用于可預測鏈路可靠性的基于prk的調(diào)度的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本公開要求于2013年3月15日提交的美國臨時申請?zhí)?1/788445的優(yōu)先權，并 且通過引用合并至此。
[0003] 關于政府支持的聲明
[0004] 本發(fā)明在由國家科學基金獎勵的授權號碼1054634下通過政府支持進行。政府在 本發(fā)明中具有某些權利。
技術領域
[0005] 本公開一般設及無線通信調(diào)度，尤其設及包括物理比例K調(diào)度協(xié)議（P服巧的感測 和控制網(wǎng)絡。
【背景技術】
[0006] 無線網(wǎng)絡被用于聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡物理系統(tǒng)中的實時、閉環(huán)感測和控制。例如，已經(jīng)定義無 線聯(lián)網(wǎng)標準用于工業(yè)監(jiān)測和控制，已經(jīng)開發(fā)出無線網(wǎng)絡用于工業(yè)自動化，并且汽車工業(yè)正 在探索無線網(wǎng)絡的應用W進行車輛間W及車輛內(nèi)的感測和控制。
[0007] 在無線聯(lián)網(wǎng)感測和控制（WSC)系統(tǒng)中，跨無線網(wǎng)絡的消息傳遞（或簡稱無線消息 傳送）允許分布式的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間的協(xié)調(diào)。當支持諸如工業(yè)過程控制運樣 的關鍵任務作業(yè)時，要求無線消息傳送可靠（亦即具有高的遞送比）并且實時。當前的無 線消息傳送系統(tǒng)遭受固有的動態(tài)和不確定性。同信道干擾因并發(fā)傳輸?shù)呐鲎捕蔀椴淮_定 性的主要來源。因此，調(diào)度傳輸W防止同信道干擾是WSC系統(tǒng)中無線消息傳送的基本元素。
[0008] 在WSC系統(tǒng)中，不僅像在傳統(tǒng)無線感測/控制網(wǎng)絡中那樣無線鏈路動態(tài)引入不確 定性，動態(tài)控制策略也引入動態(tài)網(wǎng)絡流量模式并且對于消息傳送可靠性和時間線提出不同 的需求。為了敏捷地適應不確定性W及為了避免集中式調(diào)度中的信息不一致性，分布式調(diào) 度變得對于WSC網(wǎng)絡中的干擾控制是所期望的。大多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)或者基于物理干擾模型或 者基于協(xié)議干擾模型。
[000引在物理模型中，如果下面的條件成立：（(Psi，Ri)/(Ni+2,^...n,.,*i > 丫，i =1. . .N，其中和PSWi是分別從發(fā)射方S1和Si到達接收方R1的信號的強度，N1是接 收方Ri處的背景噪聲功率，并且丫是為了保證特定的鏈路可靠性所必需的信號與干擾加 噪聲之比（SINR)闊值，那么一組并發(fā)傳輸（Si，Ri)，i= 1...N被認為彼此不干擾。在協(xié)議 模型中，如果Dc,KXDs,K，其中Dc,K是并發(fā)發(fā)射方C與相應的接收方節(jié)點R之間的地理距 離，Ds,k是發(fā)送節(jié)點S與接收方節(jié)點R之間的地理距離，并且K是常數(shù)，那么從發(fā)送節(jié)點S到 接收方節(jié)點R的傳輸被認為不受并發(fā)發(fā)射方C干擾。
[0010] 物理模型通常是高保真干擾模型，但是由物理模型定義的干擾關系不是本地的并 且是組合的，因為一個傳輸是否與另一個干擾取決于網(wǎng)絡中的其他傳輸。即使已經(jīng)基于物 理模型提出許多集中式TDMA調(diào)度算法，分布式的基于物理模型的調(diào)度仍然具有缺點。它因 明確的網(wǎng)絡范圍的協(xié)調(diào)而緩慢地收斂，它不得不采用諸如節(jié)點位置的知識運樣的強假設， 它忽略在通信中引入不確定性的累積干擾，并且它因為需要集中地計算每一個鏈路的干擾 集（亦即與該鏈路干擾的鏈路的集合）或每一個鏈路的干擾鄰（亦即向該鏈路引起不可忽 略的干擾的鏈路的集合）而不適合于動態(tài)網(wǎng)絡設置。當干擾鏈路超出彼此的通信范圍之外 時，設計調(diào)度協(xié)議的挑戰(zhàn)類似地在現(xiàn)有基于物理模型的調(diào)度算法中沒有解決。
[0011] 不像物理模型，協(xié)議模型定義本地的、成對的干擾關系。協(xié)議模型的本地性使得能 夠在不確定性存在時實現(xiàn)敏捷的協(xié)議自適應。但是，協(xié)議模型通常是不精確的，因此基于協(xié) 議模型或協(xié)議模型的變體的調(diào)度不保證鏈路可靠性并且也趨于減小網(wǎng)絡吞吐量。
