專利名稱：一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊pd流量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的方法，尤其涉及一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法。
背景技術(shù)：
隨著遠(yuǎn)程通信、多媒體和計(jì)算機(jī)工業(yè)與技術(shù)的日益發(fā)展和互相融合，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，正向著高速化、寬帶化、多媒體化方向發(fā)展，這促使了Internet網(wǎng)絡(luò)的普及，同時(shí)使數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)終端用戶成爆炸性的增長(zhǎng)。另一方面，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，如第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)、CDMA1X網(wǎng)絡(luò)以及第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)如WCDMA網(wǎng)絡(luò)、CDMA2000 EV/DO網(wǎng)絡(luò)、TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)也在或?qū)⒃谑澜缟系玫窖杆俚钠占?，這促使移動(dòng)通信終端用戶同樣發(fā)生了幾何級(jí)數(shù)的增長(zhǎng)。所有這些因素都導(dǎo)致了作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體--數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量的飛速增加，從而導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)性能的降低和服務(wù)質(zhì)量的降級(jí)，如數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間延遲增加、時(shí)間抖動(dòng)增加、數(shù)據(jù)包丟失率上升等等。
為減少并進(jìn)而避免這些現(xiàn)象發(fā)生，有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)均定義了有關(guān)的解決框架。如互聯(lián)網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)制定組織IETF(The Internet Engineering Task Force--互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組)提出了多個(gè)RFC規(guī)范定義了互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)流量控制框架，同時(shí)ATM論壇(ATM Forum)也在其業(yè)務(wù)管理規(guī)范中定義了其流量控制框架。這些控制框架的一個(gè)共同特點(diǎn)就是采用了反饋控制的方法進(jìn)行各自網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的流量控制。
現(xiàn)有的流量控制機(jī)制根據(jù)所采用的反饋機(jī)制不同可分為兩類二進(jìn)制反饋機(jī)制和顯式速率機(jī)制。由于顯式速率機(jī)制相對(duì)于二進(jìn)制反饋機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，目前主要針對(duì)顯式速率機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，并已提出多種控制方法。然而這些方法的主要缺陷在于控制機(jī)制或者是直觀的、不提供任何形式化的設(shè)計(jì)方法以保證閉環(huán)控制的穩(wěn)定性；或者雖提供了機(jī)制穩(wěn)定性的保證，但由于復(fù)雜度的原因難以實(shí)現(xiàn)；或者雖滿足前兩項(xiàng)要求，但機(jī)制的瞬態(tài)特性存在著較大的不足，如公平性、魯棒性、抗干擾性均存在不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種通信網(wǎng)絡(luò)中模糊PD(Fuzzy PD)流量控制器的設(shè)計(jì)方法，從而可以根據(jù)終端用戶所申請(qǐng)的服務(wù)等級(jí)，公平合理地向終端用戶分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)時(shí)有效地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，控制網(wǎng)絡(luò)的擁塞，保證終端用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)，本發(fā)明采用如下方案實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的本發(fā)明提供一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法，包括如下步驟1)每隔一個(gè)時(shí)間周期采樣緩沖區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度；2)將預(yù)先設(shè)定的擁塞閾值減去所述隊(duì)列長(zhǎng)度得到控制誤差e(n)；3)將所述控制誤差減去上個(gè)時(shí)間周期獲得的控制誤差得到值除以時(shí)間周期得到控制誤差的變化率Δe(n)；4)判斷在步驟2)中得到的控制誤差，如果該控制誤差大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇模糊控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到模糊控制器，所述模糊控制器輸出交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；如果該控制誤差不大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇PD控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到PD控制器，所述PD控制器輸出可支持的顯示速率r(n+1)；其中n為整數(shù)。
