CN110858978A - 用于控制无线通信系统的方法 - Google Patents

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Abstract

用于控制无线通信系统的方法。提出了一种用于在第一环境中控制无线通信系统的方法。在此，确定关于所述第一环境的实际的或所计划的变化的第一信息，基于所述第一信息来预测所述第一环境的将来状态并且根据所预测的将来状态来匹配所述无线通信系统。

Description

用于控制无线通信系统的方法
技术领域
本发明涉及用于控制无线通信系统或通信系统的技术单元的方法以及为此所设立的计算机程序。
背景技术
联网话题近来变得越来越重要，尤其是与如“物联网”或“工业4.0”那样的研发相关联。在此，存在许多不同的通信系统，诸如蜂窝状移动无线电、无线LAN、蓝牙、ZigBee，等等，这些通信系统已分别针对不同的应用场景被优化。当前存在朝着5G（=第5代移动无线电）方向的快速研发，其中不同于早前的移动无线电世代，5G的交点也在物联网（“Machine-Type Communication（机器类型通信）”）上，并且由于所预期的工作能力，因此可以开辟出许多新的应用领域。这包括将5G技术本身用于工业中的关键应用，在自主和联网驾驶方面直至大量传感器的联网的应用，例如在农业中或在将来的“智慧城市”中的应用。在此也应注意到，例如5G不只是效率高的无线联网技术。更确切地说，5G是全面的联网和计算技术设施，该全面的联网和计算技术设施尤其也一并包括（分布式）云解决方案（所谓的“边缘云（Edge Clouds）”），提供用于高度精确的定位的机制，并且基于基础的技术联网基础设施可以建立许多不同的专用虚拟网络。
传统上，（无线）通信基础设施在很大程度上与建立在其上的应用以及在其中建立有网络的环境解耦合。这例如适合于在家安装的WLAN或者由网络运营商安装并且应该使尽可能多的客户联网的传统的移动无线电网络。在这些情况下，网络常常只提供“尽力而为（Best Effort）”服务，并且试图将所有数据分组都尽可能快地从发送方传输到接收方，而不考虑应用或环境的状态。在这些示例中，网络规划时的主要目标通常是实现尽可能好的覆盖（Coverage），使得例如在住宅各处或在城市各处都具有足够好的信号。在有些情况下，借助于对不同的交通/优先级等级进行区分直至保留沿着发送方与接收方之间的整个端到端连接的网络资源来考虑应用的要求。对交通或优先级等级进行区分的示例是按照IEEE802.11e标准的WLAN扩展或者在按照IETF的RFC 2474传输IP分组时的“DiffServ”方案。而端到端保留网络资源的示例是在借助于按照IETF RFC 2210、RFC 2211和RFC 2212的“资源保留协议（Resource Reservation Protocols）”（RSVP）传输IP分组时的“IntServ”方案以及当前朝着与5G相关联的“网络切片（Network Slicing）”方向的努力。但是，在这些情况下，通常仅仅考虑各个应用的要求并且不考虑环境或者替代地只是非常有限地考虑环境。
发明内容
提出了一种在环境中、尤其是在受控环境、也就是具有关于重要的环境要素或者环境本身的特性的当前信息的环境中用于匹配或用于控制无线通信系统、例如5G网络或WLAN网络的方法。确定关于该环境的实际的或所计划的变化的第一信息，并且基于这些第一信息来预测第一环境的将来状态。现在，根据所预测的将来状态匹配或经匹配地控制无线通信系统。受控的环境的具体示例是工厂、过程技术设施、农业生产车间等等。
所提出的方法具有如下优点：在通信系统中不必由于环境的变化而才对已经出现的变化、例如在连接的传输质量方面的变化做出反应，而是环境中的这种变化至少可以在一定程度被预测并且在出现这些变化之前已经可以对该通信系统进行匹配，使得该通信系统主动地最优地适应于这些变化。这例如可意味着：由于环境中的变化连接的传输质量的可能变差完全没有发生或者在改善连接的传输质量的情况下可以释放本来为该连接保留的传输资源的一部分，使得这些传输资源例如可以被其它通信成员使用。
