專利名稱：基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動通信組網(wǎng)方法體系中的狀態(tài)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法。
背景技術(shù)：
移動網(wǎng)絡(luò)就是節(jié)點(diǎn)移動的網(wǎng)絡(luò)，由于節(jié)點(diǎn)的移動引入了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不確定性，從而對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及路徑狀態(tài)的平穩(wěn)性產(chǎn)生了不利影響，為移動網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)設(shè)計帶來了新的技術(shù)難度。狀態(tài)處理分狀態(tài)獲取和狀態(tài)控制，狀態(tài)獲取分為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獲取和路徑狀態(tài)獲取， 狀態(tài)控制又分為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制和路徑狀態(tài)控制。一般用于描述節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的度量參數(shù)主要有可用帶寬(剩余出口帶寬)、緩沖區(qū)排隊長度、節(jié)點(diǎn)處理能力(AdHoc網(wǎng)用)、延時的概率密度函數(shù)PDF等。獲取PDF的方法有兩種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)測量和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)探測。狀態(tài)獲取過程要求采樣要獨(dú)立，且采樣數(shù)據(jù)足夠多。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)測量是對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行定時或不定時觀察，獲取狀態(tài)的樣本值，從而獲得節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的PDF。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)探測是一個節(jié)點(diǎn)通過向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送探測包，以獲取其它節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的樣本值， 從而獲得其它節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的PDF函數(shù)。由于在一般情況下，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)測量要求的平穩(wěn)時間遠(yuǎn)小于節(jié)點(diǎn)狀態(tài)探測，在接入網(wǎng)中，基本都采用節(jié)點(diǎn)狀態(tài)測量的方法。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)更新總是與節(jié)點(diǎn)狀態(tài)平穩(wěn)性聯(lián)系在一起的，并通過狀態(tài)發(fā)布過程實(shí)現(xiàn)。 只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化過程是非平穩(wěn)隨機(jī)過程，才需要進(jìn)行狀態(tài)更新。而在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不可能是平穩(wěn)的，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的與其它節(jié)點(diǎn)狀態(tài)有關(guān)的行為都依賴于狀態(tài)更新方法。由于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化過程是一個非平穩(wěn)隨機(jī)過程，當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)統(tǒng)計特征變化時，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的統(tǒng)計變化量，決定是否對其它節(jié)點(diǎn)發(fā)布狀態(tài)并更新本節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。路徑狀態(tài)獲取方法有兩種。方法一源節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，計算到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的各路徑延時的概率密度函數(shù)。在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立的假設(shè)下，可通過計算路徑中各節(jié)點(diǎn)的延時的概率密度函數(shù)的卷積獲得路徑的延時概率密度函數(shù)(路徑狀態(tài))。方法二 源節(jié)點(diǎn)周期性地向網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送探測包，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)收到探測包的延時，統(tǒng)計各路徑的延時概率密度函數(shù)(路徑狀態(tài))。狀態(tài)控制分為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制和路徑狀態(tài)控制。而路徑的狀態(tài)主要由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)決定。