所述模糊控制器接收到所述控制誤差和所述控制誤差的變化率后，可以進(jìn)行如下處理1)將所述控制誤差和所述變化率進(jìn)行模糊化處理，獲得相應(yīng)的模糊語言變量；2)根據(jù)規(guī)則庫對(duì)所述模糊語言變量進(jìn)行推理獲得反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER；3)將所述反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER進(jìn)行解模糊得到模糊控制器的輸出控制量Δer(n+1)，根據(jù)所述輸出控制量得到交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)。
所述模糊控制器根據(jù)下式計(jì)算得到交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}，其中C為鏈路的帶寬，β為帶寬限制因子，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，Sat為截?cái)嗪瘮?shù)。
所述PD控制器根據(jù)公式r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KDΔe(n)，0}計(jì)算可支持的顯示速率r(n+1)，其中，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，KP和KD分別稱為比例常數(shù)和微分常數(shù)。
本發(fā)明還提供一種通信系統(tǒng)，包括至少一個(gè)交換機(jī)，所述交換機(jī)包括一個(gè)模糊PD流量控制器，所述模糊PD流量控制器包括采樣和計(jì)算單元，用于每隔一個(gè)時(shí)間周期采樣緩沖區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度，將預(yù)先設(shè)定的擁塞閾值減去所述隊(duì)列長(zhǎng)度得到控制誤差e(n)以及將所述控制誤差減去上個(gè)時(shí)間周期獲得的控制誤差得到值除以時(shí)間周期得到控制誤差的變化率Δe(n)，將所述控制誤差和所述變化率輸出到模態(tài)選擇開關(guān)；模態(tài)選擇開關(guān)，對(duì)所述控制誤差進(jìn)行判斷，如果該控制誤差大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇模糊控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到模糊控制器；如果該控制誤差不大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇PD控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到PD控制器；模糊控制器，根據(jù)輸入的所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸出交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；PD控制器，根據(jù)輸入的所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸出交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；其中n為整數(shù)。
所述模糊控制器包括模糊化單元，將所述控制誤差和所述變化率進(jìn)行模糊化處理，獲得相應(yīng)的模糊語言變量；推理機(jī)單元，根據(jù)規(guī)則庫對(duì)所述模糊語言變量進(jìn)行推理獲得反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER；解模糊單元，將所述反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER進(jìn)行解模糊得到模糊控制器的輸出控制量Δer(n+1)。
所述模糊控制器還包括顯示速率計(jì)算裝置，根據(jù)下式計(jì)算交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}，其中C為鏈路的帶寬，β為帶寬限制因子，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，Sat為截?cái)嗪瘮?shù)。
模糊PD流量控制器通過上述有效的控制方法計(jì)算出反饋給終端用戶的速率參數(shù)，終端用戶根據(jù)這個(gè)速率參數(shù)調(diào)節(jié)終端用戶向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，從而控制(調(diào)節(jié)/避免)網(wǎng)絡(luò)擁塞，最終提高網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量。同時(shí)該方法具有穩(wěn)定性、公平性、魯棒性和抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。
通過以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的描述，本發(fā)明的其他特點(diǎn)、目的和效果將變得更加清楚和易于理解。


