名古屋大学 エコトピア科学研究所 情報・通信科学研究部門 （大学院 工学研究科 電子情報システム専攻 兼担） 片山 正昭 日本テクノセンター 2011.08.05 無線制御の高信頼化技術 無線通信の品質と制御の品質 since 2001 名古屋大学 エコトピア科学研究所　情報・通信科学研究部門 （大学院 工学研究科 電子情報システム専攻 兼担） 片山 正昭

無線通信技術 通信品質 の改善のための 無線通信技術 通信路 制御対象 入力信号 多様な通信方式について検討 not specified 　　無線通信技術 通信品質 の改善のための 無線通信技術 通信路 多様な通信方式について検討 MIMO + Relay for slow-flat fading with shadowing Rx/Tx Adaptive to Non-stationary noise Diversity for Robust Synchronization etc 制御対象 not specified 入力信号 最終目標： 与えられた無線環境における 無線制御システムの品質向上

無線通信技術 通信品質 の改善のための 無線通信技術 通信路 制御システムの品質改善に 有効かどうかの議論不足． 制御対象 入力信号 　　無線通信技術 通信品質 の改善のための 無線通信技術 通信路 多様な通信方式について検討 MIMO + Relay for slow-flat fading with shadowing Rx/Tx Adaptive to Non-stationary noise Diversity for Robust Synchronization etc 制御対象 not specified 入力信号 制御システムの品質改善に 有効かどうかの議論不足． 最終目標： 与えられた無線環境における 無線制御システムの品質向上

信頼性・頑強性・可用性 Reliability Robustness Availability 平常動作時における性能維持能力 信頼性・頑強性・可用性　　 Reliability 平常動作時における性能維持能力 Robustness 攻撃・外乱・故障等の非平常時での信頼性 Availability 性能を維持できる時間率で見た信頼性 非正常状況からの回復速度も加味

無線システムの通信品質尺度例 (cited from IEEE Trans. COM 2002 Mar.) Out of Band Power mean SNR Bit Error Rate (mean) Symbol Error Prob. (mean) Mean Square Error (freq. estimate) Mean Number of Training Bit Capacity in bits Throughput　 Average Transmission Delay Handoff Prob. Packet Dropping Prob.

無線システムの通信品質尺度例 (cited from IEEE Trans. COM 2002 Mar.) Out of Band Power mean SNR Bit Error Rate (mean) Symbol Error Prob. (mean) Mean Square Error (freq. estimate) Mean Number of Training Bit Capacity in bits Throughput　 Average Transmission Delay Handoff Prob. Packet Dropping Prob. 変動する特性を 平均値で評価している

無線システムの通信品質尺度 無線屋が普通に使うのは？　 平均データ誤り率 平均データ速度（スループット）

平均は同じでも．．． p.d.f Quality 2m average p.d.f Quality m

Latency of Wireless LAN Wireless LAN: 802.11g (64bytes/packet) Propagation: 10 meters LOS Transmission: 100packets, 1ms after ACK Location: Indoor @ University Building (10 x 20 m2) The data is provided by Prof. Hirayama@NIT

Robust Reliable Radio

平均品質より最低保障 少量の制御情報を 所定時間内に伝送 通信の失敗の減少を志向 従来の無線通信 無線制御 高速化・大容量化 高速化・大容量化　 最高性能・平均特性の向上を志向 伝送品質 無線制御 少量の制御情報を 所定時間内に伝送 通信の失敗の減少を志向 時間

品質の階層構造と評価尺度 品質指標の階層構造 例えば、BER＝ f ( Eb/No ) 下位階層の品質で 上位階層の品質を規定 平均は不適切 　　品質の階層構造と評価尺度 品質指標の階層構造 ある品質指標が別の品質指標の関数 例えば、BER＝ f ( Eb/No ) 下位階層の品質で 上位階層の品質を規定 平均は不適切 BERの平均値 ≠ f ( Eb/Noの平均値 ) 所望性能は保存される BERの所望性能= f ( Eb/Noの所望性能 ) BERが所望値を満たさない確率 (BER outage Prob.) 　　　　 Eb/Noが所望値以下になる確率 (Eb/No outage Prob) 最終目標： 与えられた無線環境における 無線制御システムの品質向上 ＝

