CN110933708B - 中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置，该方法包括：根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；获取所有设备系统中错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配。该方法的资源分配方案，能够保证系统错误率最低。

Description

中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置
技术领域
本发明涉及无线网络资源分配领域，尤其涉及一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置。
背景技术
智能控制、远程操作等工厂自动化应用正不断推动工业互联网技术的发展。工业互联网也从总线型结构为主，以太网技术和少量无线解决方案辅助的“有线工业互联网”转变为与第五代(5G)无线通信技术结合的“无线工业互联网”。与“有线工业互联网”相比，“无线工业互联网”连接灵活，安装维护成本低，调试配置方便，展现出了极大的优势。但工业应用程序，特别是以实时控制为目标的应用程序，在不间断服务可用性、稳定性、可扩展性、低延迟和高可靠性方面对无线通信网络提出了重大挑战。
未来的智慧工业生产中包含着各种各样类型的业务。如实时报警系统，实时控制系统，实时监控系统，设备状态实时监控系统，这些业务涵盖了5G移动通信的URLLC、eMBB、mMTC三大场景。对智慧工厂中的URLLC业务，尤其是机密机械制造等对可靠性要求及其严格的领域，亟需一种满足其可靠性要求的新方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置。
第一方面，本发明实施例提供一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，包括：根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配；其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定。
进一步地，对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，包括：
分别根据下式确定：
Figure BDA0002319895030000021
Figure BDA0002319895030000022
Figure BDA0002319895030000023
其中，
Figure BDA0002319895030000024
为基站至设备u链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000025
为基站至设备u的中继链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000026
为中继向设备u转发消息链路的错误率；
Figure BDA0002319895030000027
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000028
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000029
为中继转发给设备设备u的链路信噪比；
Figure BDA00023198950300000210
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure BDA00023198950300000211
为基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长，k为要发送的信息量；
Figure BDA00023198950300000212
V＝1-(1+γ)-2表示信道分散度；
Figure BDA00023198950300000213
进一步地，结合三个链路的链路错误率得到系统错误率，包括：根据如下公式确定：
Figure BDA00023198950300000214
Figure BDA00023198950300000215
其中，εu为设备u的系统错误率，
Figure BDA00023198950300000216
为设备u的直传链路的错误率，
Figure BDA00023198950300000217
为设备u的经中继转发链路的错误率；
Figure BDA00023198950300000218
为设备u的基站向中继发送信息链路的错误率，
Figure BDA00023198950300000219
为中继向设备u转发消息链路的错误率。
进一步地，所述获取所有设备中系统错误率最大值最小化时的分配方案，包括：
以优化问题为：
Figure BDA0002319895030000031
约束条件为：
Figure BDA0002319895030000032
Figure BDA0002319895030000033
Figure BDA0002319895030000034
C4 Sr∈W
进行优化求解，得到所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案；
其中，εu为设备u的系统错误率，U为设备的集合；
Figure BDA0002319895030000035
表示
Figure BDA0002319895030000036
Figure BDA0002319895030000037
表示
Figure BDA0002319895030000038
Figure BDA0002319895030000039
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure BDA00023198950300000310
基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长；M为码长的最大值；Sr为中继位置，W为中继位置的区域限制；
Figure BDA00023198950300000311
为基站的发射功率，
Figure BDA00023198950300000312
为中继转发给设备u的发射功率，E为中继和基站的总能耗最大值。
进一步地，所述进行优化求解，包括：
将优化问题转化为：
Figure BDA00023198950300000313
约束条件转化为：
Figure BDA00023198950300000314
Figure BDA00023198950300000315
Figure BDA00023198950300000316
Figure BDA00023198950300000317
C5 Sr∈W
进行优化求解；
其中，
