522 research outputs found

    Optimal Sequence-Based Control of Networked Linear Systems

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    In Networked Control Systems (NCS), components of a control loop are connected by data networks that may introduce time-varying delays and packet losses into the system, which can severly degrade control performance. Hence, this book presents the newly developed S-LQG (Sequence-Based Linear Quadratic Gaussian) controller that combines the sequence-based control method with the well-known LQG approach to stochastic optimal control in order to compensate for the network-induced effects

    Optimal Sequence-Based Control of Networked Linear Systems

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    In Networked Control Systems (NCS), components of a control loop are connected by data networks that may introduce time-varying delays and packet losses into the system, which can severly degrade control performance. Hence, this book presents the newly developed S-LQG (Sequence-Based Linear Quadratic Gaussian) controller that combines the sequence-based control method with the well-known LQG approach to stochastic optimal control in order to compensate for the network-induced effects

    Stochastic Control for Cooperative Cyber-Physical Networking

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    Die stetig fortschreitende Digitalisierung erlaubt einen immer autonomeren und intelligenteren Betrieb von Produktions- und Fertigungslinien, was zu einer stärker werdenden Verzahnung der physikalischen Prozesse und der Software-Komponenten zum Überwachen, Steuern und Messen führt. Cyber-physische Systeme (CPS) spielen hierbei eine Schlüsselrolle, indem sie sowohl die physikalischen als auch die Software-Komponenten zu einem verteilten System zusammenfassen, innerhalb dessen Umgebungszustände, Messwerte und Steuerbefehle über ein Kommunikationsnetzwerk ausgetauscht werden. Die Verfügbarkeit von kostengünstigen Geräten und die Möglichkeit bereits existierende Infrastruktur zu nutzen sorgen dafür, dass auch innerhalb von CPS zunehmend auf den Einsatz von Standard-Netzen auf Basis von IEEE 802.3 (Ethernet) und IEEE 802.11 (WLAN) gesetzt wird. Nachteilig bei der Nutzung von Standard-Netzen sind jedoch auftretende Dienstgüte-Schwankungen, welche aus der gemeinsamen Nutzung der vorhandenen Infrastruktur resultieren und für die Endsysteme in Form von sich ändernden Latenzen und Daten- und Paketverlustraten sichtbar werden. Regelkreise sind besonders anfällig für Dienstgüte-Schwankungen, da sie typischerweise isochrone Datenübertragungen mit festen Latenzen benötigen, um die gewünschte Regelgüte zu garantieren. Für die Vernetzung der einzelnen Komponenten, das heißt von Sensorik, Aktorik und Regler, setzt man daher klassischerweise auf Lösungen, die diese Anforderungen erfüllen. Diese Lösungen sind jedoch relativ teuer und unflexibel, da sie den Einsatz von spezialisierten Netzwerken wie z.B. Feldbussen benötigen oder über komplexe, speziell entwickelte Kommunikationsprotokolle realisiert werden wie sie beispielsweise die Time-Sensitive Networking (TSN) Standards definieren. Die vorliegende Arbeit präsentiert Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsprojekts CoCPN:Cooperative Cyber-Physical Networking, das ein anderes Konzept verfolgt und explizit auf CPS abzielt, die Standard-Netze einsetzen. CoCPN benutzt einen neuartigen, kooperativen Ansatz um i) die Elastizität von Regelkreisen innerhalb solcher CPS zu erhöhen, das heißt sie in die Lage zu versetzen, mit den auftretenden Dienstgüte-Schwankungen umzugehen, und ii) das Netzwerk über die Anforderungen der einzelnen Regler in Kenntnis zu setzen. Kern von CoCPN ist eine verteilte Architektur für CPS, welche es den einzelnen Regelkreisen ermöglicht, die verfügbare Kommunikations-Infrastruktur gemeinsam zu nutzen. Im