下面將參考附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中圖1為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為模糊PD流量控制機(jī)制模型圖；圖3為模糊PD流量控制器結(jié)構(gòu)圖；圖4為模糊控制器結(jié)構(gòu)圖；圖5為變量E的語言值及其隸屬函數(shù)曲線圖；圖6為變量EC的語言值及其隸屬函數(shù)曲線圖；圖7變量ΔER的語言值及其隸屬函數(shù)曲線圖；圖8是含有單一瓶頸鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)曲線圖；圖9為多跳(hop)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖10a至圖10d為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中的隊(duì)列長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性圖；圖11a至圖11d為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中的ACR的動(dòng)態(tài)特性圖；圖12a為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的抗干擾試驗(yàn)中的隊(duì)列長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性圖；圖12b為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的抗干擾試驗(yàn)中的ACR的動(dòng)態(tài)特性圖；圖13為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的魯棒實(shí)驗(yàn)中的5個(gè)ABR源特性圖；圖14a為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的魯棒實(shí)驗(yàn)中的隊(duì)列長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性圖；圖14b為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的魯棒實(shí)驗(yàn)中的ACR的動(dòng)態(tài)特性圖；圖15a為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的公平性實(shí)驗(yàn)中的隊(duì)列長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性圖；圖15b為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的公平性實(shí)驗(yàn)中的ACR的動(dòng)態(tài)特性圖；在所有的上述附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示具有相同、相似或相應(yīng)的特征或功能。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明利用了模糊控制器和PD控制器兩種裝置，下面首先介紹一下兩種控制器的控制原理PD(比例微分)控制器的原理PD控制器具體描述如下設(shè)r是交換機(jī)針對(duì)其某一輸出口(與一輸出鏈路相對(duì)應(yīng))所計(jì)算出的其可支持的全部ABR(可用比特速率)業(yè)務(wù)的顯式速率，它作為PD控制器的輸出，也即受控對(duì)象的控制量；q表示該輸出口對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度，作為受控量。QT是該緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度希望值或擁塞閾值，作為目標(biāo)值。T表示r和反饋速率參數(shù)ER的計(jì)算周期，即控制器的采樣時(shí)間。因此，PD控制器輸出的顯示速率的表達(dá)式為r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KD[e(n)-e(n-1)]/T，0}式中e(n)＝QT-q(n)稱為控制誤差，r(n+1)是在[nT，(n+1)T]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率；r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率；KP和KD分別稱為比例常數(shù)和微分常數(shù)。[e(n)-e(n-1)]/T表示e(n)的變化率，用Δe(n)表示。這里，r(n+1)就可以作為反饋速率參數(shù)ER，為能進(jìn)行離散時(shí)間分析，運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點(diǎn)的PD控制器每T秒計(jì)算一個(gè)新的反饋速率參數(shù)ER值。
模糊(Fuzzy)控制器的原理模糊控制器不需要建立受控過程的精確數(shù)學(xué)模型。對(duì)于模糊控制器來說，輸入和輸出都是精確的數(shù)值，而模糊系統(tǒng)的原理則是采用人的思維，即語言規(guī)則進(jìn)行推理，因此必需將輸入數(shù)據(jù)變成語言值，即進(jìn)行“模糊化”，經(jīng)過模糊推理所得的結(jié)果必須變成一個(gè)實(shí)際的精確量，即進(jìn)行“反模糊化”。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，這是一個(gè)典型的兩輸入一輸出結(jié)構(gòu)。圖4中精確輸入量e(n)是在第n個(gè)采樣時(shí)刻交換機(jī)輸出緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度閾值QT(給定值)與瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度q(n)(測(cè)量值)之差，即e(n)＝QT-q(n)；誤差變化率Δe(n)為[e(n)-e(n-1)]/T，T是采樣周期，e(n-1)是在第n-1個(gè)采樣時(shí)刻交換機(jī)輸出緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度閾值QT(給定值)與瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度q(n-1)(測(cè)量值)之差；Δer(n+1)是模糊控制器的輸出控制量，它是下一個(gè)采樣周期內(nèi)交換機(jī)可提供的反饋速率參數(shù)ER的增量；E、EC和ΔER分別是上述三個(gè)精確量(e(n)、Δe(n)和Δer(n+1))所對(duì)應(yīng)的模糊語言變量；KE、KD分別是輸入變量的量化因子，KU是比例因子。此外圖中的數(shù)據(jù)庫用于定義模糊控制器中語言控制規(guī)則和模糊數(shù)據(jù)操作。