Figure BDA0002319895030000041
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000042
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000043
为中继转发给设备设备u的链路信噪比；k为要发送的信息量。
进一步地，所述进行优化求解，包括：固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，得到发送功率的分配结果；将发送功率的分配结果作为已知，固定编码传输块长，进行优化求解，得到中继位置的分配结果；根据已知的发送功率分配结果和中继位置的分配结果，进行优化求解，得到编码传输块长的分配结果。
进一步地，所述得到编码传输块长的分配结果之后，还包括：重复上述固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，至得到得到编码传输块长分配结果的过程，直至相邻两次迭代后的任意设备的系统错误率变化率小于预设阈值，将最后一次迭代的结果作为所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案。
第二方面，本发明实施例提供一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置，包括：获取模块，用于根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；处理模块，用于对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；分配模块，用于获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现本发明第一方面中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法的步骤。
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法及装置，通过中继进行辅助，若基站直传链路错误时，设备可以采用中继转发的控制信息，降低系统的错误概率。同时，根据不同的中继位置、不同的基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长，得到多个分配方案，并获取系统获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，能够有效保证所有设备的最大系统错误率的值最小，从而保证整个智慧工厂在满足分配方案的前提下，总系统错误率最小，进而实现了超高可靠低时延通信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法流程图；
图2为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法应用场景图；
图3为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置结构图；
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
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作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。
面对各垂直行业对于超高可靠低时延通信(Ultra Reliable Low LatencyCommunications,URLLC)的迫切需要，3GPP工作组在R15以及即将发布的R16中提出了一系列新的技术标准以满足URLLC对于通信低时延和高可靠性的需求[1]。新的技术标准涉及物理层帧结构变化，数据传输信令简化以及介质访问控制层(Media Access Control,MAC)重传机制的扩展等各个方面，对于高层的无线接入技术与资源调度策略产生了极大的影响，同时，探究新通信标准下适配工业互联网各业务需求的无线资源调度方案具有重要的学术意义。
更短传输时隙(mini-slot)、短码块等物理层技术的引入加速了空口的调度与传输，为低时延高可靠业务的实现提供了可能性，但目前低时延和高可靠技术还处于初期理论研究阶段，在资源利用率、多业务兼容、可扩展性等方面仍比较薄弱，需要对通信系统的高层提出新的设计方法。采用短码块等物理层技术传输信息时，传统的香农公式并不适用，所以需要一种新的计算方法，使其与传输块长和可靠性建立联系。
中继在目前的移动通信网络中被广泛的使用，中继可以很好地解决由于信道衰落导致的信噪比及可靠性降低的问题。在中继的研究的中，其部署问题一直是探讨的重点，如何准确地部署中继来使得其覆盖及信道增益最优是本发明需要解决的问题。双连接乃至多连接是5G重点发展的技术手段，通过双连接手段可以极大的增加系统的吞吐量和可靠性，增加系统的容灾性能，更好地满足URLLC业务的需求。
目前通过中继链路与直传链路双连接来优化URLLC通信中的可靠性问题是存在较少研究且具有重要意义的。通过部署中继来实现智慧工厂场景中的URLLC通信，当前的研究更多的停留在单设备、单链路直传，或单中继的简单场景。对于复杂的工厂环境，使用单链路直传或单中继是难以满足整个系统的可靠性和时延需求。本发明结合上述技术背景，融合中继、双连接以及短传输块长编码技术，提出一种在智慧工厂背景下的最小化通信系统错误率的方法，引入中继转发链路，使其与基站直传链路对设备形成双连接来提高通信系统的可靠性。本发明解决了多中继双连接URLLC通信中，联合设备功率控制、中继部署位置优化和传输块大小优化的系统总错误率最小化问题。以此来满足对工厂精密机械制造、实时控制、实时报警系统的需求。
图1为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法流程图，如图1所示，本发明实施例提供一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，包括：
101、根据不同的中继位置、不同的基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长、基站经中继至设备的编码传输块长，得到多个分配方案。
URLLC作为5G三大智能应用场景之一，被广泛应用于智慧工厂场景，尤其是任务关键型应用。考虑到地面5G基站的信道衰落和设备对可靠性的高要求，只通过地面基站来实现URLLC服务是具有很大挑战的。为了满足智慧工厂中URLLC业务的需求，本发明提出了使用中继链路与直传链路构成双链路的网络架构。由于中继对信道衰落的改善和双链路对可靠性的保障，使用本发明所提架构可以有效地提高工厂URLLC业务通信的可靠性。
