Réseaux de communication et Applications de Contrôle-Commande NGUYEN Xuan Hung Soutenance de...

Réseaux de communication et Applications de Contrôle-Commande

NGUYEN Xuan Hung

Soutenance de thèse, 15 décembre 2011

LAAS-CNRS, Toulouse, France

Guy JUANOLE

Gérard MOUNEY

Ye-Qiong SONG

Jean-Marc THIRIET

Germain GARCIA

Zoubir MAMMERI

Yvon TRINQUET

Professeur Emérite, Université Paul Sabatier, Toulouse

Maître de Conférences, Université Paul Sabatier, Toulouse

Professeur, Institut National Polytechnique de Lorraine, Nancy

Professeur, Université Joseph Fourier, Grenoble

Professeur, Institut National des Sciences Appliquées, Toulouse

Professeur, Université Paul Sabatier, Toulouse

Professeur, Université de Nantes

Directeurs de thèse

Rapporteurs

Examinateurs

SCR

NGUYEN Xuan-Hung | Réseaux de Communication et Applications de Contrôle-Commande 2

Cadre de thèse

Laboratoire accueil LAAS-CNRS (Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes), Toulouse Groupes de recherche :

• OLC (Outils Logiciels pour la Communication)• MRS (Modélisation et contrôle des Réseaux et Signaux)

Etablissement : INSA (Institut National des Sciences Appliquées ) de Toulouse Ecole doctorale : Systèmes (EDSYS) Directeurs de thèse

Guy JUANOLE : Professeur des universités émérite, UPS, Toulouse Gérard MOUNEY : Maître de Conférences, UPS, Toulouse

Finances Allocation de recherche (MESR) via INSA Toulouse (36 mois) Contrat CNRS via LAAS-CNRS (2 mois)

Dates importantes Date de début : 01/11/2008 Date de soutenance : 15/12/2011

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SCR


Systèmes Contrôlés en Réseau (SCR)

Systèmes pluridisciplinaires Applications de contrôle-commande en boucle fermée dont les composantes sont connectées par un réseau

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1

Introduction

SCRRéseau de Communication

Automatique

Informatique

Relation QdC→QdS (CAN) Relation QdS↔QdC (CAN)

Protocoles MAC de type CSMA sans collision pour WLAN Conlusion et perspectives

Introduction Relation QdS→QdC (CAN)

Relation QdS↔QdC (WCAN)

SCR


Problématique : partage de ressources => retard

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1

Introduction





contrôleur actionneur

capteur

procédé

réseau

Partage des ressources

de calcul (calculateurs)

retardPartage des

ressources de communication

(réseau)

τca

τcc

flux fca

flux fcc

SCR


Conception de SCR

Avant : conceptions indépendantes (Automatique, Réseau…)

=> Surdimensionnement

Actuellement : Tendances de conception conjointe (co-conception)

=>Relations Automatique-Réseau

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1

Introduction





SCR


Cadre de notre travail

Conception conjointe Automatique-Réseau (contrôle-ordonnancement de messages) Relation Contrôle→Réseau (QdC→QdS) Relation Réseau→Contrôle (QdS→QdC) Relation Contrôle↔Réseau (QdS↔QdC)

Réseaux locaux (LAN) considérés Réseau filaire : CAN Réseau sans fil (WLAN) technique CSMA => protocole MAC sans collision

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1

Introduction





_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ QdC : Qualité de ContrôleQdS : Qualité de ServiceCAN : Control Area NetworkCSMA : Carrier Sense Multiple Access

SCR


Sommaire

Conclusion et perspectives

Protocoles MAC de type CSMA sans collision pour WLAN

Relation bidirectionnelle QdS↔QdC sur le réseau CAN

Relation QdC→QdS sur le réseau CAN [1]

Introduction

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1

0

1

3

4

6

Relation QdS→QdC sur le réseau CAN2

Relation bidirectionnelle QdS↔QdC sur WLAN5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [1]: NGUYEN Xuan et al., WFCS 2010

SCR


Contexte de l’étude

Modèle de l’application de contrôle-commande (notée Appli C-C) K = 1.8 ; Td = 0.032 s

(temps de réponse tr =100 ms ;

dépassement D = 5%)

Réseau CAN : débit 125 Kbits/s ; trame fcc et fca = 80 bits (durée Dcc = Dca = 0.64 ms); période d’échantillonnage h = 10 ms

Implantations considérées Une Appli C-C + un flux externe (fex) périodique synchrone avec fcc

- trame du flux externe fex = 120 bits (Dex = 0.96 ms), période Tex

- charge du réseau :