Gegensatz zu den oben genannten Lösungen benötigt CoCPN dafür keine zentrale Instanz mit globaler Sicht auf das Kommunikationssystem, sodass eine enge Kopplung an die Anwendungen vermieden wird. Stattdessen setzt CoCPN auf eine lose Kopplung zwischen Netzwerk und Regelkreisen, realisiert in Form eines Austauschs von Meta-Daten über den sog. CoCPN-Translator. CoCPN implementiert ein Staukontrollverfahren, welches den typischen Zusammenhang zwischen erreichbarer Regelgüte und Senderate ausnutzt: die erreichbare Regelgüte steigt mit der Senderate und umgekehrt. Durch Variieren der zu erreichenden Regelgüte kann das Sendeverhalten der Regler so eingestellt werden, dass die vorhandenen Kommunikations-Ressourcen optimal ausgenutzt und gleichzeitig Stausituationen vermieden werden. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den regelungstechnischen Fragestellungen innerhalb von CoCPN. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen, die auf Basis der über den CoCPN-Translator ausgetauschten Meta-Daten die notwendige Elastizität liefern und es dadurch den Reglern ermöglichen, schnell auf Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte zu reagieren. Dazu ist es notwendig, dass den Reglern ein Modell zur Verfügung gestellt wird, dass die Auswirkungen von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte erfasst. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Erweiterung eines existierenden Modellierungs-Ansatzes vorgestellt, dessen Grundidee es ist, sowohl die Dynamik der Regelstrecke als auch den Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten durch ein hybrides System darzustellen. Hybride Systeme zeichnen sich dadurch aus, dass sie sowohl kontinuierlich- als auch diskretwertige Zustandsvariablen besitzen. Unsere vorgestellte Erweiterung ist in der Lage, Änderungen der Netzwerk-Dienstgüte abzubilden und ist nicht auf eine bestimmte probabilistische Darstellung der auftretenden Verzögerungen und Paketverluste beschränkt. Zusätzlich verzichtet unsere Erweiterung auf die in der Literatur übliche Annahme, dass Quittungen für empfangene Datenpakete stets fehlerfrei und mit vernachlässigbarer Latenz übertragen werden. Verglichen mit einem Großteil der verwandten Arbeiten, ermöglichen uns die genannten Eigenschaften daher eine realistischere Berücksichtigung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte. Mit dem entwickelten Modell kann der Einfluss von Verzögerungen und Paketverlusten auf die Regelgüte prädiziert werden. Auf Basis dieser Prädiktion können Stellgrößen dann mit Methoden der stochastischen modellprädiktiven Regelung (stochastic model predictive control) berechnet werden. Unsere realistischere Betrachtung der Netzwerk-Einflüsse auf die Regelgüte führt hierbei zu einer gegenseitigen Abhängigkeit von Regelung und Schätzung. Zur Berechnung der Stellgrößen muss der Regler den Zustand der Strecke aus den empfangenen Messungen schätzen. Die Qualität dieser Schätzungen hängt von den berechneten Stellgrößen und deren Auswirkung auf die Regelstrecke ab. Umgekehrt beeinflusst die Qualität der Schätzungen aber maßgeblich die Qualität der Stellgrößen: Ist der Schätzfehler gering, kann der Regler bessere Entscheidungen treffen. Diese gegenseitige Abhängigkeit macht die Berechnung von optimalen Stellgrößen unmöglich und bedingt daher die Fokussierung auf das Erforschen von approximativen Ansätzen. Im zweiten Teil dieser Arbeit stellen wir zwei neuartige Verfahren für die stochastische modellprädiktive Regelung über Netzwerke vor. Im ersten Verfahren nutzen wir aus, dass bei hybriden System oft sogenannte multiple model-Algorithmen zur Zustandsschätzung verwendet werden, welche den geschätzten Zustand in Form einer Gaußmischdichte repräsentieren. Auf Basis dieses Zusammenhangs und einer globalen Approximation der Kostenfunktion leiten wir einen Algorithmus mit geringer Komplexität