智慧工厂URLLC业务下的可靠性优化系统，由基站和中继以及U个设备(u∈U)组成。在一固定范围的厂房内分布着多台设备，在厂区中央放置一基站，为了克服信道损耗的问题，在厂区内分布着中继，其位置可以由本发明提出的方法求得以达到最小化系统错误率的目的。在下行链路中，中继可以把基站发出的控制信息转发给设备，同时设备也在接收由基站直接发送的指令。本发明采用了这种双链路的方案极大降低了系统的错误概率，满足URLLC业务的需求。
在资源分配时，主要对基站和中继进行功率控制、中继部署位置、基站直达设备编码传输块长和基站经中继到设备编码传输块长进行配置，对于每个待分配的变量都能够得到多个分配方案。编码传输块长为发送端和接收端之间传输的，经编码后的数据块的长度，也就是传输的码长。发送端可以是基站或中继，接收端可以是中继或设备。
102、对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到系统错误率。
在102中，首先分析单设备的情况，图2为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法应用场景图，具体连接情况如图2所示，中继工作在频分半双工(FDD)的工作状态，解码基站发送来的信息后转发给设备。基站在向中继发送信息的同时会直接向设备发送信息，如果设备解码无误则立即执行相关操作，若解码校验有误则等待中继转发的信息后解码执行相关操作。在这种情况下，经两条链路传输的信息经解码校验后都发生错误，才会导致设备无法正常工作，这样可以极大地确保通信系统的可靠性。
直传链路与中继转发链路是相互独立的，所以根据上述分析系统的错误率为两条链路的错误率的乘积，具体公式可如下所示：
Figure BDA0002319895030000081
其中，
Figure BDA0002319895030000082
表示直传链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000083
表示中继链路的错误率。中继链路由两跳组成，每跳的链路都是独立的，所以该链路出现错误有以下两种情况：基站向中继发送信息的链路出现错误；中继成功解码并转发基站发送的信息，转发到设备的链路出现错误。即中继链路错误率由
Figure BDA0002319895030000084
和
Figure BDA0002319895030000085
确定。
Figure BDA0002319895030000086
为基站向中继发送信息链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000087
为中继向设备u转发消息链路的错误率。
具体地，每个链路的错误率，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量有关、根据每个链路的这些参数，可求得每个链路的错误率。每个链路的错误率得到之后，根据链路关系，得到系统错误率。
103、获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配。
其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定。
每个分配方案根据102都可求得系统错误率，系统错误率是关于每个设备的。在所有设备中系统错误率最大值是我们需要限制的结果，即在所有分配方案中，选取一个分配方案，该分配方案的最大错误率，比其它分配方案都要小。以该分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配。
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，通过中继进行辅助，若基站直传链路错误时，设备可以采用中继转发的控制信息，降低系统的错误概率。同时，根据不同的中继位置、不同的基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长，得到多个分配方案，并获取系统获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，能够有效保证所有设备的最大系统错误率的值最小，从而保证整个智慧工厂在满足分配方案的前提下，总系统错误率最小，进而实现了超高可靠低时延通信。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，包括：
分别根据下式确定：
Figure BDA0002319895030000091
Figure BDA0002319895030000092
Figure BDA0002319895030000093
其中，
Figure BDA0002319895030000094
为基站至设备u链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000095
为基站至设备u的中继链路的错误率，
Figure BDA0002319895030000096
为中继向设备u转发消息链路的错误率；
Figure BDA0002319895030000097
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000098
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000099
为中继转发给设备设备u的链路信噪比；
Figure BDA00023198950300000910
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure BDA00023198950300000911
为基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长，k为要发送的信息量；
Figure BDA00023198950300000912
V＝1-(1+γ)-2表示信道分散度；
Figure BDA00023198950300000913
具体地，对于其中的一条链路，本发明采用有限码长编码理论，具体公式如下所示：
Figure BDA0002319895030000101
其中，R表示最大可达速率，γ表示信噪比，V表示信道分散度，具体表达式为V＝1-(1+γ)-2，m表示编码的传输块长，单位为Symbol，Q-1(x)表示互补累计分布函数
Figure BDA0002319895030000102
的反函数，要传输的数据量为k bit，ε为错误率。
根据上述关系式，本实施例提出的错误率计算方法如下：
Figure BDA0002319895030000103
定义函数
Figure BDA0002319895030000104
则ε＝Q(f(γ,m,k))。
在不失一般性的前提下，采用二维坐标。每个设备的位置都固定在地面上，设备u的坐标为Su(xu,yu),u∈U，中继的位置坐标为Sr(xr,yr)，基站的位置坐标为S0(x0,y0)。采用快衰落信道模型，在有限时间内，信道保持不变，信道增益为