因此狀態(tài)控制的目的實(shí)際主要是通過網(wǎng)絡(luò)機(jī)制或QoS保證機(jī)制的作用，保證節(jié)點(diǎn)狀態(tài)平穩(wěn)。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)平穩(wěn)是實(shí)現(xiàn)QoS保證的基本條件。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)平穩(wěn)是指節(jié)點(diǎn)狀態(tài)在時間上具有短時平穩(wěn)性。也就是可以認(rèn)為在兩次狀態(tài)更新期間，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)近似一個平穩(wěn)的隨機(jī)過程，它的統(tǒng)計特性，如均值、方差和概率分布近似不變。所有QoS保證機(jī)制(整形、接納控制、 調(diào)度、路由等)的設(shè)計都應(yīng)圍繞使節(jié)點(diǎn)狀態(tài)平穩(wěn)這一基本前提
發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何保持節(jié)點(diǎn)移動網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的平穩(wěn)性。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法，該方法中，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)相互獨(dú)立，且該方法包括以下步驟Si、建立鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)；S2、利用節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)所述控制目標(biāo)，所述節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制包括鏈路的尾節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與對反饋控制量的計算，以及首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率的控制。優(yōu)選地，尾節(jié)點(diǎn)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)率對尾節(jié)點(diǎn)的其他出口鏈路的穩(wěn)定性影響的預(yù)測結(jié)果計算得到所述反饋控制量；首節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)率根據(jù)所述反饋控制量和對鏈路數(shù)據(jù)率的穩(wěn)定性要求計算得到。優(yōu)選地，步驟Sl具體為SE= IeijjIjVi, Vj e V, Ts表示控制周期，對任意一條從節(jié)點(diǎn)ρ到節(jié)點(diǎn)S鏈路ep, s，p，S e V，任意第k個控制周期的數(shù)據(jù)率Rp,s(k)用這個周期的平均數(shù)據(jù)率求出，k為正整數(shù)，V表示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，V= {vi; V2, ... , vM} ；ey表示從節(jié)點(diǎn)Vi到節(jié)點(diǎn)、的有向鏈路，對于鏈路ei, ρ節(jié)點(diǎn)Vi是、的上一節(jié)點(diǎn)，、是Vi的下一節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Vi稱為鏈路、 j的首節(jié)點(diǎn)，Vj稱為鏈路ey的尾節(jié)點(diǎn)；E表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向鏈路的集合，E = {ei,j} (vi; Vj e V)；如果在第k-Ι周期中，鏈路ep,s的數(shù)據(jù)率為Rp,s(k_l)，則要求在第k個周期的數(shù)據(jù)率Rp,s(k)滿足式(1)Rp,s(k) ^maxRp,s(k) = Rp,s(k_l) + a (Cp,s_Rp,s (k_l))(1)其中，maXRp,s(k)表示第k周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率，α為控制參量，Cp,s表示鏈路ep,s的傳輸容量；式(1)就是對鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)。優(yōu)選地，步驟S2中，對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與對反饋控制量的計算過程具體為在第k-Ι個周期，根據(jù)前L個周期輸入輸出對數(shù)據(jù)率的統(tǒng)計值，分別預(yù)測每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率在k個周期的值1，5， (幻，得到輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣;^(幻和每條輸入鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值<，5(幻，L彡k-l，i- (幻表示節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)ρ到鄰節(jié)點(diǎn)η的數(shù)據(jù)率的預(yù)測值；節(jié)點(diǎn)S根據(jù)第k-Ι個周期的統(tǒng)計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率HiaxRp, s(k)；比較Ap s (k)和maxRp, s (k)，如果kp S (k) > max RP,s㈨，則相應(yīng)地修正該鏈路
所包含的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，得到新的預(yù)測量義&(幻，同樣，對其它輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值進(jìn)行修正，得到修正后的輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣 = IxlsAk^N,(i J ^Vs)-,對數(shù)據(jù)率預(yù)測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，