Plusieurs Appli C-Cs identiques : P1, P2… Pn : les flux fcc sont synchrones

QdC : critère de performance ITSE J0

Simulateur TrueTime (Appli C-C ; Réseau)

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1

Relation QdC→QdS (réseau CAN)





K1000

s(s+1)

(1+Tds)

1/s

T

dttytrtJ0

2))()((

cc ex

ex

D D DTRU=

h h Tca

%J

J%

00

0

J

JJ

SCR


Réseau CAN et mécanisme d’accès

Technique d’accès CSMA/CA à priorité Priorité portée par le champ ID Priorité statique Notion de bit : bit dominant (0), bit récessif (1)

Arbitrage comparaison bit à bit du champ ID à partir du

bit de poids le plus fort bit dominant écrase bit récessif un seul vainqueur après l’arbitrage car l’unicité

de ID

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1






_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance

SCR


Résultat de travaux basés sur les priorités statiques

Appli C-C : priorité du contrôleur (Pca) > priorité du capteur (Pcc) Appli C-C et flux externe

Si priorité du fex (Pex) < Pca => application implantable Si Pex > Pca et si charge réseau importante => application non implantable

D’où idée pour Appli C-C (régime transitoire : urgence forte de transmission ; régime permanent : urgence faible de transmission)

=> priorité hybride = priorité du flux (unicité) + priorité de l’urgence

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1






SCR


Idée de la priorité hybride

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hybride = dynamique + statique

niveau 2 niveau 1m bits n-m bits

niveau 1 : unicité de flux (priorité statique)

niveau 2 :Urgence de transmission (priorité dynamique)

Champ ID (de n bits) :

1

Quelle caractéristique de l’application de

contrôle-commande utiliser pour

représenter l’urgence de transmission ?

=> Signal de commande

2

Comment traduire une urgence de transmission en

priorité dynamique ?

Þ Fonction du signal de commande

SCR


Implantation de la priorité dynamique

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1


RESEAU

CAN

ActionneurD/A conversion

Procédé

ADC

Échantillon-nage (h)

Attribution de la priorité dynamique

u

u

y

y

uentrée Calcul du signal de

commande

y

sortie y

Calcul de la priorité

dynamique (prio)

ZOH

Capteur

Contrôleur

prio

prio





Contrôleur calcule la priorité dynamique Capteur utilise la priorité dynamique calculée par

le contrôleur dans la période précédente 1e période : capteur utilise la priorité dynamique

max

SCR


Trois schémas de priorité hybride

Schéma ph (priorité hybride) La priorité dynamique = fonction croissante

du signal de commande u La priorité dynamique réévaluée à chaque

période d’échantillonnage

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1






une application + 1 flux externe fex : TRU = 99.2% ; besoin (niveau 2) du flux externe fex = 0.9Pmax)

SCR


Considération de trois schémas de priorité hybride

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Relation QdC→QdS (sur réseau CAN)





une application + 1 flux externe fex :

TRU = 99.2% ; besoin (niveau 2) du flux externe fex = 0.9Pmax)

ph ph+sts ph+std

Prio

rité

dyn

am

iqu

e

ph+sts : ph+ stratégie temporelle statiqueph+std : ph+ stratégie temporelle dynamique

SCR


Réponses temporelles

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1






une application + 1 flux externe fex :

(TRU = 99.2% ; besoin (niveau 2) du flux externe fex = 0.9Pmax)

SCR


Plusieurs applications de contrôle-commande

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1





Priorité Statique : dégradation de performance liée à l’ordre de la priorité

Priorités Hybrides ph : le meilleur équilibre de performance ph+sts : tendance comportementale de type des priorités statiques (influence

de la partie statique) ph+std : compromis entre ph et ph+sts


(5 procédés) (4 procédés)

(Pca1 > Pca2 > Pca3 > Pca4 >Pca5 > Pcc1 > Pcc2 > Pcc3 > Pcc4 > Pcc5)

%J

J

0

%J

J

0

SCR


Conclusion

Intérêt du concept de priorité hybride pour les Appli C-Cs

Trois schémas ont été proposés : ph ; ph+sts ; ph+std

Considération d’une seule application : ph+std a la meilleure QdC

Considération d’un ensemble d’applications : ph donne le meilleur équilibre de performance

Schéma ph utilisé dans la suite du travail

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SCR


Sommaire




Relation QdC→QdS sur le réseau CAN

Introduction

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Relation QdS→QdC sur le réseau CAN [2]2

