專利名稱：一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地講是一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法。

背景技術(shù)：
由于應(yīng)用成本低和柔韌性高等特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)領(lǐng)域的自動(dòng)控制應(yīng)用中，如遠(yuǎn)程工業(yè)控制、生產(chǎn)車(chē)間自動(dòng)化和裝備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等。因此近年來(lái)，結(jié)合了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NSC)在工業(yè)領(lǐng)域中逐步引起了人們的高度重視，并獲得了廣泛的應(yīng)用。NCS是由傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)分布式實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。它可以有效的減少系統(tǒng)布線的復(fù)雜程度，增加系統(tǒng)的柔韌性，實(shí)現(xiàn)制造資源的共享和協(xié)同操作，并最終使整個(gè)大規(guī)模分布式系統(tǒng)的控制性能得到有效提升。然而，盡管NCS具有上述多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，通信網(wǎng)絡(luò)的存在卻增加了系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的難度。由于控制系統(tǒng)中的控制序列是實(shí)時(shí)相關(guān)的，因此網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間對(duì)于NCS的性能保證至關(guān)重要。但是，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中由于路由器數(shù)據(jù)傳輸和流量擁塞所造成的網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)時(shí)延卻是不可避免的。NCS中前向通道和反向通道的數(shù)據(jù)傳輸隨機(jī)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能影響顯著，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)若不考慮網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)時(shí)延的存在將會(huì)降低控制性能，甚至造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，掌握數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，并在此基礎(chǔ)上采取有效的時(shí)延補(bǔ)償策略，對(duì)于保證NCS的可靠性、提升系統(tǒng)的控制性能具有顯著的意義。
在理論上，NCS中的前向和反向時(shí)延可以通過(guò)記錄發(fā)送端和接收端分組的時(shí)間標(biāo)簽，根據(jù)兩個(gè)標(biāo)簽的時(shí)間量相減獲得。在分別得到準(zhǔn)確的前向和反向通道單向時(shí)延后，可進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)延補(bǔ)償，從而保證系統(tǒng)可靠并高效的運(yùn)行。文獻(xiàn)[1，2]就是采用這種策略來(lái)獲得NCS中前向和反向通道的單向時(shí)延。然而，這種策略的實(shí)現(xiàn)必須是在發(fā)送端與接收端時(shí)鐘同步的前提下。在實(shí)際應(yīng)用中，NCS系統(tǒng)兩端的時(shí)鐘通常是不同步的，因此這種策略很難在實(shí)際環(huán)境中適用。文獻(xiàn)[3，4]嘗試通過(guò)時(shí)鐘同步的策略解決此類問(wèn)題，但是由于NCS具有大規(guī)模、分布式和異構(gòu)性等特點(diǎn)，使得全局時(shí)鐘同步策略很難在NCS應(yīng)用中取得較好的效果。綜上所述，根據(jù)NCS的系統(tǒng)特性和應(yīng)用特點(diǎn)，無(wú)需系統(tǒng)全局時(shí)鐘同步的單向時(shí)延估計(jì)策略將是獲得前向和反向通道單向時(shí)延有效并可行的途徑。
單向時(shí)延估計(jì)策略具有代表性的算法協(xié)議有往返時(shí)間(RoundTrip Time，RTT)算法。RTT記錄的是一個(gè)分組從發(fā)射端到接收端再返回需要的時(shí)間，由于整個(gè)過(guò)程均是采用發(fā)射端的時(shí)鐘進(jìn)行記錄，因此無(wú)需考慮全局時(shí)鐘同步的問(wèn)題。該算法在獲得RTT值后，取其1/2的值作為NCS前向和反向通道的單向時(shí)延值。然而，在現(xiàn)實(shí)的NCS應(yīng)用中，分組傳遞的通信鏈路往往是不對(duì)稱的，鏈路帶寬、通信競(jìng)爭(zhēng)程度，甚至分組的傳遞路徑也不盡相同，這就使得前向和反向通道的單向時(shí)延并不相等，因此簡(jiǎn)單的取RTT的1/2值作為單向時(shí)延的估計(jì)值是無(wú)法在實(shí)際工程中適用的。