在此，特别重要的是动态的环境，也就是如下环境，其中由于环境要素、如生产或加工机器、机器人或者部分自动化车辆和/或通信成员的运动和地点变化而可能导致连接的特性（例如传输质量）的变化。这里，通过来自环境、尤其是环境要素和/或通信成员或者它们相应的应用的相对应的状态信息和计划信息可以进行预测并且进行对通信系统的适当的匹配。
有利地，在咨询（Hinzuziehung）所存储的归档数据的情况下进行预测，根据这些数据例如可以推导出典型的流程并且当前所检测的数据因此可以补充所述所存储的归档数据。
有利地，也咨询关于通信系统、该通信系统的IT基础设施或该通信系统的通信要素或单元（如路由器、交换机或基站）的信息。例如，连接强度、辐射方向或者附加的或者替选的通信单元（如路由器、交换机或基站）的可用性都可以是有价值的信息，用以在通信网络中预测到连接变化时可以采取适当的匹配措施。
这里所描述的方法可以在不同的领域中合理地投入使用，尤其是结合受控的环境，如工厂、过程技术设施、农业生产厂房等等。通过使用所描述的方法，增加了其中可以使用效率高的无线通信系统、诸如5G的场景，而不必害怕对环境中的应用有负面影响。于是，这又有助于提高系统在各种不同的领域中的灵活性、机动性和可用性。特别有利的是在工业中的使用，通过所述使用可以进一步加快并且改善朝着工业4.0方向的发展。
附图说明
随后，本发明参考随附的附图并且依据实施例进一步予以描述。在此：
- 图1至图3示意性地示出了在变化的工厂环境中的示例性通信场景；
- 图4和图5示意性地示出了在工厂环境中具有运动的通信成员的示例性通信场景；
- 图6示意性地示出了用于控制无线通信系统的方法的示例性流程。
具体实施方式
对于在“物联网”、“工业4.0”和类似领域的语境（Kontext）下的许多应用来说，存在对基本的联网基础设施的最高要求。对此的典型示例是：
- 对时延、可靠性和可用性的要求，例如用于实现工业4.0或自动化驾驶中的闭环控制应用。
- 对终端设备的能效的要求，以便能够实现长时间的电池使用寿命，例如在“智慧农业（Smart Agriculture）”中。
现有的联网技术常常不适合于此或者只是非常有限地适合于此。同时，如果联网基础设施不像所希望的那样起作用，则潜在损失可能很大。如果例如因为无线电连接短期不可用而工厂停工，则这可能导致极大的损失总和。
所提到的应用领域常常带来高要求，而在这些应用领域的很多应用领域中存在非常特殊的边界条件和受控的或可控的环境。这适用于工厂以及过程技术设施或农业生产厂房并且例如将如下方面一并包括在内，其中不是所有方面都必须同时被满足：
- 环境的经定义的和已知的结构以及包含在该环境中的对象（例如工厂中的机器和设施）的详细布置
- 人员的访问的时间上和位置上的限制
- 在该环境中的联网基础设施的经定义的和已知的结构
- 对在该环境中的各种不同的对象（例如工厂中的机器和设施、机器人或无驾驶员的运输系统）的控制和操纵的可能性
- 对要在特定时间点使用的服务和应用的规定。
在无线通信系统的传统的应用环境中，这常常有所不同。因此，例如传统的移动无线电运营商只有条件地影响人员如何在覆盖区域中运动、这些人员将他们的车辆停在哪里或者他们恰好想要使用什么样的服务。因而传统上，联网基础设施最大程度地与环境“解耦合”，反之特别是在所描述的受控环境中（例如在工厂中）紧密耦合突然变得可能。
对于无线通信系统来说，在将实体联网时得到特殊的挑战。这主要是由于无线传输信道的统计学特性。
在此，尤其是以下效应可变得重要：
- 路径损失，也就是说由于如自由空间衰减、衍射、吸收损失等等效应引起的发送信号在从发送方到接收方的路径上的减弱，
- 所谓的遮蔽衰落（Shadow Fading），该遮蔽衰落尤其是由于环境的较大的变化而引起，例如当有对象（例如车辆）进入到发送方与接收方之间的在其它情况下存在的视线连接之间时，
