Energy-aware control and communication co-design in wireless net-worked control systems

by Nicolas Cardoso de Castro

Doctoral thesis in Automatique et productique

Under the supervision of Carlos Canudas-de-Wit.

Thesis committee President: Mazen Alamir.

Thesis committee members: Antonio Bicchi, Antoine Chaillet, Suzanne Lesecq, Daniel E. Quevedo.

Examiners: Maurice Heemels, Luca Schenato.

  • Abstract

    Energy is a key resource in Networked Control Systems, in particular in applications concerning wireless networks. This thesis investigates how to save energy in wireless sensor nodes with control and communication co-Design. This thesis reviews existing techniques and approaches that are used to save energy from a communication and a control point of view. This review is organized according to the layered communication architecture covering from bottom to top the Physical, Data Link, Network, and Application layers. Then, from the conclusion that the radio chip is an important energy consumer, a joint radio-Mode management and feedback law policy is derived. The radio-Mode management exploits the capabilities of the radio chip to switch to low consuming radio-Modes to save energy, and to adapt the transmission power to the channel conditions. This results in an event-Based control scheme where the system runs open loop at certain time. A natural trade-Off appears between energy savings and control performance. The joint policy is derived in the framework of Optimal Control with the use of Dynamic Programming. This thesis solves the optimal problem in both infinite and finite horizon cases. Stability of the closed loop system is investigated with Input-To-State Stability framework. The main conclusion of this thesis, also shown in simulation, is that cross-Layer design in Networked Control System is essential to save energy in the wireless nodes.

  • Alternative Title

    Co-conception contrôle / communication pour économiser l'énergie dans les systèmes commandés en réseau sans fil

  • Abstract

    L'énergie est une ressource clé dans les systèmes commandés en réseau, en particulier dans les applications concernant les réseaux sans fil. Cette thèse étudie comment économiser l'énergie dans les capteurs sans fil avec une co-Conception contrôle et communication. Cette thèse examine les techniques et les approches existantes qui sont utilisées pour économiser l'énergie d'un point de vue de la communication et du contrôle. Cet étude est organisée selon une architecture de communication par couches couvrant de bas en haut les couches Physique, Liaison, Réseau, et Application. Puis, à partir de la conclusion que la puce radio est un important consommateur d'énergie, une loi conjointe de gestion des modes radio et de contrôle en boucle fermée est établie. La gestion des modes radio exploite les capacités de la puce radio à communter dans des modes de basses consommation pour économiser l'énergie, et d'adapter la puissance de transmission aux conditions du canal. Il en résulte un système de contrôle basé sur des événements où le système fonctionne en boucle ouverte à certains moments. Un compromis naturel apparaît entre l'économie d'énergie et les performances de contrôle. La loi conjointe est établie avec une formulation de contrôle optimal utilisant la Programmation Dynamique. Cette thèse résout le problème optimal dans les deux cas d'horizon infini et fini. La stabilité du système en boucle fermée est étudiée avec la formulation Input-To-State Stability (ISS). La principale conclusion de cette thèse, également illustrée dans la simulation, est que la conception à travers différentes couches dans les systèmes commandés en réseau est essentielle pour économiser l'énergie dans les noeuds sans fil.

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