一些工作通過(guò)設(shè)置測(cè)量分組傳遞的時(shí)鐘偏差和時(shí)鐘頻差來(lái)克服時(shí)鐘不同步對(duì)單向時(shí)延估計(jì)造成的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)估計(jì)分組傳遞兩端的相對(duì)時(shí)鐘偏差來(lái)完成單向時(shí)延的估計(jì)，但是這種方法只能在鏈路始終對(duì)稱的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中適用。為了克服上述不足，文獻(xiàn)[6]通過(guò)測(cè)量通信鏈路上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)時(shí)鐘偏差，并將這些偏差值相加，從而得到系統(tǒng)兩端的相對(duì)時(shí)鐘偏差值。這種方法要求通信路徑中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)始終參與計(jì)算，因此會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)多且不必要的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷和負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)[7]通過(guò)測(cè)量通信鏈路的時(shí)鐘偏差和頻差來(lái)完成單向時(shí)延的估計(jì)工作，但是這種方法實(shí)現(xiàn)的前提條件是鏈路時(shí)延、傳輸時(shí)延和錯(cuò)誤率等參量必須相等，這種前提條件過(guò)于理想化，因此很難適用于實(shí)際的NCS應(yīng)用。近年來(lái)，大部分的工作開(kāi)始主要關(guān)注于通過(guò)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流來(lái)進(jìn)行單向時(shí)延的估計(jì)，這種估計(jì)方式主要分為兩種方法在線式單向時(shí)延估計(jì)和端到端單向時(shí)延估計(jì)。文獻(xiàn)[8]是一種典型的在線式估計(jì)方法，通過(guò)測(cè)量分組通過(guò)每個(gè)路由器的隊(duì)列時(shí)延，取所有測(cè)量的隊(duì)列時(shí)延之和作為網(wǎng)絡(luò)的單向時(shí)延值。在線式估計(jì)方法需要所有路由器始終參與到單向時(shí)延估計(jì)的運(yùn)算中，因此會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)巨大的計(jì)算開(kāi)銷和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。端到端的估計(jì)方法只需系統(tǒng)兩端的節(jié)點(diǎn)參與計(jì)算，因此可以有效克服在線式估計(jì)方法存在的缺陷。文獻(xiàn)[9-11]即是利用端到端的估計(jì)方法獲得網(wǎng)絡(luò)的單向時(shí)延值。文獻(xiàn)[9]通過(guò)在系統(tǒng)兩端測(cè)量分組之間的發(fā)送和到達(dá)時(shí)間間隔，利用傅立葉域-時(shí)間域的迭代重構(gòu)算法估計(jì)得到端到端單向隊(duì)列時(shí)延的分布特性，從而獲得單向時(shí)延估計(jì)值。然而，這種方法無(wú)法準(zhǔn)確的獲得每個(gè)分組的單向時(shí)延值，而且并不是針對(duì)NCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]則需要在無(wú)網(wǎng)絡(luò)擁塞的狀態(tài)下測(cè)量參考標(biāo)量值，無(wú)網(wǎng)絡(luò)擁塞的前提條件極大的限制了方法的應(yīng)用范圍，并且是不符合實(shí)際情況的。文獻(xiàn)[11]可以分別有效的估計(jì)出網(wǎng)絡(luò)前向和反向的單向時(shí)延值。該方法的準(zhǔn)確度主要依靠于參考標(biāo)量值，但是采用的啟發(fā)式估算方法很難獲得精確的參考標(biāo)量值。此外，該算法并不是針對(duì)NCS設(shè)計(jì)，無(wú)法直接適用于NCS應(yīng)用中。綜上所述，由于當(dāng)前的方法或多或少都還存在著理論上的缺陷與不足，并且在實(shí)際環(huán)境中也還存在著較大的應(yīng)用局限性，因此NCS中前向和反向控制通道的單向時(shí)延估計(jì)仍是一個(gè)不小的難題。
相關(guān)的技術(shù)文獻(xiàn)有以下十一篇Liu GP，Xia YQ，Rees D，Hu WS.Networked predictive control ofsystems with random network delays in both forward and feedbackchannels.IEEE Trans.on Industrial Electronics 2007，54(3)1282-1297.Liu GP，Rees D.Stability criteria of networked predictive controlsystems with random network delay.In44th IEEE Conference onDecision and Control.2005.Mills D.Improved algorithms for synchronizing computer networkclocks.IEEE/ACM Transactions on Networking 1995，3(3)245-254.Johannessen S.Time synchronization in a local area network.IEEEControl Systems Magazine 2004，24(2)61-69.Paxson V.On calibrating measurements of packet transit times.InInternational Conference