一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法与流程

1.本发明涉及智能无线通信技术领域，特别是涉及一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法。


背景技术：

2.作为智能信息社会的关键促成因素，工业4.0(industry 4.0)旨在将先进制造功能与工业物联网(industrial internet of things,iiot)集成，以实现自动通信，这对严格的延迟能力提出了重要要求。尽管传统的有线基础设施可以提供可靠的连接，但相当大的维护成本和有限的覆盖范围仍然是智能工业系统的障碍。因此需要在基于传统有限工业系统的基础上，设计能够灵活部署、覆盖广阔以及高效益的通信系统。
3.考虑到工业通信中极低的数据包错误概率和传输延迟，数据包传输应该在较短的块长度内完成。与香农速率不同，短块长度的近似公式描述了信噪比和解码错误概率之间的复杂关系，导致无线系统设计具有挑战性。此外，工业4.0需要支持大量设备连接，以应对复杂的操作环境。因此，为工业应用定制的高效资源分配和设备访问方案对于超可靠性和低延迟通信(ultra-reliable low-latency communication,urllc)至关重要。然而，大多数现有工程仅考虑单天线系统，无法满足iiot的要求。为了提高频谱利用率，现有的工业通信系统考虑将多天线技术和空分多址(space division multiple address，sdma)相结合。虽然sdma可以提高分集增益，但多设备干扰会降低通信的可靠性，特别是在传输过载的情况下。因此，研究高可靠、低成本的技术来解决urllc要求下的棘手干扰问题具有重要的现实意义。
4.目前，现有静态中继系统存在以下本质上差别：
5.1、现有的有线网络未能实现灵活、易部署的通信服务，且部署和维护费用昂贵；
6.2、现有的无线网络未无法满足设备数量远大于天线数量时，高可靠低时延的通信需求。
7.3、未能解决多设备干扰对于工业通信质量的影响，以及环境对通信质量的影响。
8.4、未能考虑智能工厂或者未来智能通信中urllc的通信需求和架构设计；
9.因此现有的工业通信系统存在维护费用昂贵、覆盖范围有限，支持设备数量有限，难以适应工作环境变化以及难以控制时延抖动等问题


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，以解决扩展工业通信以及智能通信中通信质量提升、降低传输时延以及大量设备同时接入的技术问题。
11.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
12.一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，该方法针对未来工业通信中的关键场景，多设备的智能工厂的高可靠低时延通信方法(但不局限于该场景)。在智能
工厂中，配备了多天线阵列单元的控制中心(central control，cc)首先基于设备信息对设备进行分组，并利用速率分割多址(rate splitting multiple access,rsma)将传输信号分成一个面向所有设备的多群信号(multigroup signal,ms)以及只传输给某一特定组内设备的单组信号(unigroup signal,us),以实现多设备之间的干扰协调，有效提升传输质量并控制传输时延。本发明的一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，包括如下步骤：
13.步骤s1、智能工厂中，控制中心接收所有设备需求指令，并通过数据中心读取对应设备信息。控制中心根据设备期望数据种类对设备分组，同时基于设备的需求指令和分组信息利用速率分割多址将传输信号分为多群信号以及单组信号，完成控制设备工作以及数据传输等操作；
14.步骤s2、控制中心将多群信号广播给所有组群内的设备，同时通过不同的数据流将单组信息号传输给对应组内的设备；
