一种面向工业自动化的URLLC多连接传输及资源分配方法

本发明涉及无线通信，具体涉及一种面向工业自动化的urllc多连接传输及资源分配方法。

背景技术：

1、面临工业自动化从有线到无线的转型升级需求，超可靠低时延通信(ultra-reliable and low-latency communications,urllc)既能满足严格服务质量条件又可以提升连接灵活性，为即将到来的无线工业自动化提供重要支撑。urllc一般由蜂窝通信承载实现，通过中央控制器将短数据包及时可靠地从传感器传送到执行器，期间需要较大的带宽以确保严格的服务质量指标。然而，由于频谱资源本身稀缺和无线信道动态变化，工厂中大量设备在端到端时延内的可靠性变得难以保障。观察到工厂中协作完成任务的设备呈现区域化特点，设备到设备(device-to-device,d2d)通信也可承载实现urllc。因此，在工业自动化中，多连接技术(multi-connectivity,mc)通过蜂窝链路和d2d链路将短数据包从传感器传送到执行器，避免传统传输方式中因蜂窝链路失效导致的传输失败，以多链路的传输方式提升端到端时延内的可靠性。

技术实现思路

1、发明目的，本发明的目的是提供一种面向工业自动化的urllc多连接传输及资源分配方法，以提升设备在端到端时延内的可靠性。

2、技术方案，为达到上述发明目的，本发明提出一种面向工业自动化的urllc多连接传输及资源分配方法，该方法包括以下步骤：

3、s1、建立基于多连接技术的urllc系统模型；

4、s2、根据工业自动化应用服务质量需求，设置端到端传输的约束条件；

5、s3、上报传输所需的信息字节长度，确定多连接数据传输的带宽优化问题；

6、s4、执行资源分配算法计算出多连接数据传输最优的跨层资源分配方案。

7、进一步的，所述s1的方法如下：

8、s11、配置一个由单基站组成的蜂窝通信系统，网络覆盖区域内存在m个传感器和k个执行器；传感器和执行器皆配备单天线，且同时支持蜂窝通信和d2d通信，其中，传感器只发送数据，执行器只接收数据；基站配备nt根天线，参与协调d2d设备间的搜寻与配对；每个执行器只接收来自距离其10米至20米范围内的传感器数据；传感器以竞争性免授权方式接入，在发送数据后将保持一段大于端到端时延的静默状态；基站采用服务器共享模式，进入基站的所有数据在时间片内被一起服务，消除先来先服务规则导致的数据超时，基站缓存内不存在排队；该通信系统以频分双工方式工作，以正交频分多址和频率复用划分信道时频资源；

9、s12、传感器和执行器间的数据通过蜂窝链路和d2d链路两条路径传递，其传输包括两个阶段：在第一阶段，对于d2d链路，每个传感器接入并通过d2d频谱向目标执行器发送数据，对于蜂窝链路，每个传感器接入并通过上行蜂窝频谱向基站发送数据；在第二阶段，对于d2d链路，每个传感器再次接入并通过d2d频谱向目标执行器发送数据，对于蜂窝链路，基站将连接所有数据并通过下行蜂窝频谱以广播方式将连接后的数据发送给目标执行器；同时，传感器在接入过程中，发送多个数据副本以保证接入成功。

10、进一步的，所述s2的方法如下：

11、s21、给出工业自动化应用的服务质量需求：对于多连接传输，其端到端时延应满足如下条件：

12、dp+dt≤dmax

13、其中，dt＝t1+t2为传输延迟，t1为第一阶段传输总时长，t2为第二阶段传输总时长，dp为处理延迟；d2d链路两个阶段的传输时长相等且不存在处理延迟；对于多连接传输，其端到端可靠性应满足如下条件：

14、

15、其中，表示数据未能传递到目标执行器事件，gsu，1和gsu，2表示d2d链路第一阶段和第二阶段的小尺度信道增益，gsb和gbu表示蜂窝链路第一阶段和第二阶段的小尺度信道增益，为d2d链路和蜂窝链路下数据未能传递到目标执行器事件的发生概率，dmax为端到端时延，εmax为端到端可靠性；