- 所谓的多径衰落（Multipath Fading），该多径衰落由于环境中的微小的变化而引起（最小运动、天气、树叶的运动等等）并且可以引导对不同传播路径的从建设性到破坏性的干涉和反过来从破坏性到建设性的干涉的快速切换，与接收信号的质量的可能强烈的并且快速的波动相关联，
- 干涉，其由于在相同频率范围中的其它传输而引起，
- 加性噪声，例如被阻隔的组件的热噪声。
因此，传输质量可能随时间发生变化并且与位置有关。因而，为了提高传输质量和传输效率，有利的是适当地考虑传输信道的当前状态。传统地，这以如下方式和方法反应性地进行：（例如借助于特殊的信道测量方法）确定在发送方与接收方之间的信道的当前状态并且然后基于该知识来相对应地优化传输方法（例如借助于自适应调制和编码、对多天线方法的适当选择等等）。但是，该优化通常只在通信系统内进行，而没有与环境或相对应的应用耦合或者没有考虑环境或相对应的应用。
图6示意性地示出了用于操控或匹配无线通信系统的方法的示例性流程。
粗略地，该方法包括如下主要块：
（1） 在步骤611、612、613、620中确定来自环境的语境信息、状态信息和计划信息，
（2） 在步骤631中预测在将来环境的可能的将来状态，
（3） 在步骤641和650中优化或匹配通信系统或者联网基础设施。
在图6中示出的方法的各个步骤随后进一步予以阐述。
在步骤620中，检测环境的语境信息、状态信息和计划信息以及关于网络和基本的IT系统的其它信息。
这些信息例如可以在上游的步骤中由环境传感器（步骤611）、由（联网的）设备以及在这些设备上运行的应用（步骤612）或由网络或IT系统（步骤613）来确定并且被提供给中央实体、也就是中央计算单元或被传送给所述中央实体。
对此的具体示例是：
（a） 步骤611：
- 安装在环境中的摄像机检测对象的位置和运动。
- 特殊的定位系统（例如基于无线电的方法）确定特定对象的位置并且提供所述位置。
- 雷达/激光雷达系统例如如果有对象接近特定地点则识别。
- 各种不同的传感器确定环境条件，诸如温度、天气、空气湿度、亮度、时间等等并且提供这些环境条件。
（b） 步骤612：
- 移动设备例如提供这些移动设备的当前的路线计划（我接下来向哪里行驶，必要时包括速度，等等）。
- 提供控制信息，根据这些控制信息例如变得清楚的是机器人手臂或运动系统接下来应该如何运动。
- 提供或者传送关于设备的状态信息，诸如电池组状态、当前的连接质量、负荷等等。
- 关于一个或多个应用的状态信息，例如接下来必须考虑具有怎样的服务质量要求的何种数据量（例如如果使用者在移动操作面板上启动增强现实应用，则在安装阶段期间已经能预见到稍后也许必须短时间传输大数据量）。
（c） 步骤613：
确定并且提供
- 等待队列的状态、路由表等等
- 对基站的当前的调度计划等等
- 关于当前的无线电资源管理（Radio Resource Management）的信息
- 关于当前的链路质量的信息
- 对所考虑的环境的定期更新的无线电地图（Radio Maps）。
所有被收集的输入参数在步骤620中适当地（例如利用过滤、数据的合并、可信性检查等等）被整理并且然后在下一步骤613中被提供用于进一步处理。附加地，这些输入参数可以有利地在步骤632中也被归档在适当的存储器中。因此，也可以考虑过去更久的状态并且例如适应性地进一步对优化方法进行优化。
在步骤631中，基于所提供的关于环境的语境信息、状态信息和计划信息以及必要时来自数据库的相对应的历史信息以及必要时在考虑关于通信系统或网络基础设施的信息的情况下预测环境的可能的将来状态。在这种情况下，所述预测可以有利地在计算单元中进行，该计算单元访问具有所接收到的和所存储的数据的存储器，并且拥有足够用于预测和推导措施（Maßnahmenableitung）的计算资源。该计算单元可以集成在通信系统中或者与该通信系统连接。所描述的方法可以由计算机程序来实施，该计算机程序由该计算单元执行。
