CN108834218A - 一种面向预测控制的短包无线传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种面向预测控制的短包无线传输方法。本发明提出了一种基于能量的数据传输方法，通过求解已发数据包中每个时刻的功率大小，选出一个功率最小的时刻来发送新的数据包；同时，在对各个时刻进行筛选时，必须要满足该时刻的错误概率小于等于中断概率。本发明的有益效果在于，牺牲了系统的较小功率，来使得中断的次数更少，大大提高了系统传输数据的稳定性。

Description

一种面向预测控制的短包无线传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种面向预测控制的短包无线传输方法。

背景技术

在预测控制系统中，数据包包含了当前时刻和预测的未来时刻的数据。当执行器接收到数据包时，执行当前时刻的命令，同时存储未来时刻的命令。如果在传输过程中，出现数据包不能及时到达或者数据包丢失的情况，就执行之前存储的命令。如果传输成功，就更新旧的数据，并将新的数据进行缓存。因此这种预测控制系统能够保证较低的中断概率和延迟，并且还能提升系统的稳定性。

同时在未来的无线通信系统中，相当数量的“事物”，例如传感器和执行器，预计将被连接在一起。在“第五代”(5G)蜂窝网络中，为了使分组预测控制能够更好地实现实时控制，提出了超可靠和低延迟通信(URLLC)。这种通信可以以实时方式与物理世界进行交互，它的目标是使端到端等待时间低至1ms，可靠性高于99.999％。在这种通信方式中，传统的长包传输不再适用，因此有关长包的所有公式都不能使用。需要针对短包进行重点的研究。

在传统的数据包传输过程中，每个时刻都要对数据进行传输，如果数据发送失败会造成系统的中断，这极大地影响了系统的性能。因此结合预测控制系统可以降低发送失败的概率，极大提高系统的稳定性。不仅如此，由于每个时刻都要进行数据的传输，这会产生极大的能量损耗，因此需要在传输上进行改进。使得一方面提高系统的可靠性，一方面还能降低系统传输数据所消耗的能量。

发明内容

本发明的目的是解决在预测控制系统中短包的数据传输，当一个数据包发送成功以后，下一个数据包在什么时刻进行传输，并且需要以什么样的方式来进行传输。针对上述问题，本发明提出了一种基于能量的数据传输方法。通过求解已发数据包中每个时刻的功率大小，选出一个功率最小的时刻来发送新的数据包。同时，在对各个时刻进行筛选时，必须要满足该时刻的错误概率小于等于中断概率。

本发明的技术方案如下：

一种面向预测控制的短包无线传输方法，定义数据包包含r个时刻的数据，u₁表示当前时刻对应的控制指令，u₂到u_r为预测的未来时刻的控制指令，为该数据包的总长度，H为数据包头部，L为控制指令位长度；并设定：可以预测的未来时刻比数据包中包含的未来时刻多，即在已经传输的数据包中，可以预测到每个时刻对应的数据的比特数；其特征在于，所述短包无线传输方法包括以下步骤：

S1、获取每个时刻的丢包概率，设p_e为丢包概率，p_s为控制中断概率，设定通信系统需满足：

其中，K为控制指令个数；

丢包概率需满足：

其中，Q(·)为高斯Q函数，R是单位带宽的短分组通信容量：

表示短分组容量中的高阶项，C是单位带宽的香农容量：

C＝log₂(1+γ)

γ是信噪比：

其中，P₀代表发送功率，B代表系统带宽，N₀是加性高斯白噪声(AWGN)的功率谱密度，G是无线信道增益并设定G是已知的；且

V是信道色散系数：

e是常量；

根据设定的控制中断概率，结合丢包概率需满足的条件，剔除掉不满足中断概率的时刻；

S2、获取已发数据包中每个时刻的发送功率P₀的大小：

其中，Q^-1是逆高斯Q函数；

根据步骤S1中剔除的时刻，在剩余的刻里，选择一个最小功率的时刻进行数据的传输。

上述方案中可得，p_e和N有关，而P₀和p_e、N都有关系。当N增大时p_e增大，Q(p_e)减小，因此不能得出P₀的增减性。因此错误概率和功率没有相同的变化趋势。所以只需要计算出每个时刻的错误概率，剔除掉不满足中断概率的时刻，在剩余的时刻里，选择一个最小功率的时刻来进行数据的传输。