15.步骤s3、根据s2得到的分割信号，设备首先将单组信号视为噪声解码出多群信号，随后利用连续干扰消除方法去掉多群信号，进一步解码得到单组信号；
16.步骤s4、根据s3得到的信号模型，分别计算每个设备的多群信号以及单组信号的信号噪声干扰比和同时基于高可靠低时延条件的短包数据传输模型，计算多群信号以及单组信号的可达速率；
17.步骤s5、基于s4得到的短包数据传输模型以及可达速率，建立时延抖动下的资源分配优化问题，联合优化波束形成以及速率分割策略，最大化所有设备和速率。同时，为了保证准确的性能，构建低复杂度的初始化算法；
18.步骤s6、基于s5设计的初始化算法以及资源分配优化问题，设计面向智能工厂时延抖动的高效求解算法，逐次迭代控制中心的波束形成以及速率分割策略，直到速率达到设备需求并且目标函数达到稳定条件。最终控制中心基于最优的资源调配方案为设备提供低时延通信服务。
19.进一步的，步骤1具体内容如下：
20.步骤s101、智能工厂中，控制中心收集周围m个设备信息，其中m个设备信息包括k个不同期望信号种类，根据设备的期望信号种类将设备分为k组，第k组中有mk个设备，并且满足
21.步骤s102、控制中心按照分组，利用速率切割多址技术将传输信号分为一个多群信号xc(t)以及k个单组信号，即其中多群信号包含所有设备的共同信息，所有设备的共同信息是指所有设备共享的必要信息，包括步骤s101中的分组信息以及任务分配信息；而单组信号则为私有信息，只发送给对应组内的设备，包括设备控制信号、特定任务内容以及其他关键隐蔽信息。通过速率切割多址技术，能够有效实现多设备智能工厂场景中的干扰协调以及时延控制，提升通信的质量和可靠性。
22.进一步的，步骤2具体内容如下：
23.步骤s201、在传输信号之前，控制中心给每个传输信号加上权重向量，包括：
24.控制中心基于权重向量wc发送多群信号xc(t)
25.同时，控制中心在单组信息前面加上权重向量w
p,k
，从而可以得到加权后的总体发送单组信息为
26.步骤s202、基于步骤s201，控制中心的传输信号为
[0027][0028]
步骤s203、控制中心将多群信号广播给所有设备，同时利用不同的数据流传输单组信号给对应组内的设备。
[0029]
进一步的，步骤3具体内容如下：
[0030]
步骤s301、基于步骤s101中搜集到的信息，构建控制中心与设备(k,m)之间的传输链路，并计算对应的信道h
k,m
，其中(k,m)表示第k组中的第m个设备；
[0031]
步骤s302、基于步骤s202中基站传输信号，设备接收到控制中心的传输信息y(t)后，设备进行解码，包括：
[0032]
首先将单组信号视为噪声，解码得到多群信号wcxc(t)；
[0033]
随后，将其他组的单组信号视为噪声，解码得到自己组内的单组信号；
[0034]
步骤s303、根据解码得到的信号分别计算设备(k,m)的多群信号以及单组信号的信干燥比和
[0035]
为了便于符号描述，基于步骤s201中的传输权重向量引入半正定波束赋形矩阵辅助变量和因此和可以分别表示为
[0036][0037][0038]
其中表示加性高速白噪声；为了保证方案的可行性，半正定辅助变量wc和w
p,k
需要满足矩阵秩为1的约束rank(wc)＝1，rank(w
p,k
)＝1,其中rank(x)表示矩阵x的秩。
[0039]
由于引入了半正定波束赋形矩阵辅助变量wc和w
p,k
，需要额外考虑以下两个非凸约束
[0040]
rank(wc)＝1 and wc≥0,
[0041][0042]
进一步的，步骤4具体内容如下：
[0043]
步骤s401、基于信干燥比和以及设备低时延高可靠的通信需求，构建短包传输下的传输模型，短包传输时多群信号以及单组信号的信道散布参数分别表示为和
[0044][0045][0046]
步骤s402、在给定误码率需求ε
k,m
以及传输时延t时，短包传输可达速率近似为：
[0047][0048]
其中bm为分配给设备m的带宽，q-1