为此，一般也可以将不同的数据源一并包括在内。在此，预测例如涉及如下方面中的一个或多个方面：
- 环境看上去如何（例如哪些对象处在什么地方并且这些对象运动得多快）
- （要预期的）连接质量看上去如何
- 对应用的可能的影响是什么。
在此，根据输入数据的可用性和类型，可靠的预测或多或少是可能的。如果例如只具有运动着的环境要素（例如机器、机器人或车辆）的摄像机图像，则借此虽然可以估计速度并且外推运动，但是始终仍存在有突然的速度变化和/或方向变化的可能性。这里，历史数据可能也许有帮助。如果例如环境要素在特定十字路口处在过去在90%的情况下都向右转，则该环境要素又这么做是相当可能的。不过，在详细的路线计划有利地可用的情况下，预测可能还可靠得多。因而，由于预测的一般的剩余不可靠性，预测块的结果有利地是一系列可能的将来场景，这些场景必要时可与一定的发生概率相关联。
例如在工业领域中，这里在将控制程序包括到预测内的情况下得到特别大的潜力。机器人例如常常总归执行周期性的活动，并且只要这些周期性的活动已知，该信息就可以被用于预测并且因此被用于通信系统的匹配或整体优化。同样，在机床的情况下大多固定地限定：工具将如何精确地运动从而制造特定的对象。这种信息也可以被用于预测和匹配通信系统。
在步骤641中，基于（必要时配备有概率）所预测的状态可以进行对通信系统的匹配或优化。有利地，可以在步骤642或643中考虑所确定的或所提供的网络规程（例如优先级）或者来自通信成员的应用的要求（例如所需的可靠性、时延、数据传输率或者可用性）。
如果已经预测到不同的可能的将来状态，则例如可以这样进行对通信系统的匹配或优化，使得只考虑最可能的状态（并且假定这就是将来状态）。替选地，例如也可以这样进行匹配或优化，使得在所有最可能的状态下都实现可接受的结果，即使这在结束时出现最可能的状态时可能也许不那么好，但是并未专门针对该最可能的状态进行优化。
有利地，重复地进行对通信系统的匹配或优化。也就是说，只要已经开发出可能的策略，就基于此首先再次预测将来状态，以便保证在这种情况下在其它位置不出现问题。
如果已经找到整体上令人满意的策略，则实现该策略，其方式是适当地匹配、也就是调节或操控通信系统或联网基础设施（包括计算机和存储器基础设施）的单元650。例如，适配可以包括：
- 对基站、交换机&路由器等等的适当的配置/控制
- 调度表的匹配、切换的初始化、发送/接收束的跟踪、对调制和编码方法以及其它无线电资源管理功能的匹配
- 如果接下来例如预期有连接中断，则在应用附近（或者在终端设备本身上）对数据进行主动缓存
- 将网络侧的应用转移，例如从一个边缘云端（Edge Cloud）环境转移到另一个边缘云端环境
- 主动执行数据保护。
除了通信系统的匹配之外，可选地也可以进行对环境的单元或要素的匹配。这例如也可以包括：
- 如果可预期到特定问题但是这些特定问题可能不可避免，则触发报警。
- 控制特定对象，例如用于实现更好的状态检测（例如利用摄像机进行缩放）。
- 控制可能的辅助设备，用来避免连接性问题或诸如此类的。这里，可设想的例如是特殊的可取向的“反射器”或者将无人机（Flugdrohne）临时用作中继器来补偿可能的连接问题，所述“反射器”可以在两个节点之间建立良好的信号质量，即使不存在直接的视线连接时也是如此。
除了对通信系统的匹配，可选地也可以进行对联网的设备及其应用的匹配。这例如也可以包括：
- 对控制和调节算法（例如机器人手臂的路径计划、运动的减速或加速，等等）的匹配。
- 对移动设备的路线计划的匹配。
- 建立与替换系统的连接（例如在5G网络、WLAN连接的建立出问题时）。
- 建立冗余连接（“多链路连接性（Multi-Link-Connectivity）”）。
在下文中，考虑具体的实施例，其中在工厂中的无线电系统（例如5G）应该被匹配或优化。所描述的机制相对应地也能被转用于其它通信系统和其它环境。