Figure BDA0002319895030000105
其中g0为d＝1m时的参考信道增益，d为发送端到接收端的距离。
首先计算由基站直接向设备u发送信息的链路的错误率，根据上述分析可以得到如下公式：
Figure BDA0002319895030000106
其中，
Figure BDA0002319895030000107
表示基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000108
为基站对设备u的发射功率，gb,u为该信道的信道增益，表达式为
Figure BDA0002319895030000109
|| ||为欧几里德范数。
Figure BDA00023198950300001010
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长，k为要发送的信息量，单位为bit。
把经中继转发的链路分为两个部分，其中第一部分为基站到中继的传输链路，根据上述分析得出该链路的错误率为
Figure BDA00023198950300001011
其中，
Figure BDA0002319895030000111
表示基站发送给中继r的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000112
为中继转发基站对设备U发送的信息时，基站的发射功率，
Figure BDA0002319895030000113
为该信道的信道增益，表达式为
Figure BDA0002319895030000114
|| ||为欧几里德范数。
Figure BDA0002319895030000115
为基站发送给设备u经中继的信息的编码的传输块长，k为要发送的信息量，单位为bit。
第二部分为中继转发给设备u的传输链路，根据上述分析得出该链路的错误率为：
Figure BDA0002319895030000116
其中，
Figure BDA0002319895030000117
表示中继转发给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000118
为中继转发给设备u的发射功率，
Figure BDA0002319895030000119
为该信道的信道增益，表达式为
Figure BDA00023198950300001110
|| ||为欧几里德范数。
Figure BDA00023198950300001111
为中继转发给设备u的信息的编码的传输块长，k为要发送的信息量，单位为bit。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合三个链路的链路错误率得到系统错误率，包括：
根据如下公式确定：
Figure BDA00023198950300001112
Figure BDA00023198950300001113
其中，δu为设备u的系统错误率，
Figure BDA00023198950300001114
为设备u的直传链路的错误率，
Figure BDA00023198950300001115
为设备u的经中继转发链路的错误率；
Figure BDA00023198950300001116
为设备u的基站向中继发送信息链路的错误率，
Figure BDA00023198950300001117
为中继向设备u转发消息链路的错误率。
直传链路与中继转发链路是相互独立的，所以根据上述分析系统的错误率为两条链路的错误率的乘积，具体公式见上。中继链路由两跳组成，每跳的链路都是独立的，所以该链路出现错误有以下两种情况：基站向中继发送信息的链路出现错误；中继成功解码并转发基站发送的信息，转发到设备的链路出现错误。因此，中继链路的错误率可以上式
Figure BDA00023198950300001118
表示。
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，根据直传链路的错误率、基站向中继发送信息链路的错误率和中继向设备u转发消息链路的错误率，得到系统错误率，实现了系统错误率的准确表达。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，获取所有设备的系统错误率最大值最小化时的分配方案，包括：
以优化问题为：
Figure BDA0002319895030000121
约束条件为：
Figure BDA0002319895030000122
Figure BDA0002319895030000123
Figure BDA0002319895030000124
C4 Sr∈W
进行优化求解，得到系统错误率最大值最小化时的分配方案；
其中，δu系统错误率，U为设备的集合；
Figure BDA0002319895030000125
表示
Figure BDA0002319895030000126
Figure BDA0002319895030000127
表示
Figure BDA0002319895030000128
Figure BDA0002319895030000129
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure BDA00023198950300001210
基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长；M为码长的最大值；Sr为中继位置，W为中继位置的区域限制；
Figure BDA00023198950300001211
为基站的发射功率，
Figure BDA00023198950300001212
为中继转发给设备u的发射功率，E为中继和基站的总能耗最大值。
本发明要最小化所有设备中最大的系统错误率的值，C1是对码长的约束，确保该系统采用的是有限长编码理论，C2是对基站和中继能量的约束，C3确保码长是整数的值，C4是对中继位置的约束。进行优化求解后便可得到最终的分配方案。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，进行优化求解，包括：
将优化问题转化为：
Figure BDA00023198950300001213
约束条件转化为：
Figure BDA0002319895030000131
Figure BDA0002319895030000132
Figure BDA0002319895030000133
Figure BDA0002319895030000134
C5 Sr∈W
进行优化求解；
其中，
Figure BDA0002319895030000135
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000136