on Measurement and Modeling of ComputerSystems.1998.Luong DD，Biro J.Partial methods versus end-to-end measurements[EB/OL].http://citeseer.ist.psu.edu/382657.html.2004.Tsuru M，Takine T，Oie YJ.Estimation of clock offset from one-waydelay measurement on asymmetric paths.InInternationalSymposium on Applications and the Internet.2002.Shao QK，Yu L，Zhang GJ.Online delay evaluation and controllerco-design for networked control systems.Acta Automatica Sinica2007，33(7)781-784.Gu WX，Yu SZ.Novelapproach to measure and estimate one-wayqueuing delay without clock synchronization.Journal onCommunications 2007，28(9)104-111.Joo I，Song J，Park J，Lee SS，Paik E.Performance monitoring formultimedia traffic using differentiated probe(DiffProbe).InWorkshop in Multimedia Communications and Computing.2007.Choi JH，Yo C.One-way delay estimation and its application.Computer Communications(Elsevier)2005，28819-828.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)合在線式測(cè)量和端到端估計(jì)的相關(guān)機(jī)制，僅對(duì)于系統(tǒng)控制初始幀的單向時(shí)延采用在線式測(cè)量方法進(jìn)行估計(jì)，并將其作為系統(tǒng)運(yùn)算的參考標(biāo)量，而對(duì)于后續(xù)的系統(tǒng)前向和反向時(shí)延，則采用端到端的測(cè)量方法，基于前期獲得的系統(tǒng)控制初始幀參考標(biāo)量，結(jié)合系統(tǒng)兩端獲得的RTT值，通過(guò)端系統(tǒng)的運(yùn)算得出時(shí)延估計(jì)值的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法是將在線式測(cè)量策略與端到端估計(jì)策略相結(jié)合，首先采用基于路由器時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的在線式測(cè)量方法，對(duì)NCS系統(tǒng)中從執(zhí)行器端發(fā)出的控制啟動(dòng)初始幀的在線式單向時(shí)延進(jìn)行測(cè)量估計(jì)，并得出相對(duì)精確的估計(jì)值。接著，通過(guò)采用兩端本地時(shí)鐘記錄下兩端的RTT值，并以前期得到的控制啟動(dòng)初始幀估計(jì)值為參考標(biāo)量，通過(guò)端系統(tǒng)計(jì)算最終分別得出NCS系統(tǒng)端到端的前向和反向通道中的單向時(shí)延值，從而為保證NCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能提供有效的支持。
上述控制啟動(dòng)初始幀的在線式單向時(shí)延估計(jì)和端到端的前向和反向時(shí)通道中的單向時(shí)延值兩部分中 第一部分為NCS系統(tǒng)中基于時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的控制啟動(dòng)初始幀在線式估計(jì)，包括NCS系統(tǒng)控制啟動(dòng)初始幀的發(fā)出、基于路由器的時(shí)延組成分析、基于分組傳遞路徑的在線式時(shí)延計(jì)算； 第二部分為基于參考標(biāo)量和兩端RTT計(jì)算的端到端單向時(shí)延估計(jì)，包括系統(tǒng)兩端RTT值的計(jì)算，以控制啟動(dòng)初始幀估計(jì)值為參考標(biāo)量的反向單向時(shí)延計(jì)算，基于本地RTT值和反向時(shí)延估計(jì)值的前向單向時(shí)延計(jì)算。
上述基于時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的控制啟動(dòng)初始幀在線式估計(jì)的步驟是 第一步驟NCS系統(tǒng)控制啟動(dòng)初始幀從執(zhí)行器端向控制器端發(fā)出，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自于控制端的信息，則重發(fā)控制啟動(dòng)初始幀，直至接收到來(lái)自于控制端的信息； 第二步驟控制啟動(dòng)初始幀在傳遞過(guò)程中，基于路由器中分組傳遞的時(shí)延組成，計(jì)算得出經(jīng)歷單個(gè)路由器的時(shí)延，并保存在分組中； 第三步驟到達(dá)控制器端后，統(tǒng)計(jì)經(jīng)歷路徑中的路由器數(shù)量，依據(jù)記錄下的經(jīng)歷每個(gè)路由器的時(shí)延，綜合考慮鏈路時(shí)延的補(bǔ)償，計(jì)算出控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延值。
