一种面向实时控制的无线传输方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种面向实时控制的无线传输方法。

背景技术：

在即将到来的第五代移动通信网络中，触觉互联网被认为是实现实时控制和物理触觉的有效技术。预计触觉互联网将支持许多应用，例如制造，建筑和医疗，这些有望通过触觉互联网中的实时控制来实现。然而，由于极端的时间延迟和分组丢失要求，通过无线通信实现实时控制是非常具有挑战性的。为了解决这个问题，超可靠和低延迟通信(urllc)已被提议作为5g中的典型场景，其中端到端(e2e)传输时间延迟不超过1ms，通信可靠性超过99.999％，这会对通信系统设计带来严格的要求。如何在实时控制性能和通信资源消耗中实现良好的折衷是实现urllc的一个关键问题。

目前，关于urllc的资源分配方面的研究主要是在满足urllc服务质量(qos)的约束下获得功率分配策略和带宽分配等策略，通信系统为了满足urllc的严格的qos，会消耗大量的无线资源，这显着阻碍了该技术的实施。另一方面，在有限的无线资源下，多设备访问可能导致严重的信道干扰，并且降低通信性能。因此，减少urllc的无线资源消耗非常重要。

技术实现要素：

本发明的目的是解决在一个典型的控制系统中，使用混合的urllc和lte传输，提出的一种通信控制一体化设计方案，以同时获得较好的通信性能和控制性能。

本发明的技术方案如下：

在一个典型的无线网络实时控制模型中，传感器将采样状态信息通过无线信道发送到远端控制器。控制器根据卡尔曼滤波器估计得到的采样状态计算反馈参数，并发送到执行器，控制输入由反馈参数确定。最后根据设备根据当前的状态信息和控制输入进行状态更新。

在控制过程中，定义hk为传感器的采样间隔，dk为无线传输时延，为空闲时间，则有

因此离散时间控制方程为

采样观测值为

yk＝cxk+n′k，

其中，是零均值，方差为rn的加性高斯白噪声，是零均值，方差为r′n的加性高斯白噪声，a、b、c为控制系统参数矩阵，k(k＝0,1,2,…,n)是采样时刻点，uk-1是k-1时刻的控制输入。

定义广义状态离散时间控制方程可以表示为

采样观测值可以表示为

其中，i是单位矩阵，cd＝(c0)，uk是k时刻的控制输入，令ωk＝ω，有若k时刻传输成功，lk＝1，反之，lk＝0。

根据卡尔曼滤波估计得到k时刻的广义状态估计计算出k时刻的控制输入uk，代入到控制方程得到更新的k+1时刻的状态信息xk+1，定义令

其中是单独采用urllc传输时的状态更新值。

其中是单独采用lte传输时的状态更新值。

那么，分别采用urllc和lte传输的状态差值为根据状态差值设计合适的阈值决定在控制过程中采用urllc或是lte进行服务，以保证控制性能并且减少通信资源开销。

本发明的有益效果在于，本发明用于无线网络控制系统中，提出了一种通信控制协同设计方法，采用混合urllc和lte通信服务来减少资源消耗。在相似的控制开销下，与仅采用urllc服务的传统方法相比，我们的协同设计方法可以显着降低通信开销。

附图说明

图1为典型控制过程中采用两种通信服务的状态差值示意图；

图2为采用不同传输方法的无线通信资源消耗对比示意图；

图3采用不同传输方法的控制成本对比示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，详细描述本发明的技术方案。

减少通信资源消耗的最有效方法之一是放宽qos要求。与urllc相比，lte通信的通信资源成本要低得多。如果我们使用混合urllc和lte通信服务来为控制系统服务，则可以显着减少通信资源消耗。受此想法的启发，我们研究了在一个典型的控制过程中，如何分配urllc和lte通信服务以减少无线资源消耗，同时提供良好的控制性能。

