Shaban Guma

• In the context of distributed networked control systems, many issues affect the performance and functionality of the connected subsystems, mainly raised because of the communication medium imposed into the system structure. The communication functionality must generally cope with the data exchange requirements between system entities. Therefore, due to the limited communication resources, especially in wireless networks, an optimal algorithm for the assignment of the communication resources and proper selection of the right Medium Access Control (MAC) protocol are highly needed. In this dissertation, we studied several problems raised by communication networks in wireless networked control systems, with a particular focus on the effect of standard Medium Access Control (MAC) protocols on the overall control system performance. We examined the effect of both the Time Division Multiple Access (TDMA) and the Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) protocols and developed a set of distributed algorithms that suit their specification requirements. As a benchmark, we used a vehicle dynamics optimal control problem where the objective of the optimization problem is to penalize the maximal utilization of the tire's adhesion forces for a given driving maneuver. The problem was decomposed into a distributed form using primal and dual decomposition techniques, and solving algorithms were derived using both primal and dual subgradient methods. The problem solver was tested with respect to a wireless networked system structure and evaluated for different communication typologies, such as uni-directional, bidirectional, and broadcasting topology. Later, the setup of the solution algorithms was extended concerning the specification of the TDMA and OFDMA protocols, and we introduced an event-triggered scheme into the solver algorithm. The proposed event-triggered scheme is mainly utilized to reduce communication between concurrent computation subsystems, which is primarily intended to facilitate real-time efficiency. Next, we investigated the effect of the data exchange between subsystems on the overall solver performance and adapted the sensitivity analysis concept within the event-based communication scheme. An adaptive sensitivity-based TDMA algorithm was developed to manage the extensive communication resource requests, and channel utilization was adapted for the optimal solution behavior. In the last part of the thesis, we extended our research direction to the multi-vehicle concept and investigated the communication resource allocation problem in the context of the OFDMA protocol. We developed an adaptive sensitivity-based OFDMA protocol based on linking the evolution of the application layer to the communication layer and assigning the communication resources concerning the sensitivity analysis of the optimization problem at the application layer.
• Im Kontext von verteilten vernetzten Steuerungssystemen gibt es viele Probleme, die die Leistung und Funktionalität solcher Systeme beeinflussen, welche hauptsächlich durch die Einführung des Kommunikationsnetzwerks in die Systemstruktur entstehen. Im Allgemeinen muss die Kommunikationsfunktionalität den Anforderungen an den Datenaustausch zwischen den Systementitäten gerecht werden. Aufgrund der begrenzten Kommunikationsressourcen, insbesondere in drahtlosen Netzwerken, sind ein optimaler Algorithmus für die Zuweisung der Kommunikationsressourcen und die passende Auswahl des richtigen Medium Access Control (MAC) -Protokolls dringend erforderlich. Im Rahmen dieser Dissertation wurden mehrere Probleme untersucht, die durch Kommunikationsnetzwerke im Kontext von drahtlosen vernetzten Steuerungssystemen aufgeworfen werden, mit besonderem Fokus auf den Einfluss von Standard-Multiple-MAC-Protokollen auf die Gesamtleistung des Steuerungssystems. Wir haben den sowohl den Einfluss des Time Division Multiple Access (TDMA)- als auch des Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)-Protokolls untersucht und eine Reihe von verteilten Algorithmen entwickelt, die ihren Spezifikationen entsprechen. Als Benchmark wurde ein Fahrdynamik-Optimierungsproblem herangezogen, bei dem das Ziel des Optimierungsproblems darin besteht, die maximale Nutzung der Reifenhaftkräfte für ein bestimmtes Fahrmanöver zu bestrafen. Das Problem wurde mit Hilfe von primären und dualen Zerlegungstechniken in eine verteilte Form zerlegt, und es wurden Lösungsalgorithmen abgeleitet, die sowohl primäre als auch duale Subgradientenmethoden verwenden. Der Lösungsansatz wurde auf eine drahtlos vernetzte Systemstruktur verteilt und für verschiedene Kommunikationstypologien wie unidirektionale, bidirektionale und Broadcasting-Topologie getestet und bewertet. Danach wurde der Aufbau des Lösungsansatzes im Hinblick auf die Spezifikation der TDMA- und OFDMA-Protokolle durch die Einführung eines ereignisgesteuertes Schemas erweitert. Das vorgeschlagene ereignisgesteuerte Schema wird hauptsächlich dazu verwendet, die Kommunikation zwischen gleichzeitig rechnenden Knoten zu reduzieren, was in erster Linie die Echtzeiteffizienz verbessern soll. Als Nächstes untersuchten wir die Auswirkungen des Datenaustauschs zwischen den Teilsystemen auf die Gesamtleistung des Solvers und passten das Konzept der Empfindlichkeitsanalyse innerhalb des ereignisbasierten Kommunikationsschemas an. Es wurde ein adaptiver empfindlichkeitsbasierter TDMA-Algorithmus entwickelt, um die umfangreichen Anforderungen an die Kommunikationsressourcen zu verwalten, und die Kanalauslastung wurde an das optimale Lösungsverhalten angepasst. Im letzten Teil dieser Arbeit haben wir unsere Forschungsrichtung auf das Multi-Fahrzeug-Konzept erweitert und das Problem der Kommunikationsressourcenallokation im Kontext des OFDMA-Protokolls untersucht. Wir haben ein adaptives Empfindlichkeitsbasiertes OFDMA-Protokoll entwickelt, das auf der Verknüpfung der Evolution der Anwendungsschicht mit der Kommunikationsschicht und der Zuweisung der Kommunikationsressourcen in Bezug auf die Sensitivitätsanalyse des Optimierungsproblems auf der Anwendungsschicht basiert.