上述基于參考標(biāo)量和兩端RTT計(jì)算的端到端單向時(shí)延估計(jì)的步驟是 第一步驟通過(guò)信息的交互，系統(tǒng)兩端分別采用本地時(shí)鐘記錄下每次分組的RTT值； 第二步驟基于獲得的RTT值，分別在兩端的端系統(tǒng)中計(jì)算單向時(shí)延值； 第三步驟以通過(guò)在線式測(cè)量方法獲得的控制啟動(dòng)初始幀時(shí)延值為參考標(biāo)量，在端系統(tǒng)中計(jì)算得出系統(tǒng)的反向時(shí)延值； 第四步驟基于獲得的RTT值和反向時(shí)延值，計(jì)算出相應(yīng)的系統(tǒng)前向時(shí)延值。
上述控制初始幀的在線式單向時(shí)延估計(jì)的具體步驟是 第一步驟NCS系統(tǒng)的控制初始幀從執(zhí)行器端向控制器端發(fā)出； 第二步驟在每個(gè)路由器的鏈路接入層均設(shè)有分組探測(cè)器，以此記錄下每個(gè)分組從路由器的鏈路層進(jìn)入和離開(kāi)的時(shí)間，t1和t2； 第三步驟計(jì)算分組經(jīng)過(guò)單個(gè)路由器所需時(shí)間，每個(gè)分組經(jīng)過(guò)路由器的時(shí)延由傳輸時(shí)延dt，隊(duì)列時(shí)延dq，和處理時(shí)延dproc組成，其基于第二步驟可獲得分第組經(jīng)過(guò)第n個(gè)路由器的隊(duì)列時(shí)延dq與處理時(shí)延dproc之和 dq(n)+dproc(n)＝t2(n)-t1(n) 而傳輸時(shí)延dt則由輸入傳輸時(shí)延dtin和輸出傳輸時(shí)延dtout組成，其大小與網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆纸M大小和鏈路帶寬有關(guān)，通過(guò)下式得出 因此，控制初始分組經(jīng)過(guò)第n個(gè)路由器所消耗的時(shí)延之和T(n)為 第四步驟在線估計(jì)控制初始分組的單向時(shí)延設(shè)定分組從執(zhí)行器端出發(fā)，到達(dá)控制器端，經(jīng)歷了m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則總時(shí)延為 其中，tprop為每條鏈路的傳播時(shí)延補(bǔ)償值， 上述端到端的前向和反向時(shí)延估計(jì)的具體步驟是 先做如下定義 Sn控制器端的時(shí)間值； Rn執(zhí)行器端的時(shí)間值； tnNCS前向通道時(shí)延； knNCS反向通道時(shí)延； RTT(s，n)控制器端記錄的RTT值； RTT(r，n)執(zhí)行器端記錄的RTT值， 第一步系統(tǒng)運(yùn)行后，分別記錄執(zhí)行器端和控制器端的RTT值， 執(zhí)行器端記錄的RTT值為 RTT(r，n-1)＝Rn-Rn-1＝tn+kn-1 控制器端記錄的RTT值為 RTT(s，n)＝Sn+1-Sn＝tn+kn 第二步分別計(jì)算NCS前向和反向通道的時(shí)延值，根據(jù)第一步，可得 RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝kn-kn-1 從發(fā)送第1個(gè)分組到第n個(gè)分組，依據(jù)上式可得 由此可得NCS的反向通道時(shí)延 則NCS的前向通道時(shí)延為 由上式可以看到，提出的端到端前向和反向時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確度主要由控制初始幀的時(shí)延估計(jì)值決定。在本發(fā)明的第一部分中，改進(jìn)的在線式單向時(shí)延估計(jì)有效地保證了控制初始幀時(shí)延估計(jì)的精確度，從而為后續(xù)的端到端時(shí)延估計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。結(jié)合了在線式時(shí)延估計(jì)機(jī)制和端到端時(shí)延估計(jì)機(jī)制的NCS混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，為準(zhǔn)確獲取前向和反向通道的單向時(shí)延，提升系統(tǒng)的可靠性和控制性能提供了有效的途徑。
本發(fā)明提出了一種適用于NCS的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法。與以往的單向時(shí)延估計(jì)方法相比較，該技術(shù)是針對(duì)NCS中的閉環(huán)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，在時(shí)延估計(jì)的精確性上有顯著的提高，并且不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)多的計(jì)算開(kāi)銷和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。由于本發(fā)明采用了結(jié)合在線式時(shí)延估計(jì)機(jī)制和端到端時(shí)延估計(jì)機(jī)制的混合式估計(jì)方法，在NCS閉環(huán)控制應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)采用在線式時(shí)延估計(jì)技術(shù)得到初始控制幀的單向時(shí)延值，在后續(xù)的前向和反向通道的時(shí)延估計(jì)工作則采用端到端時(shí)延估計(jì)技術(shù)，并以前期獲得的參考標(biāo)量值為基準(zhǔn)，從而保證了NCS前向和反向單向時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確性。這也是本發(fā)明的創(chuàng)新之處。