AverageとOutage 送信ダイバシチ ★ Averageの改善とOutageの改善は等価ではない． 平均ＢＥＲ：送信アンテナ数(M)増加で常に改善 BER-Outage:　低SNRでは送信アンテナ数増加で特性劣化 ★ Averageの改善とOutageの改善は等価ではない．

アプリケーション（制御）までの考慮が必要 無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 Reliable Robust Radio Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？ アプリケーション（制御）までの考慮が必要

制御システムのモデル化 制御システムの応答 による誤差： e M (t )=v (t ) - s (t ) ある時刻で運転停止 運転停止（停止までに時定数） 制御システムの応答 による誤差： 　　e M (t )=v (t ) - s (t )

無線制御システムのモデル化 無線通信の誤差： e C(t ) = r (t ) - s (t ) システム全体の誤差： 　　e S(t ) = u (t ) - s (t )

決定系：ｓ（ｔ）が与えられればｖ（ｔ）は決まる 確率系：s（ｔ）があたえられてもｒ（ｔ）, u(t)は不定（ランダム過程） 無線制御システム:確率系の連接 決定系：ｓ（ｔ）が与えられればｖ（ｔ）は決まる 確率系：s（ｔ）があたえられてもｒ（ｔ）, u(t)は不定（ランダム過程） 無線制御では，入力が定まっても出力不定 　　　→「絶対・確実」は不可能．信頼できない．

確率的現象 まっとうな製品では 無線通信の世界では 無線制御でも不可避 確率的現象＝不具合，零にすべきもの 製造の歩留まり 製造後の故障 無線通信の世界では 確率的現象＝不可避なもの（飯の種） フェージングによる信号消失 雑音によるビット誤り パケット衝突 同期は取れている？？？ 無線制御でも不可避 確率的な評価尺度が必要

無線制御システムの信頼性 e M (t ) = v (t ) - s (t ) e S (t ) = u (t ) - s (t ) 無線通信の影響： e (t ) = e S (t ) – e M (t ) = u (t ) - v (t ) ×　無線制御では，「絶対・確実」は不可能．信頼できない． ○　制御系でも， 「絶対・確実」は非現実． 　　 制御系でも， v (t ) ≠ s (t ) ■eS(t)=0　でなくても良い． ■ e(t)の統計量で表現できる品質指標が許容範囲内なら良い．

無線制御システムの性能評価 システム 品質指標 [ε(t)=u(t)-v(t) の統計量] 制御対象 f（・） 制御信号 s(t) 無線制御システムの性能評価　　　 システム 制御対象　 f（・） 制御信号　 s(t) 通信路　　　Prob(r(t)| s(t)) 品質指標　[ε(t)=u(t)-v(t) の統計量] MSE --------------- E[ε2(t)] worst case -------- max|ε(t)| outage prob.------ Prob(Θ<|ε(t)| ) delay deterministic stochastic

例：遅延を品質指標とした場合 システム 品質指標 制御対象 f（・）：一次フィードバック 制御信号 s(t) ：単位ステップ関数 例：遅延を品質指標とした場合　　 システム 制御対象　 f（・）：一次フィードバック 制御信号　 s(t) ：単位ステップ関数 制御出力 v(t) = K(1-exp( - t / T )) 品質指標 遅延量：出力が定常値の半分となる 　　　　　 までにかかる時間 制御系のみ：　τ=T ln2 無線系込み：　Prob(r(t) |s(t))に依存 例： r(t)=s(t-Δ)なら 　　　　τ’= τ+Δ 注意：τ’はランダム変数

無線品質と制御品質

既存研究とその特徴 無線通信路誤りの影響は未着手 ■遅延を含む通信制御システムの検討 ■通信制御システムのパケットに基づいた制御割り当て H.Gao, T.Chen,and J.Lam,”A new delay system approach to networked-based control,” Automatica,vol.44,no.2,pp.371-376,2007 ■通信制御システムのパケットに基づいた制御割り当て J.Wu and T.Chen,”Design of a Packet-Based Control Framework for Networked Control Systems,” IEEE Trans. , vol.17,no.4,pp.859-865,Jul.2009 特徴 □従来の制御システムに通信のパラメータを加えたのみ □安定性を評価指標 □制御器と制御対象が１台ずつの単一制御系 安定性以外の評価 制御対象が複数 無線通信路誤りの影響は未着手

