针对实时信息物理系统中的无线控制,无线通信设计往往需要满足超高可靠和超低延时等极端性能指标,即超高可靠低延时通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communication,URLLC)。传统设计方法往往仅从无线通信角度,采用分集和短包通信技术来提高性能。但这样会消耗大量无线资源,严重制约无线通信在工业控制领域的发展和应用。本论文拟从通信与控制联合设计的角度,探索无线通信系统与工业控制系统之间的紧密耦合关系,联合设计无线传输方法并优化控制系统参数,从根本上突破无线通信制约未来实时无线工业控制的技术瓶颈。本论文首先针对实时控制系统,抓住控制系统的动态特性,研究无线通信与控制系统的动态资源匹配方法;然后面向控制信息的时效性,研究基于信息新鲜度的控制系统性能,为实时无线控制系统中控制指令的更新策略设计提供理论基础。本论文具体工作如下:(1)提出了一种基于通信动态服务质量(Quality-of-Service,QoS)分配的通信控制一体化设计方案,证明了可以利用通信控制一体化设计减少实时控制过程中URLLC极高QoS的使用比例。从而可以使用动态QoS分配(即URLLC中的极高QoS和相对较低QoS)来服务控制过程减小无线开销。这里首先分析了通信QoS与控制过程之间的关系,从而获得了不同通信QoS对控制性能的影响。基于该影响,发现了控制过程可以分为两个阶段:在第一阶段,高QoS比低QoS有更好的控制性能;在第二阶段,低QoS在控制性能方面胜过高QoS。然后,证明了在整个控制过程中,不同的通信QoS对控制性能的影响是不同的,这里的QoS包含通信时延和可靠性。最后,提出了在控制过程中的动态通信QoS分配算法,获得了在整个控制过程中不同控制阶段通信QoS分配的门限。该算法可以在保持良好控制性能的同时,显著降低通信能耗。(2)在证明通信控制一体化设计显著提升系统整体性能的基础上,通过基于基站的集中式通信控制一体化设计来优化通信资源分配。在保证控制需求的同时,通过最大化通信的频谱效率来找到最优通信带宽和能耗分配,以及最优控制收敛速率参数。这里构建的最优化问题同时考虑了 URLLC中的QoS约束和控制收敛速率约束。解决该问题的关键是找到将控制子系统上的约束转换为通信子系统约束的方法。于是,本论文分析了控制收敛速率约束与通信中URLLC性能要求之间的关系。发现通信可靠性的下界为含有控制收敛速率的线性函数值。因此,控制约束可以当做通信可靠性约束来对待,这就可以把原来的联合设计问题转换成一个常规的通信最优化问题。接着,证明了基于上述转换所建立的最优化问题是凹问题。最后,提出了一种迭代算法来寻找最优的带宽和功率分配。(3)提出了 一种新的自主D2D传输方案来处理面向实时无线控制系统中URLLC极高的QoS要求。这里的目标是通过综合考虑URLLC约束和控制约束来最小化D2D传输的能耗。解决了如何激活D2D传输和如何维持控制要求的问题。首先,提出了一种基于概率的D2D激活和传输功率分配方案来保障控制要求,这允许每一个传输设备自主决定是否激活参与控制过程,而不必相互交换信息。这可以保障URLLC中极高的QoS约束。然后,通过通信的收敛速率转换成通信可靠性约束,可以获得控制约束对D2D传输的影响。最后,通过均衡所有传输设备的失败减小概率,提出了一种最优方法。该方法可以在无线通信可靠性约束下最优化激活概率且最小化发射功率,同时保障控制要求。(4)针对实时无线反馈控制系统中的驱动更新,提出了一种广义的信息新鲜度(age-of-information,AoI)的概念。在典型的预测无线反馈控制系统中采用先到先服务M/M/1/1排队模型时,可以发现每个驱动更新AoI计算的初始时间是上个最近的驱动更新的预测时间,这与传统状态更新中AoI的计算显著不同。当考虑不同的预测长度时,本论文的平均AoI的计算可以分成两类,其中传统状态更新的AoI计算是本论文的一种特殊情况。接着,给出了两种情况下平均AoI计算的闭式表达式。另外,提出了利用控制状态更新的均方误差作为标准来评估驱动更新的系统性能。分析了平均AoI与均方误差之间的关系。基于上述分析,提出了相关的性质来总结它们之间的关系,这为控制系统设计提供了指导意义。本论文的研究成果可以在保障控制系统性能的情况下,大幅度减少无线资源开销,并为实时无线控制系统提供了一种新鲜度指标来指导系统更新设计。这为无线通信技术在实时信息物理系统中工业控制领域的发展开拓新的思路。