本发明属于无线通信与控制的交叉技术领域，具体涉及一种预测控制与无线短包通信的联合设计方法。
背景技术：
传统工业控制与无线通信的结合主要集中在两个方面：一是在一定的通信指标下最优化控制性能。另一种是在一定的控制参数下最小化通信要求。假设无线资源消耗随着通信需求的增长而单调地增加,也就是说的无线通信流量带来更多的无线资源消耗,这在传统的网络系统中是普遍存在的。然而,这种假设在网络物理系统中可能无效。这主要是因为控制和无线系统的总体目标是完成一个控制任务,而不是提供比特流。因此,为了达到一定的控制性能，降低通信性能要求可能不会导致无线资源消耗的降低。
封包化预测控制(ppc)是一种通过发射包含未来控制信息来降低对可靠性要求的技术，往往用来应对不可靠的无线链路。在ppc中,远程控制器不仅获取了执行器的过去状态并计算出当前控制命令,还预测了未来的状态以及未来的控制命令。远程控制器将这些信息打包发送给执行器，如果无线数据包成功接收，那么控制器执行当前控制命令并缓存未来的控制命令；如果无线数据包丢失或未按时到达,执行器可以自主执行上一个数据包中的缓存命令以继续控制任务。
目前有很多研究成果在讨论ppc,但它们忽略了无线的紧密交互过程中的通信成本与控制系统,即独立设计控制和通信系统，因此普遍存在能耗问题。
技术实现要素：
本发明的目的，就是针对上述问题，即ppc模型中预测控制系统与无线通信成本的关系，特别如何联合设计控制系统与无线通信的共享参数，使得在满足其控制可靠性的要求下，最小化无线通信能耗。
为了方便描述本发明的内容，首先对本发明所使用的术语和模型进行介绍：
封包化预测控制(ppc，packetizedpredictivecontrol)：擦除无线信道进行鲁棒控制的有效技术。
无线通信(wirelesscommunication):利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。
控制系统(cs,controlsystem)：由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。
擦除信道(ec,erasurechannels)：信道是不完美的，有时会被“删除”。
高斯q函数(gq,gaussianq-function)：标准正态分布的右尾函数。
信噪比(snr，signalnoiseratio)：信号功率与噪声功率的比值。
时延(td,timedelay)：接收到的信号存在时间差。
加性高斯白噪声(awgn,additivewhitegaussiannoise)，最基本的噪声与干扰模型，它的幅度分布服从高斯分布。
本发明所采用的技术方案为：
如图1所示，为典型的ppc系统示意图所示，控制器(controller)同时通过无线链路向j个执行器(actuator)发送不同的命令。在控制回路中，控制器包含了用于执行器j的含有kj个控制命令序列，其中k＝0和k>0分别指示当前时隙i和将来时隙i+k的控制命令。然后，无线通信网络将数据包u(i,j)发送到当前时隙i的缓冲区j，其中u(i,j)由kj命令组成，可表示为u(i、j)＝[u0(i、j)、u1(i、j)、...、uk-1(i、j)]。一旦缓冲区j成功地接收到包u(i，j)，它就会将当前的命令u0(i，j)交给执行器j执行，并缓存k-1未来的命令。在接下来的时隙i+k中，缓冲器实际上起到了防止包丢失的作用。
本发明的原理为：
通过联合设计无线传输功率p0(j)、无线时频资源nj和控制预测长度kj，使得无线通信能量消耗降到最低并且保证控制中断概率ps。将预测控制ppc的总无线资源消耗最小化，其中约束保证了控制中断概率ps和有限时频资源nmax。
本发明包括如下步骤：
如果我们定义控制系统中断为控制器没有可执行命令，那么只有在控制器连续kj次接收无线数据包失败才会发生，所以通信系统需要满足下面的不等式。
pe(j)是
nj＝h+klj(2)
让rj为单位带宽的短包通信容量，可以得到以下表达式，即
c＝log2(1+γj)(4)
变量γj信噪比,c是单位带宽下的香农容量,v是一个通道弥散系数。在这里,q-1(·)代表逆高斯q函数，nj＝b·t代表用于
优化目标：
优化传输功率p0(j)、时频资源nj和预测长度kj，使得无线通信能量消耗降到最低并且保证控制中断概率ps。具体地说，将p0(j)表示为
其中n0为附加的高斯白噪声的功率谱密度(awgn)。然后，可以得到如下的无线资源消耗：
这是无线通信的三个基本资源元素的乘积，即：功率、频率带宽和时间。
制定了以下联合优化问题：
cj＝log2(1+γj)(11)
上述优化问题是将ppc的总无线资源消耗最小化，其中约束保证了控制中断概率ps和有限时频资源nmax。为了解决优化问题，采用交替优化算法可以得到最优解以及比较结果，如获针对单个控制器，关键在于优化发射功率p(j)及预测长度kj。根据建立的模型，可以数学求解到：
将最优的
同时，可以数学证明
将所得
本发明的有益效果为，本发明通过联合优化预测控制长度k和无线通信功率分配以及频谱资源分配，在满足控制系统可靠性要求ps的前提下，使得无线开销e最小化，同时获得一个完整的集成系统。
附图说明
图1为本发明的系统模型图；
图2为实施例的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实例和附图，详细描述本发明的技术方案：
实施例：
本来中设定控制环路为4个，即j＝4，并考虑一种归一化功率谱密度的awgn。在数据包结构中，包头的长度为h＝32位，每个控制命令的长度分别为l＝4、8、16、32位。假设每个平台的中断概率相同，即ps＝10-9。
采用本发明所提出的优化模型进行求解，如图2所示，为无线能量成本与最大时频资源nmax之间的关系。虚线是指为每个平台分配相同的时频资源，并将其作为基线。实线是根据本发明所提出的方法的进行优化之后的结果。如图所示，优化后的结果比平台均分要好得多，表明控制与无线系统的协同设计有效地减少了无线资源的消耗。其次可以得到，能量成本随着nmax的增加而降低，因为随着时频资源n在短包通信中增长，频谱效率会增加。
因此，本发明的方法对于具有多个控制回路的ppc系统的功率、时频资源和预测长度进行联合优化时，可以降低通信能耗。通过多个控制回路,本发明找出了ppc系统中无线通信消耗与预测长度的关系。为降低无线通信成本,发明联合优化了输电功率、时频资源和预测长度。仿真结果验证了本发明方法的有效性。