高速移动系统数字孪生体模型轻量化容错容量控制方法与流程

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容错容量控制方法。

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两方面问题：

5、1)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。

6、2)目前大多数关于高速率传输服务的优化的数字孪生体模型都仅仅考虑了一到两个因素，例如数据传输容量和业务服务质量等。同时，由于这些数字孪生体模型所采用的分析框架和优化方法不具备可扩展性，因此所提出的解决方案难以在不对解决方案的性能产生负面影响的情况下加入更多的考虑因素。因此，有必要面向高速移动系统建立完整的数字孪生体，对诸如传输速率选择、数据丢失率、传输过程中发送端和接收端的能量消耗等众多因素，进行综合考虑以优化传输服务质量，同时为未来数字孪生体的重用和扩展提供统一的模型框架。

7、在传统方法中，最大化的容错容量只与系统能真实传输的数据单元个数及其相关的数据重复传输的次数相关，并不体现能量相关的内容，因此，传统算法虽然能够将传输错误率降低，但其能量消耗一般较高。

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容错容量控制方法，用以解决现有容错容量控制算法的能量消耗较高的问题。

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容错容量控制方法，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容错容量控制问题建模，得到每一接收端对应的容错容量控制优化函数；

5、基于所述容错容量控制优化函数，对高速移动系统中接收端的容错容量进行实时优化控制。

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容错容量进行实时优化控制，执行：

8、在每一时刻，获取当前接收端在当前时刻的传输数据错误概率；

9、基于当前接收端在当前时刻的传输数据错误概率，求取当前接收端对应的容错容量控制优化函数取极大值时的当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数；并将该当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数作为当前接收端在当前时刻的容错容量控制优化结果。

10、进一步，所述求取当前接收端对应的容错容量控制优化函数取极大值时的当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数，执行：

11、将当前接收端在当前时刻的传输数据错误概率带入当前接收端的数据单元个数最大值求取函数，得到当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数取最大值时对应的当前接收端在当前时刻的数据重复传输次数；

12、根据该当前接收端在当前时刻的数据重复传输次数，得到当前接收端对应的容错容量控制优化函数取极大值时的当前接收端在当前时刻能够传输的数据单元个数。

13、进一步，接收端i的数据单元个数最大值求取函数表示为：

14、

15、其中，di(t)表示接收端i在时刻i能够传输的数据单元个数，mi(t)表示接收端i在时刻t的数据重复传输次数，pi(t)表示接收端i在时刻t的传输数据错误概率，表示传输数据正确概率，ρ表示传输环境参数。

16、进一步，对于接收端i，所述对高速移动系统中接收端的容错容量进行实时优化控制，执行：

17、获取接收端i在时刻t的传输数据错误概率pi(t)；

18、求解得到mi(t)的取值；

19、将面向接收端i的数据进行mi(t)次传输，将接收端i实际接收到的数据单元的个数作为di(t)；

20、将该di(t)作为接收端i在时刻t的容错容量控制优化结果并返回。

21、进一步，接收端i对应的容错容量控制优化函数f(di(t))表示为：

22、

23、其中，yi(t)表示接收端i在时刻t的流畅传输限制虚拟变量，xi(t)表示接收端i在时刻t的发送能耗限制虚拟变量；ε为发送端在每个时刻所消耗的能量最大值，σ为能耗调整因子；ea为平均能量容量比值的最大值。

24、进一步，接收端u对应的容错容量控制优化函数f(di(t))取极大值等价于di(t)取极大值。

25、进一步，接收端i在时刻t的发送能耗限制虚拟变量xi(t)满足：

26、xi(t+1)＝max[xi(t)-ea,0]+ei(t)  (3)

27、其中，ei(t)表示在时刻t面向接收端i发送数据的发送端的能量消耗限制。

28、进一步，接收端i在时刻t的流畅传输限制虚拟变量yi(t)满足：

29、yi(t+1)＝max[yi(t)-di(t),0]+si(t)   (4)

30、其中，si(t)表示接收端i在时刻t的传输速率。

31、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。

32、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

33、本发明提供的高速移动系统数字孪生体模型轻量化容错容量控制方法，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，之后分离出容错容量控制优化函数。

34、在基于容错容量控制优化函数对高速移动系统中接收端的容错容量进行实时优化控制的过程中，充分考虑了数据重复传输次数和传输数据错误概率，并引入与能量消耗相关的接收端在各时刻能够传输的数据单元个数，使得最终求解得到的容错容量控制结果的能量消耗较少，很好地解决了现有容错容量控制算法的能量消耗较高的问题。

35、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。