其關(guān)鍵技術(shù)之一是用在線式估計(jì)技術(shù)得到控制初始幀的單向時(shí)延估計(jì)值，該技術(shù)關(guān)注于NCS應(yīng)用中分組傳遞時(shí)延的每個(gè)組成部分，從而保證了估計(jì)值的精確度；關(guān)鍵技術(shù)之二是端到端的時(shí)延估計(jì)技術(shù)，在線式估計(jì)技術(shù)的缺點(diǎn)是會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的開(kāi)銷，利用端到端的時(shí)延估計(jì)技術(shù)則可以有效避免這種不足，利用NCS兩端記錄的RTT值，找出其與前向和反向時(shí)延的聯(lián)系，從而在端系統(tǒng)中計(jì)算得出單向時(shí)延估計(jì)值；關(guān)鍵技術(shù)之三是混合式的技術(shù)集成，將關(guān)鍵技術(shù)一、二有效集成，則形成了適用于NCS的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，該方法不僅能夠有效準(zhǔn)確估計(jì)出閉環(huán)控制應(yīng)用中前向和反向通道的時(shí)延值，并且不會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)過(guò)多的計(jì)算開(kāi)銷和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該技術(shù)是非常有效并且可行的。



圖1為本發(fā)明所適用的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明初始控制幀經(jīng)歷單個(gè)路由的時(shí)延組成圖。
圖3為本發(fā)明利用兩端RTT值計(jì)算NCS單向時(shí)延的示意圖。
圖4為本發(fā)明算法性能測(cè)試場(chǎng)景與參數(shù)設(shè)置圖。
圖5為無(wú)競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)用環(huán)境下的系統(tǒng)初始幀時(shí)延測(cè)量比較圖。
圖6為無(wú)競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)用環(huán)境下的前向單向時(shí)延測(cè)量比較圖。
其中 (a)發(fā)送分組大小為800Bytes。
(b)發(fā)送分組大小為1600Bytes。
圖7為存在競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)用環(huán)境下的系統(tǒng)初始幀時(shí)延測(cè)量比較圖。
圖8為存在競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)用環(huán)境下的前向單向時(shí)延測(cè)量比較圖。
其中 (a)發(fā)送分組大小為800Bytes。
(b)發(fā)送分組大小為1600Bytes。
圖9為計(jì)算復(fù)雜度比較圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但該實(shí)施例不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
典型的NCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在整個(gè)系統(tǒng)中，消息傳遞的時(shí)延對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能有著顯著的影響。NCS系統(tǒng)的消息傳遞時(shí)延Tdelay主要由三部分組成，如下式所示 Tdelay＝tsc+tp+tca 其中，tca為網(wǎng)絡(luò)前向時(shí)延，tsc為網(wǎng)絡(luò)反向時(shí)延，tp為端系統(tǒng)的處理時(shí)延。由于端系統(tǒng)是采用本地時(shí)鐘，因此可以準(zhǔn)確的計(jì)算出tp的值。然而，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的分布性使得NCS系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)很難時(shí)鐘同步，因此由大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所產(chǎn)生的時(shí)延tca和tsc則需要有效的單向時(shí)延估計(jì)策略進(jìn)行估計(jì)處理，從而得到準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)延值，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提升控制性能提供有效的支持。
本發(fā)明所采用的方法是 一、執(zhí)行器端向控制器端發(fā)送控制啟動(dòng)初始幀，從而通知控制器端開(kāi)始執(zhí)行控制任務(wù)?？刂茊?dòng)初始幀發(fā)出后，若執(zhí)行器端在設(shè)定時(shí)間Tset內(nèi)未收到來(lái)自于控制器端的控制信息，則重發(fā)控制啟動(dòng)初始幀，直至接收到由控制器端發(fā)出的控制信息。
