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网络系统容量:迈向感知-传输-控制一体化设计

发布时间:2023-07-21 浏览量:1927

关新平
上海交通大学


背景介绍

网络系统是由一系列感知、传输和控制装置通过网络相互连接而成,是一类融合控制和信息通信的多维动态系统,具有维度高、动态性强、协议配置嵌入深等特性,对其分析和设计异常困难。其挑战在于:

1)这类系统各装置/子系统间的相互关系和作用伴随着信息的获取(感知)、交互(传输)和利用(控制)全过程,使得耦合机理难以描述;

2)由于所采用的数学工具和概念范式不同,信息论和控制论难以直接融合,用以分析网络系统中感知、传输和控制三者之间的内在关系和耦合机理。

其中一种思路是:以控制为目标,以感知-传输-控制一体化综合设计为手段,解析刻画反馈控制消除信息不确定性的能力度量,揭示其与感知和通信性能指标之间的解析关系和变化规律。该问题是“信息丰富时代”控制系统面临的开放问题,学术界尚无明确的一般性结论。

相关研究进展

I-WIN中心尝试融合信息论和控制论,提出 "网络系统容量 "这一新概念,希望能为感知、传输和控制的一体化提供统一建模和分析的桥梁。我们首先构建了包括被控对象、感知网络、通信网络和反馈控制器在内的网络系统典型结构。


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网络系统典型结构图


之后,我们引入了信息论中的信道容量这一概念,其描述了传感数据和控制数据在噪声信道上可传输的理论极限。然后,定义了网络感知容量这一指标,用于度量给定网络拓扑结构下的估计性能和量测精度。在此基础上,针对所提出的网络系统典型结构,从反馈控制的角度来定义了网络系统容量这一概念。系统模型、信道容量、网络感知容量和网络系统容量的数学表达式如下:

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网络系统容量表征了在稀疏网络感知和有损通信条件下控制器稳定被控对象的能力,即在最优系统反馈增益下的不确定性耗散能力。为进一步展现三种容量间的影响关系,我们在图2给出了网络系统容量的增益随信道容量和网络感知容量的变化规律三维图。


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网络系统容量增益、网络感知容量与信道容量变化规律三维图


主要结论

基于以上分析,我们得出了网络系统容量、网络感知容量和反馈通道的信道容量之间的变化规律如下:

1) 网络系统容量增益随网络感知容量和信道容量的增加均呈“先增后减”的变化规律,变化拐点对应网络系统容量的最优增益(如图3(a)-(b)所示);

2)在到达拐点前,网络系统容量增益以极快的速度增加;到达拐点后,网络系统容量增益大幅下降,这表明网络系统容量趋于饱和;

3) 给定网络系统容量增益下,网络感知容量和信道容量呈“回旋镖”型曲线关系(如图3(c)所示),这表明网络感知容量和信道容量均对控制系统容量增益有贡献,可通过设计合理的二者匹配关系,在资源一定情形下获得较高系统容量增益的边界曲线。


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未来展望

最后,我们主要从反馈控制的角度初步刻画了网络系统容量、感知容量和信道容量三者之间内在关系。但要想全面揭示感知、传输、控制三者间的内在关系,仍有诸多问题亟待解决。具体而言,从感知的角度看,可以针对不同的控制任务优化感知策略,从而使网络系统获得更丰富的量测信息和更准确的估计动态。但有限的通信资源制约了传感器、控制器和执行器之间的信息交互效率,需进一步考虑感知和控制对通信资源的需求动态特性,做到自适应配置。从通信的角度看,更多的终端和边缘计算能力可以提升感知信息密度,从而降低对于通信资源的需求;另一方面控制理论也可在网络拥塞控制和确保通信服务质量(QoS)方面发挥重要作用。综上,如何从感知和通信的视角切入,进一步揭示感知、通信和控制之间的内在耦合关系,从而通过综合设计感知机制、通信资源配置和控制策略来优化系统整体性能仍是领域内备受关注的开放问题。

 

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