CN110784856B - 一种面向实时控制的d2d传输调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种面向实时控制的D2D传输调度方法。本发明在分析了控制与通信的关系的基础上,将控制约束转化为通信可靠性约束,提出了一种基于概率的D2D激活方法,通过设置阈值来确定传感器的传输策略。这使得每个传感器能够自主决定是否参与控制过程,在保证URLLC对实时无线控制系统严格要求的同时,大大降低了功耗,这也体现了本发明的优势。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域,具体涉及一种面向实时控制的设备对设备(D2D)传输调度方法。
背景技术
超可靠低延迟通信(URLLC)是支持触觉互联网实时无线控制系统的一个重要场景,实时控制需要极高的服务质量(QoS)来保证控制性能,采用D2D通信可以显著降低功耗、降低传输延迟并提高可靠性。然而,在这样一个系统中,有两个关键的挑战需要解决。第一个挑战是D2D对的激活。现有的方案有小区辅助和自主两种方法,小区辅助方法可以确定D2D对匹配的基站(BS)信息,然而,信令开销会导致通信延迟。在传统的自主方法中,设备需要传输参考信号来处理D2D对匹配,由于设备主要是电池供电的,这种方法对URLLC来说非常具有挑战性。综上所述,由于URLLC中的通信约束,现有方法很难调度D2D对。第二个挑战是是通过在URLLC和控制中共同考虑D2D来获得良好的系统整体性能,然而,目前的一些研究都是基于现有的无线通信协议,不能保证URLLC对实时无线控制系统的QoS要求。
发明内容
本发明的目的是在URLLC中保持极高的服务质量(QoS)来进行实时控制,提出一种基于概率的D2D方法,允许每个传输设备自主决定是否参与控制过程,在保证URLLC对实时无线控制系统严格要求的同时,优化功耗。
本发明的技术方案如下:
首先分析控制和通信之间的关系,然后给出了具有通信约束和控制约束的最优问题,最后,给出基于最优概率的激活方法和功率分配方法。
给出URLLC中具有传输时延和包错误概率的通信子模型系统,如图1所示。M个传感器作为发射装置均匀分布在半径为R的圆形区域内,受控设备作为接收装置位于该区域的中心。每个传感器都以一定的概率被激活,此外,设备只处理来自传感器的最强的信号而忽略其它信号。
信道模型由大尺度衰减系数gm和小尺度衰落系数hm组成。
从传感器m到设备的上行链路的大尺度衰减系数用路径损耗来表示为
其中,lm为收发器之间的距离,C是一个常数,α∈[2,6]为路径损耗因子。
距离为l的传感器的概率分布函数(PDF)为:
路径损耗的PDF为
其中,采用α=2。
小尺度衰落hm服从均值为0,方差为1的瑞利分布,其PDF可以表示为
由于端到端(E2E)延迟在URLLC中不超过1ms,小于通道相干时间,小尺度衰落在传输周期内是恒定的。
传感器m对应的受控设备接收信噪比为
其中,Bm是占用的带宽,pm为第m个传感器的单侧传输功率,N0是噪声的功率。
根据香农容量公式
Cm=TuBmlog(1+γm)
其中,Tu允许的传输时延。
URLLC应用有限块编码,信道色散为
则在URLLC中传感器m在一帧内成功传输的比特数可以表示为
我们的目标是在控制和通信约束下最小化能源消耗,能源消耗表示为
其中,E[·]为期望算子,pm,n为第m个传感器在n时刻的能量消耗。
我们将控制状态降低率作为保持控制性能的控制要求,采用李亚普诺夫代价函数评价控制状态降低率对控制性能的影响
其中,Q是正定的。为保证控制稳定,对任意的ξn,李雅普诺夫函数需要满足以下控制约束
E[△(ξn+1)|ξn]≤ρ△(ξn)+Tr(QR')
其中,ρ<1,Tr(·)计算矩阵的迹,R'=(R 0),R是噪声的方差;
对于可靠性概率计算问题,采用图2所示模型,考虑一个典型的圆环,它的内径为a,外径为b,内界到外界的长度为2r,圆环内传感器数量可以表示为
发射功率为p(a),激活概率为Pa(a),圈内传感器的信噪比的累计分布函数(CDF)表达式为
其中,γ为信噪比,l为传感器到受控设备的距离,Pr{·}表示概率,h为小尺度衰落系数,g为大尺度衰减系数,p(l)表示距离为l的传感器的发射功率,N0表示噪声的功率,C是一个常数;
考虑到信噪比阈值γth,圆环内丢包概率可表示为
对于激活概率为Pa(a)的Ma个圆环内传感器,丢包概率为
此外,我们假设传输错误概率εm是常数,用ε0表示。那么,整体丢包概率的CDF可以表示为
其中,圆环内外界长度r→0,即l→a时,fa(a)=2a/R2,则受控设备的整体可靠性概率为
Pr{αn=1}=1-ε0-FΓ(γth)
因此,在保证URLLC对实时无线控制系统严格要求的同时,可以优化功耗,即
与现有技术相比,本发明的优点在于:针对URLLC中实时无线控制系统,同时考虑了通信和控制,在URLLC和控制的约束下提出了一种基于概率的D2D激活方法,通过设置阈值来确定传感器的传输策略,使得每个传感器能够自主决定是否参与控制过程,与传统的D2D传输方式相比,大大降低了功耗。
附图说明
图1为D2D通信服务于设备的无线控制模型示意图;
图2为计算可靠性概率的模型示意图;
图3为不同的传感器与设备距离时传感器的激活概率示意图;
