实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，涉及一种实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法。本发明专利技术相对于传统的随机丢包方案，讨论了通信和控制之间的关系。从控制层面来解决怎么丢包的问题，在URLLC中保持极高的服务质量(QoS)，即端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优，以最小化控制成本。

【技术实现步骤摘要】
实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法
本专利技术属于无线通信
，涉及一种实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法。
技术介绍
低延时高可靠通信场景能够让人们的生活变得更有效率、更安全，但是这些业务对差错的容忍度非常小，同时它们对网络时延也有更高的要求。根据第三方网络测试机构OpenSignal的数据，目前不同网络的端到端的时延，基本上都在100毫秒的量级。这远远是不能满足低延时高可靠(URLLC)通信所要求的1ms端到端的延时，10-7的丢包率。因此，如何实现URLLC所要求的超低延时和超可靠性，一直是URLLC研究的热点。而在即将到来的第五代(5G)蜂窝网络中，低延迟超可靠通信(URLLC)可用作实时无线控制系统的推动者。在这样的系统中，通过处理来自传感器的采样信号，嵌入在基站(BS)中的控制器产生用于大规模设备的控制命令。为了在URLLC中保持极高的服务质量(QoS)，应该有大量的无线资源，这是不切实际的，因为分配的资源受限于单个BS。因此，为了保证整个系统的超高可靠性和端到端(E2E)延迟，丢包是不可避免的。最近，很多学者在URLLC中通过资源分配对维持超低丢包概率进行了一些研究。例如，有研究者讨论了在URLLC中维持极高QoS的资源预留策略。此外，还有作者提出了排队策略和随机丢包策略，以满足大规模设备存在时URLLC中的QoS要求。不过，上述关于URLLC中资源分配的研究仅考虑了通信方面。但是，关于控制方面如何影响URLLC中的通信策略目前还未提出。因此，研究URLLC中通信控制协同设计的通信策略是非常有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是在URLLC中保持极高的服务质量(QoS)，即端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优。针对上述问题，提出了一种基于通信控制协同设计的主动分组丢弃方案。本专利技术的技术方案如下：实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法，所述实时无线控制系统包括传感器、基站BS和被控设备，定义M为传感器-基站-设备对数，N为传输时间Tu内包含的采样时隙数；传感器在每个采样时隙将采样值发送给基站，由基站计算产生控制指令，作用于被控设备；在这个过程中，当M过大时，由于基站的无线资源是有限的，为了维持系统整体通信可靠性，基站Buffer处主动丢弃一些包以节省无线资源；其特征在于，所述丢弃的设计方法为：在端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优，即对于拥有最小状态值的第m个设备采用分组丢弃αm,n＝0，αm,n表示在时间索引n处从第m个传感器上载到BS的分组；具体步骤为S1、初始化分组传输错误概率排队时延违反概率BS处的分组丢弃概率状态输入的权重矩阵W，物理系统参数矩阵A、B，设备初始状态xm,0以及传输时间Tu；S2、令αm,n＝1，其中m＝1,2,...,M，n＝1,2,...,N；S3、对每一对传感器-BS-设备对，初始化其丢包概率S4、当n≤N时，进入步骤S5，否则进入步骤S9；S5、当m≤M时，进入步骤S6，否则进入步骤S8；S6、当时，令m′＝0，n′＝0，αm′,n′＝1，取Emin＝min{Em,n}，将Emin从集合{Em,n}中剔除，并将Emin对应的下标m、n分别赋给m′和n′，即令m′＝m，n′＝n，αm′,n′＝0；否则进入S7；S7、令m＝m+1，回到步骤S5；S8、令n＝n+1，回到步骤S4；S9、输出最优丢包方案{αm,n}。本专利技术的有益效果在于，相对于传统的随机丢包方案，讨论了通信和控制之间的关系。从控制层面来解决怎么丢包的问题，在URLLC中保持极高的服务质量(QoS)，即端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优，以最小化控制成本。附图说明图1为不同传感器-基站-设备对数下本专利技术提出方法与随机丢包方法和基于链路质量的丢包方法的总控制代价的对比示意图；图2为不同功率消耗下本专利技术提出方法与随机丢包方法和基于链路质量的丢包方法的总控制代价的对比示意图。