首先，我们讨论了一种典型的控制算法来评估控制性能，具体而言是通过最小化控制开销的实现的最优控制方法。控制成本通常被视为评估控制性能的标准。这里，采用二次型控制成本，定义为状态与其期望设定点的偏差与控制输入的幅度之和，

其中，w是状态的权值，u是控制输入的权值，ε(·)是期望运算。

应用反馈控制律，jn的最优值可以被表示为

其中，初始化状态x0为均值为0，方差为p0的高斯随机变量。sk由下式得出，

其中，初始化sn＝w。

然后，在每个k时刻，控制器利用卡尔曼滤波得到广义状态信息的估计值步骤如下：

(1)计算k-1时刻的先验状态估计ξk|k-1为：

其中，是基于当前时刻对当前状态的估计，是基于当前时刻对下一状态的估计。

(2)计算k-1时刻的先验方差估计pk|k-1为：

其中，pk-1|k-1是基于当前时刻对当前状态方差的估计，pk|k-1是基于当前时刻对下一状态方差的估计。

(3)计算k时刻的最优状态估计为：

(4)计算最优控制增益估计kk为：

(5)计算最优方差为：

pk|k＝pk|k-1-lk-1kkcdpk|k-1

通过最小化控制成本得到控制输入uk，

将控制输入uk代入到离散控制方程，得到k+1时刻的状态更新值为xk+1。

定义

令

其中是单独采用urllc传输时的状态更新值。

其中是单独采用lte传输时的状态更新值。

分别采用urllc和lte传输的状态更新差值为如果状态偏离预置状态，变为负，需要采用urllc服务来保证控制性能；当执行器执行控制输入，从负值逐渐变为正值，最后趋近于零，维持系统稳定，需要采用lte服务来减少通信资源开销。因此，在控制系统中使用混合urllc和lte通信服务是可行的。

下面我们开发了一种算法来获得阈值kth以确定混合urllc和lte通信服务分配。为了获得阈值kth，重要的是在状态范数的差值从负值变为正值时的时刻。实际上，获得kth非常困难，因为噪声使kth成为时变变量。为了解决这个问题，我们提出了一种忽略噪声的次优方法。我们假设控制器具有计算单元，传感器可以从控制器接收信号，并且控制参数在控制器处是完全已知的。然后，可以在控制器上虚拟地执行控制过程。当时，可以获得kth。最后，控制器将计算结果发送回传感器以确定混合urllc和lte通信服务分配，其中当k<kth时采用urllc服务，并且当k>kth时采用lte通信服务。

图1为典型控制过程中采用两种通信服务的状态差值示意图。其中a和b分别对应稳定和不稳定的初始状态。可以看出来，当初始状态是不稳定时，在1<k<5时刻，差值为负，需要采用urllc服务稳定控制过程；在5≤k≤13时刻，差值为正，需要采用lte服务减少通信资源开销；在k>13时刻，控制系统稳定，差值接近于零，需要采用lte服务减少通信资源开销。

图2为采用不同传输方法的无线通信资源消耗对比示意图。其中a，b和c分别对应lte，urllc和混合传输方法。从图中可以看出，与lte通信的能耗相比，我们提出的方法的能耗仅增加约5％。然而，与urllc相比，所提出的方法将能耗降低了约41％，因为设计的阈值显着降低了控制过程中的urllc。总之，与传统方法相比，所提出方法的能量消耗显着降低。

图3为采用不同传输方法的控制成本对比示意图。其中a，b和c分别对应lte，urllc和混合传输方法。从图中可以看出，所提出的混合方法的控制成本显着低于lte通信的控制成本，并且接近urllc的控制成本。

综上所述，本发明提出了一种面向实时无线控制系统的无线传输方法，其中采用混合urllc和lte通信服务。本发明在控制器单元计算合适的阈值，以决定在urllc和lte通信服务之间的选择。与现有技术方法比，其中urllc始终用于控制过程，这明显节省资源，体现了本发明的优势。