(
·
)表示q方程的反函数，x∈{c,p}表示多群信号以及单组信号的符号。
[0049]
进一步的，步骤5具体内容如下：
[0050]
步骤s501、为保证智能工厂场景下所有设备性能的公平性，引入权重参数um；为保证智能工厂场景下所有设备能够成功解码出多群信号，多群信号的速率表示为
[0051]
步骤s502、考虑同一个组别内的设备通过多播多组能够接受到相同的单组信号，因此定义辅助变量单组信号速率
[0052]
步骤s503、基于步骤s501以及s502引入的辅助变量r
p,k
和权重参数um，建立基于空分多址的电力场景下的高可靠低时延通信方法的联合波束形成以及速率分割策略优化问题，具体包括：
[0053]
首先，以最大化所有设备的加权和速率为优化目标的控制中心通信波束形成优化问题，其中为待优化的分给每个设备的多群信号比例，即速率分割策略；
[0054]
然后，建立联合波束形成以及速率分割策略优化的约束条件，包括：
[0055]
智能工厂中控制中心最大传输功率p
max
的约束；
[0056]
设备的最低服务质量约束，包括多群信号需求单组信号需求以及总信号需求
[0057]
设备成功解码约束，包括多群信号解码约束以及单组信号解码约束
[0058]
进一步的，步骤6具体内容如下：
[0059]
步骤s601、首先将原问题变为易于处理的凸问题，具体包括：
[0060]
首先，引入松弛变量然后，重新表示步骤s402中多群信号的短包传输可达传输为
[0061][0062]
其中
[0063][0064]
同样，令并重新表示单组信号的可达速率为
[0065][0066]
因此，设备成功解码约束分别表示为以及通过一阶泰勒展开将这两个约束转化为易于求解的凸约束。
[0067]
随后，处理由于引入松弛变量t引入的新约束x∈{c,p}。采用一阶泰勒展开以及二次变换转化为易于求解的凸约束。
[0068]
最后，利用半正定松弛的方法处理步骤s303中引入的半正定变量wc和w
p,k
相关的秩1约束；
[0069]
步骤s602、基于步骤s601中转化后得到的凸问题，设计高效的联合波束形成以及速率分割策略高效求解算法。具体而言，通过内点法，逐次迭代波束形成以及速率分割策略，直到目标函数加权和速率趋于收敛。
[0070]
步骤s603、基于步骤s602得到的最优波束形成方案和利用奇异值分解的方法进一步求解得到最优的多群信号波束形成向量和最优的单组信号的波束形成向量随后，智能工厂中的控制中心基于最优的波束形成方案的和以及速率分割策略和构建面向多设备场景下的时延抖动控制的短包数据传输方案。
[0071]
进一步的，本发明的基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，适用于智能工厂、电力场景、移动设备场景、应急通信以及设备通信过载场景。
[0072]
有益效果：本发明利用速率分割多址技术的特性，实现智能工厂中多设备之间的干扰协调以及时延抖动控制。基于设备信息以及智能系统架构，设计了智能工厂中联合控制中心波束形成和速率分割策略的高可靠低延时的短包数据传输方法。在设计波束形成和速率分割策略时，智能工厂无线通信系统会根据系统加权和速率和设备通信需求，逐次迭代优化设计，从而在保证设备低延时高可靠的通信需求的同时，有效实现干扰控制，提升系统总容量。
附图说明
[0073]
图1是本发明的一种应用场景图。
[0074]
图2是本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0075]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0076]