图1示出了具有通信成员2的布置，该通信成员2与基站1通过（示意性地示出的）连接3来连接。该通信成员可以是具有合适的通信接口来进行无线通信的任何设备。在工厂环境中，该设备例如可以是生产或加工机器或者也可以是用于用户的增强现实应用的设备、诸如数据眼镜。另一基站6原则上也在作用范围中，但是与该设备（还）没有连接。在该环境中、这里是在工厂中，现在有单元或环境要素（基础设施要素）4、例如叉式装卸机（“ForkLift”）运动，该叉式装卸机的当前路线计划5与在通信成员2和基站1之间的直接视线连接相交。因而存在如下风险：只要该单元、例如该叉式装卸机保持在其所计划的路线5上，在基站1与通信成员2之间的连接就中断或至少不再足够好。如果这在增强现实应用中也许还能经受得起并且只会对“体验质量（Quality of Experience）”有影响，则这在通信成员2例如是具有安全功能（例如急停）的移动操作设备或者是关键机器的情况下也可能完全是关键的，因为在连接中断时可能发生不期望的紧急切断并且因此发生生产停止。
现在，在所提出的方法中，首先应该检测问题，以便然后可以制定和实现相对应的解决方案。对此的基础可以是来自环境、应用、网络以及所参与对象的相对应的语境信息、状态信息和计划信息。在具体的情况中，这尤其可能是如下信息：
- 单元、例如叉式装卸机的路线计划：在自主驾驶的装卸机的情况下，该路线计划可能直接被应用获得，在有人驾驶的装卸机的情况下，这可能是恰好被显示给装卸机驾驶员的路线。
-连接信息（通信成员2和基站1）可能作为信息从通信系统或通信网络获得。
- 通信成员2的地点可借助于适当的定位方法来确定（例如集成到通信系统中或集成在通信成员中），借助于摄像机和其它环境传感装置或者基于机构措施或者环境或基础设施信息来确定，因为例如已知该通信成员始终地或者在使用目前的应用时或者在该时间点处在特定的位置。
在受控的环境、诸如工厂中，这些信息一般可以是可用的。于是基于此，可以识别问题（=预测可能的将来状态）并且然后可以制定和实现相对应的辅助措施。
图2示出了对此的示例。依据图1中的场景，在通信成员22与基站21之间的可靠连接受到单元24的路线25干扰。在出现干扰之前，该干扰就已经如关于图1所描述的那样作为（潜在的）问题被预测到并且同样可以在出现之前就已经主动地通过将通信成员22与网络的连接27从基站21切换到基站26被阻止。因此，单元24可以保持在其行驶路线25处，而不发生连接的中断。
除了基于环境信息对通信系统的所述匹配之外，现在可选地也可以进行对环境或其基础设施单元的匹配。
又基于图1中所描述的场景，在图3中示出了作为对所预测出的问题的反应，可以如何进行对环境或其要素的匹配或优化。这里，通信成员（32）与基站（31）之间的连接（33）又受到单元（34）的最初计划的路线（未示出）威胁。虽然存在切换到替选的基站（36）的可能性。首先，这里诚然维持通信成员32与基站31的连接33，但是路线计划被匹配到新的路线计划35，使得该路线计划35不再引导经过通信成员32与基站31之间的直接的视线连接，由此同样不发生连接中断。
在图4和5中示出了另一实施例。如在图4中示出的那样，在工厂环境中在用标线40限定边界的区域内，单元41、例如自动驾驶的运输车辆AGV行驶，该单元与基站43通过（示意性示出的）连接44连接并且例如经由网络控制，沿着路线42朝着十字路口行驶。基站43使用所谓的“波束成形（Beamforming）”方法，借助于该“波束成形”方法，发送信号44精确地对准该单元。
只要现在该单元的速度、行驶方向或路线对于进行预测的计算单元来说是知道的，通信系统就可以主动地被匹配。因此在图5中示出：从图4中的场景出发，单元41沿着其路线42行驶经过十字路口，并且基站34的波束44的取向已相对应地被匹配，使得无线电连接始终是最优的。在此，根据环境要素（基础设施要素）的运动对通信系统的匹配并不是反应于所确定的运动或连接的变差而进行，这通常导致更差的、因为跟踪性的表现，而是由于基于环境信息（所计划的路线、历史路线数据、所计划的路线变更等等）以及必要时通信系统的信息（可能的波束方向和强度等等）对被改变环境的预测而主动地进行。在将对该单元（例如AGV）的控制通过转移而转移到通信系统的智能上时，通过这种主动方案，例如可以实现该单元的更高的速度。