Relation bidirectionnelle QdS↔QdC sur WLAN5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [2]: NGUYEN Xuan, ETFA 2011

SCR


Introduction

Objectif : modification des paramètres du contrôleur en prenant en compte du retard de la boucle (i.e. compensation des retards)

Modèle (sans retard) : K =0.7291; Td = 0.0297 (marge de phase 45°)

Pôles : p1,2 = 11 ± j24.5

Fonction de transfert :

Intégration des retards dans le modèle Retards : τcc , τca

Retard ZOH : τZOH = h/2

(ZOH : blocage d’ordre zéro)

Méthode de compensation : pôles dominants Modification de K et Td en fonction du retard pour avoir les mêmes pôles du

système continu initial (les autres pôles devraient être négligés) Hypothèses : priorités statiques + réseau non surchargé

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Relation QdS→QdC (sur réseau CAN)





K(1+Tds) -(τca + τZOH)se

-τcc se

1000 s(s+1)

22

2

2 2

)1(

1000)10001(

)1(1000)(

nn

dn

d

d

ss

sT

KsKTs

sTKsF

1000 s(s+1)

K(1+Tds)1/s

SCR


Implantation de la relation QdS→QdC [2]

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Méthode des pôles dominants





_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [2]: NGUYEN Xuan, ETFA 2011

Capteur calcule le retard tau (= τcc + τca) et l’envoi au contrôleur Contrôleur prend le retard et calcule les paramtère Hypothèse : actionneur et capteur dans le même site

SCR


22

2

2

)1()(

nn

dn

ss

sTsF

Méthode des pôles dominants

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1


)1(1000

)1(1

)1(1000

)1()(

)(

ssesTK

ssesTK

sFs

d

sd

ZOHca

)1)(1000)10001000()10001((

)1)(1)(1(1000)(

23

bs

KasKaaKTsKTas

bs

as

sTKasF

dd

d

12

12

s

se s

12

)(

12

)()(

s

se

ZOHca

ZOHca

sZOHca

2a )(

2ZOHca

b

Padé approximation et

Avec

32222

32

33

321 )()2()2())()(( pIRsIRRpspRspspsps

K

RpaT

a

pIRK

IRRaa

aIRaRap

d 1000

211000

)(

2

)()22(

3

322

222

2223

3 )1)(1(

)1)(1(

2

)1()(

3

22

2

b

sp

sb

sa

s

ss

sTsF

nn

dn

avec Td = fonction de retard

Remarque : Td augmente avec retard => zéro z = -1/Td approche de l’origine => ceci augmente le dépassement





On trouve :

)24;11(2,1 IRjIRpoù

SCR


Résultats

Implantation de 4 Appli C-Cs ; priorités statiques : Pca1 > Pca2 > Pca3 > Pca4 > Pcc1 > Pcc2 > Pcc3 > Pcc4

Visualisation de l’influence de la compensation des retards Contrôleur fixe : pas de modification de K et Td

Contrôleur adaptatif : K et Td sont modifiés par la méthode des pôles dominants

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Contrôleur fixe Contrôleur adaptatif

Cause de zéro

SCR


Conclusion

Mise en œuvre de la relation QdS→QdC : méthode des pôles dominants

=> amélioration de la QdC

Implantation de plusieurs applications : pas de performances identiques pour les applications à cause du zéro (z = -1/Td)

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SCR


Sommaire



Relation bidirectionnelle QdS↔QdC sur le réseau CAN [3]


Introduction

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Relation bidirectionnelle QdS↔QdC WLAN5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [3]: NGUYEN Xuan et al., WFCS 2012 (soumis)

SCR


Introduction Objectif : Combinaison des relations QdC→QdS et QdS→QdC

Problème : priorité hybride => retard variable => relation QdS→QdC définie ne peut pas être implantée

Solution ? Implémentabilité si le contrôleur connait le retard de la période actuelle

Les retards de la période actuelle : τcc peut être calculé par le contrôleur

τZOH est toujours fixe (= h/2)

τca est maintenant inconnu => il faut l’anticiper

Proposition : contrôleur utilise la priorité dynamique maximale

=> envoi immédiat (temps de calcul est négligé)

=> τca est égal à la durée de transmission de la trame du contrôleur (τca =

Dca)

=> Retard de la boucle est disponible au site Contrôleur

=> Relation QdS→QdC (méthode des pôles dominant) est implémentable

Notons schéma ph+ = schéma ph avec Pmax pour contrôleur

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Relation QdS↔QdC (sur réseau CAN)





SCR


_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [3]: NGUYEN Xuan et al., WFCS 2012 (soumis)

Implantation de la relation QdS↔QdC [3]

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relation QdC→QdSrelation QdS→QdC

SCR


Résultats : récapitulation

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1






%J

J

0

SCR


Conclusion sur le réseau CAN

On a montré la faisabilité de la mise en œuvre de la conception conjointe en

utilisant la priorité hybride pour l’ordonnancement de messages et la

méthode des pôles dominants pour la compensation de retard.