對于輸出鏈路，如果先， (幻< maxRs n(k),(n e Vs)，則第k個周期與鏈路相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的允許量<，,， (幻與預(yù)測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，作為第k個周期的輸入輸出對數(shù)據(jù)率允許量，從而得到第k周期的節(jié)點(diǎn)S分配給相鄰節(jié)點(diǎn)的輸入輸出數(shù)據(jù)率允許量構(gòu)成的向量)C(k)；對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣1丨(幻求列和，得到節(jié)點(diǎn)S對每條輸入鏈路的數(shù)據(jù)率的反饋控制量R*p,s(k)。優(yōu)選地，首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率進(jìn)行控制具體為節(jié)點(diǎn)ρ根據(jù)從節(jié)點(diǎn)S接收到的反饋控制量和鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)，計算每個周期k的輸出數(shù)據(jù)率，并由鏈路的首節(jié)點(diǎn)在其相應(yīng)的端口通過令牌生成速率可變的令牌桶對輸出數(shù)據(jù)率進(jìn)行控制。優(yōu)選地，節(jié)點(diǎn)的每個輸出端口按照所述控制周期調(diào)整令牌生成速率。(三)有益效果本發(fā)明由于采用了節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制，通過對鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測和相鄰節(jié)點(diǎn)間的反饋控制實(shí)現(xiàn)對鏈路數(shù)據(jù)率變化的控制。將該方法應(yīng)用于路由機(jī)制和擁塞控制，可以大幅度降低業(yè)務(wù)在傳輸過程中的丟包率，減小網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)排隊長度，從而降低數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)的延時。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；圖2以節(jié)點(diǎn)S為主要研究點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)連接圖；圖3為LFCS控制機(jī)制示意圖；圖4為反饋量的計算流圖。
具體實(shí)施例方式下面對于本發(fā)明所提出的一種基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法，結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明。首先介紹本發(fā)明中用到的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立性假設(shè)。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立的假設(shè)在QoS研究中經(jīng)常使用，因為它可以使很多問題的研究得到簡化。在以鏈路延時為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，以延時的概率密度函數(shù)為狀態(tài)信息的QoS機(jī)制中，這個假設(shè)尤其重要。沒有這個假設(shè)，端到端路徑延時的概率密度函數(shù)的計算是NP-Hard問題。如果這個假設(shè)成立，而且網(wǎng)絡(luò)中各鏈路延時的概率密度函數(shù)是已知的，那么所有路徑延時的概率密度函數(shù)都可通過鏈路延時概率密度函數(shù)的卷積得到。進(jìn)而可以很容易地計算出各個路徑的度量參數(shù)，如延時的均值、方差和丟包率。在自治域系統(tǒng)中，尚未對這一假設(shè)的合理性進(jìn)行驗證。自治域系統(tǒng)是具有自己獨(dú)立選路策略的管理區(qū)域。例如，由一個公司的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或一個學(xué)校的校園網(wǎng)可以認(rèn)為是一個自治域系統(tǒng)。在一個自治域系統(tǒng)內(nèi)，路由器的選路功能通過運(yùn)行內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Interior Gateway Protocol, IGP)實(shí)現(xiàn)。自治域之間的選路通過外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Exterior Gateway Protocol,EGP)進(jìn)行。自治域系統(tǒng)之間的通信與自治域系統(tǒng)內(nèi)部使用的IGP協(xié)議是相互獨(dú)立的。將網(wǎng)絡(luò)分成多個獨(dú)立的控制域可以使得網(wǎng)絡(luò)更加易于管理，并且允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商ISP 在其自治域系統(tǒng)內(nèi)部選用任何的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。自治域系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)按一定的順序在網(wǎng)絡(luò)
