Minimização do consumo de energia em sistemas de controle em rede sem fio
One of the main 6G uses cases is known as URLLC, which has as necessary requirements the latency, reliability and availability that guarantees the resilience of the system against possible scenarios of unavailability. Also, because of cost and size restrictions at the time of implementation of these...
| Autor principal: | Silva, Rafaela Scaciota Simoes da |
|---|---|
| Formato: | Tese |
| Idioma: | Português |
| Publicado em: |
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
2022
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| Assuntos: | |
| Acesso em linha: |
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28627 |
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riut-1-286272022-05-24T06:07:43Z Minimização do consumo de energia em sistemas de controle em rede sem fio Minimization of energy consumption in wireless network control systems Silva, Rafaela Scaciota Simoes da Brante, Glauber Gomes de Oliveira https://orcid.org/0000-0001-6006-4274 http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Moritz, Guilherme Luiz https://orcid.org/0000-0003-3628-2321 http://lattes.cnpq.br/0736175449254807 Mariano, Andre Augusto https://orcid.org/0000-0002-6522-6049 http://lattes.cnpq.br/2247619809331876 Brante, Glauber Gomes de Oliveira https://orcid.org/0000-0001-6006-4274 http://lattes.cnpq.br/8347190422243353 Rebelatto, Joao Luiz https://orcid.org/0000-0002-1682-2215 http://lattes.cnpq.br/8633387185514637 Lopez, Onel Luis Alcaraz https://orcid.org/ 0000-0003-1838-5183 http://lattes.cnpq.br/6415192245629129 Souza, Richard Demo https://orcid.org/0000-0002-7389-6245 http://lattes.cnpq.br/6825512654223870 Sistemas de comunicação sem fio Energia elétrica - Consumo Controle preditivo Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos Internet das coisas Indústria 4.0 Manutenção - Cutos Wireless communication systems Electric power consumption Predictive control Reliability (Engineering) - Statistical methods Internet of things Industry 4.0 Maintenance - Costs CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica One of the main 6G uses cases is known as URLLC, which has as necessary requirements the latency, reliability and availability that guarantees the resilience of the system against possible scenarios of unavailability. Also, because of cost and size restrictions at the time of implementation of these systems, it is common for wireless control systems to be powered by batteries. Then, the energy consumed by the system needs to be taken into consideration. Therefore, three scenarios were analyzed to solve the necessary requirements in wireless control systems. The first two scenarios this work focuses on minimizing the energy consumed per successfully transmitted bit, with the constraint that the stability of the control system must be guaranteed. The first scenario used a condition that is sufficient to obtain the stability of the system known as the residence time method. Where it was possible through the optimization of the outage probability, to minimize the power consumption per bit from a closed expression that relates the maximum outage probability that the system can operate with the stability of the control system. With the analysis made from the scenario of the dwell time method, it was concluded that the joint design of communications and control has lower energy consumption than the traditional method in the literature, of minimizing energy given a fixed target outage. The second scenario presented a wireless networked control system (WNCS) with time correlation. The minimization of the energy consumed per bit was given from the optimization of the probability of outage of distributed channels according to a Nakagami-𝑚 distribution correlated in time. Therefore, a closed form expression was obtained for the transmission power that minimizes the amount of energy consumed per bit in this WNCS scenario. The results show that the optimal parameters of outage probability and transmission power depend on the temporal correlation factor present in the communication channel in a wireless network control system. Finally, in the third scenario, we minimize the amount of energy used by a power source with multiple antennas that feed a system with predictive control. In this scenario, it was possible to determine the model of the wireless channel of energy and information transfer and the incident energy statistics for cases of instantaneous or average channel state information. For the respective scenarios, we modeled the probability of outage, taking into account that both links affect the system’s reliability. The results show that the minimum energy will depend on the amount of before in the energy source and the number of predictive control commands. And we concluded that the use of a channel with instant information has less energy is used by the source than a channel with average information. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Um dos principais casos para o uso da tecnologia de sexta geração (6G) é conhecida como URLLC (do inglês, Ultra-Reliable Low-Latency Communications), que tem como requisitos a baixa latência, a confiabilidade e a disponibilidade altas que garantem a resiliência do sistema contra possíveis cenários de indisponibilidade. Ainda, por causa de restrições de custo e tamanho, no momento da implementação desses sistemas, é comum que os sistemas de controle sem fio sejam alimentados por baterias. Logo, a energia consumida pelo sistema precisa ser levada em consideração. Sendo assim, três cenários foram analisados para solucionar os requisitos de sistemas de controle sem fio. Nos dois primeiros cenários este trabalho foca na minimização da energia consumida por bit transmitido com sucesso, com a restrição de que a estabilidade do sistema de controle deve ser garantida. O primeiro cenário utilizou uma condição que é suficiente para obter a estabilidade do sistema conhecida como método do tempo de permanência. Assim, foi possível, por meio da otimização