一種cps延時抖動緩沖方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及網(wǎng)絡通信技術領域，具體地，設及一種(PS延時抖動緩沖方法。
【背景技術】
[0002] 在WS中，傳感器節(jié)點需要實時感知環(huán)境變化，決策控制模塊需要根據(jù)實時數(shù)據(jù)進 行處理與判決，執(zhí)行器間要協(xié)同操作W實現(xiàn)對物理過程的控制。傳感器節(jié)點、決策控制模塊 和執(zhí)行器節(jié)點依靠無線網(wǎng)絡構成了一個閉環(huán)環(huán)路。由于WS引入了通信過程，不可避免會帶 來網(wǎng)絡時延。如果時延太大，則會對系統(tǒng)的實時性和同步性產(chǎn)生影響，特別是會影響系統(tǒng)中 各個執(zhí)行模塊之間的同步。并且，通信網(wǎng)絡中存在各種復雜因素，例如擁塞和信道質(zhì)量等原 因造成的傳輸延遲、延遲抖動和丟包，運些問題也會影響系統(tǒng)的實時性和同步性。此外，網(wǎng) 絡延遲可能會在很短的時間內(nèi)急劇變化，從而導致數(shù)據(jù)包到達時間不可預測，阻礙(PS數(shù)據(jù) 包的實時傳送和系統(tǒng)單元的同步操作。最終，運些問題甚至會影響被控物理系統(tǒng)的性能，危 害物理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。而且，一些實時同步應用需要準確預測數(shù)據(jù)包的到達時間， 然而，時延抖動會導致數(shù)據(jù)包的到達時間不確定，進而會影響實時同步應用的性能，使得提 供高質(zhì)量服務的實時同步應用十分困難。由此可見，建立一個合理的網(wǎng)絡時延抖動平滑機 制來減少網(wǎng)絡時延不穩(wěn)定對系統(tǒng)的影響是十分必要的。
[0003] 網(wǎng)絡時延是影響CPS實時性和同步性的一個重要因素，網(wǎng)絡時延越大，系統(tǒng)等待時 間越長，實時性和同步性也就越差；網(wǎng)絡抖動則是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要因素，網(wǎng)絡抖 動越少，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也就越好。因此，平滑網(wǎng)絡抖動是CPS必須要解決的問題之一。
[0004] 在執(zhí)行器端設置反饋延遲區(qū)可W平滑網(wǎng)絡抖動，在預測時間內(nèi)應用控制信號，能 夠有效地減小或者消除網(wǎng)絡的不確定性對網(wǎng)絡應用系統(tǒng)性能的影響。反饋延遲區(qū)的含義 是:在執(zhí)行器端設置一段時間，在運段時間內(nèi)接收到控制模塊發(fā)來的命令信號時，先存儲起 來，等到運段時間完結，再執(zhí)行命令。運段時間的時長稱為反饋延遲。反饋延遲區(qū)時長的設 置十分關鍵:如果反饋延遲區(qū)的時長設置過大，執(zhí)行模塊等待過長，時延就會過大，影響系 統(tǒng)的實時性和同步性；反之，反饋延遲區(qū)的時長設置過小，執(zhí)行模塊無法正常接收命令信 號，結果不僅無法吸收延時抖動，而且會導致丟包率的上升，最后甚至損壞系統(tǒng)。因此，反饋 延遲區(qū)時長的設置必須在延時和丟包之間取得平衡。
[0005] 如何合理的設置反饋延遲區(qū)的大小，平滑網(wǎng)絡中的不規(guī)則抖動，國內(nèi)外研究學者 們提出了很多種網(wǎng)絡抖動平滑W及緩沖器大小設置算法。例如，基于最小二乘法化east Square Method,LSM)和移動平均法(Moving Average Method,MAM)的預測算法。運兩種算 法在遇到較大的延時抖動后，預測值產(chǎn)生突變，無法重新貼近實驗中的網(wǎng)絡延時抖動的大 小，從而影響預測的準確性。而另外一種基于指數(shù)平滑法化xponential Smoothing Method, ESP)的抖動平滑算法與LSM算法和MAM算法相比，ESM算法的均值和方差更小，預測 值更加精確。然而，ESM算法會因為觀測值中含有較大的單邊延遲變量而受到影響，產(chǎn)生一 個比較大的預測值，導致時延增大，從而影響系統(tǒng)的實時性和同步性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對CPS的網(wǎng)絡W及其它系統(tǒng)設及的無線網(wǎng)絡中，因為時延的不規(guī)則抖動影響系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能運一問題，本發(fā)明提出一種CPS延時抖動緩沖方法，所述方法包括：
