一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊pd流量控制方法

專利名稱：一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊pd流量控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的方法，尤其涉及一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊PD流量控制方法。
背景技術：
隨著遠程通信、多媒體和計算機工業(yè)與技術的日益發(fā)展和互相融合，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，如計算機網(wǎng)絡，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)絡的普及，同時使數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡終端用戶成爆炸性的增長。另一方面，隨著移動通信技術的快速發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡，如第二代移動通信網(wǎng)絡GSM/GPRS網(wǎng)絡、CDMA1X網(wǎng)絡以及第三代移動通信網(wǎng)絡如WCDMA網(wǎng)絡、CDMA2000 EV/DO網(wǎng)絡、TD-SCDMA網(wǎng)絡也在或將在世界上得到迅速的普及，這促使移動通信終端用戶同樣發(fā)生了幾何級數(shù)的增長。所有這些因素都導致了作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體--數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流量的飛速增加，從而導致了網(wǎng)絡性能的降低和服務質量的降級，如數(shù)據(jù)傳輸時間延遲增加、時間抖動增加、數(shù)據(jù)包丟失率上升等等。
為減少并進而避免這些現(xiàn)象發(fā)生，有關國際標準均定義了有關的解決框架。如互聯(lián)網(wǎng)國際標準制定組織IETF(The Internet Engineering Task Force--互聯(lián)網(wǎng)工程任務組)提出了多個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ATM論壇(ATM Forum)也在其業(yè)務管理規(guī)范中定義了其流量控制框架。這些控制框架的一個共同特點就是采用了反饋控制的方法進行各自網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的流量控制。
現(xiàn)有的流量控制機制根據(jù)所采用的反饋機制不同可分為兩類二進制反饋機制和顯式速率機制。由于顯式速率機制相對于二進制反饋機制的優(yōu)點，目前主要針對顯式速率機制進行設計，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制或者是直觀的、不提供任何形式化的設計方法以保證閉環(huán)控制的穩(wěn)定性；或者雖提供了機制穩(wěn)定性的保證，但由于復雜度的原因難以實現(xiàn)；或者雖滿足前兩項要求，但機制的瞬態(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)明內容
本發(fā)明的目的就是提供一種通信網(wǎng)絡中模糊PD(Fuzzy PD)流量控制器的設計方法，從而可以根據(jù)終端用戶所申請的服務等級，公平合理地向終端用戶分配相應的網(wǎng)絡資源，實時有效地動態(tài)調節(jié)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量，控制網(wǎng)絡的擁塞，保證終端用戶的服務質量(QoS)，本發(fā)明采用如下方案實現(xiàn)本發(fā)明的目的本發(fā)明提供一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊PD流量控制方法，包括如下步驟1)每隔一個時間周期采樣緩沖區(qū)的隊列長度；2)將預先設定的擁塞閾值減去所述隊列長度得到控制誤差e(n)；3)將所述控制誤差減去上個時間周期獲得的控制誤差得到值除以時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事先設定的閾值時，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事先設定的閾值時，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，可以進行如下處理1)將所述控制誤差和所述變化率進行模糊化處理，獲得相應的模糊語言變量；2)根據(jù)規(guī)則庫對所述模糊語言變量進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可支持的顯示速率r(n+1)。
所述模糊控制器根據(jù)下式計算得到交換機可支持的顯示速率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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，Sat為截斷函數(shù)。
