專利名稱：基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法
技術領域：
本發明涉及移動通信組網方法體系中的狀態處理技術領域，具體涉及一種基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法。
背景技術：
移動網絡就是節點移動的網絡，由于節點的移動引入了網絡拓撲結構的不確定性，從而對節點狀態及路徑狀態的平穩性產生了不利影響，為移動網絡的組網以及網絡協議和系統設計帶來了新的技術難度。狀態處理分狀態獲取和狀態控制，狀態獲取分為節點狀態獲取和路徑狀態獲取， 狀態控制又分為節點狀態控制和路徑狀態控制。一般用于描述節點狀態的度量參數主要有可用帶寬(剩余出口帶寬)、緩沖區排隊長度、節點處理能力(AdHoc網用)、延時的概率密度函數PDF等。獲取PDF的方法有兩種節點狀態測量和節點狀態探測。狀態獲取過程要求采樣要獨立，且采樣數據足夠多。節點狀態測量是對節點狀態進行定時或不定時觀察，獲取狀態的樣本值，從而獲得節點狀態的PDF。節點狀態探測是一個節點通過向網絡發送探測包，以獲取其它節點狀態的樣本值， 從而獲得其它節點狀態的PDF函數。由于在一般情況下，節點狀態測量要求的平穩時間遠小于節點狀態探測，在接入網中，基本都采用節點狀態測量的方法。節點狀態更新總是與節點狀態平穩性聯系在一起的，并通過狀態發布過程實現。 只有當節點狀態變化過程是非平穩隨機過程，才需要進行狀態更新。而在網絡中，節點狀態不可能是平穩的，網絡各節點的與其它節點狀態有關的行為都依賴于狀態更新方法。由于網絡中節點狀態變化過程是一個非平穩隨機過程，當節點狀態統計特征變化時，需要根據節點狀態的統計變化量，決定是否對其它節點發布狀態并更新本節點的狀態。路徑狀態獲取方法有兩種。方法一源節點根據接收到的網絡各節點狀態，計算到達目標節點的各路徑延時的概率密度函數。在節點狀態獨立的假設下，可通過計算路徑中各節點的延時的概率密度函數的卷積獲得路徑的延時概率密度函數(路徑狀態)。方法二 源節點周期性地向網絡中各節點發送探測包，根據目的節點收到探測包的延時，統計各路徑的延時概率密度函數(路徑狀態)。狀態控制分為節點狀態控制和路徑狀態控制。而路徑的狀態主要由節點狀態決定。因此狀態控制的目的實際主要是通過網絡機制或QoS保證機制的作用，保證節點狀態平穩。節點狀態平穩是實現QoS保證的基本條件。節點狀態平穩是指節點狀態在時間上具有短時平穩性。也就是可以認為在兩次狀態更新期間，節點狀態近似一個平穩的隨機過程，它的統計特性，如均值、方差和概率分布近似不變。所有QoS保證機制(整形、接納控制、 調度、路由等)的設計都應圍繞使節點狀態平穩這一基本前提
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明所要解決的技術問題是如何保持節點移動網絡中節點狀態的平穩性。(二)技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法，該方法中，假設各節點狀態相互獨立，且該方法包括以下步驟Si、建立鏈路數據率的控制目標；S2、利用節點間鏈路狀態反饋控制機制來實現所述控制目標，所述節點間鏈路狀態反饋控制機制包括鏈路的尾節點對數據率的預測與對反饋控制量的計算，以及首節點對輸出數據率的控制。優選地，尾節點根據輸入數據率對尾節點的其他出口鏈路的穩定性影響的預測結果計算得到所述反饋控制量；首節點的輸出數據率根據所述反饋控制量和對鏈路數據率的穩定性要求計算得到。優選地，步驟Sl具體為SE= IeijjIjVi, Vj e V, Ts表示控制周期，對任意一條從節點ρ到節點S鏈路ep, s，p，S e V，任意第k個控制周期的數據率Rp,s(k)用這個周期的平均數據率求出，k為正整數，V表示網絡中所有節點的集合，V= {vi; V2, ... , vM} ；ey表示從節點Vi到節點、的有向鏈路，對于鏈路ei, ρ節點Vi是、的上一節點，、是Vi的下一節點，節點Vi稱為鏈路、 j的首節點，Vj稱為鏈路ey的尾節點；E表示網絡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的數據率為Rp,s(k_l)，則要求在第k個周期的數據率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周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率，α為控制參量，Cp,s表示鏈路ep,s的傳輸容量；式(1)就是對鏈路數據率的控制目標。