[0007] 獲取網(wǎng)絡延遲初始數(shù)據(jù)；
[000引設置一個滑動窗口，用于記錄距離當前時間最近的若干個單邊時延變量；
[0009] 剔除滑動窗口中較大的單邊時延變量；
[0010] 對滑動窗口中剩余的數(shù)據(jù)進行映射變換；
[0011] 針對經(jīng)映射變換后的數(shù)據(jù)，利用導數(shù)最小二乘預測模型求解第一預測值；
[0012] 對所述第一預測值進行逆映射；
[0013] 針對經(jīng)逆映射變換后的數(shù)據(jù)，W及經(jīng)排序后的所述滑動窗口中的剩余數(shù)據(jù)的第 U %位數(shù)據(jù)，選取較大者作為第二預測值;其中，所述U %根據(jù)經(jīng)驗設置；
[0014] 根據(jù)該第二預測值計算反饋延遲預測值。
[0015] 針對CPS的網(wǎng)絡W及其它系統(tǒng)設及的無線網(wǎng)絡中，因為時延的不規(guī)則抖動影響系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能運一問題，本發(fā)明提出了一種合理設置反饋延遲區(qū)的大小，平滑網(wǎng) 絡抖動的方法。本發(fā)明無需各個系統(tǒng)模塊時鐘同步，不會引入同步算法誤差，同時，能夠有 效地減少網(wǎng)絡延遲抖動中的異常值，更加精確地預測網(wǎng)絡中延時抖動大小的變化，與其他 方法相比，預測值的均值和方差更小，具有一定的優(yōu)越性。
【附圖說明】
[0016] 圖1為實施例一提供的一種(PS延時抖動緩沖方法示意圖。
[0017] 圖2為實施例二提供的一種(PS延時抖動緩沖方法示意圖。
[0018] 圖3為基于均勻分布的四種抖動緩沖方法均值與方差比較圖。
[0019] 圖4為基于化reto分布的四種抖動緩沖方法均值與方差比較圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0021] 參見圖1所示，為實施例一提供的一種CPS延時抖動緩沖方法示意圖，其中包括如 下步驟：
[0022] SlOl、獲取網(wǎng)絡延遲初始數(shù)據(jù)。
[0023] 所述網(wǎng)絡是CPS設及的無線網(wǎng)絡。獲取網(wǎng)絡延遲初始數(shù)據(jù)是獲取控制器端與終端 節(jié)點之間的數(shù)據(jù)包傳輸時間延遲值，作為初始樣本數(shù)據(jù)。
[0024] S102、設置一個滑動窗口，用于記錄距離當前時間最近的若干個單邊時延變量。
[0025] 設置一個滑動窗口作為目標區(qū)域，然后計算每一次觀測值，即單邊時延變量，并將 距離當前時間最近的若干個單邊時延變量記錄至所述滑動窗口。
[00%] S103、剔除滑動窗口中較大的單邊時延變量。
[0027]由于網(wǎng)絡時延的不確定性可能導致所述滑動窗口中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)抖動，即某些數(shù)據(jù) 可能遠大于窗口中的其他大部分數(shù)據(jù)。運些數(shù)據(jù)會影響網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和實時性等多方面的 性能。可W通過剔除滑動窗口中較大的單邊時延變量來進行平滑。具體而言，先計算所述滑 動窗口中的數(shù)據(jù)集合的標準差，并利用拉依達準則剔除較大的抖動數(shù)據(jù)。其中，拉伊達準則 的數(shù)學表達式為：
[002引 Vd= |Xd-X|〉30(l <d<n)
[0029] 其中，Xd為樣本中的數(shù)據(jù);X為樣本的期望值;Vd為數(shù)據(jù)域期望值的偏差。
[0030] S104、對滑動窗口中剩余的數(shù)據(jù)進行映射變換。
[0031] 具體而言，可W通過W下方式對滑動窗口中剩余的數(shù)據(jù)進行映射變換：
[0032] Y(i+l)=aXx+(l-a)XY(i)
[0033] 其中，YQ)為第i次觀測值的映射變換，Y(i+1)為第i + 1次觀測值的映射變換，a表 示變換系數(shù)，a e (0，1)。優(yōu)選地，所述變換系數(shù)a = 0.6~0.9。
[0034] S105、針對經(jīng)映射變換后的數(shù)據(jù)，利用導數(shù)最小二乘預測模型求解第一預測值。
[0035] 所述導數(shù)最小二乘預測模型包括W下至少一種：四參數(shù)幕函數(shù)模型、=參數(shù)指數(shù) 函數(shù)模型;其中，所述四參數(shù)幕函數(shù)模型的數(shù)學表達式為：
[0036] s(w+l+j) =a+c(w+l+j)?