所述PD控制器根據(jù)公式r(n+1)＝max{r(n)+KPe(n)+KDΔe(n)，0}計算可支持的顯示速率r(n+1)，其中，r(n)是在[(n-1)T，nT]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，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)，包括至少一個交換機，所述交換機包括一個模糊PD流量控制器，所述模糊PD流量控制器包括采樣和計算單元，用于每隔一個時間周期采樣緩沖區(qū)的隊列長度，將預先設定的擁塞閾值減去所述隊列長度得到控制誤差e(n)以及將所述控制誤差減去上個時間周期獲得的控制誤差得到值除以時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；模態(tài)選擇開關，對所述控制誤差進行判斷，如果該控制誤差大于某個事先設定的閾值時，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事先設定的閾值時，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行模糊化處理，獲得相應的模糊語言變量；推理機單元，根據(jù)規(guī)則庫對所述模糊語言變量進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算裝置，根據(jù)下式計算交換機可支持的顯示速率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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，Sat為截斷函數(shù)。
模糊PD流量控制器通過上述有效的控制方法計算出反饋給終端用戶的速率參數(shù)，終端用戶根據(jù)這個速率參數(shù)調節(jié)終端用戶向網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，從而控制(調節(jié)/避免)網(wǎng)絡擁塞，最終提高網(wǎng)絡性能和服務質量。同時該方法具有穩(wěn)定性、公平性、魯棒性和抗干擾性的優(yōu)點。
通過以下結合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施方式的描述，本發(fā)明的其他特點、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)選實施方式，其中圖1為網(wǎng)絡系統(tǒng)結構圖；圖2為模糊PD流量控制機制模型圖；圖3為模糊PD流量控制器結構圖；圖4為模糊控制器結構圖；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)絡結構曲線圖；圖9為多跳(hop)網(wǎng)絡結構圖；圖10a至圖10d為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的穩(wěn)定性實驗中的隊列長度的動態(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)定性實驗中的ACR的動態(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中的隊列長度的動態(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中的ACR的動態(tài)特性圖；圖13為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的魯棒實驗中的5個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驗中的隊列長度的動態(tài)特性圖；圖14b為本發(fā)明的模糊PD流量控制器的魯棒實驗中的ACR的動態(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驗中的隊列長度的動態(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驗中的ACR的動態(tài)特性圖；在所有的上述附圖中，相同的標號表示具有相同、相似或相應的特征或功能。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
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r是交換機針對其某一輸出口(與一輸出鏈路相對應)所計算出的其可支持的全部ABR(可用比特速率)業(yè)務的顯式速率，它作為PD控制器的輸出，也即受控對象的控制量；q表示該輸出口對應的緩沖區(qū)隊列長度，作為受控量。QT是該緩沖區(qū)隊列長度希望值或擁塞閾值，作為目標值。T表示r和反饋速率參數(shù)ER的計算周期，即控制器的采樣時間。因此，PD控制器輸出的顯示速率的表達式為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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率；r(n)是在[(n-1)T，nT]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率；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，為能進行離散時間分析，運行于網(wǎng)絡中間結點的PD控制器每T秒計算一個新的反饋速率參數(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)學模型。對于模糊控制器來說，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)則進行推理，因此必需將輸入數(shù)據(jù)變成語言值，即進行“模糊化”，經(jīng)過模糊推理所得的結果必須變成一個實際的精確量，即進行“反模糊化”。模糊控制器的基本結構如圖4所示，這是一個典型的兩輸入一輸出結構。圖4中精確輸入量e(n)是在第n個采樣時刻交換機輸出緩沖區(qū)隊列長度閾值QT(給定值)與瞬時隊列長度q(n)(測量值)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個采樣時刻交換機輸出緩沖區(qū)隊列長度閾值QT(給定值)與瞬時隊列長度q(n-1)(測量值)之差；Δer(n+1)是模糊控制器的輸出控制量，它是下一個采樣周期內交換機可提供的反饋速率參數(shù)ER的增量；E、EC和ΔER分別是上述三個精確量(e(n)、Δe(n)和Δer(n+1))所對應的模糊語言變量；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。