Claims (17)

1.用于在第一环境（40）中控制无线通信系统（43）的方法，其特征在于，确定关于所述第一环境（40）的实际的或所计划的变化的第一信息，基于所述第一信息来预测所述第一环境的将来状态并且根据所预测的将来状态来匹配所述无线通信系统（43）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一信息包括关于环境要素（41）、尤其是生产或加工机器、机器人或者尤其是至少部分自动化的车辆的实际的或所计划的运动（42）的信息。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一信息包括关于所述通信系统（43）的通信成员（41）的实际的或所计划的运动（42）的信息。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一信息的第一部分由传感器、尤其是经由光学传感器、摄像机、雷达系统、激光雷达系统或者由确定地点的传感装置来检测。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一信息的第二部分经由环境要素或通信成员（41）的状态信息或者计划信息来确定。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，确定关于通信网络（43）、尤其是关于网络流量或者网络基础设施的第二信息，并且在匹配所述无线通信系统时考虑所述第二信息。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了所述预测使用存放在存储器中的、已经针对先前的预测所确定的第一信息。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预测包括环境要素（41）、尤其是生产或加工机器、机器人以及尤其是部分自动化车辆的将来的地点和运动（42）。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预测包括通信成员的将来的地点和运动。
10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预测包络在所述通信系统（43）中的无线连接（44）的连接强度和辐射方向。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预测包括对在环境（40）中的应用、尤其是通信成员（41）的应用的影响。
12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在匹配所述通信系统（43）时，考虑网络规程或者来自通信成员（41）的应用的要求。
13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述通信系统（43）的基站（43）或交换机或路由器进行匹配。
14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在匹配所述通信系统（43）时，做出对所述通信系统的所使用要素的选择，尤其是进行对所述通信系统（43）的所采用要素的变更。
15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述通信系统（43）的匹配包括对传输参数的匹配，尤其是对发送功率、辐射特性、编码方法或者编码率的匹配。
16.计算机程序，所述计算机程序被设立为执行根据上述权利要求中任一项所述的方法。
17.计算单元，其具有根据权利要求16所述的计算机程序。
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