6中傳輸，共享網(wǎng)絡(luò)資源，一定會引起節(jié)點(diǎn)狀態(tài)間的相關(guān)性。但由于自治域系統(tǒng)一般連通性較好，各節(jié)點(diǎn)都有多個輸入輸出端口。因此，大量業(yè)務(wù)在路由節(jié)點(diǎn)合并與分開的平均效果可以減弱相鄰節(jié)點(diǎn)狀態(tài)間的相關(guān)性，使它們近似地具有獨(dú)立性。如果這個設(shè)想成立，將給以延時為約束條件的路由問題的求解帶來極大的方便。為了驗證節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立性假設(shè)，構(gòu)建了基于美國MCI (Microwave Communication Industry)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的源路由(狀態(tài)路由)仿真平臺，通過自相似業(yè)務(wù)仿真研究自治域系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立性問題。將仿真得到的實(shí)際測量的概率函數(shù)結(jié)果與理論計算結(jié)果(假設(shè)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)獨(dú)立，用鏈路延時概率函數(shù)的卷積計算路徑延時的概率函數(shù))進(jìn)行比較。首次采用K-L散度法對路徑延時的均值、方差和丟包率等參數(shù)進(jìn)行比對。仿真結(jié)果表明，在自治域系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)是近似獨(dú)立的，基于這一假設(shè)計算得到的路徑參數(shù)與實(shí)際情況十分接近，可以在以鏈路延時的概率密度函數(shù)為狀態(tài)信息的QoS路由中作為多約束路徑求解的依據(jù)。下面介紹本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制LFCS。為了提高節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的保持概率，本發(fā)明引入了狀態(tài)控制機(jī)制，對節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行控制。以節(jié)點(diǎn)每個出口所連接的有向鏈路的可用帶寬作為受控狀態(tài)度量參數(shù)。選擇可用帶寬度量參數(shù)作為受控狀態(tài)主要是考慮到可用帶寬是一個重要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量參數(shù) (網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量參數(shù)包括可用帶寬、延時、延時抖動、跳數(shù)、丟包率和代價)，而且，在數(shù)據(jù)包傳輸過程中，除了數(shù)據(jù)包所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，該路徑的其他度量參數(shù)都與傳輸路徑的可用帶寬有關(guān)。對于任意一條鏈路，其物理帶寬固定，可用帶寬等于物理帶寬與實(shí)際數(shù)據(jù)率(也稱為實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率)之差。因此，以實(shí)際數(shù)據(jù)率作為控制對象，通過對鏈路實(shí)際數(shù)據(jù)率變化的控制，完成對節(jié)點(diǎn)可用帶寬的控制。下面是對方法中所用到的符號的說明。(I)V表示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，V = Iv1, V2, ... , vM}；(2)eijJ表示從節(jié)點(diǎn)Vi到節(jié)點(diǎn)Vj的有向鏈路，對于鏈路、」，節(jié)點(diǎn)Vi是Vj的上一節(jié)點(diǎn)，Vj是Vi的下一節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Vi稱為鏈路ey的首節(jié)點(diǎn)，Vj稱為鏈路ey的尾節(jié)點(diǎn)；(3)E表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向鏈路的集合，E = Iei,」} (Vi, Vj e V)；(4) Clij表示鏈路eijJ e E的線路延時；(S)Cijj表示鏈路、」的傳輸容量，一般Ciij是一個固定量；(B)Riij表示鏈路ei,j的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率，簡稱數(shù)據(jù)率；(7) Ri,；表示鏈路、j上允許的最大數(shù)據(jù)傳輸速率；(S)Biij表示鏈路可以提供的帶寬，簡稱可用帶寬，Biij = Ri,/，假設(shè)S是網(wǎng)絡(luò)中一個路由節(jié)點(diǎn)(S e V)，節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)個數(shù)為N ；(9) Vs表示V中任一節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)的集合；(IO)Xi,^.表示節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)i到鄰節(jié)點(diǎn)j的數(shù)據(jù)率，稱為節(jié)點(diǎn)S的一個輸入輸出對(i到j(luò))的數(shù)據(jù)率。i e Vs, j G Vs，且i = j時，X^j = 0 ；(Il)Xs表示節(jié)點(diǎn)S的輸入輸出對的數(shù)據(jù)率矩陣
Xs =
S,N
ν... ν
Λ A^,5,1入 N,S,N
,簡記為 X5 = [Xi,S,j]NXN' i，J· ^ \，