當(dāng)控制啟動(dòng)初始幀發(fā)出后，采用在線時(shí)延估計(jì)方法對(duì)控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，從而為后期的前向和反向時(shí)延估計(jì)提供準(zhǔn)確的參考標(biāo)量值。本發(fā)明采用的在線時(shí)延估計(jì)方法是基于消息傳遞所經(jīng)歷的路由器時(shí)延結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行的。如圖2所示，控制啟動(dòng)初始幀經(jīng)過(guò)單個(gè)路由器的時(shí)延主要由傳輸時(shí)延dt、隊(duì)列時(shí)延dq和路由處理時(shí)延dproc組成。設(shè)控制啟動(dòng)初始幀傳遞到系統(tǒng)控制端共經(jīng)歷m個(gè)路由器，考慮到消息傳遞的鏈路時(shí)延dprop，則控制啟動(dòng)初始幀傳遞的總時(shí)延T如下式所示 在路由器中監(jiān)測(cè)幀的通過(guò)狀態(tài)，當(dāng)控制啟動(dòng)初始幀進(jìn)入鏈路層時(shí)，記錄進(jìn)入的時(shí)間t1，當(dāng)離開(kāi)鏈路層后，記錄離開(kāi)的時(shí)間t2。則可得到控制啟動(dòng)初始幀通過(guò)路由器n的隊(duì)列時(shí)延和路由處理時(shí)延之和，如下式所示 dq(n)+dproc(n)＝t2(n)-t1(n) 消息幀通過(guò)路由器的傳輸時(shí)延由分組大小l和網(wǎng)絡(luò)帶寬C決定，可通過(guò)下式計(jì)算出控制啟動(dòng)初始幀通過(guò)路由器n的輸入傳輸時(shí)延和輸出傳輸時(shí)延之和 依據(jù)上述分析，可得到控制啟動(dòng)初始幀通過(guò)路由器n的時(shí)延之和 若控制啟動(dòng)初始幀經(jīng)歷m個(gè)路由器到達(dá)系統(tǒng)的控制端，則可通過(guò)下式得到控制啟動(dòng)初始幀的時(shí)延總和k0 其中，tprop為事先設(shè)定的每條鏈路的傳播時(shí)延補(bǔ)償值。
對(duì)于控制啟動(dòng)初始幀，采用的是基于路由器的在線式測(cè)量方法對(duì)其單向時(shí)延值進(jìn)行計(jì)算。該方法充分考慮了控制啟動(dòng)初始幀經(jīng)歷傳遞路徑的時(shí)延組成結(jié)構(gòu)，因此在單向時(shí)延估計(jì)上具有較高的精確度。
二、采用在線式測(cè)量方法得到控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延后，采用結(jié)合兩端RTT測(cè)量值的端到端估計(jì)方法獲得NCS系統(tǒng)中的前向和反向時(shí)延值。
如圖3所示，控制器端接收到來(lái)自于執(zhí)行器端的控制啟動(dòng)初始幀后，開(kāi)始向執(zhí)行器端發(fā)送信息，NCS系統(tǒng)控制功能啟動(dòng)，控制信息與反饋信息在控制器端和執(zhí)行器端之間傳遞，形成閉環(huán)控制應(yīng)用。此時(shí)，在系統(tǒng)兩端分別采用本地時(shí)鐘記錄下本端的RTT值，控制器端的為RTT(s，i)，執(zhí)行器端的為RTT(r，i)。
設(shè)NCS系統(tǒng)的前向時(shí)延為tn，反向時(shí)延為kn，則可得RTT(s，i)與RTT(r，i)的表達(dá)式為 RTT(r，n-1)＝Rn-Rn-1＝tn+kn-1 RTT(s，n)＝Sn+1-Sn＝tn+kn 有上述兩式可得 RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝kn-kn-1 根據(jù)上述可以得到 RTT(s，1)-RTT(r，0)＝k1-k0 RTT(s，2)-RTT(r，1)＝k2-k1 RTT(s，3)-RTT(r，2)＝k3-k2 . . . RTT(s，n-1)-RTT(r，n-2)＝kn-2-kn-2 RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝kn-kn-1 將上式相加可得 因此可得系統(tǒng)的反向時(shí)延值kn 系統(tǒng)的前向時(shí)延值tn也可得出 有上述兩式可以看到，系統(tǒng)的前向和反向時(shí)延值的精度均與控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延值k0有關(guān)。在本發(fā)明的第一步中，通過(guò)在線式的測(cè)量方法精確的獲得了控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延值k0，則在本步驟中可有效獲得系統(tǒng)的前向和反向時(shí)延值。
本發(fā)明采用在線式測(cè)量與端到端估計(jì)相結(jié)合的方法獲得NCS系統(tǒng)的前向通道和反向通道中的單向時(shí)延值，這是一種混合式的單向時(shí)延估計(jì)策略。本發(fā)明所提出的方法，在獲得NCS系統(tǒng)單向時(shí)延值的同時(shí)，有效的避免了在線式估計(jì)方法所存在的系統(tǒng)開(kāi)銷過(guò)大的缺陷，并且較現(xiàn)有的端到端單向時(shí)延估計(jì)方法，在估計(jì)值的精確度上有顯著提升。
為了能夠進(jìn)行公平合理的性能評(píng)估，本發(fā)明給出NCS系統(tǒng)評(píng)價(jià)過(guò)程中幾個(gè)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義。
(1)分組傳遞時(shí)延，即分組從系統(tǒng)一端出發(fā)，到那另一端所需時(shí)間。
(2)系統(tǒng)計(jì)算復(fù)雜度，即算法運(yùn)行時(shí)所需路由器參與系統(tǒng)運(yùn)算的數(shù)量。
實(shí)驗(yàn)采用了無(wú)應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)和存在應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)兩種場(chǎng)景對(duì)發(fā)明中提出的方法的性能基于NS2平臺(tái)進(jìn)行仿真測(cè)試評(píng)估，如圖4中(a)和(b)所示。
