高速移动系统数字孪生体模型轻量化传输速率选择方法与流程

本发明涉及高速移动系统控制，尤其涉及一种高速移动系统数字孪生体模型轻量化传输速率选择方法。

背景技术：

1、近年来，以高铁为代表的高速交通网络迅速发展，对高速移动系统下的低时延、低能耗、高速率、高质量的信息传输服务提出了更高的要求。越来越多的移动用户在享受高速交通技术带来的便利的同时，高速移动系统与固定的管控中心或中继站点之间的信息交互要求也越来越高。高速移动系统上的用户希望能够获得的实时服务性能与其在非移动状态下相当。为此，通过高速移动系统数字孪生体来模拟实际物理实体和场景下的信息传输情况，以对高速移动系统所带来的问题进行分析并提出解决方案。

2、与静止或低速移动系统相比，高速移动系统在信息传输方面的数字孪生体模拟主要包括以下方面。以高铁网络为例，高速列车的行驶速度通常在300～400km/h，这样的移动速度一方面将会使得数字孪生体对信息传输模拟中的多普勒频移更加明显，使得高速移动过程中的信息传输频率偏离原始频率，带来接收端解调和解码过程中的频率匹配失准，导致通信质量严重下降或产生剧烈变化。另一方面，将会使得数字孪生体对信息网络模拟中的节点之间的切换更加频繁，导致通信链路刚刚建立并开始正常传输后不久，高速移动终端就超出了当前的中继站点的服务区域范围，需要切换到下一个更近的中继站点，使得大量时间花费在了建立和切断链接的过程中，降低了有效的通信时间。

3、在高速移动系统上，用户也期望像在静止状态下一样，系统能够提供高质量的高速率数据服务。然而，在高速移动系统中，较高的数据丢失率和不可预测性导致了高速率的数据服务的传输质量较低。

4、为了提高高速移动系统中高速率数据传输的服务的质量，近年来出现了根据当前数据传输质量动态地调整各个数据段的速率的方法，从而保证高速移动状态下数据传输的连续性，但当前已有方案主要存在以下问题：

5、当前已有的方法，尤其是速率确定方法，主要取决于当前传输环境状态下可用的传输速率。然而，严重的数据丢失率是高速移动系统中的一个显著特征，使得系统中有效传输速率大幅度降低。然而该问题在以前的研究中很少被考虑。另外，高速移动系统中的数据丢失率的不可预测性，也使得当前在静止或低速移动系统中成熟的速率最优控制算法，并未在高速移动系统中体现出相应的性能。因此，目前已有的大多数算法难以在高速移动系统中进行有效应用。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高速移动系统数字孪生体模型轻量化传输速率选择方法，用以解决现有高速移动系统的传输速率控制准确性差的问题。

2、本发明公开了一种高速移动系统数字孪生体模型轻量化传输速率选择方法，包括：

3、将高速移动系统映射成数字孪生体模型；所述数字孪生体模型包括管控中心、中继传输节点、高速移动载体及其承载的多个高速移动终端；

4、在所述数字孪生体模型中，对以中继传输节点作为发送端、以高速移动载体承载的高速移动终端作为接收端的信息传输过程进行传输速率选择问题建模，得到每一接收端对应的传输速率选择函数；

5、基于所述传输速率选择函数，对高速移动系统中接收端的传输速率进行实时优化控制。

6、在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

7、进一步，对于每一接收端，所述对高速移动系统中接收端的传输速率进行实时优化控制，执行：

8、在每一时刻，判断当前接收端在上一时刻的数据传输是否完成，若完成，直接基于所述传输速率选择函数确定当前接收端在当前时刻的传输速率；

9、根据当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数与当前接收端在当前时刻的传输速率之间的大小关系，确定当前接收端在当前时刻选择的实际传输速率。

10、进一步，对于每一接收端，所述对高速移动系统中接收端的传输速率进行实时优化控制，还执行：

11、在每一时刻，若当前接收端在上一时刻的数据传输未完成，更新当前接收端执行上一时刻数据传输的传输速率，执行当前接收端在上一时刻未完成的数据传输；

12、之后，当前接收端在上一时刻的数据传输完成；

13、接着，执行当前接收端在上一时刻的数据传输完成时对应的操作。

14、进一步，接收端i的传输速率选择函数表示为：

15、

16、其中，si(t)表示接收端i在时刻t的传输速率，smax、smin分别为传输速率的最大值、最小值；wi(t)表示接收端i在时刻t的辅助虚拟变量，yi(t)表示接收端i在时刻t的流畅传输限制虚拟变量，zi(t)表示接收端i在时刻t的接收能耗限制虚拟变量；ei表示接收端i每传输一个数据单元所消耗的能量。

17、进一步，若当前接收端在上一时刻的数据传输未完成，更新当前接收端执行上一时刻数据传输的传输速率，执行当前接收端在上一时刻未完成的数据传输，执行：

18、在时刻t，判断di(t)＜si(t-1)是否成立，

19、若成立，返回传输速率(1-θi(t))·si(t-1)，并以(1-θi(t))·si(t-1)作为更新后的传输速率接着传输接收端i在时刻t-1的数据；等待数据传输完成flag，接收端i在时刻t-1的数据传输完成；

20、否则，返回传输速率si(t-1)，并以si(t-1)作为更新后的传输速率接着传输接收端i在时刻t-1的数据；等待数据传输完成flag，接收端i在时刻t一1的数据传输完成。

21、进一步，根据当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数与当前接收端在当前时刻的传输速率之间的大小关系，确定当前接收端在当前时刻选择的实际传输速率，执行：

22、在时刻t，判断di(t)＜si(t)是否成立，

23、若成立，返回的接收端i在时刻t的实际传输速率为(1-θi(t))·si(t)；

24、否则，返回的接收端i在时刻t的实际传输速率为si(t)；

25、其中，di(t)表示接收端i在时刻t能够传输的数据单元个数，θi(t)表示接收端i在t时刻的数据丢失率。

26、进一步，所述高速移动系统为高铁系统、低空飞行器系统或高速公路系统。

27、进一步，在高铁系统中，高铁作为高速移动载体，服务于高铁的沿途通信、具备中继转发功能的地面基站作为中继传输节点，高铁上的用户终端作为高速移动终端。

28、进一步，在低空飞行器系统中，低空飞行器作为高速移动载体，服务于低空飞行器的地面基站作为中继传输节点，低空飞行器上的用户终端作为高速移动终端。

29、进一步，在高速公路系统中，高速行驶的汽车作为高速移动载体，服务于高速行驶的汽车的地面基站作为中继传输节点，高速行驶的汽车上的用户终端作为高速移动终端。

30、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

31、本发明提供的高速移动系统数字孪生体模型轻量化传输速率选择方法，首先设计了考虑多种因素(包括数据丢失率、服务质量、数据传输等)的轻量化数字孪生体模型，得到了考虑多种因素的高速移动系统运行优化问题，并在优化问题求解过程中引入辅助变量，之后分离出传输速率选择函数。

32、在基于传输速率选择函数对高速移动系统中接收端的传输速率进行实时优化控制的过程中，充分考虑了数据丢失率对传输速率的影响，使得传输速率的实际控制效果能够得到有效保证。

33、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。