zur Berechnung eines (suboptimalen) Regelgesetzes her. Dieses Regelgesetz ist nichtlinear und ergibt sich aus der gewichteten Kombination mehrerer unterlagerter Regelgesetze. Jedes dieser unterlagerten Regelgesetze lässt sich dabei als lineare Funktion genau einer der Komponenten der Gaußmischdichte darstellen. Unser zweites vorgestelltes Verfahren besitzt gegensätzliche Eigenschaften. Das resultierende Regelgesetz ist linear und basiert auf einer Approximation der Kostenfunktion, welche wir nur lokal, das heißt nur in der Umgebung einer erwarteten Trajektorie des geregelten Systems, berechnen. Diese Trajektorie wird hierbei durch die Prädiktion einer initialen Zustandsschätzung über den Optimierungshorizont gewonnen. Zur Berechnung des Regelgesetzes schlagen wir dann einen iterativen Algorithmus vor, welcher diese Approximation durch wiederholtes Optimieren der System-Trajektorie verbessert. Simulationsergebnisse zeigen, dass unsere neuartigen Verfahren eine signifikant höhere Regelgüte erzielen können als verwandte Ansätze aus der Literatur. Der dritte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich erneut mit dem hybriden System aus dem ersten Teil. Die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Netzwerk-Modelle, das heißt die verwendeten probabilistischen Beschreibungen der Verzögerungen und Paketverluste, werden vom CoCPN-Translator auf Grundlage von im Netzwerk gesammelten Status-Informationen erzeugt. Diese Status-Informationen bilden jedoch stets nur Ausschnitte ab und können nie exakt den "Zustand” des Netzwerks repräsentieren. Dementsprechend können die resultierenden Netzwerk-Modelle nicht als fehlerfrei erachtet werden. In diesem Teil der Arbeit untersuchen wir daher den Einfluss möglicher Fehler in den Netzwerk-Modellen auf die zu erwartende Regelgüte. Weiterhin gehen wir der Frage nach der Existenz von Reglern, die robust gegenüber solchen Fehlern und Unsicherheiten sind, nach. Dazu zeigen wir zunächst, dass sich Fehler in den Netzwerk-Modellen immer als eine polytopische Parameter-Unsicherheit im hybriden System aus dem ersten Teil manifestieren. Für solche polytopischen hybride System leiten wir dann eine sowohl notwendige als auch hinreichende Stabilitätsbedingung her, was einen signifikanten Beitrag zur Theorie der hybriden Systeme darstellt. Die Auswertung dieser Bedingung erfordert es zu bestimmen, ob der gemeinsame Spektralradius (joint spectral radius) einer Menge von Matrizen kleiner als eins ist. Dieses Entscheidungsproblem ist bekanntermaßen NP-schwer, was die Anwendbarkeit der Stabilitätsbedingung stark limitiert. Daher präsentieren wir eine hinreichende Stabilitätsbedingung, die in polynomieller Zeit überprüft werden kann, da sie auf der Erfüllbarkeit von linearen Matrixungleichungen basiert. Schließlich zeigen wir, dass die Existenz eines Reglers, der die Stabilität des betrachteten polytopischen hybriden Systems garantiert, von der Erfüllbarkeit einer ähnlichen Menge von Matrixungleichungen bestimmt wird. Diese Ungleichungen sind weniger restriktiv als die bisher in der Literatur bekannten, was die Synthese von weniger konservativen Reglern erlaubt. Schließlich zeigen wir im letzten Teil dieser Arbeit die Anwendbarkeit des kooperativen Konzepts von CoCPN in Simulations-Szenarien, in denen stark ausgelastete Netzwerk-Ressourcen mit anderen Anwendungen geteilt werden müssen. Wir demonstrieren, dass insbesondere das Zusammenspiel unserer modellprädiktiven Verfahren mit dem Staukontrollverfahren von CoCPN einen zuverlässigen Betrieb der Regelkreise ohne unerwünschte Einbußen der Regelgüte auch dann ermöglicht, wenn sich die Kommunikationsbedingungen plötzlich und unvorhergesehen ändern. Insgesamt stellt unsere Arbeit somit einen wichtigen Baustein auf dem Weg zu einem flächendeckenden Einsatz von Standard-Netzen als flexible und adaptive Basis für industrielle CPS dar

