CN108900285B - 一种面向预测控制系统的自适应混合无线传输方法 - 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系统的自适应混合无线传输方法。本发明主要包括传输新的数据包，产生反馈：如果ACK＝1，表明传输成功，命令存入缓存器，进入休眠状态；如果ACK＝0，表明传输失败，则进入重传模式；休眠状态，依次使用存储器中的控制命令。当缓存器中的控制命令还剩余k个时，即η＝k时开始传输新的数据包；选择重传方式，根据上一时刻传输失败的数据包长度来选择重传方式。如果数据包长N大于门限值M，即N>M时重传上一时刻的数据包，并进行最大比合并；如果N≤M，则传输新的数据包。如果传输失败则继续重传，传输成功则进入休眠状态。本发明的有益效果在于，结合了传统方法的优点，使得频谱效率和能量效率尽可能达到最大。

Description

一种面向预测控制系统的自适应混合无线传输方法

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系统的自适应混合无线传输方法。

背景技术

在预测控制系统中，控制器和设备之间的通信是通过不可靠和速率受限的通信链路实现的。为了补偿通信的不可靠性以及实现数据传输的鲁棒性，控制器向执行器发送预测控制序列，该控制序列不仅包含用于当前时刻的控制命令，而且包含预测的用于未来时刻的控制命令，这些命令存储在缓存器中。如果控制器到执行器之间发生了一次数据包丢失，则执行器可以使用先前接收到的并存储在缓存器的控制命令。

传统预测控制系统中对预测控制数据包的传输分为两种。一种是间隔传输，即传输一次预测控制数据包后，将控制命令存储在缓冲器中并依次使用，等缓冲器中没有可用命令时再进行下一次数据包传输。这种传输方式节省了大量的时频资源，但是对一次传输的成功率要求很高，因此需要较大的发射功率来满足系统中断概率；另一种是连续传输，即每个时刻都传输一个新的预测控制数据包。这样做的好处在于对数据包一次传输的成功率要求较低，减少了能量消耗，但是占用了大量的时频资源。

近年来由于网络基础设施和业务量的急剧增长引发了大量的能源消耗，并且造成了频谱资源的急剧缺乏。然而，增加的通信量并不是以增加能量消耗和频谱消耗为代价的。以能量效率和频谱效率为重点的无线电已成为学术界和工业界的必然趋势。上述两种传输模式(间隔传输、连续传输)都有各自的缺陷，大规模使用必然造成能量或频谱资源的大量消耗。

发明内容

本发明的目的是在保证预测控制系统中断概率的前提下，实现能量效率和频谱效率的良好的折衷，提出一种自适应混合无线传输方案。

本发明的技术方案如下：

定义

为预测控制数据包，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命令，

为该数据包的长度(bits)。当该数据包传输成功后，立即将u₁送给执行器并将剩余控制命令存储在缓存器中。定义η为缓存器中剩余的控制命令的数量。定义ACK为每次传输数据包后的反馈：

本发明的自适应混合无线传输方案如图1。

包含三个模式，传输新的数据包、选择重传方式以及休眠。

S1、传输新的数据包，产生反馈。如果ACK＝1，表明传输成功，命令存入缓存器，进入休眠状态(S2)；如果ACK＝0，表明传输失败，则进入重传模式(S3)。

S2、休眠状态，依次使用存储器中的控制命令。当缓存器中的控制命令还剩余k个时，即η＝k时开始传输新的数据包(S1)。

S3、选择重传方式，根据上一时刻传输失败的数据包长度来选择重传方式。如果数据包长N大于门限值M，即N>M时重传上一时刻的数据包，并进行最大比合并；如果N≤M，则传输新的数据包。如果传输失败则进入S3继续重传，传输成功则进入休眠状态(S2)。

进一步的，由于上述方案是针对单个控制回路的，因此推广到多回路情形时需要考虑多个设备之间的资源冲突的问题。所以本发明具体还包括如图2所示的算法，通过这种方法可以让多个设备共同使用信道时不发生冲突。

本发明的有益效果在于，相对于传统的两种方法，本发明的方法结合了传统方法的优点，使得频谱效率和能量效率尽可能达到最大。

附图说明

图1为本发明提出的自适应混合无线传输方案；

图2为多回路控制器算法框图；

图3为三种方法的能量效率对比图；

图4为三种方法的频谱效率对比图。

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。

以工业中的预测控制系统为例，从控制器传输数据包到设备之前经历一个无线信道，考虑路径衰落和瑞利衰落。其中路径衰落系数服从，

g_p(dB)＝-128.1-37.6log₁₀(l)for l≥0.035

瑞利衰落系数h服从单位方差的瑞利分布。即

根据长包的丢包公式，

其中P₀为发射功率，N₀为噪声功率。令y＝h²，则y服从参数为1/2的指数分布，即f(y)＝0.5e^-y/2,y>0

则有，

图1中当缓存器中的命令数满足η＝k(0≤k≤r)时，控制器从休眠模式进入传输模式。提前k个时刻启动传输意味着，如果第一传输失败，则有k次机会使数据包传输成功。而k值的大小主要影响着频谱效率和能量效率。采用如下的方法来寻找最优的k值。