参见图1和图2，本实施例提供一种基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，以应用到未来5g或者6g智能工厂的短包传输场景为例介绍本方法，具体如图1所示，智能工厂中，控制中心收集周围k个不同期望信号种类的m个设备的信息，根据设备的期望信号种类对设备分为k组。第k组中有mk个设备，并且满足为了满足电力场景中设备的低延时高可靠通信需求以及实现多设备之间的干扰协调，控制中心利用多天阵元架构将传输信号分为一个多群信号以及k个单组信号，并通过广播以及数据流分别传输给不同组内的设备。具体而言，单组信号是传输到特定设备的专用消息，而多组信号包含所有设备的基本公共信息，例如设备状态和任务进度。因此，rsma可以提供一种有效的方法，在具有大量设备的工业场景中实现干扰管理。
[0077]
图2为本发明的实施流程示意图，具体的实施步骤为：
[0078]
步骤1、设备向控制中心发送通信需求指令，控制中心接收通信需求指令，并通过数据中心读取对应设备信息。所述设备需求指令包括设备通信请求、共同通信内容私有通信内容通信服务质量需求指标γ
k,m
；设备信息具体包括：设备坐标q
k,m
、设备种类π
k,m
、设备状态k
k,m
以及通信能力p
k,m
。
[0079]
智能工厂中控制中心实现速率分割多址技术采用了如下步骤：
[0080]
步骤101、智能工厂中，控制中心收集周围k个不同期望信号种类的m个设备的信息，根据设备的期望信号种类对设备分为k组。第k组中有mk个设备，并且满足步骤102、控制中心按照设备分组情况，利用速率切割多址技术将传输信号分为一个多群信号xc(t)以及k个单组信号，即其中多群信号包含所有设备所必要的共同信息，包括步骤101中的分组信息以及任务分配信息。私有通信信息则指控制中心只希望发给某一特定设备的关键信息，包括设备控制信号、特定任务内容以及其他关键隐蔽信息。
[0081]
步骤2、根据步骤1中的相关信息，控制中心在传输信号前面添加权重向量，生成加权发送信号。
[0082]
控制中心构建基于速率分割多址技术的发送信号采用了如下步骤：
[0083]
步骤201、在发送信号之前，控制中心给每个传输信号加上权重向量，包括：
[0084]
控制中心基于权重向量wc发送多群信号xc(t)；
[0085]
同时，控制中心在单组信息前面加上权重向量w
p,k
，从而可以得到新的总体发送单组信息为
[0086]
步骤202、基于步骤201中的权重向量，计算控制中心的发送信号为
[0087][0088]
步骤203、基于步骤202得到的发送信号，控制中心将多群信号广播给所有设备，同时利用不同的数据流传输单组信号。
[0089]
步骤3、根据步骤2得到的控制中心传输数据，设备端进行解码，计算对应的信干燥比。
[0090]
具体的说，在本实施中，步骤3具体包括：
[0091]
步骤301、基于步骤202中控制中心传输信号，设备进行解码，包括：
[0092]
设备接收到控制中心的发送信息y(t)后，首先将单组信号视为噪声，解码得到多群信号wcxc(t)；
[0093]
随后，将其他组的单组信号视为噪声，解码得到自己组内的单组信号；
[0094]
步骤303、根据解码得到的多群信号wcxc(t)和自己组内的单组信号，分别计算设备(k,m)的多群信号以及单组信号的信干燥比和为了便于符号描述，基于步骤201中的传输权重向量引入半正定波束赋形矩阵辅助变量和因此可以表示为
[0095][0096][0097]
其中表示加性高速白噪声。为了保证方案的可行性，半正定辅助变量wc和w
p,k
需要满足矩阵秩为1的约束rank(wc)＝1，rank(w
p,k
)＝1,其中rank(x)表示矩阵x的秩。
[0098]
步骤4、基于低时延高可靠的通信需求，构建短包传输模型，考虑误码率、传输时延、信号散步对通信系统的影响，计算可达速率表达式。
[0099]
具体的说，在本实施例中步骤4包括：
[0100]
步骤401、基于303中的信干燥比和以及设备低时延高可靠的通信需求，构建短包传输下的传输模型。基于此，短包传输时多群信号以及单组信号的信道散布参数可以分别表示为和
[0101]
步骤402、在给定误码率需求ε
k,m
以及传输时延t时，短包传输可达速率可以近似为：
[0102]
[0103]
其中bm为分配给设备m的带宽，q-1
(
·