設(shè)計(jì)一個(gè)有效的模糊控制器通常包括幾個(gè)步驟定義能反映網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)的輸入變量和用于控制ABR業(yè)務(wù)流量的輸出變量、確定這些變量的論域以及它們的隸屬函數(shù)曲線、設(shè)計(jì)控制規(guī)則庫、設(shè)計(jì)模糊推理結(jié)構(gòu)、選擇解模糊判決的方法。
1)輸入和輸出變量的定義由圖4可知，模糊控制器采用了典型的二輸入一輸出的處理結(jié)構(gòu)，即模糊控制器使用了兩個(gè)輸入變量來計(jì)算一個(gè)反饋速率參數(shù)ER的增量，這里，我們選擇交換機(jī)輸出緩沖區(qū)作為控制對(duì)象，其瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度作為受控參數(shù)。因此，我們采用輸入變量e(n)用來跟蹤緩沖區(qū)隊(duì)列的當(dāng)前狀態(tài)；其變化率Δe(n)用于提供未來隊(duì)列狀態(tài)的預(yù)測(cè)。通過用下一采樣周期內(nèi)交換機(jī)提供的ER增量作為輸出控制參數(shù)，可以使得ABR(可用比特速率)服務(wù)源端更易于響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載或緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度的突然變化。
2)論域與隸屬函數(shù)的確定由受控過程(交換機(jī)輸出緩沖區(qū))的實(shí)際情況可知，隊(duì)列長(zhǎng)度q(n)的變化范圍是
，其中B是該緩沖區(qū)的大小。因此，兩個(gè)輸入變量的測(cè)量范圍分別是e(n)∈[QT-B，QT]，Δe(n)∈[-B/T，+B/T]；根據(jù)鏈路的帶寬C，可以確定輸出控制變量的作用范圍是ΔER∈[-C，C]。由上面，我們可以看到，無論是輸入變量還是輸出變量，它們都是精確量。要采用模糊控制技術(shù)就必須首先把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。每一個(gè)輸入值都可以對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集合，而一個(gè)范圍連續(xù)變化的值就可有無限多個(gè)模糊集合，這在實(shí)際應(yīng)用時(shí)是毫無意義的。為了便于實(shí)現(xiàn)，通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級(jí)。這里，為了減少模糊控制器的計(jì)算量而又保持較高的控制分辨率，三個(gè)語言變量均模糊劃分為五個(gè)模糊子集如{NB，NS，ZE，PS，PB}，我們選擇量化因子KE＝KD＝1。定義上面三個(gè)量的隸屬函數(shù)可采用吊鐘形、梯形和三角形，理論上說吊鐘形最為理想，但是計(jì)算復(fù)雜；實(shí)踐證明，用三角形和梯形函數(shù)其性能并沒有十分明顯的差別；因此為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們采用最常用的三角形和梯形相結(jié)合的函數(shù)。圖5--圖7顯示了各語言變量模糊子集所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)曲線。圖中QE＝ME×QT，QEC＝MEC×QT/T，QΔ＝MΔ×C；這里選擇ME＝MEC＝0.08，MΔ＝0.5，QT＝150cells，B＝5000cells，T＝1ms。
3)流量控制規(guī)則和模糊邏輯推理機(jī)的設(shè)計(jì)根據(jù)輸入和輸出變量的個(gè)數(shù)，就可以求出所需規(guī)則的最大數(shù)目N＝n_out×(n_level)n_in式中n_in是輸入變量的個(gè)數(shù)，本文中為2，即e(n)和Δe(n)；n_out是輸出變量的個(gè)數(shù)，本文中為1，即Δer(n+1)；n_level是輸入與輸出模糊等級(jí)劃分的數(shù)目；因此，本文規(guī)則的最大數(shù)目是25個(gè)。
模糊推理是整個(gè)模糊控制器的核心，該推理過程是基于模糊邏輯中蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則進(jìn)行的。根據(jù)模糊集合和模糊關(guān)系理論，對(duì)于不同類型的模糊規(guī)則可用不同的模糊推理方法。為了保證控制器的穩(wěn)定性，減少受控參數(shù)的超調(diào)量和振蕩現(xiàn)象，我們采用如下形式的模糊規(guī)則。如(1)“如果隊(duì)列長(zhǎng)度小而且隊(duì)列長(zhǎng)度減少得快，那么交換機(jī)可支持的速率增加快?！?2)“如果隊(duì)列長(zhǎng)度適中而且隊(duì)列長(zhǎng)度減少得慢，那么交換機(jī)可支持的速率不變?！?3)“如果隊(duì)列長(zhǎng)度很大而且隊(duì)列長(zhǎng)度不變化，那么交換機(jī)可支持的速率減少慢。”為了形式化，可以表示為(1)IF E is PS and EC is PB THENΔER is PB(2)IF E is ZE and EC is PS THENΔER is ZE(3)IF E is NB and EC is ZE THENΔER is NS其中IF部分的“x is a and y is b”稱為前件部，THEN部分的“z is c”稱為后件部。根據(jù)緩沖區(qū)特性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，模糊流量控制規(guī)則設(shè)計(jì)為表1所示。