設計一個有效的模糊控制器通常包括幾個步驟定義能反映網(wǎng)絡擁塞狀態(tài)的輸入變量和用于控制ABR業(yè)務流量的輸出變量、確定這些變量的論域以及它們的隸屬函數(shù)曲線、設計控制規(guī)則庫、設計模糊推理結構、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構，即模糊控制器使用了兩個輸入變量來計算一個反饋速率參數(shù)ER的增量，這里，我們選擇交換機輸出緩沖區(qū)作為控制對象，其瞬時隊列長度作為受控參數(shù)。因此，我們采用輸入變量e(n)用來跟蹤緩沖區(qū)隊列的當前狀態(tài)；其變化率Δe(n)用于提供未來隊列狀態(tài)的預測。通過用下一采樣周期內交換機提供的ER增量作為輸出控制參數(shù)，可以使得ABR(可用比特速率)服務源端更易于響應網(wǎng)絡負載或緩沖區(qū)隊列長度的突然變化。
2)論域與隸屬函數(shù)的確定由受控過程(交換機輸出緩沖區(qū))的實際情況可知，隊列長度q(n)的變化范圍是
，其中B是該緩沖區(qū)的大小。因此，兩個輸入變量的測量范圍分別是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就必須首先把它們轉換成模糊集合的隸屬函數(shù)。每一個輸入值都可以對應一個模糊集合，而一個范圍連續(xù)變化的值就可有無限多個模糊集合，這在實際應用時是毫無意義的。為了便于實現(xiàn)，通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級。這里，為了減少模糊控制器的計算量而又保持較高的控制分辨率，三個語言變量均模糊劃分為五個模糊子集如{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，但是計算復雜；實踐證明，用三角形和梯形函數(shù)其性能并沒有十分明顯的差別；因此為了簡化計算，我們采用最常用的三角形和梯形相結合的函數(shù)。圖5--圖7顯示了各語言變量模糊子集所對應的隸屬函數(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的設計根據(jù)輸入和輸出變量的個數(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是輸入變量的個數(shù)，本文中為2，即e(n)和Δe(n)；n_out是輸出變量的個數(shù)，本文中為1，即Δer(n+1)；n_level是輸入與輸出模糊等級劃分的數(shù)目；因此，本文規(guī)則的最大數(shù)目是25個。
模糊推理是整個模糊控制器的核心，該推理過程是基于模糊邏輯中蘊涵關系及推理規(guī)則進行的。根據(jù)模糊集合和模糊關系理論，對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)“如果隊列長度小而且隊列長度減少得快，那么交換機可支持的速率增加快?！?2)“如果隊列長度適中而且隊列長度減少得慢，那么交換機可支持的速率不變。”(3)“如果隊列長度很大而且隊列長度不變化，那么交換機可支持的速率減少慢?！睘榱诵问交梢员硎緸?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)特性和實驗結果，模糊流量控制規(guī)則設計為表1所示。
模糊控制器采用最小-最大推理法(min-max)進行模糊推理。這種推理方法是先在推理前件中選取各個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)則的結論，這稱為取小min操作；再對各個規(guī)則的結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的模糊輸出乘以比例因子KU后送入解模糊模塊進行處理，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。然而在實際應用中要控制一個物理對象，只能在某一個時刻有一個確定的控制量，這就必須要從模糊輸出隸屬函數(shù)中找出一個最能代表這個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)學上講，這是一個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)曲線與橫坐標圍成面積的重心，其實質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)則的結論隸屬度，zi是各規(guī)則結論的代表點，即重心橫坐標。
交換機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引起的受控參數(shù)超調量過大，從而可以減少控制器的信元丟失；Sat為截斷函數(shù)。計算顯示速率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)絡系統(tǒng)圖，該網(wǎng)絡中包括源端用戶、目的端用戶和n個交換機，本發(fā)明中的模糊PD流量控制器就是組成交換機的一部分，模糊PD流量控制器的具體運行過程如下交換機(見圖2)中的模糊PD流量控制器每隔一個時間周期(如T秒)采樣一次交換機中的緩沖區(qū)(如輸入緩沖區(qū)或輸出緩沖區(qū))的隊列長度(如q)，在第n個采樣周期采樣的隊列長度設為q(n)。設定一個緩沖區(qū)隊列長度希望值或擁塞閾值，作為目標值(QT)。在第n個時間周期，q(n)和QT是模糊PD流量控制器的輸入量。交換機計算出QT-q(n)，稱為控制誤差e(n)，即e(n)＝QT-q(n)，并保存e(n)。然后該交換機計算[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時間周期中計算出來并保存的量，稱為n-1時間周期中的控制誤差。其中采樣緩沖區(qū)隊列長度和對e(n)和Δe(n)的計算在模糊PD流量控制器的采樣和計算單元中進行，如圖3所示，將計算得到的所述e(n)和Δe(n)輸入到模糊PD流量控制器的模態(tài)選擇開關，模態(tài)選擇開關執(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e(n)大于某個事先設定的閾值(可以根據(jù)具體情況設置)時，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)分別進行模糊化處理，得出兩個輸入模糊量E和EC，然后根據(jù)制定的規(guī)則庫進行模糊推理，得出一個輸出模糊量ΔER，接著通過解模糊模塊，得出一個精確輸出值Δer(n+1)，最后顯示速率計算裝置根據(jù)公式r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}得出一個n+1時間周期內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}計算出r(n+1)。