在無(wú)應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景中的測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。圖5示出了本發(fā)明所提出的方法(Hybrid One-Way Delay Estimation，HOWDE)與現(xiàn)有一些典型的算法對(duì)于控制啟動(dòng)初始幀單向時(shí)延值估計(jì)的性能比較，從圖中可以看到HOWDE得到的估計(jì)值與真實(shí)時(shí)延最為接近，其中存在的偏差主要是由鏈路時(shí)延的補(bǔ)償偏差所造成的，而在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用環(huán)境中，鏈路時(shí)延在整個(gè)系統(tǒng)時(shí)延中所占比例是非常小的。圖6中(a)和(b)分別是示出了800Bytes和1600Bytes大小的分組在系統(tǒng)中傳遞，各類算法的前向時(shí)延估計(jì)值，當(dāng)準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)的前向單向時(shí)延值后，反向單向時(shí)延值則可通過(guò)從RTT值中減去前向時(shí)延值而獲得。從圖中可以看到，通過(guò)對(duì)350個(gè)分組的前向單向時(shí)延進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，HOWDE與現(xiàn)有的典型算法RTT/2和ARTT相比，對(duì)于NCS系統(tǒng)的單向時(shí)延估計(jì)更加精準(zhǔn)。
在存在應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)場(chǎng)景中的測(cè)試結(jié)果如圖7和圖8所示。從圖中可以看到，即使存在應(yīng)用競(jìng)爭(zhēng)流，相對(duì)于其它現(xiàn)有典型算法而言，無(wú)論是對(duì)于控制啟動(dòng)初始幀時(shí)延的測(cè)量，還是系統(tǒng)中前向和反向時(shí)延的測(cè)量，本發(fā)明提出的方法均具有更高的精確度。
圖9示出了上述算法的計(jì)算復(fù)雜度，可以看出本發(fā)明提出的方法在計(jì)算復(fù)雜度上較在線式估計(jì)方法ARTT要低得多。雖然較端到端的估計(jì)策略RTT/2而言計(jì)算復(fù)雜度略高，但是從前期的結(jié)果中可以看到，HOWDE的估計(jì)精度比RTT/2要高得多。因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果有效的證明本發(fā)明所提出的單向時(shí)延估計(jì)方法不僅有效的避免了在線式估計(jì)方法所存在的系統(tǒng)開(kāi)銷過(guò)大的缺陷，并且較現(xiàn)有典型的端到端單向時(shí)延估計(jì)方法在估計(jì)值的精確度上有顯著提升，是一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的NCS系統(tǒng)單向時(shí)延估計(jì)方法。
本發(fā)明各裝置的工作原理與本發(fā)明的方法相一致。
本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，所采用的方法是將在線式測(cè)量策略與端到端估計(jì)策略相結(jié)合，首先采用基于路由器時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的在線式測(cè)量方法，對(duì)NCS系統(tǒng)中從執(zhí)行器端發(fā)出的控制啟動(dòng)初始幀的在線式單向時(shí)延進(jìn)行測(cè)量估計(jì)，并得出相對(duì)精確的估計(jì)值，接著通過(guò)采用兩端本地時(shí)鐘記錄下兩端的RTT值，并以前期得到的控制啟動(dòng)初始幀估計(jì)值為參考標(biāo)量，通過(guò)端系統(tǒng)計(jì)算最終分別得出NCS系統(tǒng)端到端的前向和反向通道中的單向時(shí)延值，從而為保證NCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能提供有效的支持。
2、如權(quán)利要求1所述的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于控制啟動(dòng)初始幀的在線式單向時(shí)延估計(jì)和端到端的前向和反向時(shí)通道中的單向時(shí)延值兩部分中
第一部分為NCS系統(tǒng)中基于時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的控制啟動(dòng)初始幀在線式估計(jì)，包括NCS系統(tǒng)控制啟動(dòng)初始幀的發(fā)出、基于路由器的時(shí)延組成分析、基于分組傳遞路徑的在線式時(shí)延計(jì)算；
第二部分為基于參考標(biāo)量和兩端RTT計(jì)算的端到端單向時(shí)延估計(jì)，包括系統(tǒng)兩端RTT值的計(jì)算，以控制啟動(dòng)初始幀估計(jì)值為參考標(biāo)量的反向單向時(shí)延計(jì)算，基于本地RTT值和反向時(shí)延估計(jì)值的前向單向時(shí)延計(jì)算。
3、如權(quán)利要求2所述的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于基于時(shí)延結(jié)構(gòu)分析的控制啟動(dòng)初始幀在線式估計(jì)的步驟是
第一步驟NCS系統(tǒng)控制啟動(dòng)初始幀從執(zhí)行器端向控制器端發(fā)出，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未收到來(lái)自于控制端的信息，則重發(fā)控制啟動(dòng)初始幀，直至接收到來(lái)自于控制端的信息；