模糊控制器采用最小-最大推理法(min-max)進(jìn)行模糊推理。這種推理方法是先在推理前件中選取各個(gè)條件中隸屬度最小的值(即“最不適配”的隸屬度)作為這條規(guī)則的適配程度，以得到這條規(guī)則的結(jié)論，這稱為取小min操作；再對(duì)各個(gè)規(guī)則的結(jié)論綜合選取最大適配度的部分，即取大max操作。
表1模糊控制器控制規(guī)則表

解模糊判決方法的選擇推理機(jī)的模糊輸出乘以比例因子KU后送入解模糊模塊進(jìn)行處理，本發(fā)明選擇KU＝0.08。這里，經(jīng)過模糊推理得到的控制輸出是一個(gè)模糊隸屬函數(shù)或者模糊子集，它反映了控制語言的模糊性，這是一種不同取值的組合。然而在實(shí)際應(yīng)用中要控制一個(gè)物理對(duì)象，只能在某一個(gè)時(shí)刻有一個(gè)確定的控制量，這就必須要從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個(gè)最能代表這個(gè)模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精確量，這就是解模糊判決。從數(shù)學(xué)上講，這是一個(gè)從輸出論域所定義的模糊控制作用空間到精確控制作用空間的映射。目前最常用的方法是最大準(zhǔn)則法、最大隸屬度平均法和重心法。其中，重心法是一種廣泛使用的方法。用這種方法找出所截隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心，其實(shí)質(zhì)是找出控制作用可能性分布的重心。在輸出是離散值集合的情況下，模糊控制器的輸出控制量可以用下式求得Δer(n+1)＝[∑μ(zi)×zi]/∑μ(zi)其中μ(zi)為各規(guī)則的結(jié)論隸屬度，zi是各規(guī)則結(jié)論的代表點(diǎn)，即重心橫坐標(biāo)。
交換機(jī)可支持的顯示速率為r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}式中帶寬限制因子β＝1.1，它用于限制由于鏈路距離過長(zhǎng)引起的受控參數(shù)超調(diào)量過大，從而可以減少控制器的信元丟失；Sat為截?cái)嗪瘮?shù)。計(jì)算顯示速率r(n+1)的過程可以在模糊PD流量控制器中完成，也可以在模糊PD流量控制器的外部完成。
下面根據(jù)上面的PD控制器和模糊控制器的理論，詳細(xì)說明本發(fā)明的模糊PD流量控制器的具體控制方法圖1中描述了一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖，該網(wǎng)絡(luò)中包括源端用戶、目的端用戶和n個(gè)交換機(jī)，本發(fā)明中的模糊PD流量控制器就是組成交換機(jī)的一部分，模糊PD流量控制器的具體運(yùn)行過程如下交換機(jī)(見圖2)中的模糊PD流量控制器每隔一個(gè)時(shí)間周期(如T秒)采樣一次交換機(jī)中的緩沖區(qū)(如輸入緩沖區(qū)或輸出緩沖區(qū))的隊(duì)列長(zhǎng)度(如q)，在第n個(gè)采樣周期采樣的隊(duì)列長(zhǎng)度設(shè)為q(n)。設(shè)定一個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度希望值或擁塞閾值，作為目標(biāo)值(QT)。在第n個(gè)時(shí)間周期，q(n)和QT是模糊PD流量控制器的輸入量。交換機(jī)計(jì)算出QT-q(n)，稱為控制誤差e(n)，即e(n)＝QT-q(n)，并保存e(n)。然后該交換機(jī)計(jì)算[e(n)-e(n-1)]/T，稱為e(n)的變化率，用Δe(n)表示，即Δe(n)＝[e(n)-e(n-1)]/T，e(n-1)是在n-1時(shí)間周期中計(jì)算出來并保存的量，稱為n-1時(shí)間周期中的控制誤差。其中采樣緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度和對(duì)e(n)和Δe(n)的計(jì)算在模糊PD流量控制器的采樣和計(jì)算單元中進(jìn)行，如圖3所示，將計(jì)算得到的所述e(n)和Δe(n)輸入到模糊PD流量控制器的模態(tài)選擇開關(guān)，模態(tài)選擇開關(guān)執(zhí)行選擇操作，其根據(jù)e(n)的大小來選擇采用PD控制器還是模糊控制器，當(dāng)e(n)大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值(可以根據(jù)具體情況設(shè)置)時(shí)，選擇模糊控制器，將e(n)、Δe(n)輸入到模糊控制器；反之，選擇PD控制器，將e(n)、Δe(n)輸入到PD控制器。
如果選擇模糊控制器，模糊控制器的模糊化單元將e(n)和Δe(n)分別進(jìn)行模糊化處理，得出兩個(gè)輸入模糊量E和EC，然后根據(jù)制定的規(guī)則庫進(jìn)行模糊推理，得出一個(gè)輸出模糊量ΔER，接著通過解模糊模塊，得出一個(gè)精確輸出值Δer(n+1)，最后顯示速率計(jì)算裝置根據(jù)公式r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}得出一個(gè)n+1時(shí)間周期內(nèi)要用到的輸出控制量r(n+1)，該輸出控制量被作為反饋速率參數(shù)ER被交換機(jī)發(fā)送到源端用戶。
如果選擇PD控制器，PD控制器根據(jù)公式r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KD[e(n)-e(n-1)]/T，0}計(jì)算出r(n+1)。在具有多個(gè)交換機(jī)且交換機(jī)中具有模糊PD流量控制器的系統(tǒng)中(參考圖1)，交換機(jī)中的一個(gè)最小值計(jì)算模塊將此r(n+1)與收到的其它交換機(jī)中的模糊PD流量控制器產(chǎn)生并發(fā)送來的r(n+1)進(jìn)行比較，如圖2中的求最小運(yùn)算Min，該運(yùn)算可以是在交換機(jī)中的一個(gè)運(yùn)算模塊中進(jìn)行，將運(yùn)算得到的最小值作為反饋速率參數(shù)ER反饋給源端用戶(如圖2中的源端用戶I)，每個(gè)源端用戶根據(jù)這個(gè)反饋的最小r(n+1)調(diào)節(jié)各自的數(shù)據(jù)(如信元Cell，分組)發(fā)射速率，對(duì)于如何調(diào)節(jié)各自的數(shù)據(jù)發(fā)射速率，均是成熟的現(xiàn)有技術(shù)，這里就不再詳細(xì)描述。