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure BDA0002319895030000137
为中继转发给设备设备u的链路信噪比；k为要发送的信息量。
具体地，根据上述分析已经得出了要优化的问题以及约束条件，但是该问题涉及了互补累计分布函数(Q函数)的乘法问题，它的的凹凸性是不确定，难以得出闭式解。因此本发明采用线性逼近的方法将优化问题转化为可以求解的形式。
首先将错误率的表达式写出如下形式，便于处理：
Figure BDA0002319895030000138
其中，C(γ)＝log2(1+γ)表示传统的香农容量，V(γ)＝(1-(1+γ)-2)(log2e)2表示信道分散度，它用于衡量具有相同容量的确定性信道的随机变化性。
对E(γ)进行线性近似，可以得到如下公式：
Figure BDA0002319895030000139
其中，
Figure BDA00023198950300001310
θ＝2r-1，
Figure BDA00023198950300001311
γ为信源的编码率。根据上述近似，错误率ε可以被估计为：
Figure BDA00023198950300001312
结合γ的累积分布函数和积分公式，上述错误率ε可以被估计为：
Figure BDA00023198950300001313
根据上述分析，可以得出采用了中继的链路中第一段的错误率为：
Figure BDA0002319895030000141
其中
Figure BDA0002319895030000142
同理可以得到该链路的第二段的错误率为：
Figure BDA0002319895030000143
结合两段链路上的错误率，可以得出采用中继的链路总错误率为：
Figure BDA0002319895030000144
为了满足URLLC业务高可靠性和低时延的要求，设备的信噪比必须处于较高的水平，在此基础上根据信噪比的累积分布函数可以写为：
Figure BDA0002319895030000145
根据上述结论得出
Figure BDA0002319895030000146
的累积分布函数分别为：
Figure BDA0002319895030000147
Figure BDA0002319895030000148
将满足高要求的信噪比累积分布函数带入上述函数，可以求出所对应的链路的错误率为：
Figure BDA0002319895030000149
Figure BDA00023198950300001410
至此，设备u的总错误率可以写为：
Figure BDA00023198950300001411
本发明的优化问题变为：
Figure BDA0002319895030000151
Figure BDA0002319895030000152
Figure BDA0002319895030000153
Figure BDA0002319895030000154
Figure BDA0002319895030000155
C5 Sr∈W
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，采用线性逼近的方法将优化问题进行转化化，有效减少优化求解的复杂度。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，进行优化求解，包括：
固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，得到发送功率的分配结果；将发送功率的分配结果作为已知，固定编码传输块长，进行优化求解，得到中继位置的分配结果；根据已知的发送功率分配结果和中继位置的分配结果，进行优化求解，得到编码传输块长的分配结果。。
为了解决这个优化问题，本发明将其分为三个子问题，首先固定传输块长
Figure BDA0002319895030000156
和中继的位置Sr，优化
Figure BDA0002319895030000157
得到子问题1如下所示：
Figure BDA0002319895030000158
Figure BDA0002319895030000159
Figure BDA00023198950300001510
固定发送信息的传输块长
Figure BDA00023198950300001511
基站以及中继的功率
Figure BDA00023198950300001512
优化中继的位置，得到子问题2如下所示：
Figure BDA00023198950300001513
Figure BDA00023198950300001514
C2 Sr∈W
固定基站以及中继的功率
Figure BDA00023198950300001515
中继的位置Sr，优化发送信息的传输块长，得到子问题3如下所示：
Figure BDA0002319895030000161
Figure BDA0002319895030000162
Figure BDA0002319895030000163
Figure BDA0002319895030000164
Figure BDA0002319895030000165
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，得到编码传输块长的分配结果之后，还包括：重复上述固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，至得到得到编码传输块长分配结果的过程，直至相邻两次迭代后的任意设备的系统错误率变化率小于预设阈值，将最后一次迭代的结果作为所有设备中系统错误率最大者最小化时的分配方案。
相邻两次迭代后的任意设备的系统错误率变化率可表示如下：
Figure BDA0002319895030000166
每次迭代即进行下述的重复过程：
输入：工厂设备的数量U及其位置Su，基站的位置S0。系统的最大能耗E，最长码长M，中继的位置约束W。
输出：基站和中继的发射功率
Figure BDA0002319895030000167
基站和中继向不同设备发送信息的传输块长
Figure BDA0002319895030000168
中继的位置Sr。
1：设置参数t＝1，迭代误差(任意设备的系统错误率变化率)δ＞0，随机初始化
Figure BDA0002319895030000169
Sr。
2：重复以下步骤2-6。
3：解决子问题P1，得到
Figure BDA00023198950300001610
的解
Figure BDA00023198950300001611
让
Figure BDA00023198950300001612
4：解决子问题P2，得到Sr的解
Figure BDA00023198950300001613
让
Figure BDA00023198950300001614
5：解决子问题P3，得到
Figure BDA00023198950300001615
的解
