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Abstrakt in Englisch

Wireless communication systems must evolve to meet the increasing demand for advanced services and connected devices. Future wireless networks aim to provide wider connectivity, enabling smarter devices to operate over broader frequency bands. This development will benefit Networked Control System (NCS) applications, including telemedicine, smart grids, teleoperation, and autonomous vehicles, with stringent latency and reliability requirements. However, a proper understanding of NCS’s dynamic behavior is necessary to prevent indiscriminate communications resource usage, leading to scarcity as the number of users increases. Communications-Control Co-Design (CoCoCo) strategies would leverage the dynamic knowledge of the system to adapt the communications resource usage depending on their availability by switching between control strategies and communications policies to ensure Quality-of-Service (QoS) and Quality-of-Control (QoC). As multiple variables parameterize the control and communications systems, the CoCoCo can be simplified by abstracting the dependencies of each design parameter on the sampling period, link latency, and packet loss probability. Determining the operation boundaries of these parameters provides a guideline to ensure the QoC based on the QoS that a communications policy can provide. Therefore, using a robustness analysis of the norm of the NCS based on the imperfections introduced by the communications systems, the Maximum Allowable Transmission Interval (MATI), Maximum Allowable Delay (MAD), and Maximum Allowable Packet Loss Probability (MAPLP) can be derived. This thesis proposes a methodology for calculating MATI and deriving analytical solutions for MAD and MAPLP for general NCS. These bounds are evaluated in the longitudinal platoon case for the Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC) case to ensure robust performance against unwanted amplified oscillations referred to as string instability. The bounds of the communications requirements are evaluated using a Lyapunov function and a discrete stochastic transfer function, which show a close fit between the two approaches, implying an accurate estimation of the H8 norm. This work demonstrates the relevance of MATI as a normalization factor that abstracts the robustness regions of NCS and allows their comparison. The proposed methodology also shows a less conservative estimate of the MAPLP by at least one order of magnitude when the system transmits at a rate lower than the inverse of the MATI compared to the state-of-the-art. This work proposes two control methods called Estimator Enhanced Cooperative Adaptive Cruise Control (EECACC) and Predictive CACC (PCACC) to relax the limits of the communications resources while allowing the adaptability of the CoCoCo approach. The EECACC exploits the use of Kalman filters to encode and decode the transmitted information using the estimation error and shows that, based on the assumed correlation of acceleration, the improvements over the MATI range from 21% to 238%. Conversely, the PCACC architecture evaluates how predictions can relax communications requirements and shows that predictions provide a gain that increases as the number of predictions increases. However, inconsistencies in the predictions can reduce this gain to the point where it becomes a hindrance. These different architectures provide flexibility for selecting which control strategy and communications policy guarantees the QoS and QoC of multiple users and optimally assign communications resources for NCS, laying the foundation for CoCoCo methodologies for platooning and other NCS applications.

Abstrakt in Deutsch

Drahtlose Kommunikationssysteme müssen sich weiterentwickeln, um der steigenden Nachfrage nach modernen Diensten und vernetzten Geräten gerecht zu werden. Künftige drahtlose Netze werden eine größere Konnektivität bieten, so dass intelligentere Geräte in breiteren Frequenzbändern betrieben werden können. Diese Entwicklung wird Anwendungen wie Telemedizin, intelligente Stromnetze, Teleoperation und autonome Fahrzeuge zugute kommen, die hohe Anforderungen an Latenz und Zuverlässigkeit stellen. Ein angemessenes Verständnis des dynamischen Verhaltens von NCS ist jedoch erforderlich, um eine wahllose Nutzung von Kommunikationsressourcen zu vermeiden, die bei steigender Nutzerzahl zu Engpässen führen würde. CoCoCo-Strategien würden das dynamische Wissen des Systems nutzen, um die Nutzung der Kommunikationsressourcen in Abhängigkeit von ihrer Verfügbarkeit anzupassen, indem sie zwischen Kontrollstrategien und Kommunikationsrichtlinien wechseln, um QoS und QoC zu gewährleisten. Da Steuerungs- und Kommunikationssysteme durch mehrere Variablen parametriert werden, kann CoCoCo vereinfacht werden, indem die Abhängigkeiten der einzelnen Entwurfsparameter von der Abtastperiode, der Verbindungslatenz und der Paketverlustwahrscheinlichkeit abstrahiert werden. Die Bestimmung der Betriebsgrenzen dieser Parameter liefert einen Leitfaden zur Sicherstellung des QoC auf der Basis des QoS, den eine Kommunikationspolitik bieten kann. Durch eine Robustheitsanalyse der H8-Norm des NCS auf der Grundlage der durch die Kommunikationssysteme verursachten Unvollkommenheiten können daher die MATI, MAD und MAPLP abgeleitet werden. In dieser Arbeit wird eine Methode zur Berechnung von MATI und zur Ableitung analytischer Lösungen für MAD und MAPLP für allgemeine NCS vorgeschlagen. Diese Grenzwerte werden für den Fall CACC im Längszug bewertet, um ein robustes Verhalten gegenüber unerwünschten verstärkten Schwingungen, die als Stringinstabilität bezeichnet werden, zu gewährleisten. Die Grenzen der Kommunikationsanforderungen werden mit Hilfe einer Lyapunov-Funktion und einer diskreten stochastischen Übertragungsfunktion bewertet, die eine enge Übereinstimmung zwischen den beiden Ansätzen zeigen, was eine genaue Schätzung der H8-Norm impliziert. Diese Arbeit demonstriert die Relevanz von MATI als Normalisierungsfaktor, der die Robustheitsbereiche von NCS abstrahiert und ihren Vergleich ermöglicht. Die vorgeschlagene Methode zeigt auch eine weniger konservative Schätzung von MAPLP um mindestens eine Größenordnung, wenn das System mit einer Rate überträgt, die kleiner als der Kehrwert von MATI im Vergleich zum Stand der Technik ist. In dieser Arbeit werden zwei Kontrollmethoden, EECACC und PCACC, vorgeschlagen, um die Grenzen der Kommunikationsressourcen zu lockern und gleichzeitig die Anpassungsfähigkeit des CoCoCo-Ansatzes zu ermöglichen. EECACC verwendet Kalman-Filter zur Kodierung und Dekodierung der übertragenen Information unter Verwendung des Schätzfehlers und zeigt, dass die Verbesserungen gegenüber MATI, abhängig von der angenommenen Korrelation der Beschleunigung, zwischen 21% und 238% liegen. Umgekehrt wird in der PCACC-Architektur bewertet, wie Vorhersagen die Kommunikationsanforderungen reduzieren können, und es wird gezeigt, dass Vorhersagen einen Vorteil bieten, der mit der Anzahl der Vorhersagen zunimmt. Allerdings können Inkonsistenzen in den Vorhersagen diesen Vorteil so weit reduzieren, dass er zu einem Hindernis wird. Diese verschiedenen Architekturen bieten Flexibilität bei der Wahl der Steuerungsstrategie und der Kommunikationspolitik, die QoS und QoC von mehreren Nutzern garantieren und die Kommunikationsressourcen für NCS optimal zuweisen, und legen damit die Grundlage für CoCoCo-Methoden für Platooning und andere NCS-Anwendungen.