優選地，步驟S2中，對數據率的預測與對反饋控制量的計算過程具體為在第k-Ι個周期，根據前L個周期輸入輸出對數據率的統計值，分別預測每個輸入輸出對數據率在k個周期的值1，5， (幻，得到輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣;^(幻和每條輸入鏈路數據率的預測值<，5(幻，L彡k-l，i- (幻表示節點S的鄰節點ρ到鄰節點η的數據率的預測值；節點S根據第k-Ι個周期的統計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率HiaxRp, s(k)；比較Ap s (k)和maxRp, s (k)，如果kp S (k) > max RP,s㈨，則相應地修正該鏈路
所包含的輸入輸出對數據率的預測值，得到新的預測量義&(幻，同樣，對其它輸入輸出對數據率的預測值進行修正，得到修正后的輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣 = IxlsAk^N,(i J ^Vs)-,對數據率預測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數據率的預測值，
對于輸出鏈路，如果先， (幻< maxRs n(k),(n e Vs)，則第k個周期與鏈路相關的輸入輸出對數據率的允許量<，,， (幻與預測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關的輸入輸出對數據率的預測值，作為第k個周期的輸入輸出對數據率允許量，從而得到第k周期的節點S分配給相鄰節點的輸入輸出數據率允許量構成的向量)C(k)；對數據率矩陣的預測矩陣1丨(幻求列和，得到節點S對每條輸入鏈路的數據率的反饋控制量R*p,s(k)。優選地，首節點對輸出數據率進行控制具體為節點ρ根據從節點S接收到的反饋控制量和鏈路數據率的控制目標，計算每個周期k的輸出數據率，并由鏈路的首節點在其相應的端口通過令牌生成速率可變的令牌桶對輸出數據率進行控制。優選地，節點的每個輸出端口按照所述控制周期調整令牌生成速率。(三)有益效果本發明由于采用了節點間鏈路狀態反饋控制機制，通過對鏈路數據率的預測和相鄰節點間的反饋控制實現對鏈路數據率變化的控制。將該方法應用于路由機制和擁塞控制，可以大幅度降低業務在傳輸過程中的丟包率，減小網絡中節點排隊長度，從而降低數據包在節點的延時。
圖1是本發明實施例的方法流程圖；圖2以節點S為主要研究點的鄰節點連接圖；圖3為LFCS控制機制示意圖；圖4為反饋量的計算流圖。
具體實施例方式下面對于本發明所提出的一種基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法，結合附圖和實施例詳細說明。首先介紹本發明中用到的節點狀態獨立性假設。節點狀態獨立的假設在QoS研究中經常使用，因為它可以使很多問題的研究得到簡化。在以鏈路延時為節點狀態，以延時的概率密度函數為狀態信息的QoS機制中，這個假設尤其重要。沒有這個假設，端到端路徑延時的概率密度函數的計算是NP-Hard問題。如果這個假設成立，而且網絡中各鏈路延時的概率密度函數是已知的，那么所有路徑延時的概率密度函數都可通過鏈路延時概率密度函數的卷積得到。進而可以很容易地計算出各個路徑的度量參數，如延時的均值、方差和丟包率。在自治域系統中，尚未對這一假設的合理性進行驗證。自治域系統是具有自己獨立選路策略的管理區域。例如，由一個公司的內部網絡或一個學校的校園網可以認為是一個自治域系統。在一個自治域系統內，路由器的選路功能通過運行內部網關協議(Interior Gateway Protocol, IGP)實現。自治域之間的選路通過外部網關協議(Exterior Gateway Protocol,EGP)進行。自治域系統之間的通信與自治域系統內部使用的IGP協議是相互獨立的。將網絡分成多個獨立的控制域可以使得網絡更加易于管理，并且允許網絡運營商ISP 在其自治域系統內部選用任何的內部網關協議。自治域系統中，業務按一定的順序在網絡
