[發(fā)明專利]一種基于動(dòng)態(tài)信道選擇的資源調(diào)度方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110386613.3
• 申請(qǐng)日: 2021-04-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113242604B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙云波;郝小梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W72/08
• 分類號(hào): H04W72/08;H04W72/04
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

一種基于動(dòng)態(tài)信道選擇的資源調(diào)度方法，首先在傳感器和控制器之間設(shè)計(jì)一個(gè)信道選擇模塊，信道選擇模塊根據(jù)系統(tǒng)模型和收到的傳感數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算得到執(zhí)行器端上一時(shí)刻使用的數(shù)據(jù)；然后信道選擇模塊在每個(gè)時(shí)刻可以比較傳感數(shù)據(jù)和上一個(gè)時(shí)刻的執(zhí)行器端使用的數(shù)據(jù)之間的誤差是否小于給定閾值，如果小于給定閾值使用競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸，大于給定閾值使用非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸數(shù)據(jù)，從而保證每個(gè)時(shí)刻的執(zhí)行器端使用的數(shù)據(jù)與傳感數(shù)據(jù)之間的誤差小于給定閾值。最終實(shí)現(xiàn)在保證控制系統(tǒng)性能的同時(shí)盡量地減少非競(jìng)爭(zhēng)信道的使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的資源調(diào)度方法。特別是針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)傳輸信道和非競(jìng)爭(zhēng)傳輸信道的動(dòng)態(tài)選擇問(wèn)題。

背景技術(shù)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)閉合控制回路的控制系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)，具有布線少，通信靈活，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。以及由于近些年來(lái)無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，例如智能家居，智能電網(wǎng)，工業(yè)機(jī)器人遙控等。然而無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的資源是有限的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)為多用戶共享的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的問(wèn)題是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中需要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸是指在某一段時(shí)隙中，信道為某一個(gè)用戶專用。非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和丟包特性，這對(duì)控制系統(tǒng)而言是更好的。但是非競(jìng)爭(zhēng)信道的資源非常有限，例如在IEEE 802.15.4協(xié)議中每個(gè)周期內(nèi)最多有7個(gè)用戶均使用非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸數(shù)據(jù)，這在通信網(wǎng)絡(luò)為多用戶共享的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中很可能出現(xiàn)信道資源不夠用的情況。并且不同用戶的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間可能不等，非競(jìng)爭(zhēng)信道的每個(gè)時(shí)隙是等分的，使得網(wǎng)絡(luò)總吞吐量較低，造成信道資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸在一定程度上克服了以上缺點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)傳輸信道指多個(gè)用戶之間通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)?yè)屨夹诺蕾Y源發(fā)送數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)實(shí)際發(fā)送需要的時(shí)間來(lái)間隔發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的總吞吐量，使通信網(wǎng)絡(luò)利用率提高。然而“競(jìng)爭(zhēng)”的方式可能會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包的碰撞，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延和丟包特性無(wú)法得到保證，影響控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，可能會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響，甚至?xí)箍刂葡到y(tǒng)失穩(wěn)。

基于上面一直使用非競(jìng)爭(zhēng)信道可能會(huì)造成信道資源浪費(fèi)和一直使用競(jìng)爭(zhēng)信道可能會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響甚至?xí)箍刂葡到y(tǒng)失穩(wěn)之間的矛盾，一些研究者有考慮在使用非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸?shù)那耙粋€(gè)周期或幾個(gè)周期嘗試用競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸，如果競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸成功則取消下一次的非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸。然而這種嘗試發(fā)送的做法只適用于反饋信道。本發(fā)明注意到控制系統(tǒng)的傳輸要求是可以預(yù)知的。而根據(jù)控制系統(tǒng)的傳輸需求來(lái)動(dòng)態(tài)選擇信道傳輸數(shù)據(jù)的研究成果較少，具有挑戰(zhàn)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要克服通信網(wǎng)絡(luò)為多用戶共享的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的信道資源調(diào)度的問(wèn)題，提出一種預(yù)測(cè)系統(tǒng)傳輸需求的非競(jìng)爭(zhēng)信道和競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)選擇方法，在保控制系統(tǒng)性能的同時(shí)盡量地節(jié)省珍貴的非競(jìng)爭(zhēng)信道資源。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于動(dòng)態(tài)信道選擇的資源調(diào)度方法，含有以下步驟：

步驟1.初始化系統(tǒng)；給定系統(tǒng)初始狀態(tài)，給定參數(shù)μ，其中0＜μ＜1。

步驟2.設(shè)計(jì)一個(gè)信道選擇模塊，求解系統(tǒng)的控制器K和信道選擇條件；具體求解過(guò)程如下：

①首先給出基于系統(tǒng)狀態(tài)的信道選擇條件，考慮一個(gè)線性離散系統(tǒng)如下：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

其中，x(k)∈Rⁿ是系統(tǒng)狀態(tài)，u(k)∈R^m是控制輸入，A,B分別為適當(dāng)維數(shù)的系統(tǒng)矩陣。

針對(duì)使用競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)兩種信道傳輸對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的不同影響建模；假設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)使用競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸數(shù)據(jù)存在隨機(jī)丟包，使用非競(jìng)爭(zhēng)信道傳輸數(shù)據(jù)不存在丟包。定義表示執(zhí)行器端在k時(shí)刻使用的數(shù)據(jù)，