ΝχΝ可以看出，Xs是一個對角線元素為零的矩陣。本發(fā)明的方法包括以下步驟Si、首先建立控制目標(biāo)為了提高節(jié)點(diǎn)狀態(tài)(可用帶寬)的保持概率，周期地對鏈路的實(shí)際數(shù)據(jù)率變化進(jìn)行控制。SE= {eijJ} (vi; Vj e V), Ts表示控制周期。對任意一條從節(jié)點(diǎn)ρ到節(jié)點(diǎn)S鏈路 ep,s，p，S e V，任意第k個控制周期的實(shí)際數(shù)據(jù)率Rp,s(k)用這個周期的平均數(shù)據(jù)率求出，k 為正整數(shù)，即Rp, s(k)=第k個周期中鏈路傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)總量/Ts。如果在第k-Ι周期中，鏈路的實(shí)際數(shù)據(jù)率為I p,s(k-1)，則要求在第k個周期的實(shí)際數(shù)據(jù)率Rp,s(k)必須滿足式(1)Rp,s(k) ^maxRp,s(k) = Rp,s(k_l) + a (Cp,s_Rp,s (k_l))(1)其中，maXRp,s(k)表示第k周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率，α為一個常數(shù)，稱為控制參量，且α <1。α值的選取直接影響著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，鏈路利用率和鏈路狀態(tài)的維持度。Cp,s表示鏈路ep,s的傳輸容量。當(dāng)α = 1 時，maxRp,s(k) = Cp, s(2)當(dāng)α = 0 時，maxRp s(k) = Rp,s(k_l)(3)而且Rp, s (k) ^ maxRp, s (k) ^ Cp, s式(1)就是對鏈路實(shí)際數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)。S2、利用節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)所述控制目標(biāo)下面設(shè)計了一種節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)式(1)的控制目標(biāo)。節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)控制是一種周期性的控制，包括兩個過程S21、鏈路的尾節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與反饋控制量的計算；S22、首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率的控制。其中，尾節(jié)點(diǎn)的反饋控制量根據(jù)輸入數(shù)據(jù)率對尾節(jié)點(diǎn)的其他出口鏈路的穩(wěn)定性影響的預(yù)測結(jié)果計算得到；首節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)率則根據(jù)反饋控制量和對鏈路數(shù)據(jù)率的穩(wěn)定性要求計算得到。以鏈路ep,s輸出數(shù)據(jù)率的控制過程為例進(jìn)行說明。如圖2所示。圖2中節(jié)點(diǎn)ρ為鏈路的首節(jié)點(diǎn)，S為鏈路ep,s的尾節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)p、n都是S的鄰節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)P是輸入節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)η是輸出節(jié)點(diǎn)，與S相鄰的節(jié)點(diǎn)個數(shù)為N。節(jié)點(diǎn)S對鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測與反饋控制量的計算節(jié)點(diǎn)S以Ts為控制周期觀測并統(tǒng)計每個輸入輸出對的數(shù)據(jù)率，得到每個周期的輸入輸出對的數(shù)據(jù)率\,s,n(k)，k為周期數(shù)，p,n e Vs0在第k-1個周期，根據(jù)前L個周期(L<k_l)輸入輸出對數(shù)據(jù)率的統(tǒng)計值，分別預(yù)測每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率在k個周期的值i-， (幻，得到輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣之⑷和每條輸入鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值九5㈨。
8
根據(jù)鏈路的控制目標(biāo)，鏈路的數(shù)據(jù)率在每個周期的增長量是受限的。節(jié)點(diǎn)S根據(jù)第k-Ι個周期的統(tǒng)計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率 maxRp,s(k)。比較為-⑷和maxRp,s (k)。如果為-㈨>maxU幻,則相應(yīng)修正(修正方式見下
式(1 )該鏈路所包含的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，得到新的預(yù)測量^^， (幻。同樣，可以對其他的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值進(jìn)行修正，得到修正后的輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣之⑷=KUJ e Vs)。求第k周期的節(jié)點(diǎn)S分配給相鄰節(jié)點(diǎn)的輸入輸出數(shù)據(jù)率允許量構(gòu)成的矩陣 Xs*(k)的方法為對數(shù)據(jù)率預(yù)測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值 KJk)。對于輸出鏈路es, n，如果4 ㈨^ maxRSn(kl(n e Vs),則第k個周期與鏈路es, n相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的允許量<，,， (幻與預(yù)測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，作為第k個周期的輸入輸出對數(shù)據(jù)率允許量。這樣就得到了)C(k)。對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣1丨(幻求列和，就可以得到節(jié)點(diǎn)S對每條輸入鏈路的數(shù)據(jù)率的反饋控制量R*p,s(k)。以上步驟為預(yù)測過程與反饋控制量產(chǎn)生過程的描述。下面介紹首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率的控制過程。節(jié)點(diǎn)ρ根據(jù)從節(jié)點(diǎn)S收到的反饋控制量和鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)，計算每個周期 k的實(shí)際輸出數(shù)據(jù)率，以Rp,s(k)為例Rp,S (k) = mm{R*pS (k), max RpS (k)}