在具有多個交換機且交換機中具有模糊PD流量控制器的系統(tǒng)中(參考圖1)，交換機中的一個最小值計算模塊將此r(n+1)與收到的其它交換機中的模糊PD流量控制器產生并發(fā)送來的r(n+1)進行比較，如圖2中的求最小運算Min，該運算可以是在交換機中的一個運算模塊中進行，將運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)，每個源端用戶根據(jù)這個反饋的最小r(n+1)調節(jié)各自的數(shù)據(jù)(如信元Cell，分組)發(fā)射速率，對于如何調節(jié)各自的數(shù)據(jù)發(fā)射速率，均是成熟的現(xiàn)有技術，這里就不再詳細描述。
下面列舉幾個應用實例及相應性能，圖8是含有單一瓶頸鏈路的網(wǎng)絡結構，其中5個ABR(可用比特速率)用戶和一個合成的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服務的源端系統(tǒng)，D1至D5是其對應的目的端系統(tǒng)。
對于ABR業(yè)務，我們使用具有貪婪性質的源，這樣可以使每個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服務端系統(tǒng)主要參數(shù)

圖中Svbr所表示的VBR業(yè)務源是一個屬于泊松隨機過程的ON-OFF過程。在ON狀態(tài)時間內，它以20Mbits/s的速率產生信元；在OFF狀態(tài)下其產生信元的速率為0。每個ON或OFF狀態(tài)的持續(xù)時間均為2.5ms，因此VBR源產生信元的平均速率是10Mbits/s；實際的ON和OFF狀態(tài)的區(qū)間服從指數(shù)分布。所有源在時刻0開始發(fā)送信元。
在這個系統(tǒng)中，我們主要調查網(wǎng)絡受控參數(shù)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。我們以最大瞬時隊列長度和響應時間作為反映網(wǎng)絡性能的兩個主要瞬態(tài)性能指標；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輸出緩沖區(qū)隊列長度閾值之間的誤差)作為主要的穩(wěn)態(tài)性能指標。
我們假設VBR VC(即Svbr，Dvbr)不起作用，因此網(wǎng)絡中可用鏈路帶寬和活動VCs數(shù)都是固定的，所用網(wǎng)絡模型如圖8所示。圖10和圖11分別給出了瓶頸交換機(sw1)輸出緩沖區(qū)隊列長度和一個ABR(可用比特速率)源端系統(tǒng)(如S1)ACR(衰減串擾比)的動態(tài)特性。從圖10中我們知道機制的穩(wěn)定性與模態(tài)切換閾值的選擇無關，即受控參數(shù)(隊列長度q)總是收斂到其目標值QT。圖11表明機制的控制參數(shù)ACR的收斂性同樣與模態(tài)切換閾值的選擇無關，并且總是收斂到瓶頸鏈路總容量50Mbits/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，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，我們可以得出結論模糊PD控制機制是穩(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)切換閾值的選擇對控制器瞬態(tài)特性(受控參數(shù))有關性能參數(shù)的影響。
表3模態(tài)切換閾值對控制器瞬態(tài)特性的影響

從表中可知隨著模態(tài)切換閾值的增加，對控制器瞬態(tài)特性的影響將從模糊控制器逐漸轉變?yōu)镻D控制器，這與我們設計模糊PD流量控制器時的分析一致。當模態(tài)切換閾值小于45cells(30％)時，模糊控制起主要作用；當模態(tài)切換閾值大于75(50％)時，PD控制起主要作用。模態(tài)切換閾值在45cells到75cells之間時，機制綜合了兩種控制作用的特長，并獲得了較好的瞬態(tài)特性快的響應時間、低的超調。
由此可知，當選擇合適的模態(tài)切換閾值時，模糊PD流量控制器可以獲得低的超調，從而可提高網(wǎng)絡的性能；與PD控制器相比，模糊PD流量控制器具有更快的響應時間。
下面描述當可用鏈路容量改變時，也即網(wǎng)絡中存在干擾時，瓶頸交換機隊列長度和ABR源端ACR值的動態(tài)特性。網(wǎng)絡模型如圖8。圖12所示為一個ABR源端系統(tǒng)如S1的ACR和交換機sw1隊列長度的動態(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)所示的隊列長度在希望值QT附近振蕩；由于隊列長度控制在目標值附近振蕩，所以交換機緩沖區(qū)也得到了充分的利用。由上可以得出結論，模糊PD流量控制器也具有抗干擾性能，它同樣可以應用于ABR和VBR共存的網(wǎng)絡環(huán)境中并可充分地利用網(wǎng)絡資源。
圖9為多跳(hop)網(wǎng)絡仿真模型，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服務的源端系統(tǒng)，DA1、DA2、DB1、DB2、DC1至DC6是其對應的目的端系統(tǒng)。這里魯棒性是指當活動ABR VCs數(shù)發(fā)生變化時，控制器仍然是穩(wěn)定的。為了調查魯棒性，在這個實驗中我們采用圖13所示的ABR源特性，目的是使活動ABR VCs數(shù)發(fā)生變化。圖14是仿真結果，從圖中可知，模糊PD流量控制器迅速響應活動ABR VCs數(shù)的變化。從圖14(a)可知隊列長度是分段穩(wěn)定的并且在有限時間內總是收斂到目標隊列長度QT；從圖14(b)可知ACR隨著活動ABR VCs數(shù)增加而降低，隨著活動ABR VCs數(shù)的減少而升高。由上可以得出結論模糊PD流量控制器是魯棒的。