6中傳輸，共享網絡資源，一定會引起節點狀態間的相關性。但由于自治域系統一般連通性較好，各節點都有多個輸入輸出端口。因此，大量業務在路由節點合并與分開的平均效果可以減弱相鄰節點狀態間的相關性，使它們近似地具有獨立性。如果這個設想成立，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。為了驗證節點狀態獨立性假設，構建了基于美國MCI (Microwave Communication Industry)互聯網服務商的網絡拓撲結構的源路由(狀態路由)仿真平臺，通過自相似業務仿真研究自治域系統節點狀態獨立性問題。將仿真得到的實際測量的概率函數結果與理論計算結果(假設節點狀態獨立，用鏈路延時概率函數的卷積計算路徑延時的概率函數)進行比較。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進行比對。仿真結果表明，在自治域系統中，節點狀態是近似獨立的，基于這一假設計算得到的路徑參數與實際情況十分接近，可以在以鏈路延時的概率密度函數為狀態信息的QoS路由中作為多約束路徑求解的依據。下面介紹本發明的節點間鏈路反饋控制機制LFCS。為了提高節點狀態的保持概率，本發明引入了狀態控制機制，對節點狀態進行控制。以節點每個出口所連接的有向鏈路的可用帶寬作為受控狀態度量參數。選擇可用帶寬度量參數作為受控狀態主要是考慮到可用帶寬是一個重要的網絡服務質量的度量參數 (網絡服務質量的度量參數包括可用帶寬、延時、延時抖動、跳數、丟包率和代價)，而且，在數據包傳輸過程中，除了數據包所經過的節點的跳數，該路徑的其他度量參數都與傳輸路徑的可用帶寬有關。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際數據率(也稱為實際數據傳輸速率)之差。因此，以實際數據率作為控制對象，通過對鏈路實際數據率變化的控制，完成對節點可用帶寬的控制。下面是對方法中所用到的符號的說明。(I)V表示網絡中所有節點的集合，V = Iv1, V2, ... , vM}；(2)eijJ表示從節點Vi到節點Vj的有向鏈路，對于鏈路、」，節點Vi是Vj的上一節點，Vj是Vi的下一節點，節點Vi稱為鏈路ey的首節點，Vj稱為鏈路ey的尾節點；(3)E表示網絡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的實際數據傳輸速率，簡稱數據率；(7) Ri,；表示鏈路、j上允許的最大數據傳輸速率；(S)Biij表示鏈路可以提供的帶寬，簡稱可用帶寬，Biij = Ri,/，假設S是網絡中一個路由節點(S e V)，節點S的鄰節點個數為N ；(9) Vs表示V中任一節點S的鄰節點的集合；(IO)Xi,^.表示節點S的鄰節點i到鄰節點j的數據率，稱為節點S的一個輸入輸出對(i到j)的數據率。i e Vs, j G Vs，且i = j時，X^j = 0 ；(Il)Xs表示節點S的輸入輸出對的數據率矩陣
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。本發明的方法包括以下步驟Si、首先建立控制目標為了提高節點狀態(可用帶寬)的保持概率，周期地對鏈路的實際數據率變化進行控制。SE= {eijJ} (vi; Vj e V), Ts表示控制周期。對任意一條從節點ρ到節點S鏈路 ep,s，p，S e V，任意第k個控制周期的實際數據率Rp,s(k)用這個周期的平均數據率求出，k 為正整數，即Rp, s(k)=第k個周期中鏈路傳輸的業務總量/Ts。如果在第k-Ι周期中，鏈路的實際數據率為I p,s(k-1)，則要求在第k個周期的實際數據率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周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率，α為一個常數，稱為控制參量，且α <1。α值的選取直接影響著控制系統的穩定性，鏈路利用率和鏈路狀態的維持度。Cp,s表示鏈路ep,s的傳輸容量。當α = 1 時，maxRp,s(k) = Cp, s(2)當α = 0 時，maxRp s(k) = Rp,s(k_l)(3)而且Rp, s (k) ^ maxRp, s (k) ^ Cp, s式(1)就是對鏈路實際數據率的控制目標。S2、利用節點間鏈路狀態反饋控制機制來實現所述控制目標下面設計了一種節點間鏈路狀態反饋控制機制來實現式(1)的控制目標。節點間鏈路狀態控制是一種周期性的控制，包括兩個過程S21、鏈路的尾節點對數據率的預測與反饋控制量的計算；S22、首節點對輸出數據率的控制。其中，尾節點的反饋控制量根據輸入數據率對尾節點的其他出口鏈路的穩定性影響的預測結果計算得到；首節點的輸出數據率則根據反饋控制量和對鏈路數據率的穩定性要求計算得到。以鏈路ep,s輸出數據率的控制過程為例進行說明。如圖2所示。圖2中節點ρ為鏈路的首節點，S為鏈路ep,s的尾節點，節點p、n都是S的鄰節點，節點P是輸入節點，節點η是輸出節點，與S相鄰的節點個數為N。節點S對鏈路數據率的預測與反饋控制量的計算節點S以Ts為控制周期觀測并統計每個輸入輸出對的數據率，得到每個周期的輸入輸出對的數據率\,s,n(k)，k為周期數，p,n e Vs0在第k-1個周期，根據前L個周期(L<k_l)輸入輸出對數據率的統計值，分別預測每個輸入輸出對數據率在k個周期的值i-， (幻，得到輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣之⑷和每條輸入鏈路數據率的預測值九5㈨。