第二步驟控制啟動(dòng)初始幀在傳遞過(guò)程中，基于路由器中分組傳遞的時(shí)延組成，計(jì)算得出經(jīng)歷單個(gè)路由器的時(shí)延，并保存在分組中；
第三步驟到達(dá)控制器端后，統(tǒng)計(jì)經(jīng)歷路徑中的路由器數(shù)量，依據(jù)記錄下的經(jīng)歷每個(gè)路由器的時(shí)延，綜合考慮鏈路時(shí)延的補(bǔ)償，計(jì)算出控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延值。
4、如權(quán)利要求2所述的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于基于參考標(biāo)量和兩端RTT計(jì)算的端到端單向時(shí)延估計(jì)的步驟是
第一步驟通過(guò)信息的交互，系統(tǒng)兩端分別采用本地時(shí)鐘記錄下每次分組的RTT值；
第二步驟基于獲得的RTT值，分別在兩端的端系統(tǒng)中計(jì)算單向時(shí)延值；
第三步驟以通過(guò)在線式測(cè)量方法獲得的控制啟動(dòng)初始幀時(shí)延值為參考標(biāo)量，在端系統(tǒng)中計(jì)算得出系統(tǒng)的反向時(shí)延值；
第四步驟基于獲得的RTT值和反向時(shí)延值，計(jì)算出相應(yīng)的系統(tǒng)前向時(shí)延值。
5、如權(quán)利要求3所述的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于控制初始幀的在線式單向時(shí)延估計(jì)的具體步驟是
第一步驟NCS系統(tǒng)的控制初始幀從執(zhí)行器端向控制器端發(fā)出；
第二步驟在每個(gè)路由器的鏈路接入層均設(shè)有分組探測(cè)器，以此記錄下每個(gè)分組從路由器的鏈路層進(jìn)入和離開(kāi)的時(shí)間，t1和t2；
第三步驟計(jì)算分組經(jīng)過(guò)單個(gè)路由器所需時(shí)間，每個(gè)分組經(jīng)過(guò)路由器的時(shí)延由傳輸時(shí)延dt，隊(duì)列時(shí)延dq，和處理時(shí)延dproc組成，其基于第二步驟可獲得分第組經(jīng)過(guò)第n個(gè)路由器的隊(duì)列時(shí)延dq與處理時(shí)延dproc之和
dq(n)+dproc(n)＝t2(n)-t1(n)
而傳輸時(shí)延dt則由輸入傳輸時(shí)延dtin和輸出傳輸時(shí)延dtout組成，其大小與網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆纸M大小和鏈路帶寬有關(guān)，通過(guò)下式得出
因此，控制初始分組經(jīng)過(guò)第n個(gè)路由器所消耗的時(shí)延之和T(n)為
第四步驟在線估計(jì)控制初始分組的單向時(shí)延設(shè)定分組從執(zhí)行器端出發(fā)，到達(dá)控制器端，經(jīng)歷了m個(gè)節(jié)點(diǎn)，則總時(shí)延為
其中，tprop為每條鏈路的傳播時(shí)延補(bǔ)償值。
6、如權(quán)利要求4所述的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，其特征在于端到端的前向和反向時(shí)延估計(jì)的具體步驟是
先做如下定義
Sn控制器端的時(shí)間值；
Rn執(zhí)行器端的時(shí)間值；
tnNCS前向通道時(shí)延；
knNCS反向通道時(shí)延；
RTT(s，n)控制器端記錄的RTT值；
RTT(r，n)執(zhí)行器端記錄的RTT值，
第一步系統(tǒng)運(yùn)行后，分別記錄執(zhí)行器端和控制器端的RTT值，
執(zhí)行器端記錄的RTT值為
RTT(r，n-1)＝Rn-Rn-1＝tn+kn-1
控制器端記錄的RTT值為
RTT(s，n)＝Sn+1-Sn＝tn+kn
第二步分別計(jì)算NCS前向和反向通道的時(shí)延值，根據(jù)第一步，可得
RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝kn-kn-1
從發(fā)送第1個(gè)分組到第n個(gè)分組，依據(jù)上式可得
由此可得NCS的反向通道時(shí)延
則NCS的前向通道時(shí)延為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的混合式單向時(shí)延估計(jì)方法，方法是首先采用基于路由器時(shí)延組成分析的在線式測(cè)量方法，對(duì)NCS系統(tǒng)中從執(zhí)行器端發(fā)出的控制啟動(dòng)初始幀的單向時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，從而得出相對(duì)精確的估計(jì)值。接著，基于采用系統(tǒng)兩端本地時(shí)鐘記錄下兩端的RTT值，并以得到的控制啟動(dòng)初始幀估計(jì)值為參考標(biāo)量，通過(guò)端系統(tǒng)的一系列計(jì)算最終分別估計(jì)得到NCS系統(tǒng)前向和反向通道中的單向時(shí)延值。本發(fā)明的方法不僅有效的避免了在線式估計(jì)方法所存在的系統(tǒng)開(kāi)銷過(guò)大的缺陷，并且較現(xiàn)有典型的端到端單向時(shí)延估計(jì)方法在估計(jì)值的精確度上有顯著提升，從而達(dá)到有效準(zhǔn)確估計(jì)NCS系統(tǒng)單向時(shí)延的目的。
文檔編號(hào)H04L12/26GK101394324SQ20081019699
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者周祖德, 徐文君, 李方敏, 泉 劉, 劉新華 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)