)表示q方程的反函数，x∈{c,p}表示多群信号以及单组信号的符号。
[0104]
步骤5、建立联合控制中心波束形成和速率分割策略设计的优化问题，引入设备权重保证多设备之间的性能公平性。以最大化加权和速率为目标，考虑功率、解码以及设备服务质量需求等多个因素；
[0105]
构建基于速率分割多址的智能工厂中时延抖动控制优化问题如下步骤：
[0106]
步骤501、为保证智能工厂场景下所有设备性能的公平性，引入权重参数um；为保证智能工厂场景下所有设备能够成功解码出多群信号，多群信号的速率
[0107]
步骤502、考虑同一个组别内的设备通过多播多组能够接受到相同的单组信号，因此定义辅助变量
[0108]
步骤503、基于步骤501以及502引入的辅助变量r
p,k
和权重参数um，建立基于空分多址的电力场景下的高可靠低延时通信方法的联合波束形成以及速率分割策略优化问题，具体包括：
[0109]
首先，以最大化所有设备的加权和速率为优化目标的控制中心通信波束形成优化问题，其中为待优化的分给每个设备的多群信号比例，即速率分割策略；
[0110]
然后，建立相关的联合波束形成以及速率分割策略优化的约束条件，包括：
[0111]
智能工厂中控制中心最大传输功率p
max
的约束；
[0112]
设备的最低服务质量约束，包括多群信号需求单组信号需求以及总信号需求
[0113]
设备成功解码约束，包括多群信号解码约束以及单组信号解码约束
[0114]
步骤6、将原题进一步转化为易于求解的凸问题形式，同时构建联合控制中心波束形成和速率分割策略设计的高效求解算法，迭代求解出智能工厂中最优的时延抖动控制方案。
[0115]
具体的说，在本实施中，步骤6具体包括：
[0116]
步骤601、首先将原问题变为易于处理的凸问题，具体包括：
[0117]
首先，引入松弛变量然后，重新表示步骤402中多群信号的短包传输可达传输为
[0118][0119]
其中
[0120][0121]
同样，令并重新表示步骤s402中的单组信号为
[0122][0123]
因此，设备成功解码约束可以分别表示为以及通过一阶泰勒展开即可将这两个约束转化为易于求解的凸约束。
[0124]
随后，处理由于引入松弛变量t引入的新约束x∈{c,p}。采用一阶泰勒展开以及二次变换即可转化为易于求解的凸约束。
[0125]
最后，利用半正定松弛的方法处理步骤s303中引入的半正定变量wc和w
p,k
相关的秩1约束；
[0126]
步骤602、基于步骤601中转化后得到的凸问题，设计高效的联合波束形成以及速率分割策略高效求解算法。具体而言，我们可以通过内点法，逐次迭代波束形成以及速率分割策略，直到目标函数加权和速率趋于收敛。
[0127]
步骤603、基于步骤602得到的最优波束形成方案和利用奇异值分解的方法进一步求解得到最优的多群信号波束形成向量和最优的单组信号的波束形成向量随后，智能工厂中的控制中心基于最优的波束形成方案的和以及速率分割策略和构建面向多设备场景下的时延抖动控制的短包数据传输方案。
[0128]
本发明利用速率分割多址技术的特性，实现智能工厂中多设备之间的干扰协调以及时延抖动控制。基于设备信息以及智能系统架构，设计了智能工厂中联合控制中心波束形成和速率分割策略的高可靠低延时的短包数据传输方法。在设计波束形成和速率分割策略时，智能工厂无线通信系统会根据系统加权和速率和设备通信需求，逐次迭代优化设计，从而在保证设备低延时高可靠的通信需求的同时，有效实现干扰控制，提升系统总容量。
[0129]
在实施例1中只是以一种应用在智能工厂中无线传输场景进行举例详细说明，控制中心也包括传统基站、接入节点等一系列用于通信信号传输的基础设施，用于工业、自动化等场景的低延时高可靠的通信，对此并不做限定，本发明提供的基于速率分割多址的智能工厂时延抖动控制方法，其特征在于适用于智能工厂、电力场景、移动设备场景、应急通信以及设备通信过载场景。
[0130]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。