    Optimal Stationary State Estimation Over Multiple Markovian Packet Drop Channels

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    In this paper, we investigate the state estimation problem over multiple Markovian packet drop channels. In this problem setup, a remote estimator receives measurement data transmitted from multiple sensors over individual channels. By the method of Markovian jump linear systems, an optimal stationary estimator that minimizes the error variance in the steady state is obtained, based on the mean-square (MS) stabilizing solution to the coupled algebraic Riccati equations. An explicit necessary and sufficient condition is derived for the existence of the MS stabilizing solution, which coincides with that of the standard Kalman filter. More importantly, we provide a sufficient condition under which the MS detectability with multiple Markovian packet drop channels can be decoupled, and propose a locally optimal stationary estimator but computationally more tractable. Analytic sufficient and necessary MS detectability conditions are presented for the decoupled subsystems subsequently. Finally, numerical simulations are conducted to illustrate the results on the MS stabilizing solution, the MS detectability, and the performance of the optimal and locally optimal stationary estimators

    Optimal Energy Allocation for Kalman Filtering over Packet Dropping Links with Imperfect Acknowledgments and Energy Harvesting Constraints

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    This paper presents a design methodology for optimal transmission energy allocation at a sensor equipped with energy harvesting technology for remote state estimation of linear stochastic dynamical systems. In this framework, the sensor measurements as noisy versions of the system states are sent to the receiver over a packet dropping communication channel. The packet dropout probabilities of the channel depend on both the sensor's transmission energies and time varying wireless fading channel gains. The sensor has access to an energy harvesting source which is an everlasting but unreliable energy source compared to conventional batteries with fixed energy storages. The receiver performs optimal state estimation with random packet dropouts to minimize the estimation error covariances based on received measurements. The receiver also sends packet receipt acknowledgments to the sensor via an erroneous feedback communication channel which is itself packet dropping. The objective is to design optimal transmission energy allocation at the energy harvesting sensor to minimize either a finite-time horizon sum or a long term average (infinite-time horizon) of the trace of the expected estimation error covariance of the receiver's Kalman filter. These problems are formulated as Markov decision processes with imperfect state information. The optimal transmission energy allocation policies are obtained by the use of dynamic programming techniques. Using the concept of submodularity, the structure of the optimal transmission energy policies are studied. Suboptimal solutions are also discussed which are far less computationally intensive than optimal solutions. Numerical simulation results are presented illustrating the performance of the energy allocation algorithms.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Automatic Control. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1402.663

    Resource-Aware Design Of Wireless Control Systems

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    This work is motivated by modern monitoring and control infrastructures appearing in smart homes, urban environments, and industrial plants. These systems are characterized by multiple sensor and actuator devices at different physical locations, communicating wirelessly with each other. Desired monitoring and control performance requires efficient wireless communication, as the more information the sensors convey the more precise actuation becomes. However wireless communication is constrained by the inherent uncertainty of the wireless medium as well as resource limitations at the devices, e.g., limited power resources. The increased number of wireless devices in such environments further necessitates the management of the shared wireless spectrum with direct account of control performance. To address these challenges, the goal of this work is to provide control-aware and resource-aware communication policies. This is first examined in the fundamental problem of allocating transmit power resources for wireless closed loop control. Opportunistic online adaptation of power to plant and wireless channel conditions is shown to be essential in achieving the optimal tradeoff between control performance and power utilization. Optimal structural properties of channel access mechanisms are also considered for the problem of guaranteeing multiple control performance requirements over a shared wireless medium. This includes scheduling mechanisms implemented by central authorities, as well as decentralized mechanisms implemented independently by the wireless devices with emerging wireless interferences. Again the mechanisms exhibit an opportunistic adaptation to varying wireless channel conditions, especially designed to explore the tradeoffs between different communication links and meet control performance requirements. The structural characterization is augmented with tractable optimization algorithms to compute these channel access mechanisms. Finally, as control is naturally a dynamic task that requires a long term planning, appropriate dynamic algorithms adapting to the varying control system states are examined. Besides adapting dynamically, the proposed algorithms provide guarantees about long term control performance and resource utilization by construction

    On Age-of-Information Aware Resource Allocation for Industrial Control-Communication-Codesign