Figure BDA00023198950300001616
让
Figure BDA00023198950300001617
6：t＝t+1。
7：直到
Figure BDA00023198950300001618
8：返回
Figure BDA00023198950300001619
Sr的值。
也就是相邻两次迭代后的任意设备的系统错误率变化率小于预设迭代误差δ，则将最后一次迭代的结果作为分配结果进行分配。
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，进行迭代求解，直至相邻两次迭代后的任意设备的系统错误率变化率小于预设阈值，将最后一次迭代的结果作为所有设备中系统错误率最大者最小化时的分配方案，有效保证结果准确性。
图3为本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置结构图，如图3所示，该中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置包括：获取模块301、处理模块302和分配模块302。其中，获取模块301用于根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；处理模块302用于对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；分配模块303用于获取所有设备中系统错误率最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配。
本发明实施例提供的装置实施例是为了实现上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述方法实施例，此处不再赘述。
本发明实施例提供的中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置，通过中继进行辅助，若基站直传链路错误时，设备可以采用中继转发的控制信息，降低系统的错误概率。同时，根据不同的中继位置、不同的基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长，得到多个分配方案，并获取系统获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，能够有效保证所有设备的最大系统错误率的值最小，从而保证整个智慧工厂在满足分配方案的前提下，总系统错误率最小，进而实现了超高可靠低时延通信。
图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)401、通信接口(CommunicationsInterface)402、存储器(memory)403和总线404，其中，处理器401，通信接口402，存储器403通过总线404完成相互间的通信。通信接口402可以用于电子设备的信息传输。处理器401可以调用存储器403中的逻辑指令，以执行包括如下的方法：根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；获取所有设备系中统错误率最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配；其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定。
此外，上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明上述各方法实施例的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；获取所有设备中系统错误率最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配；其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，包括：
根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；
对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率，得到每个设备的系统错误率；
获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配；
其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定；
所述对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，包括：
分别根据下式确定：
Figure FDA0002874964920000011
Figure FDA0002874964920000012
Figure FDA0002874964920000013
其中，
Figure FDA0002874964920000014
为基站至设备u链路的错误率，
Figure FDA0002874964920000015
为基站至设备u的中继链路的错误率，
Figure FDA0002874964920000021
为中继向设备u转发消息链路的错误率；
Figure FDA0002874964920000022
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000023
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000024
为中继转发给设备u的链路信噪比；
Figure FDA0002874964920000025
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure FDA0002874964920000026
为基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长，k为要发送的信息量；
Figure FDA0002874964920000027
V＝1-(1+γ)-2表示信道分散度；
Figure FDA0002874964920000028
γ表示信噪比。
2.根据权利要求1所述的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率，包括：
根据如下公式确定：
Figure FDA0002874964920000029
Figure FDA00028749649200000210
其中，εu为设备u的系统错误率，
Figure FDA00028749649200000211
为设备u的直传链路的错误率，
Figure FDA00028749649200000212
为设备u的经中继转发链路的错误率；
Figure FDA00028749649200000213