確率的尺度の例(振子転倒確率) 安定化領域内の外へ出てしまう（転倒）と 他の制御手法が必要となる 制御システムが許容値内で制御可能かどうかで考える 制御品質尺度：振子の転倒確率

伝送レートが制御系へ与える影響 パケット伝送レート 1/Ts=50[Hz] パケット損失率 p=0 目標値が切り替わるたびに追従

伝送レートが制御系へ与える影響 振子を倒立させるには、 ある程度の伝送レートが必要 パケット伝送レート 1/Ts= 6.3[Hz] パケット損失率 p=0 振子を倒立させるには、 ある程度の伝送レートが必要

伝送誤りが制御系へ与える影響 パケット伝送レート 1/Ts=10[Hz] パケットロス率 p=0.2 伝送誤りにより振子が転倒

伝送速度による誤り補償 パケット伝送レート 1/Ts=50[Hz] パケットロス率 p=0.2 伝送レートの向上により誤りがあっても制御が可能

制御システムの信頼性（ランダムモデル） 伝送誤りが発生しても安定した制御が可能な領域が存在

等振子転倒確率曲線 伝送レートの向上により、パケット損失への耐性が向上

アプリケーション（制御）までの考慮が必要 無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 Reliable Robust Radio Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？ アプリケーション（制御）までの考慮が必要

通信からみた制御 [by 原晋介先生@大阪市大] 従来のアプリケーション （携帯電話等）

通信からみた制御 [by 原晋介先生@大阪市大] 制御アプリケーション 従来のアプリケーション （携帯電話等）

通信からみた制御 [by 原晋介先生@大阪市大] 制御システムは 数学で記述できる インテリジェンスが低い 　　→　無線通信部と統合最適化可能 制御アプリケーション 従来のアプリケーション （携帯電話等）

アプリケーション（制御）までの考慮が必要 同時ということ．同期ということ 無線制御の品質向上 無線通信の高信頼性化 Reliable Robust Radio Wireless Wire そもそも高信頼な無線回線とは？ アプリケーション（制御）までの考慮が必要 同時ということ．同期ということ

A concert starts with 10 minutes delay, Latency A concert starts with 10 minutes delay,

The concert with 10 minutes delay and the music is great! Latency The concert with 10 minutes delay and the music is great!

A concert with 1 second of random delay of each player Synchronization A concert with 1 second of random delay of each player

Synchronization The concert with 1 second of random delay of each player confirms central limit theorem.

Synchronization is often more important than latency. in motion control Synchronization is often more important than latency.

協調動作する複数機器の無線制御 個々の制御品質だけでなく，相互の動作の同期が必要 応用例 □ロボット同士の物の受け渡し □組立作業 □楽器演奏ロボット ※トヨタ自動車より 無線を用いて複数機器を制御する場合… 個々の制御品質だけでなく，相互の動作の同期が必要 協調動作のための無線制御方式における伝送誤りの影響と特性改善手法 @ WBS 2010年6月

協調動作する基礎的なモデル main controller 制御対象① 制御器① 制御器② 制御対象② 協調動作の基礎的な設定 □機器の数を２台 □機器同士が同じ動作を行う

協調動作のための同期クロック配信 協調動作：複数機器が「同時」に動作することが必要 同時＝共通のクロックの配信 電力の供給 と 制御信号の伝送を同一配線上にて実現 マスタ・スレーブが1対N接続 バス型マルチドロップ接続 制御信号 マスタ スレーブ 動力用電力 複数機器が協調動作するための 電力重畳型情報伝送方式の 特性評価　＠ WBS 2010-06

無線制御の面白さ 無線制御の重要性は増大 無線制御は制御にとってもおもしろい分野 無線制御は無線にとって新しい応用分野 制御の動作が確率過程に（安定の保障は不可能） 無線制御は無線にとって新しい応用分野 従来の無線の品質尺度では不十分 従来の制御の品質尺度では不十分---確率的尺度が必要 部分の品質応用層まで含めた最適化が可能・必要 同期動作など時刻の概念が必要