ο通過令牌生成速率可變的令牌桶完成輸出數(shù)據(jù)率控制。圖3是以鏈路 ,s為例的鏈路狀態(tài)控制機(jī)制的示意圖。圖3中，陰影部分標(biāo)記了節(jié)點(diǎn)P與節(jié)點(diǎn)S之間的鏈路ep, s數(shù)據(jù)率的反饋控制過程。其中，流量統(tǒng)計與預(yù)測過程和反饋量的計算與反饋包的發(fā)送過程是由鏈路 ,s的尾節(jié)點(diǎn)S完成的，節(jié)點(diǎn)端口數(shù)據(jù)輸出控制過程是在首節(jié)點(diǎn)P完成的。其中，RCPs,p(k)表示第k個周期，節(jié)點(diǎn)S發(fā)往節(jié)點(diǎn)ρ的反饋控制包，Buffs,p(k)表示第k個周期中節(jié)點(diǎn)ρ到節(jié)點(diǎn)S的輸出端口的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量，Ps,p(k)表示第k周期控制輸出的令牌桶的令牌生成速率。下面，對節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制(LFCQ的各個過程進(jìn)行詳細(xì)介紹。首先介紹流量統(tǒng)計與預(yù)測過程由于鏈路控制是在相鄰節(jié)點(diǎn)間完成的，而一般網(wǎng)絡(luò)鄰節(jié)點(diǎn)間鏈路的物理延時比較小，因此為鏈路流量的預(yù)測提供了可能。下面以圖2為例說明流量統(tǒng)計與預(yù)測過程。在預(yù)測過程中，節(jié)點(diǎn)S對它的每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率Xi, s, j進(jìn)行單獨(dú)預(yù)測，得出第 k個周期的預(yù)測值，用天^(幻表示。然后由每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值構(gòu)成輸入輸出對數(shù)據(jù)率預(yù)測矩陣，用；^(幻表示對第k個周期的預(yù)測矩陣。由于每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率是單獨(dú)進(jìn)行預(yù)測的，介紹預(yù)測算法時，將xp, s,n(k)，簡記為&，其預(yù)測值簡記為之。預(yù)測算法描述
借鑒指數(shù)加權(quán)的遞歸最小平方算法RLS (Recursive Least Square)，利用自適應(yīng) ？頂濾波器進(jìn)行預(yù)測。對兩個相鄰節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)測，因此可以根據(jù)鏈路延時合理設(shè) 計控制周期Ts，使得只需要做一步預(yù)測。假設(shè)預(yù)測記憶長度為L，F(xiàn)IR非遞歸濾波器中，Wi (i = 0，1，. . .，L)是濾波器的系 數(shù)。令W= [W。，...，Wl_I]T為濾波器的系數(shù)矢量。采用指數(shù)加權(quán)的遞歸最小平方算法時動 態(tài)改變?yōu)V波器的系數(shù)矢量，預(yù)測時，①
權(quán)利要求
1.一種基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法，其特征在于，該方法中，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)相互獨(dú)立，且該方法包括以下步驟51、建立鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)；52、利用節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)所述控制目標(biāo)，所述節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制包括鏈路的尾節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與對反饋控制量的計算，以及首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，尾節(jié)點(diǎn)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)率對尾節(jié)點(diǎn)的其他出口鏈路的穩(wěn)定性影響的預(yù)測結(jié)果計算得到所述反饋控制量；首節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)率根據(jù)所述反饋控制量和對鏈路數(shù)據(jù)率的穩(wěn)定性要求計算得到。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟Sl具體為設(shè)E = Iei,」}，Vi, Vj e V, Ts表示控制周期，對任意一條從節(jié)點(diǎn)ρ到節(jié)點(diǎn)S鏈路，p， S e V，任意第k個控制周期的數(shù)據(jù)率Rp,s(k)用這個周期的平均數(shù)據(jù)率求出，k為正整數(shù)， V表示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的集合，V= {&， ，...