< Terug naar vorige pagina

Project

Systeem-niveau hardware ontwerptechnieken voor EM Resilience: een noodzaak voor veilige en betrouwbare programmeerbare elektronica

Met de komst van autonome voertuigen, Smart Cities, Industrie 4.0 en nog veel meer Internet-of-Things gerelateerde toepassingen wordt ons leven en de toekomstige maatschappij in hoge mate afhankelijk van hightech elektronica. Helaas is alle hightech elektronica gevoelig voor elektromagnetische interferentie (EMI), terwijl de toenemende elektrificatie van onder andere voertuigen en machines onvermijdelijk een veel complexere elektromagnetische omgeving met zich meebrengt. Daarnaast maakt de voortdurende miniaturisering van elektronica en de afnemende voedingsspanningen nieuwe elektronische producten nog kwetsbaarder voor EMI. Het is daarom van groot belang om de vereiste kennis en technieken te ontwikkelen om ervoor te zorgen dat veiligheids- of missie-kritische systemen niet lijden onder onaanvaardbare risico's bij blootstelling aan (on)-bedoelde EMI. Deze uitdaging gaat veel verder dan wat nodig is om te voldoen aan de EMC-richtlijn voor CE-certificering van normale huishoudelijke toepassingen. Hoewel voor deze toepassingen één storing per 2-3 jaar volkomen acceptabel kan zijn, hebben veiligheids- of missie-kritisch gerelateerde toepassingen met mogelijk kritische gevolgen een gemiddelde tijd tussen de 100 of zelfs 10.000 jaar nodig! Voor automobieltoepassingen streeft men zelfs naar slechts één gevaarlijke storing per 1 miljoen jaar door het enorme aantal voertuigen op de weg.

Het doel van de studie die tot dit doctoraat heeft geleid, was het creëren van technieken en maatregelen om EMI-bestendigheid in veiligheids- of missie-kritische systemen te bereiken. In geval van verstoring moeten de ontwikkelde technieken en maatregelen het systeem 'real-time fouttolerant' maken voor EMI, zodat het systeem op een veilige manier blijft werken zoals bedoeld. In de praktijk richtte het onderzoek voor dit doctoraatsmanuscript zich op hardware-matige technieken en maatregelen om de Bit-Error-Rate (BER) binnen cruciale communicatiekanalen te minimaliseren. Dit werd gedaan door het verbeteren van enkele veelgebruikte technieken uit de discipline Functionele Veiligheid, zoals redundantie in combinatie met majority voting, en met de juiste EMC-kennis om ze veel sterkter met EMI te laten omgaan.  Binnen Functionele Veiligheid wordt redundantie vooral gebruikt om met willekeurige storingen om te gaan. EMI is echter een complex fenomeen dat gezien moet worden als een systematische, veel voorkomende oorzaak van falen. Inderdaad, 'systematisch' omdat een bepaald systeemontwerp zich altijd op dezelfde manier zal gedragen wanneer een bepaalde soort EMI wordt toegepast. EMI is ook een 'gemeenschappelijke oorzaak' omdat EMI veel verschillende componenten tegelijkertijd beïnvloedt. Een typisch redundant systeem is het hebben van twee of meer identieke sets van hardware en software met dezelfde ingangen, en het uitvoeren van dezelfde bewerkingen daarop. Wanneer een storing optreedt in een van deze 'parallelle kanalen', detecteert een comparator/voter dat hun uitgangen niet langer overeenkomen en activeert hij passende acties om de veiligheid te handhaven. Helaas kunnen de storingen die EMI in identieke kanalen veroorzaakt, gemakkelijk zo vergelijkbaar zijn dat de comparator/voter niet kan zien dat er een probleem is. In dit proefschrift worden verschillende manieren gepresenteerd om te bereiken dat de parallelle paden in een redundant systeem een ander gedrag ("EM-diversiteit") vertonen wanneer ze aan dezelfde EMI worden onderworpen. 

Om de prestaties van de voorgestelde EM-diversiteitstechnieken te valideren, wordt een efficiënt simulatie framework gebruikt. Dit simulatie framework maakt het mogelijk om een grote variatie aan EMI-storingen (inkomende velden, transiënte verstoringen, ESD, etc.) toe te passen op (vereenvoudigde) modellen van veiligheids-kritische systemen. In de nabewerking is een statistische analyse geïntegreerd om na te gaan hoe elektromagnetische storingen bijvoorbeeld de BER beïnvloeden. Hierdoor kan de effectiviteit van verschillende soorten diverse redundantie (inversie, ruimte, frequentie, tijd, etc.) voor verschillende typen EMI in de diepte worden vergeleken.