为设备u的基站向中继发送信息链路的错误率，
Figure FDA00028749649200000214
为中继向设备u转发消息链路的错误率。
3.根据权利要求1所述的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，所述获取所有设备中系统错误率最大值最小化时的分配方案，包括：
以优化问题为：
Figure FDA0002874964920000031
约束条件为：
Figure FDA0002874964920000032
Figure FDA0002874964920000033
Figure FDA0002874964920000034
C4 Sr∈W
进行优化求解，得到所有设备系统中错误率中最大者最小化时的分配方案；
其中，εu表示设备u的系统错误率，U为设备的集合；
Figure FDA0002874964920000035
表示
Figure FDA0002874964920000036
Figure FDA0002874964920000037
表示
Figure FDA0002874964920000038
Figure FDA0002874964920000039
基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure FDA00028749649200000310
为基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长；M为码长的最大值；Sr为中继位置，W为中继位置的区域限制；
Figure FDA00028749649200000311
为基站的发射功率，
Figure FDA00028749649200000312
为中继转发给设备u的发射功率，E为中继和基站的总能耗最大值。
4.根据权利要求3所述的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，所述进行优化求解，包括：
将优化问题转化为：
Figure FDA00028749649200000313
约束条件转化为：
Figure FDA0002874964920000041
Figure FDA0002874964920000042
Figure FDA0002874964920000043
Figure FDA0002874964920000044
C5 Sr∈W
进行优化求解；
其中，
Figure FDA0002874964920000045
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000046
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000047
为中继转发给设备u的链路信噪比；k为要发送的信息量。
5.根据权利要求3或4所述的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，所述进行优化求解，包括：
固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，得到发送功率的分配结果；
将发送功率的分配结果作为已知，固定编码传输块长，进行优化求解，得到中继位置的分配结果；
根据已知的发送功率分配结果和中继位置的分配结果，进行优化求解，得到编码传输块长的分配结果。
6.根据权利要求5所述的中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法，其特征在于，所述得到编码传输块长的分配结果之后，还包括：
重复上述固定中继的位置和编码传输块长，进行优化求解，至得到编码传输块长分配结果的过程，直至相邻两次迭代后的任意设备的错误率变化率小于预设阈值，将最后一次迭代的结果作为所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案。
7.一种中继辅助智慧工厂通信的资源分配装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于根据中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长和基站经中继至设备的编码传输块长的不同分配结果，得到多个分配方案；
处理模块，用于对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，并结合三个链路的链路错误率得到每个设备的系统错误率；
分配模块，用于获取所有设备中系统错误率中最大者最小化时的分配方案，对中继位置、基站发射功率、中继对设备的发射功率、基站至设备的编码传输块长以及基站经中继至设备的编码传输块长进行分配；
其中，每个链路的信噪比根据信道增益和信号发送端的发射功率确定，信道增益根据发送端和接收端的位置确定；
所述对于每一分配方案，根据链路信噪比、编码传输块长和发送的信息量，分别确定基站至设备、基站至中继及中继至设备的链路错误率，包括：
分别根据下式确定：
Figure FDA0002874964920000051
Figure FDA0002874964920000052
Figure FDA0002874964920000061
其中，
Figure FDA0002874964920000062
为基站至设备u链路的错误率，
Figure FDA0002874964920000063
为基站至设备u的中继链路的错误率，
Figure FDA0002874964920000064
为中继向设备u转发消息链路的错误率；
Figure FDA0002874964920000065
为基站直接发送给设备u的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000066
为基站发送给中继的链路信噪比，
Figure FDA0002874964920000067
为中继转发给设备u的链路信噪比；
Figure FDA0002874964920000068
为基站发送给设备u的信息的编码的传输块长；
Figure FDA0002874964920000069
为基站发送给中继和中继转发给设备u的信息的编码传输块长，k为要发送的信息量；
Figure FDA00028749649200000610
V＝1-(1+γ)-2表示信道分散度；
Figure FDA00028749649200000611
γ表示信噪比。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法的步骤。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述中继辅助智慧工厂通信的资源分配方法的步骤。
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