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    Unter dem Überbegriff Industrie 4.0 wird in der industriellen Fertigung die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung von industriellen Maschinen und Prozessen zusammengefasst. Die drahtlose, hoch-zuverlässige, niedrig-latente Kommunikation (engl. ultra-reliable low-latency communication, URLLC) – als Bestandteil von 5G gewährleistet höchste Dienstgüten, die mit industriellen drahtgebundenen Technologien vergleichbar sind und wird deshalb als Wegbereiter von Industrie 4.0 gesehen. Entgegen diesem Trend haben eine Reihe von Arbeiten im Forschungsbereich der vernetzten Regelungssysteme (engl. networked control systems, NCS) gezeigt, dass die hohen Dienstgüten von URLLC nicht notwendigerweise erforderlich sind, um eine hohe Regelgüte zu erzielen. Das Co-Design von Kommunikation und Regelung ermöglicht eine gemeinsame Optimierung von Regelgüte und Netzwerkparametern durch die Aufweichung der Grenze zwischen Netzwerk- und Applikationsschicht. Durch diese Verschränkung wird jedoch eine fundamentale (gemeinsame) Neuentwicklung von Regelungssystemen und Kommunikationsnetzen nötig, was ein Hindernis für die Verbreitung dieses Ansatzes darstellt. Stattdessen bedient sich diese Dissertation einem Co-Design-Ansatz, der beide Domänen weiterhin eindeutig voneinander abgrenzt, aber das Informationsalter (engl. age of information, AoI) als bedeutenden Schnittstellenparameter ausnutzt. Diese Dissertation trägt dazu bei, die Echtzeitanwendungszuverlässigkeit als Folge der Überschreitung eines vorgegebenen Informationsalterschwellenwerts zu quantifizieren und fokussiert sich dabei auf den Paketverlust als Ursache. Anhand der Beispielanwendung eines fahrerlosen Transportsystems wird gezeigt, dass die zeitlich negative Korrelation von Paketfehlern, die in heutigen Systemen keine Rolle spielt, für Echtzeitanwendungen äußerst vorteilhaft ist. Mit der Annahme von schnellem Schwund als dominanter Fehlerursache auf der Luftschnittstelle werden durch zeitdiskrete Markovmodelle, die für die zwei Netzwerkarchitekturen Single-Hop und Dual-Hop präsentiert werden, Kommunikationsfehlerfolgen auf einen Applikationsfehler abgebildet. Diese Modellierung ermöglicht die analytische Ableitung von anwendungsbezogenen Zuverlässigkeitsmetriken wie die durschnittliche Dauer bis zu einem Fehler (engl. mean time to failure). Für Single-Hop-Netze wird das neuartige Ressourcenallokationsschema State-Aware Resource Allocation (SARA) entwickelt, das auf dem Informationsalter beruht und die Anwendungszuverlässigkeit im Vergleich zu statischer Multi-Konnektivität um Größenordnungen erhöht, während der Ressourcenverbrauch im Bereich von konventioneller Einzelkonnektivität bleibt. Diese Zuverlässigkeit kann auch innerhalb eines Systems von Regelanwendungen, in welchem mehrere Agenten um eine begrenzte Anzahl Ressourcen konkurrieren, statistisch garantiert werden, wenn die Anzahl der verfügbaren Ressourcen pro Agent um ca. 10 % erhöht werden. Für das Dual-Hop Szenario wird darüberhinaus ein Optimierungsverfahren vorgestellt, das eine benutzerdefinierte Kostenfunktion minimiert, die niedrige Anwendungszuverlässigkeit, hohes Informationsalter und hohen durchschnittlichen Ressourcenverbrauch bestraft und so das benutzerdefinierte optimale SARA-Schema ableitet. Diese Optimierung kann offline durchgeführt und als Look-Up-Table in der unteren Medienzugriffsschicht zukünftiger industrieller Drahtlosnetze implementiert werden.:1. Introduction 1 1.1. The Need for an Industrial Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Related Work 7 2.1. Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Codesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. The Need for Abstraction – Age of Information . . . . . . . . 11 2.4. Dependability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Deriving Proper Communications Requirements 17 3.1. Fundamentals of Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.2. Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.3. Packet Losses and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Joint Design of Control Loop with Packet Losses . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1. Method 1: Reduced Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2. Method 2: Markov Jump Linear System . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Focus Application: The AGV Use Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1. Control Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2. Control Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3. Joint Modeling: Applying Reduced Sampling . . . . . . . . . . 34 3.3.4. Joint Modeling: Applying MJLS . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Modeling Control-Communication Failures 43 4.1. Communication Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1. Small-Scale Fading as a Cause of Failure . . . . . . . . . . . . 44 4.1.2. Connectivity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2. Failure Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.1. Single-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.2. Dual-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.1. Mean Time to Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.2. Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.3. Average Number of Assigned Channels . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.4. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Single Hop – Single Agent 61 5.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3. Erroneous Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6. Single Hop – Multiple Agents 71 6.1. Failure Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.1. Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.2. Transition Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.3. Computational Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.1.4. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2. Illustration Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.3.1. Verification through System-Level Simulation . . . . . . . . . 78 6.3.2. Applicability on the System Level . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3.3. Comparison of Admission Control Schemes . . . . . . . . . . 80 6.3.4. Impact of the Packet Loss Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.3.5. Impact of the Number of Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.6. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.7. Channel Saturation Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.8. Enforcing Full Channel Saturation . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7. Dual Hop – Single Agent 91 7.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2. Optimization Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3.1. Extensive Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.2. Non-Integer-Constrained Optimization . . . . . . . . . . . . . 98 7.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8. Conclusions and Outlook 105 8.1. Key Results and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.2. Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 A. DC Motor Model 111 Bibliography 113 Publications of the Author 127 List of Figures 129 List of Tables 131 List of Operators and Constants 133 List of Symbols 135 List of Acronyms 137 Curriculum Vitae 139In industrial manufacturing, Industry 4.0 refers to the ongoing convergence of the real and virtual worlds, enabled through intelligently interconnecting industrial machines and processes through information and communications technology. Ultrareliable low-latency communication (URLLC) is widely regarded as the enabling technology for Industry 4.0 due to its ability to fulfill highest quality-of-service (QoS) comparable to those of industrial wireline connections. In contrast to this trend, a range of works in the research domain of networked control systems have shown that URLLC’s supreme QoS is not necessarily required to achieve high quality-ofcontrol; the co-design of control and communication enables to jointly optimize and balance both quality-of-control parameters and network parameters through blurring the boundary between application and network layer. However, through the tight interlacing, this approach requires a fundamental (joint) redesign of both control systems and communication networks and may therefore not lead to short-term widespread adoption. Therefore, this thesis instead embraces a novel co-design approach which keeps both domains distinct but leverages the combination of control and communications by yet exploiting the age of information (AoI) as a valuable interface metric. This thesis contributes to quantifying application dependability as a consequence of exceeding a given peak AoI with the particular focus on packet losses. The beneficial influence of negative temporal packet loss correlation on control performance is demonstrated by means of the automated guided vehicle use case. Assuming small-scale fading as the dominant cause of communication failure, a series of communication failures are mapped to an application failure through discrete-time Markov models for single-hop (e.g, only uplink or downlink) and dual-hop (e.g., subsequent uplink and downlink) architectures. This enables the derivation of application-related dependability metrics such as the mean time to failure in closed form. For single-hop networks, an AoI-aware resource allocation strategy termed state-aware resource allocation (SARA) is proposed that increases the application reliability by orders of magnitude compared to static multi-connectivity while keeping the resource consumption in the range of best-effort single-connectivity. This dependability can also be statistically guaranteed on a system level – where multiple agents compete for a limited number of resources – if the provided amount of resources per agent is increased by approximately 10 %. For the dual-hop scenario, an AoI-aware resource allocation optimization is developed that minimizes a user-defined penalty function that punishes low application reliability, high AoI, and high average resource consumption. This optimization may be carried out offline and each resulting optimal SARA scheme may be implemented as a look-up table in the lower medium access control layer of future wireless industrial networks.:1. Introduction 1 1.1. The Need for an Industrial Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2. Related Work 7 2.1. Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.3. Codesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3.1. The Need for Abstraction – Age of Information . . . . . . . . 11 2.4. Dependability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3. Deriving Proper Communications Requirements 17 3.1. Fundamentals of Control Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.1.1. Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.1.2. Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.1.3. Packet Losses and Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.2. Joint Design of Control Loop with Packet Losses . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1. Method 1: Reduced Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2. Method 2: Markov Jump Linear System . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Focus Application: The AGV Use Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.1. Control Loop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2. Control Performance Requirements . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.3. Joint Modeling: Applying Reduced Sampling . . . . . . . . . . 34 3.3.4. Joint Modeling: Applying MJLS . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Modeling Control-Communication Failures 43 4.1. Communication Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.1.1. Small-Scale Fading as a Cause of Failure . . . . . . . . . . . . 44 4.1.2. Connectivity Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.2. Failure Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.1. Single-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.2.2. Dual-hop network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.1. Mean Time to Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.2. Packet Loss Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.3.3. Average Number of Assigned Channels . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.4. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5. Single Hop – Single Agent 61 5.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.2. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.3. Erroneous Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6. Single Hop – Multiple Agents 71 6.1. Failure Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.1. Admission Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 6.1.2. Transition Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 6.1.3. Computational Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.1.4. Performance Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.2. Illustration Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 6.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 6.3.1. Verification through System-Level Simulation . . . . . . . . . 78 6.3.2. Applicability on the System Level . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.3.3. Comparison of Admission Control Schemes . . . . . . . . . . 80 6.3.4. Impact of the Packet Loss Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.3.5. Impact of the Number of Agents . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.6. Age of Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3.7. Channel Saturation Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.3.8. Enforcing Full Channel Saturation . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 7. Dual Hop – Single Agent 91 7.1. State-Aware Resource Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 7.2. Optimization Targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 7.3. Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.3.1. Extensive Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 7.3.2. Non-Integer-Constrained Optimization . . . . . . . . . . . . . 98 7.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 8. Conclusions and Outlook 105 8.1. Key Results and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.2. Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 A. DC Motor Model 111 Bibliography 113 Publications of the Author 127 List of Figures 129 List of Tables 131 List of Operators and Constants 133 List of Symbols 135 List of Acronyms 137 Curriculum Vitae 13

    CONTROL AND ESTIMATION OVER UNRELIABLE COMMUNICATION NETWORKS

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