[發明專利]一種網絡控制系統上行調度算法

有效

• 申請號: 201810353599.5
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN108650714B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 劉倩;李明;劉斯文;譚國真
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H04W72/12
• 分類號: H04W72/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 李洪福

本發明公開了一種網絡控制系統上行調度算法，該發明技術方案將研究角度從傳統的控制方法轉變為通信機制，使用網絡調度機制代替控制系統的硬件設計，不改變網絡控制系統(NCS)中的任何硬件設備，既不重新設計控制器，也不修改傳感器的采樣率，將NCS看作一個網絡應用或服務，通過設計網絡調度器解決通信延遲對NCS控制質量的影響，并通過探索控制質量(QoC)與通信延遲間的關系，將其轉化可用于調度機制的服務質量(QoS)參數，實現基于QoC驅動的上行調度算法。本發明提供的技術方案不僅降低了系統設計復雜度和硬件開銷，同時還對各種控制系統具有兼容性。

技術領域

本發明涉及通信領域，尤其涉及一種網絡系統的調度算法。

背景技術

隨著智能手機的普及，4G移動網絡已成為人們日常生活中不可或缺的一部分。但現有無線網絡的速度卻越來越不能滿足用戶需求，第五代移動網絡(5G)因此應運而生，其在拓寬頻譜資源、加快網絡速度的同時，對新技術如物聯網、車聯網、面向控制的超低延遲網絡等也提供了極大的支撐。

網絡控制系統(Networked Control System,NCS)，在通信領域也稱為無線傳感器-執行器網絡(Wireless Sensor-Actuator Networks)，作為超低延遲網絡的典型代表，通常由受控體、控制器、執行器、傳感器和通信網絡構成，如附圖1所示。其中，受控體通常為可操作或可控制的設備，如倒立擺；控制器用于保證受控體的穩定工作，如使倒立擺處于垂直位置；執行器用于執行控制器的輸出，如通過馬達等設備前后移動倒立擺使其盡量處于垂直位置；傳感器則用于監視受控體的狀態，如監測倒立擺當前位置與垂直位置之間的角度；NCS的控制信號通過通信網絡傳輸構成閉合控制回路，控制信息從產生到被執行的過程經歷了連續和離散的相互轉換。維持NCS系統的穩定需要控制該系統的往返延時，即傳感器與控制器間的傳輸延時和控制器與執行器間的控制延時。一旦網絡控制系統的往返延時超過該系統能夠容許的最大延時(即最大容許延時MTD)，系統將變得不穩定。由此可見，NCS的控制性能(Quality-of-Control,QoC)受通信網絡延遲的影響，其系統穩定性的實現需要控制與通信的融合。

控制領域的現有技術已提出多種傳統解決方案，例如傳感器采樣率網絡適配機制，具有延遲預測功能的控制器等。這些方案均從自動控制角度出發，基于控制系統在采樣周期內必然穩定的事實，通過改進控制系統的硬件設備(例如調整采樣器的采樣周期，使其隨延遲變化)從而降低延遲對QoC的影響。對于不同的控制系統和結構，需要設計不同的方案來匹配通信網絡的變化，大幅度增加了系統設計復雜度和硬件開銷。針對上述問題，需要一種低復雜度且適應性強的新方法來降低網絡控制系統通信延時造成的影響，用以配合不同參數的控制硬件。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種上行鏈路調度算法以實現控制-通信融合，即通過改變網絡調度機制的調度周期，在連續時間模型中推導出指導通信調度的QoC參數，進而從通信角度降低延遲在網絡控制系統中的影響。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種網絡控制系統上行調度算法，所述系統由受控體、控制器、執行器、傳感器和通信網絡構成；所述算法包括以下步驟：

S1，定義與初始化，假設系統中共有J個控制應用需要被調度，其ID集合假設有K種信道資源分配模式，其ID集合如果第j個控制應用選用第k種信道資源分配模式，則其實際傳輸速率定義為r_jk，其請求的傳輸速率定義為R_j；且定義β_ijk為調度標識符，即

S2，建立QoC-延遲模型，給出第j個控制應用在第i個調度周期的效用值U_prop(i，j)；

S3，求出第j個控制應用的最大允許調度周期個數第j個控制應用必須在前個調度周期傳輸完畢，確定基站需要向控制應用分配的子信道個數A的最小值，將最大容許延時MTD劃分為多個小的調度周期；