下面列舉幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例及相應(yīng)性能，圖8是含有單一瓶頸鏈路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中5個(gè)ABR(可用比特速率)用戶和一個(gè)合成的VBR(可變比特速率)用戶共享一條瓶頸鏈路。
所有源端/目的端系統(tǒng)與交換機(jī)sw1或sw2之間的鏈路距離均為10km，鏈路速率為149.79Mbits/s，主干瓶頸鏈路參數(shù)如圖8所示。圖中S1至S5表示ABR服務(wù)的源端系統(tǒng)，D1至D5是其對(duì)應(yīng)的目的端系統(tǒng)。
對(duì)于ABR業(yè)務(wù)，我們使用具有貪婪性質(zhì)的源，這樣可以使每個(gè)用戶能夠充分利用其可用帶寬。表2列出了圖8中ABR端系統(tǒng)所用的主要參數(shù)值；表2 ABR服務(wù)端系統(tǒng)主要參數(shù)

圖中Svbr所表示的VBR業(yè)務(wù)源是一個(gè)屬于泊松隨機(jī)過程的ON-OFF過程。在ON狀態(tài)時(shí)間內(nèi)，它以20Mbits/s的速率產(chǎn)生信元；在OFF狀態(tài)下其產(chǎn)生信元的速率為0。每個(gè)ON或OFF狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間均為2.5ms，因此VBR源產(chǎn)生信元的平均速率是10Mbits/s；實(shí)際的ON和OFF狀態(tài)的區(qū)間服從指數(shù)分布。所有源在時(shí)刻0開始發(fā)送信元。
在這個(gè)系統(tǒng)中，我們主要調(diào)查網(wǎng)絡(luò)受控參數(shù)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。我們以最大瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度和響應(yīng)時(shí)間作為反映網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)主要瞬態(tài)性能指標(biāo)；以穩(wěn)態(tài)誤差(受控參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值一交換機(jī)輸出緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度閾值之間的誤差)作為主要的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。
我們假設(shè)VBR VC(即Svbr，Dvbr)不起作用，因此網(wǎng)絡(luò)中可用鏈路帶寬和活動(dòng)VCs數(shù)都是固定的，所用網(wǎng)絡(luò)模型如圖8所示。圖10和圖11分別給出了瓶頸交換機(jī)(sw1)輸出緩沖區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度和一個(gè)ABR(可用比特速率)源端系統(tǒng)(如S1)ACR(衰減串?dāng)_比)的動(dòng)態(tài)特性。從圖10中我們知道機(jī)制的穩(wěn)定性與模態(tài)切換閾值的選擇無關(guān)，即受控參數(shù)(隊(duì)列長(zhǎng)度q)總是收斂到其目標(biāo)值QT。圖11表明機(jī)制的控制參數(shù)ACR的收斂性同樣與模態(tài)切換閾值的選擇無關(guān)，并且總是收斂到瓶頸鏈路總?cè)萘?0Mbits/s的1/5即10Mbits/s；這表明全部ABR源端系統(tǒng)的ACR之和等于瓶頸鏈路帶寬容量，因此該機(jī)制具有很高的帶寬利用率。從圖10和11中，我們也可以看到在穩(wěn)態(tài)時(shí)，模糊PD流量控制器的受控參數(shù)和控制參數(shù)均不存在“毛刺”。由上，我們可以得出結(jié)論模糊PD控制機(jī)制是穩(wěn)定的，其穩(wěn)態(tài)誤差為0(充分利用緩沖區(qū)資源)，可充分利用鏈路帶寬；此外，模態(tài)切換閾值的選擇對(duì)控制器的穩(wěn)態(tài)性能沒有影響。因此，模糊PD流量控制器具有更好的穩(wěn)態(tài)特性。
從圖10和11可知模態(tài)切換閾值的選擇對(duì)控制器瞬態(tài)特性的影響很大。表3列出了模態(tài)切換閾值的選擇對(duì)控制器瞬態(tài)特性(受控參數(shù))有關(guān)性能參數(shù)的影響。
表3模態(tài)切換閾值對(duì)控制器瞬態(tài)特性的影響

從表中可知隨著模態(tài)切換閾值的增加，對(duì)控制器瞬態(tài)特性的影響將從模糊控制器逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镻D控制器，這與我們?cè)O(shè)計(jì)模糊PD流量控制器時(shí)的分析一致。當(dāng)模態(tài)切換閾值小于45cells(30％)時(shí)，模糊控制起主要作用；當(dāng)模態(tài)切換閾值大于75(50％)時(shí)，PD控制起主要作用。模態(tài)切換閾值在45cells到75cells之間時(shí)，機(jī)制綜合了兩種控制作用的特長(zhǎng)，并獲得了較好的瞬態(tài)特性快的響應(yīng)時(shí)間、低的超調(diào)。
由此可知，當(dāng)選擇合適的模態(tài)切換閾值時(shí)，模糊PD流量控制器可以獲得低的超調(diào)，從而可提高網(wǎng)絡(luò)的性能；與PD控制器相比，模糊PD流量控制器具有更快的響應(yīng)時(shí)間。
下面描述當(dāng)可用鏈路容量改變時(shí)，也即網(wǎng)絡(luò)中存在干擾時(shí)，瓶頸交換機(jī)隊(duì)列長(zhǎng)度和ABR源端ACR值的動(dòng)態(tài)特性。網(wǎng)絡(luò)模型如圖8。圖12所示為一個(gè)ABR源端系統(tǒng)如S1的ACR和交換機(jī)sw1隊(duì)列長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)特性。