16、s22、通过保障多连接传输过程中的接入可靠和译码可靠，以此达到端到端可靠性条件；给定上行带宽资源，接入可靠性表示如下：

17、

18、其中，表示第l个资源单元免碰撞事件，β为接入过程中发送的副本数量，l的取值范围为1到β，pm为传感器的激活概率，n为可用资源单元数量，为β个资源单元全部免碰撞事件的发生概率；给定编码速率r，εd为译码误差概率，译码可靠性表示如下：

19、

20、其中，s为发送码长，σ为大尺度信道增益和功率决定的系数，

21、

22、

23、

24、

25、

26、未成功接入或未成功译码即为丢包，以丢包概率εl来描述，表示如下：

27、

28、对于多连接传输，其端到端可靠性约束条件转化如下所示：

29、

30、εd≤εmax，

31、εl≤εmax。

32、进一步的，所述s3的方法如下：

33、s31、建立蜂窝和d2d传输带宽；为传输间隔内激活传感器的集合，和分别为d2d链路和蜂窝链路接入过程中发送的副本数量，和为d2d链路和蜂窝链路的发送数据码长，为d2d链路的分配带宽，和bii分别为蜂窝链路第一阶段和第二阶段的分配带宽；d2d链路传输所需带宽为蜂窝链路传输所需带宽为

34、s32、建立多连接传输带宽；为同时刻激活传感器的最大数量，td为d2d链路的传输时长，ti和tii分别为蜂窝链路第一阶段和第二阶段的传输时长，为蜂窝链路第一阶段的丢包概率；多连接传输所需带宽如下：

35、

36、s33、确定多连接传输的带宽优化问题；在满足端到端延迟、可靠性和最大码长条件约束下，通过分配发送码长、副本数量和传输时长的跨层资源，最小化多连接传输所需带宽，以达到节省频谱资源的目标；跨层资源优化模型表示如下：

37、

38、s.t.c1：td∈{tf，2tf，…，dmax/2}，

39、c2：ti∈{tf，2tf，…，dmax-dp}，

40、c3：tii∈{tf，2tf，…，dmax-dp-tf}，

41、c4：

42、c5：

43、c6：

44、c7：

45、c8：

46、其中，tf为传输间隔，b和smax分别为信息字节长度和最大码长，和分别为d2d链路第一阶段和第二阶段的丢包概率，和分别为蜂窝链路第一阶段的丢包概率和第二阶段的译码误差概率；c1、c2和c3为多连接端到端时延约束条件，c4、c5和c6为多连接端到端可靠性约束条件，c7为数据码长约束条件，c8为发送副本数量约束条件。

47、进一步的，所述s4的具体过程如下：

48、初始化阶段，给定最大上行带宽，在允许的数据包最大码长smax和第一阶段时长的约束c1和c2下计算出可用资源单元数量n，其中，利用矩阵存储不同码长和传输时长下的可用资源单元数量；

49、搜索阶段，第一阶段的最短传输时长和第二阶段的最短传输时长都为tf，从第一阶段的最短传输时长和第二阶段的最短传输时长开始搜索，每次增加一个传输间隔tf，直到以允许的第一阶段的d2d链路最长传输时长dmax/2和蜂窝链路最长传输时长dmax-dp、第二阶段的d2d链路最长传输时长dmax/2和蜂窝链路最长传输时长dmax-dp-tf结束；

50、计算阶段，找到每轮搜索中使本轮所需带宽最小化的发送码长、副本数量和传输时长分配；

51、比较阶段，在端到端延迟dmax内遍历给定td、ti和tii的跨层资源计算结果，找出使多连接传输所需带宽最小的资源分配方案，即为最优的跨层资源分配方案。

52、有益效果，与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

53、本发明通过引入多连接技术和免授权竞争接入、数据副本、服务器共享处理模式、下行广播等其他跨层技术，建立了一种面向工业自动化的urllc多连接传输方法，以避免传统传输方式中因信道动态变化导致蜂窝链路失效的问题，以多链路的传输方式提升端到端时延内的可靠性；并提出了一种最优跨层资源分配方法，在满足端到端延迟、可靠性和最大码长条件约束下，通过分配发送码长、副本数量和传输时长等跨层资源，最小化多连接传输所需带宽，以达到节省频谱资源的目标。