具体实施方式下面将结合附图，详细描述本专利技术的技术方案。以倒立摆作为设备的一个例子来说明控制系统。在一个通信控制系统中存在BS，其通过嵌入式控制器进行M个设备的平衡。另外，M个相应的传感器采集设备状态的样本并将它们发送到BS以获得在控制器处计算的控制输入。假设传感器与BS之间采用不完美的无线网络，这意味着上行数据经历时延和丢包。此外，从BS到设备的下行链路采用完美的无线网络。下面给出使用的信道模型、URLLC中的信道容量、控制环路模型以及通信可靠性的模型。(1)信道模型：考虑收发器之间的信道经历了小规模衰落和大规模衰减，于从第m(m＝1,2,...,M)个传感器到BS的上行链路，其分别表示为和于从BS到第m个设备的下行链路，其分别表示为和假设大规模衰减系数由路径损耗表示，可表示为gm(dB)＝-128.1-37.6lg(lm)其中lm≥0.035km是收发器之间的距离。小尺度衰落和遵循均值为零，方差的瑞利分布。但是，由于URLLC中的端到端(E2E)延迟不超过1ms，从传感器到BS或从BS到设备的传输时间延迟小于信道相干时间，这意味着小规模衰落和在上行链路和下行链路的传输周期内是恒定的。请注意，由于本专利技术专注于从传感器到BS的上行链路设计，故忽略了小规模衰落和路径损耗的上标，并分别使用hm和gm来表示它们。(2)信道容量：根据已有的研究，URLLC中第m个传感器的上行链路信道容量可以表示为其中上式右边的第一项是可实现的没有传输误差的香农理论容量，第二项是由信道色散Vm引入的负误差比特，第三项是高阶项的近似项。另外，Tu是允许的传输延迟，Bm是占用带宽，是允许的传输误差，并且是Q反函数。此外，假设单边噪声谱密度由N0表示。香农容量Cm和信道色散Vm分别表示如下Cm＝TuBmlog(1+γm)其中γm是BS处的接收信噪比(SNR)，并且可以表示为其中Pm是第m个传感器的传输功率。(3)控制环路模型控制回路按如下方式进行：传感器采样，远端控制器的当前状态估计，控制器的线性状态反馈，执行器的控制输入计算以及设备的状态更新。然后，第m个设备的线性微分状态方程可以表示为dxm(t)＝Axm(t)dt+Bum(t)dt+dnm(t)其中xm(t)是设备状态，um(t)是控制输入，而nm(t)是由均值为零，方差为Rn的加性高斯白噪声(AWGN)引起的干扰。此外，假设每个设备m具有相同的A和B，它们代表物理系统参数矩阵。为了获得离散时间控制模型，假设sm,n表示时间索引n处的采样周期，其包括无线传输时间延迟dm,n和空闲周期他们的关系可以表达为其中n＝1,2,...,N表示控制过程中的采样时间索引。然后，具有时间延迟dm,n的离散时间控制模型可以表示如下其中，nm,n为方差为Rn的加性高斯白噪声。系统观测值可以表示为ym,n＝Cmxm,n+n′m,n其中，Cm为系统观测矩阵，n′m,n为方差为Rn′的加性高斯白噪声。假设是广义状态，则状态控制方程可以重写为其中，假设Ωm,n＝Ωm，则有考虑到数据包丢失，定义数据包成功传输概率Pr{αm,n＝1}＝Pr{εm,n≥εth}和数据包传输失败概率Pr{本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法，所述实时无线控制系统包括传感器、基站BS和被控设备，定义M为传感器‑基站‑设备对数，N为传输时间Tu内包含的采样时隙数；传感器在每个采样时隙将采样值发送给基站，由基站计算产生控制指令，作用于被控设备；在这个过程中，当M过大时，由于基站的无线资源是有限的，为了维持系统整体通信可靠性，基站Buffer处主动丢弃一些包以节省无线资源；其特征在于，所述丢弃的设计方法为：在端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优，即对于拥有最小状态值的第m个设备采用分组丢弃αm,n＝0，αm,n表示在时间索引n处从第m个传感器上载到BS的分组；具体步骤为S1、初始化分组传输错误概率

【技术特征摘要】
1.实时无线控制系统中URLLC分组丢弃的设计方法，所述实时无线控制系统包括传感器、基站BS和被控设备，定义M为传感器-基站-设备对数，N为传输时间Tu内包含的采样时隙数；传感器在每个采样时隙将采样值发送给基站，由基站计算产生控制指令，作用于被控设备；在这个过程中，当M过大时，由于基站的无线资源是有限的，为了维持系统整体通信可靠性，基站Buffer处主动丢弃一些包以节省无线资源；其特征在于，所述丢弃的设计方法为：在端到端时延和丢包率满足阈值条件的基础上，使得实时无线控制系统的控制性能最优，即对于拥有最小状态值的第m个设备采用分组丢弃αm,n＝0，αm,n表示在时间索引n处从第m个传感器上载到BS的分组；具体步骤为S1、初始化分组传输错误概率排队时延违反...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智，陈丽芸，赵国栋，常博，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51