由圖12(b)可知ACR值在(50-10)/5Mbps即8Mbps的穩(wěn)態(tài)值附近振蕩，所以鏈路帶寬得到了充分的利用。與ACR相似，圖12(a)所示的隊(duì)列長(zhǎng)度在希望值QT附近振蕩；由于隊(duì)列長(zhǎng)度控制在目標(biāo)值附近振蕩，所以交換機(jī)緩沖區(qū)也得到了充分的利用。由上可以得出結(jié)論，模糊PD流量控制器也具有抗干擾性能，它同樣可以應(yīng)用于ABR和VBR共存的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中并可充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源。
圖9為多跳(hop)網(wǎng)絡(luò)仿真模型，圖中所有鏈路速率均為150Mbits/s。ABR端系統(tǒng)所用參數(shù)值與表2參數(shù)值基本相同，唯一區(qū)別是其PCR＝200Mbits/s。圖中SA1、SA2、SB1、SB2、SC1至SC6表示ABR服務(wù)的源端系統(tǒng)，DA1、DA2、DB1、DB2、DC1至DC6是其對(duì)應(yīng)的目的端系統(tǒng)。這里魯棒性是指當(dāng)活動(dòng)ABR VCs數(shù)發(fā)生變化時(shí)，控制器仍然是穩(wěn)定的。為了調(diào)查魯棒性，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我們采用圖13所示的ABR源特性，目的是使活動(dòng)ABR VCs數(shù)發(fā)生變化。圖14是仿真結(jié)果，從圖中可知，模糊PD流量控制器迅速響應(yīng)活動(dòng)ABR VCs數(shù)的變化。從圖14(a)可知隊(duì)列長(zhǎng)度是分段穩(wěn)定的并且在有限時(shí)間內(nèi)總是收斂到目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度QT；從圖14(b)可知ACR隨著活動(dòng)ABR VCs數(shù)增加而降低，隨著活動(dòng)ABR VCs數(shù)的減少而升高。由上可以得出結(jié)論模糊PD流量控制器是魯棒的。
我們利用ACR的動(dòng)態(tài)特性來考察公平性，還是用如圖9所示的網(wǎng)絡(luò)模型。從圖15(a)可以看到對(duì)交換機(jī)隊(duì)列長(zhǎng)度的緊密控制使每個(gè)源端系統(tǒng)的ACR收斂到各自VC組的期望公平分享值，如圖15(b)中所示。同一組中不同VC(如SA1和SA2對(duì)應(yīng)的VC)間的公平性同樣可以達(dá)到，這里由于版面空間所限僅畫出了每組中一個(gè)VC的ACR曲線。但是可以看出，模糊PD流量控制器同樣是公平的。
另外，從圖15中我們也可以知道，對(duì)于不同組的鏈路，它們各自的距離也大不一樣，而瓶頸交換機(jī)的隊(duì)列長(zhǎng)度均是收斂的。由此可以同時(shí)得出結(jié)論，模糊PD流量控制器對(duì)于距離(或往返傳輸時(shí)間RTT)的影響也是魯棒的。
由上述實(shí)施例可知，本發(fā)明的模糊PD流量控制器具有更好的穩(wěn)態(tài)特性，具有抗干擾性能，而且模糊PD流量控制器同樣是公平的和魯棒的。本發(fā)明的方法，可以應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量控制方法，也可以應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心網(wǎng)、接入網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)流量控制方法。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法，包括如下步驟1)每隔一個(gè)時(shí)間周期采樣緩沖區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度；2)將預(yù)先設(shè)定的擁塞閾值減去所述隊(duì)列長(zhǎng)度得到控制誤差e(n)；3)將所述控制誤差減去上個(gè)時(shí)間周期獲得的控制誤差得到的值除以時(shí)間周期得到控制誤差的變化率Δe(n)；4)判斷在步驟2)中得到的控制誤差，如果該控制誤差大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇模糊控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到模糊控制器，所述模糊控制器輸出交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；如果該控制誤差不大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇PD控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到PD控制器，所述PD控制器輸出可支持的顯示速率r(n+1)；其中n為整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法，其特征在于，所述模糊控制器接收到所述控制誤差和所述控制誤差的變化率后，進(jìn)行如下處理1)將所述控制誤差和所述變化率進(jìn)行模糊化處理，獲得相應(yīng)的模糊語言變量；2)根據(jù)規(guī)則庫對(duì)所述模糊語言變量進(jìn)行推理獲得反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER；3)將所述反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER進(jìn)行解模糊得到模糊控制器的輸出控制量Δer(n+1)，根據(jù)所述輸出控制量得到交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法，其特征在于，所述模糊控制器根據(jù)下式計(jì)算得到交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}，其中C為鏈路的帶寬，β為帶寬限制因子，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，Sat為截?cái)嗪瘮?shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法，其特征在于，所述PD控制器根據(jù)下式計(jì)算可支持的顯示速率r(n+1)，r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KDΔe(n)，0}，其中，r(n)是在[(n-1)T, nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，KP和KD分別稱為比例常數(shù)和微分常數(shù)。