本发明的有益效果在于，牺牲了系统的较小功率，来使得中断的次数更少，大大提高了系统传输数据的稳定性。

附图说明

图1是本发明提出的功率选择方法的示意图；

图2是传统方法和基于功率的发送方法在失败次数上的对比示意图；

图3是传统方法和基于功率的发送方法在功率消耗上的对比示意图。

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。

以一个预测控制系统为例，无线通信网络将数据包u_i发送到当前时隙i的缓冲区，其中u_i由K个指令组成，可表示为u_i＝[u₀(i)，u₁(i)，u₂(i)，...，u_K-1(i)]。一旦缓冲区成功接收到数据包u_i，它将当前的命令u₀(i)发送给执行器执行，同时缓存K-1个将来时刻的命令。在下一个时隙，如果数据包传输失败，缓冲区将发送其缓存的控制命令到执行器执行，以保证通信的可靠性。本发明的重点在于预测控制系统中短包的数据传输，当一个数据包发送成功以后，下一个数据包在什么时刻进行传输，并且需要以什么样的方式来进行传输。

在传输的过程中，每个数据包都有H位的头部，同时有效载荷携带K个控制命令，其中第一个用于当前时隙，而其他的命令则用于未来时隙。设L是一个控制命令的位长度，则一个短包的总位数是：

N＝H+KL (1)

在上述模型中，系统可以容忍高达K-1次数据包丢失。如果将控制中断定义为缓冲器为空并且执行器不知道下一步要做什么的情况。然后，系统仅在无线系统连续出现高达K次丢包的情况下才会经历控制中断。设p_e为丢包概率，p_s为控制中断概率，则通信系统需要满足以下不等式：

其中错误概率满足公式(3)：

通过式(4)，可以计算出每个时刻的功率。

因此通过式(3)，可以去除一些不满足中断概率的时刻。这样可以降低系统不必要的中断。同时每一个数据包的控制序列数K相同，每个时刻的数据长度不相同，因此每个时刻的N就不同。通过对P₀进行分析可以知道，其主要与N有关。所以根据每个时刻对应的不同的N，计算出每个时刻需要的功率。从节约能耗的角度上，需要选择一个功率最小的时刻来发送一个新的数据包，这个数据包同样满足式子(1)。通过本发明中的这种方法，一方面节约了能量，另一方面也使系统达到一个比较高的稳定性。

以上对方法的说明可以表达为下面的数学式，即为：

图1是本发明提出的功率选择方法的示意图。已经去掉了错误概率不满足要求的时刻，因此在图中只剩20个时刻的功率。由于在第13个时刻时，需要的功率最小，因此从上一个数据包发送成功以后，等到之后的第13个时刻才开始发送一个新的数据包。

图2是传统方法和基于功率的发送方法在失败次数上的对比示意图。可以看出，随着发送次数的增加，传统方法中每个时刻都发送数据，失败的次数会增加得更快。而在本发明中，选择时刻进行发送会得到较低的失败次数。

图3是传统方法和基于功率的发送方法在功率消耗上的对比示意图。相比之下，本发明提出的方法中消耗的功率会比传统方法的低。

Claims (1)

1.一种面向预测控制的短包无线传输方法，定义数据包包含r个时刻的数据，u₁表示当前时刻对应的控制指令，u₂到u_r为预测的未来时刻的控制指令，为该数据包的总长度，H为数据包头部，L为控制指令位长度；并设定：可以预测的未来时刻比数据包中包含的未来时刻多，即在已经传输的数据包中，可以预测到每个时刻对应的数据的比特数；其特征在于，所述短包无线传输方法包括以下步骤：

S1、获取每个时刻的丢包概率，设p_e为丢包概率，p_s为控制中断概率，设定通信系统需满足：

其中，K为控制指令个数；

丢包概率需满足：

其中，Q(·)为高斯Q函数，R是单位带宽的短分组通信容量：

表示短分组容量中的高阶项，C是单位带宽的香农容量：

C＝log₂(1+γ)

γ是信噪比，V是信道色散系数：

e是常量；

根据设定的控制中断概率，结合丢包概率需满足的条件，剔除掉不满足中断概率的时刻；

S2、获取已发数据包中每个时刻的发送功率P₀的大小：

其中，Q^-1是逆高斯Q函数，N₀为加性高斯白噪声的功率谱密度，G是无线信道增益并设定G是已知的；

根据步骤S1中剔除的时刻，在剩余的刻里，选择一个最小功率的时刻进行数据的传输。