一种用于实时无线控制系统的语义通信控制方法

本发明属于无线控制和神经网络，具体涉及一种用于实时无线控制系统的语义通信控制方法。

背景技术：

1、在即将到来的工业物联网时代，在实时无线控制系统，如机器人远程操作和无人驾驶的推动下，大量面向任务的应用程序即将出现。在这样的系统中，实现良好的控制性能需要超可靠和低延迟无线通信保证控制信息的及时传输，然而，传统无线通信系统极具挑战性，因为他们主要关注信息位传输的准确性而不利用信息位背后的语义信息。因此，所有的比特位都被平等地对待并采用相同功耗进行传输，导致信息传输的能耗过高，甚至网络拥塞。

2、近年来，语义通信被用于各种数据需求的应用，如增强现实、虚拟现实、元宇宙的8k超高清视频传输等。语义通信通过在发射机(tx)上使用机器学习技术，从大尺寸比特信息中提取低数据维度的语义信息，然后在编码后发送到接收机(rx)。在rx处，然后根据接收到的语义信息重构所需的信息。与传统的比特位传输相比，语义通信可以大大减少信息传输的总量。

3、然而，现有的语义通信技术在无线控制系统中面临着新的挑战，因为控制指令通常已经足够简洁，可能无法被进一步语义压缩。另一方面，如果控制指令可以被压缩，则每个指令都被压缩以获得面向任务的语义特征。然而，一些不重要的指令信息也可能被压缩成语义信息并进行传输，从而大大降低了通信效率。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种面向无线控制任务的语义通信方案，在高噪声、强干扰环境下实现低通信负载、高控制精度的无线远程控制机器人。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种用于实时无线控制系统的语义通信控制方法，包括：

4、通过在tx处配置特征提取模块、在rx处配置特征重构模块来构成语义推理系统，通过语义推理系统为控制系统提供第一控制参数；

5、所述特征提取模块的输入为实时采集的状态信息先经过模块推断，获得当前状态与上一次发送的状态信息xt之间的互信息然后再经过模块判决，得到传输决定并且令即ai＝1时将从tx传输到rx，并更新历史传输记录xt，ai＝0时忽略

6、所述特征重构模块输出第一控制参数

7、

8、其中，xr是接收到的信息，xr＝xt+∈，∈表示噪声和干扰，表示上一时刻重构的信息；

9、控制系统利用控制策略根据接收到的第一控制参数和设备反馈的第二控制参数来调节控制增益最终获得控制指令ui＝ki△xi对设备进行控制；

10、所述的和为神经网络，通过深度强化学习训练获得，具体为：

11、定义控制误差代价vi为：

12、

13、其中是实际控制状态与期望控制状态之间的差值，δl为控制精度参数；

14、定义通信传输决定的奖励为：

15、

16、其中δu为允许的最大控制误差；

17、设定目标为联合优化通信开销和控制精度，建立目标函数为：

18、

19、其中nc为数据的总数；

20、以目标函数为优化目标，通过深度强化学习训练获得神经网络。

21、本发明的有益效果为，通过对被传信息进行语义特征推理和语义特征重构，能显著降低通信传输触发频率，从而降低通信功耗、解决网络拥堵。由于在rx端，进行了语义特征重构，相比与传统的稀疏采样通信方案，不会损失对机器人的控制精度。本发明设计的联立通信和控制的奖励函数，可以实现对通信和控制精度的联合优化。具体表现在：当控制误差低于δl时，ai＝0的奖励始终超过ai＝1，这表明可以同时实现最小化控制误差和最小化通信消耗；对于在δl≤ei≤δu范围内的控制误差，存在通信消耗和控制误差之间的权衡；当ei>δu时，ai＝0的奖励始终小于ai＝1，这意味着需要在收发器之间进行传输，以进行控制状态信息的更新，以减轻控制错误，提高整体奖励。综上所述，我们设计的奖励函数，可以实现信息更新的传输决策始终能够满足控制误差性能的要求，同时有效地降低了通信消耗。

技术特征：

1.一种用于实时无线控制系统的语义通信控制方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明属于无线控制和神经网络技术领域，具体涉及一种用于实时无线控制系统的语义通信控制方法。本发明在Rx端，进行了语义特征重构，相比传统的稀疏采样通信方案，不会损失对机器人的控制精度。本发明设计的联立通信和控制的奖励函数，可以实现对通信和控制精度的联合优化。具体表现在：当控制误差低于δ<subgt;l</subgt;时，a<subgt;i</subgt;＝0的奖励始终超过a<subgt;i</subgt;＝1，这表明可以同时实现最小化控制误差和最小化通信消耗；对于在δ<subgt;l</subgt;≤e<subgt;i</subgt;≤δ<subgt;u</subgt;范围内的控制误差，存在通信消耗和控制误差之间的权衡；当e<subgt;i</subgt;>δ<subgt;u</subgt;时，a<subgt;i</subgt;＝0的奖励始终小于a<subgt;i</subgt;＝1，这意味着需要在收发器之间进行传输，以进行控制状态信息的更新，以减轻控制错误，提高整体奖励。本发明可以实现信息更新的传输决策始终能够满足控制误差性能的要求，降低了通信消耗。技术研发人员：常博,李清亮,梅渭东,陈智受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13