5.一種通信系統(tǒng)，包括至少一個(gè)交換機(jī)，其特征在于，所述交換機(jī)包括一個(gè)模糊PD流量控制器，所述模糊PD流量控制器包括采樣和計(jì)算單元，用于每隔一個(gè)時(shí)間周期采樣緩沖區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度，將預(yù)先設(shè)定的擁塞閾值減去所述隊(duì)列長(zhǎng)度得到控制誤差e(n)以及將所述控制誤差減去上個(gè)時(shí)間周期獲得的控制誤差得到的值除以時(shí)間周期得到控制誤差的變化率Δe(n)，將所述控制誤差和所述變化率輸出到模態(tài)選擇開關(guān)；模態(tài)選擇開關(guān)，對(duì)所述控制誤差進(jìn)行判斷，如果該控制誤差大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇模糊控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到模糊控制器；如果該控制誤差不大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇PD控制器，將所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸入到PD控制器；模糊控制器，根據(jù)輸入的所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸出模糊控制器的輸出控制量Δer(n+1)或交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；PD控制器，根據(jù)輸入的所述控制誤差和所述控制誤差的變化率輸出交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)，用于控制源端速率；其中n為整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種通信系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊控制器包括模糊化單元，將所述控制誤差和所述變化率進(jìn)行模糊化處理，獲得相應(yīng)的模糊語言變量；推理機(jī)單元，根據(jù)規(guī)則庫對(duì)所述模糊語言變量進(jìn)行推理獲得反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER；解模糊單元，將所述反饋速率參數(shù)ER的增量的模糊語言變量ΔER進(jìn)行解模糊得到模糊控制器的輸出控制量Δer(n+1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種通信系統(tǒng)，其特征在于，所述模糊控制器還包括顯示速率計(jì)算裝置，根據(jù)下式計(jì)算交換機(jī)可支持的顯示速率r(n+1)r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}，其中，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，C為鏈路的帶寬，β為帶寬限制因子，Sat為截?cái)嗪瘮?shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的一種通信系統(tǒng)，其特征在于，所述PD控制器根據(jù)下式計(jì)算可支持的顯示速率r(n+1)，r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KDΔe(n)，0}，其中，r(n)是在[(n-1)T，nT]時(shí)間區(qū)間內(nèi)所計(jì)算的交換機(jī)可支持的顯式速率，KP和KD分別稱為比例常數(shù)和微分常數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的模糊PD流量控制方法及設(shè)備，方案如下每隔一個(gè)時(shí)間周期采樣緩沖區(qū)的隊(duì)列長(zhǎng)度；將預(yù)先設(shè)定的擁塞閾值減去所述隊(duì)列長(zhǎng)度得到控制誤差e(n)；將所述控制誤差減去上個(gè)時(shí)間周期獲得的控制誤差得到的值除以時(shí)間周期得到控制誤差的變化率Δe(n)；如果該控制誤差大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇模糊控制器工作；如果該控制誤差不大于某個(gè)事先設(shè)定的閾值時(shí)，選擇PD控制器工作；采用本發(fā)明的方法和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)公平合理地向終端用戶分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)時(shí)有效地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，控制網(wǎng)絡(luò)的擁塞，保證終端用戶的服務(wù)質(zhì)量。
文檔編號(hào)H04L12/56GK1980188SQ200510127948
公開日2007年6月13日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者張孝林 申請(qǐng)人:聯(lián)想(北京)有限公司