我們利用ACR的動態(tài)特性來考察公平性，還是用如圖9所示的網(wǎng)絡模型。從圖15(a)可以看到對交換機隊列長度的緊密控制使每個源端系統(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對應的VC)間的公平性同樣可以達到，這里由于版面空間所限僅畫出了每組中一個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，而瓶頸交換機的隊列長度均是收斂的。由此可以同時得出結論，模糊PD流量控制器對于距離(或往返傳輸時間RTT)的影響也是魯棒的。
由上述實施例可知，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，可以應用于計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量控制方法，也可以應用于移動通信系統(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)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊PD流量控制方法，包括如下步驟1)每隔一個時間周期采樣緩沖區(qū)的隊列長度；2)將預先設定的擁塞閾值減去所述隊列長度得到控制誤差e(n)；3)將所述控制誤差減去上個時間周期獲得的控制誤差得到的值除以時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事先設定的閾值時，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事先設定的閾值時，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)權利要求1所述的一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊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，進行如下處理1)將所述控制誤差和所述變化率進行模糊化處理，獲得相應的模糊語言變量；2)根據(jù)規(guī)則庫對所述模糊語言變量進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可支持的顯示速率r(n+1)。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊PD流量控制方法，其特征在于，所述模糊控制器根據(jù)下式計算得到交換機可支持的顯示速率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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，Sat為截斷函數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一項所述的一種用于通信網(wǎng)絡擁塞控制的模糊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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，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)，包括至少一個交換機，其特征在于，所述交換機包括一個模糊PD流量控制器，所述模糊PD流量控制器包括采樣和計算單元，用于每隔一個時間周期采樣緩沖區(qū)的隊列長度，將預先設定的擁塞閾值減去所述隊列長度得到控制誤差e(n)以及將所述控制誤差減去上個時間周期獲得的控制誤差得到的值除以時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；模態(tài)選擇開關，對所述控制誤差進行判斷，如果該控制誤差大于某個事先設定的閾值時，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事先設定的閾值時，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行模糊化處理，獲得相應的模糊語言變量；推理機單元，根據(jù)規(guī)則庫對所述模糊語言變量進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算裝置，根據(jù)下式計算交換機可支持的顯示速率r(n+1)r(n+1)＝Satβ×C{r(n)+Δer(n+1)}，其中，r(n)是在[(n-1)T，nT]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，C為鏈路的帶寬，β為帶寬限制因子，Sat為截斷函數(shù)。
8.根據(jù)權利要求5至7中任一項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]時間區(qū)間內所計算的交換機可支持的顯式速率，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)絡擁塞控制的模糊PD流量控制方法及設備，方案如下每隔一個時間周期采樣緩沖區(qū)的隊列長度；將預先設定的擁塞閾值減去所述隊列長度得到控制誤差e(n)；將所述控制誤差減去上個時間周期獲得的控制誤差得到的值除以時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事先設定的閾值時，選擇模糊控制器工作；如果該控制誤差不大于某個事先設定的閾值時，選擇PD控制器工作；采用本發(fā)明的方法和設備，實現(xiàn)公平合理地向終端用戶分配相應的網(wǎng)絡資源，實時有效地動態(tài)調節(jié)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量，控制網(wǎng)絡的擁塞，保證終端用戶的服務質量。
文檔編號H04L12/56GK1980188SQ200510127948
公開日2007年6月13日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權日2005年12月7日
發(fā)明者張孝林 申請人:聯(lián)想(北京)有限公司