[0012] 除了基于物理和協(xié)議干擾模型的調(diào)度之外，也已經(jīng)提出使用一般成對干擾模型的 分布式調(diào)度算法。分布式調(diào)度算法不解決如何識別每一個鏈路的干擾集的問題，并且它們 的實現(xiàn)方式假設與協(xié)議模型類似的模型。運些算法不解決重要的系統(tǒng)問題，諸如當干擾鏈 路超出彼此的通信范圍之外時如何設計調(diào)度協(xié)議。
[0013] 為了縮小現(xiàn)有干擾模型與具有可預測的數(shù)據(jù)遞送可靠性和時間線的分布式、現(xiàn)場 可部署的調(diào)度協(xié)議的設計之間的差距，主要的挑戰(zhàn)是開發(fā)既是本地的又是高保真的干擾模 型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 公開一種分布式感測和控制網(wǎng)絡，包括多個感測/控制節(jié)點，感測/控制節(jié)點中的 每一個都包括傳感器/執(zhí)行器/控制器、本地存儲器和無線發(fā)射器/接收器，其中本地存儲 器存儲用于對無線傳輸實現(xiàn)物理比例K調(diào)度協(xié)議（PRK巧的指令，并且感測/控制節(jié)點中 的每一個都包括存儲在本地存儲器中的本地信號圖。本地信號圖與經(jīng)實例化的物理比例 K(PRK)干擾模型一起，定義存儲本地信號圖的感測/控制節(jié)點與該多個感測/控制節(jié)點中 在存儲本地信號圖的感測/控制節(jié)點的排斥區(qū)域內(nèi)的每一個其他感測/控制節(jié)點之間的干 擾關系。
[0015] 也公開一種用于在分布式感測和控制網(wǎng)絡中調(diào)度無線傳輸?shù)姆椒?，包括W下步 驟：確定分布式感測和控制網(wǎng)絡中的接收感測/控制節(jié)點與每一個其他感測/控制節(jié)點之 間的每一個鏈路的物理比例K(P服）參數(shù)，使用基于經(jīng)確定的物理比例K參數(shù)的物理比例K 調(diào)度協(xié)議（PRK巧確定分布式感測和控制網(wǎng)絡中的接收感測/控制節(jié)點與每一個其他感測 /控制節(jié)點之間的干擾關系，W及基于所述干擾關系在分布式感測和控制網(wǎng)絡中調(diào)度傳輸， 使得沒有并發(fā)傳輸與在接收感測/控制節(jié)點處接收到的傳輸相干擾。
[0016] 可W從下面的說明書和附圖中最佳地理解本發(fā)明的運些和其他特征，W下是簡 述。
【附圖說明】
[0017] 圖1例示利用P服S調(diào)度協(xié)議的分布式感測和控制網(wǎng)絡。
[0018] 圖2圖解例示P服S工廠模型實例化。
[001引圖3例示典型的感測/控制節(jié)點處的AIu(t)的累積分布函數(shù)。
[0020] 圖4a例示接收方節(jié)點周圍的擴張排斥區(qū)域。
[0021] 圖4b例示接收方節(jié)點周圍的收縮排斥區(qū)域。
[002引圖5例示P服S協(xié)議中的自適應控制器的穩(wěn)定性曲線。
[002引圖7例示P服S系統(tǒng)的體系結構。
[0024] 圖8示出所提出的預先計算的流水線的示例。
【具體實施方式】
[0025] 圖1例示示例的分布式感測和控制網(wǎng)絡10,包括多個分布式傳感器20和中央控制 器30。分布式傳感器20中的每一個都包括無線發(fā)射器/接收器22,并且中央應用控制器 30包括無線發(fā)射器/接收器32。傳感器20和中央應用控制器30中的每一個也都包括具 有存儲器的本地控制器24。本地控制器24上的存儲器存儲用于操作相應的遠程傳感器20 或中央應用控制器30的指令。運些指令中包括W下面描述的方式控制來自每一個傳感器 20的消息調(diào)度的物理比例K調(diào)度（PRK巧協(xié)議指令。例示的示例感測和控制網(wǎng)絡10可W是 具有彼此物理上緊密接近的多個傳感器20的任意感測和控制網(wǎng)絡，包括但不局限于汽車、 工業(yè)自動化系統(tǒng)或一隊車輛中的分布式感測和控制網(wǎng)絡。
[0026] 在分布式感測和控制網(wǎng)絡10的操作期間，每一個傳感器20將關于被感測的組件 或過程的信息傳輸給控制器30或者給分布式感測和控制網(wǎng)絡10中的其他傳感器20?？刂?器30利用來自傳感器20的數(shù)據(jù)的組合確定適當?shù)捻憫⑶覍㈨憫獋鬏斀o系統(tǒng)內(nèi)的執(zhí)行器 40。在替換的分布式感測和控制網(wǎng)絡10中，傳感器20的一些或所有可W包括執(zhí)行器或其 他響應組件并且接收來自中央控制器30的指令。在實際的實現(xiàn)方式中，傳感器20的一些 或所有與至少一個其他傳感器20直接通信，而不通過控制器30傳輸。傳感器20和控制器 30中的每一個在下面都替換地稱作"節(jié)點"。