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SCR


Sommaire


Protocoles MAC de type CSMA sans collision pour WLAN[4, 5]



Introduction

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Relation bidirectionnelle QdS↔QdC (WLAN)5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [4] : NGUYEN Xuan et al., GLOBECOM – SaCoNAS 2010 ; [5] : NGUYEN Xuan et al., ETR 2011

SCR


Introduction

Strict CSMA : potentialité de situation de collision

Situation de collision due à l’ambiguïté de l’expression << médium libre à un temps t >> car vue locale de l’état du médium (pas de vue globale)

Le concept de << fenêtre d’ambiguïté >> = durée maximale possible entre l’envoi d’une trame par un nœud et l’occurrence d’une collision sur cette trame.

Objectif d’un protocole sans collision : supprimer les situations de collision en utilisant les priorités

c.-à-d. Transformer situations de collision situations << vainqueur-vaincu(s) >>

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Protocole MAC de type CSMA sans collision pour WLAN





SCR


Fenêtre d’ambiguïté

Eléments importants de la couche physique : temps de propagation : τPT

temps de retournement : τTT

temps de détection (sensing time) : τST

Visualisation de la fenêtre d’ambiguïté

Largeur de la fenêtre d’ambiguïté = τTT + τPT

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SCR


Protocoles MAC à priorité : 2 approches

Technique BlackBurst messages d’annonce (messages BlackBurst) envoyés avant les trames longueur de messages d’annonce proportionnelle à la priorité

Adaptation du protocole CAN au réseau sans fil (appellé CANlike)

Ici on ne présente que CANlike

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SCR


CANlike (1)

Adaptation du protocole CAN au contexte sans fil (1)

Problème dans réseau sans fil, on ne peut pas émettre et écouter en même temps

Solution bit dominant : porteuse (signal d’énergie) émise sur canal

bit récessif : écoute du canal

Tournoi bit dominant : il émet une porteuse et continue le tournoi avec le bit suivant du

champ ID (nœud gagnant par définition)

bit récessif : nœud écoute le canal• si’il détecte la porteuse (donc est perdant et ne continue pas)

• s’il ne détecte rien (pas de bit dominant émis par un autre nœud) , il continue le tournoi

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1






SCR


CANlike (2)

Nécessité d’un signal de synchronisation avant le tournoi annoncer aux autres nœuds l’arrivé des bits du champ ID

Nécessité d’un temps de garde (tg) après signal de synchronisation et bit ID

Il faut déterminer les durées du signal de synchronisation (ls), de bit ID (lb) et du temps de garde (tg)

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SCR


CANlike (3)

Evaluation du temps de garde (tg)

Situation Nœud i décide d’envoyer ls à l’instant t

Nœud j i décide d’envoyer ls à l’instant t + (τTT + τPT ) (décalage = largeur de la fenêtre)

Temps de garde = dépassement du signal ls envoyé par nœud i par la propagation du signal ls envoyé par nœud j => tg = 2τPT + τTT

Durée de ls : il doit être détecté => ls ≥ τST

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SCR


CANlike (4)

Evaluation des bits du champ ID (lb), durée ls

Scénario : un nœud a un bit dominant ; un nœud a un bit récessif (écoute)

Contrainte : nœud j doit détecter le signal venant de nœud i

Cas 1 : lb ≥ τTT + τST Cas 2 : lb ≥ 2τPT + τTT + τST => lb = 2τPT + τTT + τST

Remarque : on prend ls = lb

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Cas 2 Cas 1





SCR

37

CANlike (5)

Médium doit être libre pendant un temps TOBS avant d’émettre le signal de

synchronisation et le champ ID de la trame

Objectif : interdire l’insertion dans une transaction en cours

Contrainte : TOBS supérieur à n bits ID => TOBS > n(lb + tg)

On prend TOBS = (n+1)(lb + tg)

Phase de compétition = TOBS + Synchronisation + Arbitrage

= 2(n+1)(lb + tg)

Implanté dans TrueTime

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NGUYEN Xuan-Hung | Réseaux de Communication et Applications de Contrôle-Commande