图4为不同信噪比阈值下的传输功率分配。
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。
采用图1所示的无线控制模型,具有丢包和时延的离散时间控制系统方程为
考虑系统丢包,有Pr{αn=1}=1-ε和Pr{αn=0}=ε。ε表示M传感器传输失败。假设状态估计完美,那么闭环控制系统方程为
由李雅普诺夫函数可以得到
其中,Tr(·)为求矩阵的迹;
带入控制约束得
定义上式左侧的极大值为
可以求出最优解c*,那么问题P0可以改写为
对问题1进行简化求解,进行如下处理:
1)引入FRE
平均功耗:
Jc(a)=Pa(a)p(a)
丢包概率可以改写为
FRE定义为丢包概率与功耗之比,由对Jc(a)求偏导得到。
2)利用FRE对问题1进行简化:
解决P2等价于给定a和Jc(a)的条件下解决P1。对于问题2,采用穷尽搜索的方法获得最优的p*(a)。
采用图1所示的无线控制模型,图2所示的可靠性概率的计算模型。假设带宽为1MHz,单边功率谱为-174dBm/Hz,大尺度衰落值为C=-133.4dB,圆的半径R=100m,传感器的个数M=-200,传感器的最大传输功率为-17dBm,传输错误概率ε0=10-6,传输时延Tu=0.5ms,假设对通信可靠性的控制降低率要求是c=99.999%。
图3示出了不同的传感器与设备距离时传感器的激活概率。从图中可以看出,考虑不同信噪比阈值,激活概率曲线均随距离的增大而减小,这是由于在传输功率约束下,传感器与设备距离较小导致的信噪比高,可以保证具有较大的传感器激活概率。当传感器和设备之间的距离固定时,信噪比阈值高的激活概率大于信噪比阈值高的,这意味着需要更多的激活状态的传感器来满足高信噪比。此外可以看出,与传统的激活概率为1的方法相比,本发明提出的方法不需要所有的传感器都保持激活状态。
图4示出了不同信噪比阈值下的传输功率分配。从图中可以看出,该方法分配的传输功率随着γth单调增加,意味着传感器需要更多的传输功率保证更大的信噪比阈值,而传统的方法由于没有利用设备的信息,需要以最大的功率进行传输,与传统方法相比,该方法最多可以减少32%左右的功耗。
综上所述,本发明在分析了控制与通信的关系的基础上,将控制约束转化为通信可靠性约束,提出了一种基于概率的D2D激活方法,通过设置阈值来确定传感器的传输策略。这使得每个传感器能够自主决定是否参与控制过程,在保证URLLC对实时无线控制系统严格要求的同时,大大降低了功耗,这也体现了本发明的优势。
Claims (1)
1.一种面向实时控制的D2D传输调度方法,通信系统模型包括M个传感器和1个受控设备,其中M个传感器作为发射装置均匀分布在半径为R的圆形区域内,受控设备作为接收装置位于该区域的中心,每个传感器都以一定的概率被激活,受控设备只处理来自传感器的最强的信号而忽略其它信号;其特征在于,所述传输调度方法包括:
S1、设定目标为在控制和通信约束下最小化能源消耗,能源消耗为:
其中,E[·]为期望算子,pm,n为第m个传感器在n时刻的能量消耗;
S2、令控制状态降低率作为保持控制性能的控制要求,采用李亚普诺夫代价函数评价控制状态降低率对控制性能的影响:
E[Δ(ξn+1)|ξn]≤ρΔ(ξn)+Tr(QR')
其中,ρ<1,Tr(·)计算矩阵的迹,R'=(R 0),R是噪声的方差;
S3、通信可靠性约束为传感器根据其可靠性概率,在阈值的约束下,每个传感器自主决定是否参与控制过程;所述可靠性概率的计算方法为:
在半径为R的圆形区域中,设定内径为a,外径为b的圆环,内界到外界的长度为2r,则圆环内传感器数量为:
传感器的发射功率表示为p(a),激活概率为Pa(a),圆环内传感器的信噪比的累计分布函数为:
其中,γ为信噪比,l为传感器到受控设备的距离,Pr{·}表示概率,h为小尺度衰落系数,g为大尺度衰减系数,p(l)表示距离为l的传感器的发射功率,N0表示噪声的功率,C是一个常数;
设定信噪比阈值为γth,则圆环内丢包概率FrΓ为:
对于激活概率为Pa(a)的Ma个传感器,丢包概率FΓ为:
定义传输错误概率εm是常数,用ε0表示,则整体丢包概率的累计分布函数为:
其中,圆环内外界长度r→0,即l→a时,fa(a)=2a/R2,则受控设备的整体可靠性概率为:
Pr{an=1}=1-ε0-FΓ(γth)
S4、根据步骤S2和S3的约束条件建立目标函数为:
s.t.E[Δ(ξn+1|ξn)]≤ρΔ(ξn)+Tr(QR'),
Pr{an=1}≥1-εth,
0≤Pa(a)≤1,
0≤p(a)≤pmax,
S5、考虑通信和控制之间的关系,将控制约束转化为通信可靠性约束,具体如下:
考虑系统丢包,有Pr{αn=1}=1-ε和Pr{αn=0}=ε,ε表示M个传感器传输失败的概率,假设状态估计完美,那么闭环控制系统方程为
由李雅普诺夫函数得到
由S2的控制约束得到
考虑S3中的受控设备的整体可靠性概率为
Pr{an=1}=1-ε0-FΓ(γth)
则转化为通信约束
FΓ(γth)≤1-ε0-c*
S6、根据步骤S5的约束条件简化S4步骤的目标函数为
s.t.FΓ(γth)≤1-ε0-c*
0≤Pa(a)≤1,
0≤pa(a)≤pmax,
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