[0027] 因為傳感器20彼此接近，如果傳輸在時間上重疊，則來自傳感器20的傳輸可W與 由其他傳感器20接收的傳輸相干擾。為了防止運種重疊和干擾，在傳感器20的每一個中 實現(xiàn)基于物理比例K(P服）模型的強健的消息調(diào)度協(xié)議?；赑服的調(diào)度協(xié)議稱作P服S協(xié) 議。
[0028] 對于模型預期干擾，已經(jīng)提出了集成協(xié)議模型的本地性與物理模型的高保真的物 理比例K(P服）干擾模型。給定從發(fā)送節(jié)點S到接收節(jié)點R的傳輸，如果并且僅如果下面成 立：P把時<(P(S，時）/化S，R，Ts,k)，其中P把時和P(S，時是分別從并發(fā)發(fā)射方C和發(fā)送節(jié) 點S到達接收節(jié)點R的信號的強度，KS，R，Ts,K是最小的實數(shù)（亦即可W是非整數(shù)），其被選 擇為使得在來自所有并發(fā)發(fā)射方的干擾存在時，節(jié)點R成功地接收來自節(jié)點S的分組的概 率至少為Ts,K，那么在P服模型中并發(fā)發(fā)射方C被認為不與R處的接收相干擾。Ts,K是應用 (例如控制算法）所必需的最小鏈路可靠性。
[0029] 不像物理模型，P服模型基于本地可測量的并且本地可控制的度量，并且僅需要在 模型中定義近旁節(jié)點之間的成對干擾關系。不像協(xié)議模型，P服模型是高保真的，因為P服 模型通過在調(diào)度中保證所需的鏈路可靠性W及通過在模型公式化中使用信號強度代替地 理距離，其捕捉無線通信的性質(zhì)和約束（包括累積干擾、各向異性和不對稱性）?；赑RK 的調(diào)度也通過最小化對分組重傳的需要來幫助減小數(shù)據(jù)遞送延遲。而且，基于P服的調(diào)度 可W使得吞吐量能夠非常接近基于物理模型的調(diào)度中可行的吞吐量（例如>95% )，同時保 證應用所必需的可靠性。因此，P服模型縮小分布式實現(xiàn)的適合性與現(xiàn)有干擾模型中能夠 實現(xiàn)的調(diào)度性能之間的差距。
[0030] 現(xiàn)有對P服模型的設足忽略了基于P服的調(diào)度對于真實世界應用的實際問題。
[0031] 為了在諸如圖I的分布式感測和控制網(wǎng)絡10運樣的實際應用中實現(xiàn)分布式P服S 調(diào)度，解決W下幾點：
[0032] 首先，P服模型的參數(shù)KS，R，Ts,K取決于具體的鏈路（發(fā)送節(jié)點S、接收節(jié)點時、關 于鏈路可靠性的應用需求（亦即目標鏈路可靠性T&U)W及諸如流量模式和無線路徑損耗 運樣的網(wǎng)絡和環(huán)境條件，運可W是動態(tài)的并且不可預測的。因此，實際的PRKS系統(tǒng)基于就 地的應用需求W及網(wǎng)絡和環(huán)境條件在每一個節(jié)點中對PRK模型參數(shù)KS，R，Ts,K即時地進行 實例化。
[003引第二給定發(fā)送節(jié)點S與接收節(jié)點R之間的鏈路化時W及P服模型的具體實例 化，如果且僅如果口把時>任化時/松，氏1'5,?)，其中口把時是從并發(fā)節(jié)點0到達接收節(jié) 點R的數(shù)據(jù)信號的強度，那么參數(shù)KS，R，T&K定義接收節(jié)點R(接收傳感器20的無線發(fā)射器 /接收器22)周圍的排斥區(qū)域ES,R，Ts,使得并發(fā)節(jié)點C位于ES,R，Ts,內(nèi)。排斥區(qū)域內(nèi)的 每一個節(jié)點C被防止與節(jié)點R處的接收并發(fā)地傳輸。因為無線通信中大的干擾范圍、各向 異性和不對稱性W及協(xié)議信令中的延遲，保證運個性質(zhì)是困難的。
[0034] 在P服S中，識別P服模型參數(shù)KS，R，Ts,K的問題被設計為最小方差調(diào)節(jié)控制問題。 傳感器20和中央應用控制器30內(nèi)的分布式控制器24允許每一個傳感器20和中央應用控 制器30自適應所存儲的RPK模型參數(shù)W便通過純粹本地的協(xié)調(diào)來保證期望的鏈路可靠性。 為了保證彼此干擾的傳感器20和中央應用控制器30 (如由P服模型定義的）不并發(fā)地傳 輸，每一個傳感器20和中央應用控制器30包括存儲在傳感器/應用控制器的本地存儲器 中的本地信號圖，本地信號圖允許近旁的傳感器20和中央應用控制器30維護它們之間的 無線路徑損耗。與P服模型W及協(xié)議信令中的傳輸功率控制一起，本地信號圖使得傳感器 20和中央應用控制器30能夠精確地識別它們之間的干擾關系，而