基于通信控制协同设计的远程无线控制系统调度策略研究

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随着无线通信技术的发展,尤其是近年来5G通信技术的普及,远程控制系统可以跨越的空间尺度已经摆脱了有线通信系统的限制。以无线网络化控制系统(Wireless Networked Control System,WNCS)为代表的无线远程控制系统由于具有部署简单、维护方便、通用性强等特点,因此在无线远程控制场景中,例如远海监测、无人机控制等情况下得到了广泛应用。不同应用场景下的WNCS可能采用不同的通信调度策略,经典调度策略包含持续调度、交替调度策略等。作为整个WNCS系统中重要的一部分,不同的通信调度策略对整体系统的控制性能上限有着显著影响。考虑到现存调度策略相关研究较少,且现存研究场景设计过于理想化,本文在分析国内外WNCS通信调度策略设计现状的基础上,以最小化系统状态均方误差(Mean Square Error,MSE)为目标,改进现有WNCS通信调度策略、并进一步设计针对具有传播时延场景下应用的更高性能的WNCS通信调度策略。考虑到远程控制系统中的无线通信过程具有典型的序贯决策特性,本文从无传播时延的场景出发,将既具有上下行传播时延,又存在信道传输误码的WNCS无线通信过程建模为马尔科夫决策过程(Markov Decision Process,MDP),相比于现有模型,本文所建模型具有可以更加普适、直观地描述WNCS的系统状态转移过程的特性。在MDP建模的基础上,本文给出了同时考虑上下行传播时延以及信道误码率的情况下,最优调度策略存在的充分条件。这一条件可以指导远比现存模型更加复杂的场景下的调度策略设计任务。在该条件成立的前提下,本文首先应用混合自动重传技术(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)对现存的无传播时延场景下的通信调度策略进行改进,获得结合上行HARQ的联合上下行调度策略。随后本文针对同时具有传播时延与信道误码率的WNCS通信场景,优化MDP建模方式,利用基于动态规划思想的算法设计获得基于查找表的最优调度策略。随后本文进一步设计基于神经网络的次优调度策略以改善最优调度策略的空间复杂度问题。最后本文提出了基于控制环最短思想的次优策略设计方案,以进一步提高应用可行性。数值模拟表明,相比于现存策略,本文所提的调度策略均有明显的性能提升。
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