[0037] p(ws+l+j) = (s(w+l+j)-(l-c〇 Xs(w+j))/曰
[0038] 其中，a，c和m為待定參數(shù);w+l+j為經(jīng)過映射變換的時間序列；s(w+l+j)為根據(jù)模 型計算的值;P(ws+l+j)為映射變換逆變換后的預測值；
[0039] 另外，所述=參數(shù)指數(shù)函數(shù)模型的數(shù)學表達式為：
[0040] s(w+l+j)=a+ce(w+W)
[0041] p(ws+l+j) = (s(w+l+j)-(l-c〇 Xs(w+j))/曰
[0042] 其中，a，c和m為待定參數(shù);w+l+j為經(jīng)過映射變換的時間序列；s(w+l+j)為根據(jù)模 型計算的值;P(ws+l+j)為映射變換逆變換后的預測值。
[0043] S106、對所述第一預測值進行逆映射。
[0044] 具體而言，可W通過W下方式對所述第一預測值進行逆映射：
[0045] x(w+l) = (Y(w+l)-(l-a)XY(w))/a
[0046] 其中，x(w+l)為所述逆映射的結果，Y(W)為第W次觀測值的映射變換，Y(w+1)為第W +1次觀測值的映射變換，a表示變換系數(shù)，a e (0，1)。
[0047] S107、針對經(jīng)逆映射變換后的數(shù)據(jù)，W及經(jīng)排序后的所述滑動窗口中的剩余數(shù)據(jù) 的第U %位數(shù)據(jù)，選取較大者作為第二預測值;其中，所述U %根據(jù)經(jīng)驗設置。
[0048] 對滑動窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進行排序，針對排序后的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗取出其中的第U%位 數(shù)據(jù)，然后將所述經(jīng)逆映射變換后的數(shù)據(jù)與所述第U%位數(shù)據(jù)進行比較，選擇較大的一者作 為第二預測值。
[0049] S108、根據(jù)該第二預測值計算反饋延遲預測值。
[0050] 具體可W通過W下方式根據(jù)上述得到的第二預測值計算反饋延遲預測值：
[005。嗦 _ ) + 么(0 + 'y0 .
[005^
[0053] 其中；
[0054] Tl表示第i個數(shù)據(jù)包的反饋延遲預測值，即反饋延遲區(qū)的大小；
[0055] ti表示第i個數(shù)據(jù)包從控制器端發(fā)出到達終端節(jié)點的時刻，i = 0，l，2,3,......， n；
[0056] 表示第j個數(shù)據(jù)包從終端節(jié)點發(fā)出到達控制器端的時刻，j = 0，l，2,3,......， n；
[0化7] ./；，,(〇表示第i個數(shù)據(jù)包從終端節(jié)點到控制器端的傳輸時間和第i-1個數(shù)據(jù)包從終 端節(jié)點到控制器端的傳輸時間的時間差值；
[0化引 ^存)表示第i個數(shù)據(jù)包從控制器端到終端節(jié)點的傳輸時間和第i-1個數(shù)據(jù)包從控 制器端到終端節(jié)點的傳輸時間的差值；
[0化9] 表示巧的預值。
[0060] 進一步地，由于預測值理論上應當服從均勻分布和化reto分布，因此，在計算出反 饋延遲預測值后，還可W通過驗證反饋延遲預測值是否服從均勻分布和化reto分布來檢驗 該方法的有效性。其中，Pareto分布的累積分布函數(shù)為：
[0062] 其中；
[0063] V…二 min, A.,
[0065] 本實施例所提出的方法可W合理設置反饋延遲區(qū)的大小，平滑網(wǎng)絡抖動。無需各 個系統(tǒng)模塊時鐘同步，不會引入同步算法誤差，同時，能夠有效地減少網(wǎng)絡延遲抖動中的異 常值，更加精確地預測網(wǎng)絡中延時抖動大小的變化。