Het eerste deel van dit manuscript introduceert twee soorten elektromagnetische (EM) omgevingen, namelijk een vlakke golfomgeving en een reverberante of reflecterende omgeving. Het eerste type kan worden vergeleken met een open ruimte-omgeving in de praktijk of een anechoïsche kamer als EMC-testomgeving. Dit type omgeving onderwerpt het systeem aan slechts één vlakke golf per keer. Het tweede type omgeving kan worden vergeleken met een reële omgeving met veel reflecties in bijvoorbeeld gebouwen, auto's, mensen, enz. Bij een EMC-test wordt dit nagebootst in een reflecterende kamer met metalen wanden. Dit type omgeving onderwerpt het systeem aan vele vlakke golven, afkomstig uit vele willekeurige richtingen, tegelijkertijd.
De experimenten die moeten worden uitgevoerd om de EM-diversiteitseigenschappen van de voorgestelde technieken en maatregelen te analyseren, zijn opgenomen in een zelfontworpen simulatie framework. Dit simulatie framework is geoptimaliseerd voor efficiëntie en toepasbaarheid. Het effect van de twee EM-omgevingen wordt gemodelleerd door een beperkte set van full-wave simulaties van de betreffende geometrie. De resultaten van die simulaties worden geïmplementeerd in het framework en het effect van de storingen wordt berekend door gebruik te maken van een efficiënt geïmplementeerde techniek op basis van reciprociteit. Bovendien kunnen alle eigenschappen van de coderings- en decoderingsmethoden voor de gegevens die over de onderworpen geometrie worden gecommuniceerd, efficiënt worden aangepast. Door het gebruik van sets van willekeurige data en het variëren van de parameters binnen het model met behulp van een Monte-Carlo methode, worden statistisch relevante maatstaven bereikt en kan de effectiviteit van de geïntroduceerde technieken en maatregelen (T\&Ms) worden vergeleken om EM-resilience (veerkracht) te creëren. De maatstaven om resultaten te vergelijken bestaan uit de BER en het aantal vals-negatieven of niet-detecteerbare fouten.

In dit doctoraatsmanuscript worden verschillende nieuwe hardware EM-diverse T\&Ms geïntroduceerd. Deze EM T\&Ms zijn gebaseerd op verschillende eigenschappen van de hardware die veranderd kunnen worden. Ten eerste wordt de mogelijkheid onderzocht om de impedanties van micro-strips al dan niet te matchen op redundante en niet redundante geometrieën. Vervolgens wordt het gebruik van een extra communicatiekanaal met omgekeerde data gebruikt om te kijken of dit EM-diverse gedrag kan introduceren. Verder wordt het gebruik van drie micro-strips in verschillende oriëntaties om ruimtelijke diversiteit te creëren onderzocht en worden er effectief EM-diverse systemen gecreëerd. Nog twee andere methoden die de timing van de data die over de communicatiekanalen gaan veranderen worden geanalyseerd. De starttijd van de data transmissie wordt gewijzigd om tijdsdiversiteit te creëren en de snelheid van de data transmissie wordt gewijzigd om frequentiediversiteit te creëren. Beide methoden laten zien dat ze effectief EM-diverse eigenschappen introduceren in het systeem, elk met hun eigen specifieke eigenschappen.

Daarnaast bestudeert dit manuscript het gebruik van een matched filter als mogelijke maatregel om EM-resilience te creëren. De matched filter is een bekende analoge en digitale verwerkingstechniek in ontvangers om de signaal-ruisverhouding te maximaliseren. Deze techniek is nooit eerder onderzocht voor EM-resilience. Daarnaast wordt de matched filtermethode vergeleken met een majority voter. Het is aangetoond dat het gebruik van een matched filter zelfs effectiever zou kunnen zijn dan het gebruik van een majority voter onder bepaalde voorwaarden. 

Het laatste deel van dit manuscript vergelijkt de voorgestelde technieken op verschillende manieren en concludeert welk type van diversiteit om EM-resilience te creëren kan worden gebruikt in welke situatie. De vergelijking is gebaseerd op de twee belangrijkste maatstaven die in dit manuscript worden gebruikt, namelijk de BER en het aantal valse-negatieven of niet-detecteerbare fouten bij het gebruik van redundantie

Datum:12 sep 2016  →  18 sep 2020
Trefwoorden:Electromagnetic Compatibility, Risk Management
Disciplines:Sensoren, biosensoren en slimme sensoren, Andere elektrotechniek en elektronica, Elektromagnetisme en antennetechnologie
Project type:PhD project