首先，基于给定的k值优化发射功率P₀。定义B和T为一次传输所占用的时间和频率资源。则能量效率如下，

令p_out为丢包概率，p_s为系统限制的中断概率，则通信系统需要满足以下不等式

p_out≤p_s

则有如下的优化问题，

s.t.

p_out≤p_s

当k>0时，意味着有多次传输机会，而重传合并的方式可以在保证中断概率的同时，要求较小的发射功率，合并后的丢包概率如下。

令，

则，

由于丢包概率越小意味着更高的可靠性，需要更高的发射功率，所以当目标函数最大时，有p_out＝p_s。所以有，

为了求出P₀，先求x。令，

由于f(x)为连续函数，且f(0)<0,f(+∞)>0，所以f(x)的零点可以由二分法搜索得到。最终可以得到基于给定k的最优发射功率。

接下来，确定k值来最大化频谱效率和能量效率。频谱效率为，

由于有两个目标函数，因此采用目标函数规格化法来统一目标函数。则有，

s.t.

P_out≤P_s

由于频谱效率仅与k有关，所以SE易于计算。在前面的步骤中，已经计算出最优发射功率P₀，所以EE也易于计算。因此，当k取不同的值时，可以得到F(k)的值。最后，当F(k)取最大值时，可以得到最优的k的值。

接下来，求门限M。当第一次传输失败时，发送新的数据包可以使存储器中有更多的有效控制命令，而重传合并则可以保证较高的传输成功率。因此，在保证中断概率的前提下，结合了两种传输方案以获得更好的性能。由于不同的数据包长度对应不同的丢包概率，当数据包较短时，对应着较小的传输速率，此时传输新的数据包可以满足系统中断概率。当数据包较长时，只有重传合并才能满足中断概率。M是决定是发送新数据包还是重传旧数据包的数据包长度的一个门限。即，

M可以由如下等式求出，

P_out ^(k+1)(N＝M)＝P_s

有，

上述讨论都是针对单个控制回路进行的，由于数据包

包含r个时刻的控制命令，并且本发明的方法提前k个时刻开始下一个新的传输，因此，有r-k个时频资源可供其他r-k不同的设备使用，即扩展到多回路的情形。

为了确保不同设备之间不会产生资源冲突，需要添加辅助信道来确保这r-k个设备的传输。由于每个设备的传输次数不超过k+1次，即一个设备占用一条信道的时间不超过k+1个时隙，因此使用k+1条信道可以满足r-k个设备同时进行传输。

具体的算法框图如图3所示。该方法通过将多个设备的传输时间相互错开，并且通过添加辅助信道实现了用较少信道数服务较多设备数的目标。

本发明将传统方法同本发明方法的性能对比分析，以进一步验证本发明的性能。

图3为三种方法的能量效率对比示意图；可以看出，连续传输的能量效率最高，间隔传输的能量效率最低。本发明方法的能量效率非常接近于连续传输的能量效率。

图4为三种方法的频谱效率对比图，可以看出，连续传输的频谱效率最低，间隔传输的频谱效率最高。本发明方法的频谱效率非常接近于间隔传输的频谱效率。

综上所述，本发明提出了一种新的混合传输方式，寻找了最佳的传输间隔。本发明综合了两种传统方法的优点，在能量效率和光谱效率方面具有良好的性能。

Claims (1)

1.一种面向预测控制系统的自适应混合无线传输方法，对所述预测控制系统，定义

为预测控制数据包，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，

为该数据包的长度，H为数据包头部；当该数据包传输成功后，立即将u₁送给执行器并将剩余控制命令存储在缓存器中，定义η为缓存器中剩余的控制命令的数量，0<η≤r，定义ACK为每次传输数据包后的反馈：

其特征在于，所述自适应混合无线传输方法包括以下步骤：

S1、传输新的数据包，产生反馈ACK，并判断：如果ACK＝1，表明传输成功，控制指令存入缓存器，进入步骤S2；如果ACK＝0，表明传输失败，进入步骤S3；

S2、休眠状态：依次使用存储器中的控制命令，当缓存器中的控制命令还剩余k个时，即η＝k时回到步骤S1；

S3、选择重传方式：根据上一时刻传输失败的数据包长度来选择重传方式，如果数据包长N大于门限值M，即N>M时重传上一时刻的数据包，并进行最大比合并；如果N≤M，则传输新的数据包，如果传输失败则重复步骤S3继续重传，传输成功则进入步骤S2。

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