da probabilidade de outage, minimizar o consumo de energia por bit a partir de uma uma expressão fechada que relaciona a probabilidade de outage máxima do sistema com a estabilidade do sistema de controle. Foi concluído que o projeto conjunto de comunicações e controle tem menor consumo de energia que o método tradicional da literatura, de minimizar energia dada uma outage alvo fixa. O segundo cenário apresentou a minimização da energia consumida por bit a partir da otimização da probabilidade de outage modelada de acordo com a distribuição Nakagami-𝑚 correlacionada no tempo. Os resultados mostram que os parâmetros ideais de probabilidade de outage e potência de transmissão dependem do fator de correlação temporal presente no canal de comunicação. Por fim, no terceiro cenário temos como foco minimizar a quantidade de energia utilizada por uma fonte de energia de múltiplas antenas que alimenta um sistema com controle preditivo. Neste cenário foi possível determinar a estatística de energia incidente para os casos de termos a informação instantânea ou média de estado do canal. Para os respectivos cenários modelou-se a probabilidade de outage levando em consideração que a confiabilidade do sistema é afetada por ambos os enlaces, de transferência de energia e de informação. Os resultados apresentam que a energia mínima dependerá da quantidade de antenas na fonte de energia e da quantidade de comandos de controle preditivo. Foi concluído que a utilização da informação média do estado do canal é capaz de se aproximar do cenário com informação instantânea do estado do canal, especialmente quando o número de antenas aumenta. 2022-05-23T16:50:18Z 2022-05-23T16:50:18Z 2022-04-22 doctoralThesis SILVA, Rafaela Scaciota Simoes da. Minimização do consumo de energia em sistemas de controle em rede sem fio. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/28627 por openAccess http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba Brasil Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial UTFPR |
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Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
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Português |
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Sistemas de comunicação sem fio Energia elétrica - Consumo Controle preditivo Confiabilidade (Engenharia) - Métodos estatísticos Internet das coisas Indústria 4.0 Manutenção - Cutos Wireless communication systems Electric power consumption Predictive control Reliability (Engineering) - Statistical methods Internet of things Industry 4.0 Maintenance - Costs CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::TELECOMUNICACOES::SISTEMAS DE TELECOMUNICACOES Engenharia Elétrica Silva, Rafaela Scaciota Simoes da Minimização do consumo de energia em sistemas de controle em rede sem fio |
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One of the main 6G uses cases is known as URLLC, which has as necessary requirements the latency, reliability and availability that guarantees the resilience of the system against possible scenarios of unavailability. Also, because of cost and size restrictions at the time of implementation of these systems, it is common for wireless control systems to be powered by batteries. Then, the energy consumed by the system needs to be taken into consideration. Therefore, three scenarios were analyzed to solve the necessary requirements in wireless control systems. The first two scenarios this work focuses on minimizing the energy consumed per successfully transmitted bit, with the constraint that the stability of the control system must be guaranteed. The first scenario used a condition that is sufficient to obtain the stability of the system known as the residence time method. Where it was possible through the optimization of the outage probability, to minimize the power consumption per bit from a closed expression that relates the maximum outage probability that the system can operate with the stability of the control system. With the analysis made from the scenario of the dwell time method, it was concluded that the joint design of communications and control has lower energy consumption than the traditional method in the literature, of minimizing energy given a fixed target outage. The second scenario presented a wireless networked control system (WNCS) with time correlation. The minimization of the energy consumed per bit was given from the optimization of the probability of outage of distributed channels according to a Nakagami-𝑚 distribution correlated in time. Therefore, a closed form expression was obtained for the transmission power that minimizes the amount of energy consumed per bit in this WNCS scenario. The results show that the optimal parameters of outage probability and transmission power depend on the temporal correlation factor present in the communication channel in a wireless network control system. Finally, in the third scenario, we minimize the amount of energy used by a power source with multiple antennas that feed a system with predictive control. In this scenario, it was possible to determine the model of the wireless channel of energy and information transfer and the incident energy statistics for cases of instantaneous or average channel state information. For the respective scenarios, we modeled the probability of outage, taking into account that both links affect the system’s reliability. The results show that the minimum energy will depend on the amount of before in the energy source and the number of predictive control commands. And we concluded that the use of a channel with instant information has less energy is used by the source than a channel with average information. |
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SILVA, Rafaela Scaciota Simoes da. Minimização do consumo de energia em sistemas de controle em rede sem fio. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica e Informática Industrial) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
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