，％} ;ei,j表示從節(jié)點(diǎn)Vi到節(jié)點(diǎn)Vj的有向鏈路，對于鏈路eM，節(jié)點(diǎn)Vi是、的上一節(jié)點(diǎn)，\是Vi的下一節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)Vi稱為鏈路的首節(jié)點(diǎn)，Vj稱為鏈路ey的尾節(jié)點(diǎn)；E表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向鏈路的集合，E = IeijjIjVi, Vj e V ；如果在第k-Ι周期中，鏈路 ,s的數(shù)據(jù)率為I p,s(k-1)，則要求在第k個周期的數(shù)據(jù)率 Rp, s (k)滿足式(1)Rp, s (k) ^maxRp,s(k) =Rp,s(k-l) + a (Cp,s_Rp,s(k_l)) (1)其中，maXRp,s(k)表示第k周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率，α為控制參量， Cp, s表示鏈路的傳輸容量；式(1)就是對鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S2中，對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與對反饋控制量的計算過程具體為在第k-Ι個周期，根據(jù)前L個周期輸入輸出對數(shù)據(jù)率的統(tǒng)計值，分別預(yù)測每個輸入輸出對數(shù)據(jù)率在k個周期的值1，5， (幻，得到輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣;^(幻和每條輸入鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值<，5(幻，L彡k-l，i- (幻表示節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn)ρ到節(jié)點(diǎn)S的鄰節(jié)點(diǎn) η的數(shù)據(jù)率的預(yù)測值；節(jié)點(diǎn)S根據(jù)第k-Ι個周期的統(tǒng)計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩(wěn)定所要求的最大數(shù)據(jù)率HiaxRp, s(k)；比較kp S{k)和maxRp, s (k)，如果㈨>maxU幻，則相應(yīng)地修正該鏈路所包含的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，得到新的預(yù)測量&&(幻，同樣，對其它輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值進(jìn)行修正，得到修正后的輸入輸出對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣 X's{k) = [x[S]{k)}N/NXj^Vs·,對數(shù)據(jù)率預(yù)測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，對于輸出鏈路，如果& (幻< m^RS n(k\n e Vs，則第k個周期與鏈路相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的允許量<，,， (幻與預(yù)測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關(guān)的輸入輸出對數(shù)據(jù)率的預(yù)測值，作為第k個周期的輸入輸出對數(shù)據(jù)率允許量，從而得到第k周期的節(jié)點(diǎn)S分配給相鄰節(jié)點(diǎn)的輸入輸出數(shù)據(jù)率允許量構(gòu)成的向量)C(k)；對數(shù)據(jù)率矩陣的預(yù)測矩陣;求列和，得到節(jié)點(diǎn)S對每條輸入鏈路的數(shù)據(jù)率的反饋控制量 R*p,s(k)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率進(jìn)行控制具體為 節(jié)點(diǎn)P根據(jù)從節(jié)點(diǎn)s接收到的反饋控制量和鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)，計算每個周期k的輸出數(shù)據(jù)率，并由鏈路的首節(jié)點(diǎn)在其相應(yīng)的端口通過令牌生成速率可變的令牌桶對輸出數(shù)據(jù)率進(jìn)行控制。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，節(jié)點(diǎn)的每個輸出端口按照所述控制周期調(diào)整令牌生成速率。
全文摘要
本發(fā)明涉及移動通信組網(wǎng)方法體系中的狀態(tài)處理技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于節(jié)點(diǎn)間鏈路反饋控制機(jī)制的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制方法，該方法中，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)相互獨(dú)立，且該方法包括以下步驟S1、建立鏈路數(shù)據(jù)率的控制目標(biāo)；S2、利用節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)所述控制目標(biāo)，節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制包括鏈路的尾節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)率的預(yù)測與對反饋控制量的計算，以及首節(jié)點(diǎn)對輸出數(shù)據(jù)率的控制。本發(fā)明由于采用了節(jié)點(diǎn)間鏈路狀態(tài)反饋控制機(jī)制，通過對鏈路數(shù)據(jù)率的預(yù)測和相鄰節(jié)點(diǎn)間的反饋控制實(shí)現(xiàn)對鏈路數(shù)據(jù)率變化的控制。將該方法應(yīng)用于路由機(jī)制和擁塞控制，可以大幅度降低業(yè)務(wù)在傳輸過程中的丟包率，減小網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)排隊長度，從而降低數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)的延時。
文檔編號H04W28/02GK102447625SQ20111037669
公開日2012年5月9日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月23日
發(fā)明者寧永忠, 李濤, 王毓晗, 馬正新 申請人:北京中科國信科技股份有限公司, 清華大學(xué)