移动信息物理系统中控制性能导向的无线协作传输技术

In this project, by utilizing the wireless cooperative transmission technique to cope with the negative impact of the wireless link’s potential unreliable on the control performance, we propose control-performance oriented wireless cooperative transmission strategy to guarantee the control-performance of M-CPS. Specifically, we build measurement of the control performance in terms of system stability and control cost, and then formulate the problem of minimizing the control cost while satisfying the constraints of wireless resource and system stability, so as to reveal the relationships between the control performance and cooperative transmission as well as provide a theoretic basis to obtain the control-performance oriented transmission strategy; for scenario with statistics channel state and location information being known, we shall solve the proposed stochastic equation using markov decision process, obtain the adapting cooperative transmission and power control strategy by Q-learning, and design the corresponding distributed implementing algorithms；for scenario with current channel state information being known，we shall solve proposed problem by turning the long-term average expected objective and constraints into single timeslot optimization using lyapunov optimization, determine the equivalent form of successful transmission for single timeslot, and design the distributed sub-optimal implementing algorithms. The research of this project provides a theoretical basis and technical support for the application of cooperative transmission in M-CPS that improves its control performance.

本项目以保障移动信息物理系统（M-CPS）的控制性能为目标，利用协作传输技术来对抗无线链路的不可靠性对M-CPS控制性能的制约，提出控制性能导向的无线协作传输技术。具体地，用系统稳定和控制开销来表征控制性能模型，以揭示协作通信各因素与控制性能的关系，提出如何优化传输策略使得控制开销最小同时保证系统稳定和可用资源约束的问题，为控制性能导向协作传输策略的研究提供理论基础；针对仅已知无线信道状态信息和节点位置统计信息情景，利用马尔科夫决策过程的动态优化方法解决所提优化问题，通过Q学习得到自适应协作传输模式和功率分配的策略，最后设计分布式在线算法；针对仅已知瞬时信道状态信息情景，利用李雅普诺夫优化方法化解长时平均目标和约束为单时隙优化问题，确定不同网络协议下单时隙成功传输等价表征，并设计分布式次优在线算法。本项目的研究为移动信息物理系统中采用无线协作传输技术提高控制性能提供理论依据和技术支撑。

本项目以保障移动信息物理系统（M-CPS）的控制性能为目标，提出控制性能导向的无线传输技术。主要研究内容及结论如下：.（1）考虑典型的移动信息物理系统场景，建立了用系统稳定和控制开销来表征控制性能模型，提出如何优化传输策略使得控制开销最小同时保证系统稳定和可用资源约束的问题，为后续不同可用信息下，获取可靠传输策略的目标保障提供了理论指标。.（2）针对仅已知无线信道状态信息和节点位置统计信息情景，本研究将控制性能导向的M-CPS传输问题建模为约束的马尔科夫决策过程（CMDP）。我们利用拉格朗日乘子方法解决了该问题，并证明了最优策略是两种阈值结构策略的随机混合。此外，为了估计结构化最优策略，我们提出了一种同时摄动随机近似的算法，该算法的复杂度低于非结构化的算法。.（3）针对仅已知无线信道状态信息和节点位置瞬时信息情景，我们研究了短包M-CPS的控制感知节能传输策略。具体地说，传输策略设计问题表述为一个多目标优化问题，在系统稳定性和短包通信的约束下，同时最小化远程状态估计误差和传输能耗。为了求解多目标优化问题，我们首先引入了一种新的目标函数，利用权值参数将两个不同的目标函数封装成一个目标函数，并进一步证明了新的随机优化问题的解是原随机优化问题的帕累托最优解。此外，我们提出了一种动态控制感知节能传输（DCET）算法，该算法在虚拟队列积压中目标成本接近最优。.（4）我们研究了边缘计算协助的M-CPS端到端时延。传统的时延分析是基于流量守恒定律，而由于存在边缘计算节点和遥控器，导致边缘计算的流量不守恒。为了解决这一问题，引入了两个尺度因子来保证流的守恒，然后通过随机网络演算导出了具有边缘计算的M-CPS的时延界。M-CPS时延上界的确定是保障系统稳定、合理选择设计参数的重要环节，因此具有重要意义。.本项目的研究为移动信息物理系统中采用无线传输技术提高控制性能提供理论依据和技术支撑。