SCR


Sommaire





Introduction

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0

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3

4

6


Relation bidirectionnelle QdS↔QdC WLAN [6]5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [6]: NGUYEN Xuan et al., ETFA 2012 (en cours de rédaction)

SCR


Contexte

Même Appli C-C que celle considérée précédemment

Champ ID = 8 bits Priorité hybride :

4 bits pour niveau dynamique, 4 bits pour niveau statique schéma ph+ = schéma ph + priorité dynamique max pour contrôleur

Implantation de 4 applications identiques (synchrones) niveau statique : Pca1 > Pca2 > Pca3 > Pca4 > Pcc1 > Pcc2 > Pcc3 > Pcc4

WiFi : 1Mbits/s; trame de données 480 bits, DCF = 50µs, Paramètres CANlike : lb = 20 µs; tg = 5µs, même vitesse, durées de trames

que WiFi Critère J

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Relation bidirectionnelle QdS↔QdC WLAN

1000 s(s+1)

K(1+Tds)1/s





SCR


Evaluation de performance : CANlike

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%J

J

0

Priorité statiqueContrôleur fixe

QdC→QdS :Priorité dynamiqueContrôleur fixe

QdC→QdS :Priorité statiqueContrôleur adaptatif

QdC↔QdS :Priorité dynamiqueContrôleur adaptatif

WiFi

SCR


Conclusion

Faisabilité de la relation QdS↔QdC sur un réseau local sans fil avec un

protocole MAC CSMA sans collision (CANlike)

Meilleure performance que WiFi

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SCR


Sommaire





Introduction

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4

6


Relation bidirectionnelle QdS↔QdC WLAN [6]5

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ [6]: NGUYEN Xuan et al., ETFA 2012 (en cours de rédaction)

SCR


Conclusion

Contributions : Définition de priorités hybrides dont la partie dynamique permet de capter

l’urgence de transmission des appli C-Cs Relation QdC→QdS Meilleure équité que si priorité statique

Mise en ouvre de la relation QdS↔QdC : priorité dynamique pôles dominants

Réseau sans fil : spécification des protocoles MAC CSMA sans collision

applications temps réel Mise en ouvre sur réseaux sans fil de la relation QdS↔QdC

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SCR


Perspectives

Aspect réseau

Faisabilité des protocoles MAC sans collision aux réseaux sans fil multi sauts

Aspect automatique

Considération de plusieurs types d’appli C-C et types de réseau correcteur

Autres méthodes de compensation

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SCR

NGUYEN Xuan-Hung | Réseaux de Communication et Applications de Contrôle-Commande45

15/12/2011

SCR


15/12/2011 Slide

46

ph+std

Profil de référence P(t): une fonction décroissante qui fixe les priorités dynamiques aux instants d’échantillonnage

Stratégie de supervision temporelle en utilisant la fonction g(u)

Algorithme: à l’instant 0, P = Pmax; à partir de

l’instant 1, on fait:1. Calcul de g(u)

2. Calcul de

tk = tk-1 + h – αg(u) avec α= tk-1/tr (0 ≤ α ≤1)

(a) si tk < 0 alors tk = 0

(b) si tk > tr , tk = tr

3. Calcul P = P(tk)

SCR


15/12/2011 Slide

47

ph+std

h-αg(u)>0 h-αg(u)<0

Même priorité: h-αg(u)=0

tk = tk-1 + h – αg(u)

SCR


Protocole CANlike : phase d’arbitrage

Bus CAN CANlike (réseau sans fil)

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SCR


Protocole MAC basé sur BB

Sur la base de priorités statiques

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Médium libre pendant

TOBS1 ?

Envoi du message d’annonce

Envoi de la trame de données


TOBS2 ?

oui

non

oui

non

longueur = kTBB(k = priorité ;TBB = temps d’un BB)

retournement

retournement

SCR


Protocole MAC basé sur BB : TBB, TOBS2, TOBS1

Scénario à considérer

Contraintes : nœud i : nœud i doit être vainqueur => TBB ≥ 2τPT + τTT

nœud j : nœud j doit être vaincu => TBB ≥ 2τPT + τST

TOBS2 : considérer le dépassement (sur j) du signal BB de j par le signal BB venant de i => TOBS2 = 2τPT + τST

TOBS1 > TOBS2 d’au moins un τST pour pouvoir détecter correctement l’état du canal => TOBS1 = 2τPT + 2τPT + 2τST

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TOBS2

TBB ≥ 2τPT + 2τTT + τST

SCR


Protocole CANlike : principe

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1



TOBS ?

Phase d’arbitrage

Envoi de la trame de données

Vainqueur?

oui

non

oui

non

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