共享数字通讯网络系统的带宽调度与量化策略协同设计

The existing research relating to the limited communication problem of bilateral communication network system are more concentrated in the controller design, but the design of data transmission manner impacting importantly on closed-loop system performance has not been given adequate attention. Especially for shared digital communication network systems, the co-design problem of bandwidth scheduling and quantization strategy of uplink and downlink is particularly important. To this end, we will focus on: 1 ) Take a class of typical shared digital communication network system as the background, and the data transfer mechanism and feedback control theory as a means to carry out the design methods research of data transmission strategy under limited bandwidth condition: reveal the action mechanism of impact of data transmission strategy on closed-loop system performance and the overall network bandwidth from the perspective of quantization error; from the optimal closed-loop performance and minimum bandwidth usage standpoint, establish the co-design methods of quantization strategy and bandwidth scheduling to ensure the well system operation under constraint of limited communications; 2 ) Take the basis of optimal control theory and combine it with the finite time stability analysis methods, it is focused on the key problems of existing network data transmission methods: the correlation modeling of data communication strategies and transmission error, the nature analysis of impact of transmission error on closed-loop system performance, the access means of optimal quantization error under different performance indices, and the solving method of the feasible solution set of data transmission strategies.

双边网络系统通讯受限问题的现有研究多集中于控制器形式的设计，对闭环系统性能有着重要影响的数据传输方式的设计并未得到充分重视，尤其对于共享数字通讯网络系统，上行线和下行线各分量的带宽调度和量化策略协同设计问题显得尤为重要。为此将重点研究：1）以一类典型的共享数字通讯网络系统为背景，以数据传输机理及反馈控制理论为手段，开展带宽受限条件下的数据传输策略设计方法研究：从量化误差角度揭示数据传输策略对闭环系统性能、总体带宽占用的作用机理；从最优闭环性能与最小带宽占用观点出发，建立带宽调度及量化策略协同设计方法，保证系统在通讯受限约束下的良性运行；2）以最优控制理论为基础，结合有限时间稳定分析方法，重点解决现有网络化数据传输方法中存在的关键问题：通讯受限条件下数据传输策略与传输误差的相关性建模，传输误差对闭环系统性能影响的本质分析，不同性能指标下最优量化误差的获取手段，数据传输策略可行解集的求取方法。

随着公用网络用户量的不断增大，网络的带宽受限问题日益严重。针对带宽受限条件下网络化系统的量化控制、带宽调度及相关问题，项目负责人和项目组成员对国内外现有方法进行充分论证的基础上，开展了一系列稳定性分析及量化控制器设计方面的研究，具体内容如下：1）研究时变采样、时变延时、通讯约束、带宽受限影响下的网络化控制系统的镇定问题。采用二维凸估计方法处理时变传输区间和时变传输延时问题。通过引入饱和系数这一参数来处理系统状态和被量化变量之间复杂的耦合关系，实现量化器的不饱和性，从而保证量化误差的有界性。得到了保证网络化控制系统稳定的一些充分性条件以及量化反馈控制算法。2）讨论受量化、丢包和未知扰动影响的网络化控制系统的镇定问题。通过在update模态中引入接包率这一概念来处理丢包和未知扰动问题，给出一种基于zoom策略的改进量化控制算法。基于该算法，通过分析控制器的收敛性质来得到闭环系统状态和估计误差稳定的充分性条件。3）研究数据量化、丢包及事件驱动通讯机制下的网络化控制系统的镇定问题。依赖于量化后的系统状态提出了两种事件驱动机制，并讨论了它们的扩展形式。采用zoom策略研究时变对数量化及独立同分布丢包过程影响下的系统稳定问题。在此基础上，给出了保证闭环系统均方稳定的一些充分性条件。4）基于zoom策略提出了两种包括v0,δ和量化密度ρ在内的对数量化器参数设计方法，以此来设计量化器的饱和边界、死区和量化区间长度。在设计的参数下，闭环系统的状态可以在某些时刻之后落在逐渐缩小的不变集内，从而保证在时变对数量化策略下量化器的不饱和性及量化误差的有界性，在此基础上得到闭环系统的渐进收敛性。5）研究了受丢包和量化影响的线性、模糊和非线性网络化控制系统的建模、分析和镇定控制器设计方法。相关成果已发表学术论文8篇（其中SCI收录5篇，EI收录3篇），出版专著一部。部分成果还在进一步处理中。