques may serve as incentive and tools for expanding the knowledge and obtaining communications requirements of other networked automated processes.

Abstrakt in Deutsch

Mobilfunknetze bieten die Möglichkeit das vernetzte automatisierte Fahren gleichzeitig mit anderen automatisierten Anwendungen, wie z. B. der Industrie 4.0, zu realisieren. Diese vernetzten automatisierten Prozesse stellen hohe Kommunikationsanforderungen an die Netze. Da sich die Geräte die Netzwerkressourcen teilen sollen, verschärft sich das Problem der Knappheit an Funkressourcen mit zunehmender Geräteanzahl schnell. Der Engpass der Funkressourcen äußert sich in einer Leistungsverschlechterung der angeschlossenen automatisierten Prozesse. Im Falle des vernetzten automatisierten Fahrens können die Folgen dieser Kommunikationsverschlechterung katastrophal sein, was die außerordentliche Wichtigkeit betont, die Kommunikationsanforderungen zu erfüllen. Aus der Perspektive des Netzwerkes ist die effiziente Nutzung der gemeinsam genutzten Kommunikationsressourcen ebenfalls von Bedeutung; das Netzwerk zielt darauf ab, die Anzahl der angeschlossenen Nutzer zu maximieren, ohne deren Betrieb zu beeinträchtigen. Im Rahmen des vernetzten automatisierten Fahrens ist das Konvoi-fahren aufgrund seiner Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Verkehr und Energieeffizienz eine relevante Anwendung. Diese Vorteile sind jedoch nur dann gegeben, wenn der Konvoi bei kurzen Abständen zwischen den Fahrzeugen strangstabil bleibt. Die Strangstabilität beim vernetzten Konvoi wird durch ausgeprägte gegenseitige Abhängigkeiten zwischen den Steuerungs- und Kommunikationsparametern bestimmt. Während simulationsbasierte Studien die Intuition gegenüber solchen gegenseitigen Abhängigkeiten erweitert haben, fehlte bisher eine rigorose mathematische Beschreibung dieser gegenseitigen Abhängigkeiten. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, einen mathematischen Rahmen zu formulieren, der die Abhängigkeiten zwischen den Kommunikations- und Regelungsvariablen von Konvois aufzeigt. Aus den vorgeschlagenen Modellen lassen sich die Kommunikationsanforderungen von strangstabilen Konvois analytisch in Form der dynamischen Eigenschaften des Konvois ableiten. Diese Eigenschaften werden größtenteils durch die Regelkreisparameter der Mitgliedsfahrzeuge bestimmt und angegeben. Durch die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften der Fahrzeugmodelle unter einer wohldefinierten Leistungsmetrik setzen die vorgeschlagenen Rahmenwerke die Regelungsparameter mit den Kommunikationsvariablen in Beziehung. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kommunikationsanforderungen eines strangstabilen Konvois stark von den Parametern des Regelkreises abhängen, die die dynamischen Eigenschaften der Fahrzeuge bestimmen. Die sich daraus ergebenden Obergrenzen für Paketverlustwahrscheinlichkeiten und Übertragungsintervalle fallen nicht immer, wie allgemein angenommen in den strengen Bereich von Kommunikationsanforderungen, insbesondere wenn Zustandsschätzverfahren auf den Folgefahrzeugen eingesetzt werden. Folglich wird das Problem der Skalierbarkeit des Netzes durch Ausnutzung der dynamischen Eigenschaften der Fahrzeuge abgemildert. Darüber hinaus führt die Heterogenität der Fahrzeuge zu unterschiedlichen Kommunikationsanforderungen innerhalb der Konvoimitglieder, was zusätzliche Freiheitsgrade für die Zuteilung von Funkressourcen bietet. Eine Folge des Verständnisses der Abhängigkeiten zwischen Kommunikation und Regelung ist die Förderung der Entwicklung von Strategien entweder in der Regelung oder in der Kommunikation, um Unzulänglichkeiten in der jeweiligen Co-Domäne zu kompensieren. Eine weitere Auswirkung der Ergebnisse dieser Arbeit ist die Einführung eines neuen Paradigmas für Kommunikationsingenieure, die heterogene automatisierte Prozesse miteinander verbinden: Die unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften der Prozesse bieten eine Art der Diversität, die durch das Management von Funkressourcen genutzt werden kann. Während die hier abgeleiteten Methoden die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen den Co-Domänen der Kommunikation und der Regelung im vernetzten Konvoi erklären und die vorgestellten Ergebnisse nur für diesen Anwendungsfall gelten, können die vorliegenden Forschungen und Techniken als Anregung für die Erweiterung des Wissens und die Ermittlung der Kommunikationsanforderungen anderer vernetzter automatisierter Prozesse dienen.