8
根據鏈路的控制目標，鏈路的數據率在每個周期的增長量是受限的。節點S根據第k-Ι個周期的統計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率 maxRp,s(k)。比較為-⑷和maxRp,s (k)。如果為-㈨>maxU幻,則相應修正(修正方式見下
式(1 )該鏈路所包含的輸入輸出對數據率的預測值，得到新的預測量^^， (幻。同樣，可以對其他的輸入輸出對數據率的預測值進行修正，得到修正后的輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣之⑷=KUJ e Vs)。求第k周期的節點S分配給相鄰節點的輸入輸出數據率允許量構成的矩陣 Xs*(k)的方法為對數據率預測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數據率的預測值 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相關的輸入輸出對數據率的允許量<，,， (幻與預測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關的輸入輸出對數據率的預測值，作為第k個周期的輸入輸出對數據率允許量。這樣就得到了)C(k)。對數據率矩陣的預測矩陣1丨(幻求列和，就可以得到節點S對每條輸入鏈路的數據率的反饋控制量R*p,s(k)。以上步驟為預測過程與反饋控制量產生過程的描述。下面介紹首節點對輸出數據率的控制過程。節點ρ根據從節點S收到的反饋控制量和鏈路數據率的控制目標，計算每個周期 k的實際輸出數據率，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據率控制。圖3是以鏈路 ,s為例的鏈路狀態控制機制的示意圖。圖3中，陰影部分標記了節點P與節點S之間的鏈路ep, s數據率的反饋控制過程。其中，流量統計與預測過程和反饋量的計算與反饋包的發送過程是由鏈路 ,s的尾節點S完成的，節點端口數據輸出控制過程是在首節點P完成的。其中，RCPs,p(k)表示第k個周期，節點S發往節點ρ的反饋控制包，Buffs,p(k)表示第k個周期中節點ρ到節點S的輸出端口的緩沖區數據量，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，對節點間鏈路狀態反饋控制機制(LFCQ的各個過程進行詳細介紹。首先介紹流量統計與預測過程由于鏈路控制是在相鄰節點間完成的，而一般網絡鄰節點間鏈路的物理延時比較小，因此為鏈路流量的預測提供了可能。下面以圖2為例說明流量統計與預測過程。在預測過程中，節點S對它的每個輸入輸出對數據率Xi, s, j進行單獨預測，得出第 k個周期的預測值，用天^(幻表示。然后由每個輸入輸出對數據率的預測值構成輸入輸出對數據率預測矩陣，用；^(幻表示對第k個周期的預測矩陣。由于每個輸入輸出對數據率是單獨進行預測的，介紹預測算法時，將xp, s,n(k)，簡記為&，其預測值簡記為之。預測算法描述
借鑒指數加權的遞歸最小平方算法RLS (Recursive Least Square)，利用自適應 ？頂濾波器進行預測。對兩個相鄰節點間的數據流進行預測，因此可以根據鏈路延時合理設 計控制周期Ts，使得只需要做一步預測。假設預測記憶長度為L，FIR非遞歸濾波器中，Wi (i = 0，1，. . .，L)是濾波器的系 數。令W= [W。，...，Wl_I]T為濾波器的系數矢量。采用指數加權的遞歸最小平方算法時動 態改變濾波器的系數矢量，預測時，①
權利要求
1.一種基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法，其特征在于，該方法中，假設各節點狀態相互獨立，且該方法包括以下步驟51、建立鏈路數據率的控制目標；52、利用節點間鏈路狀態反饋控制機制來實現所述控制目標，所述節點間鏈路狀態反饋控制機制包括鏈路的尾節點對數據率的預測與對反饋控制量的計算，以及首節點對輸出數據率的控制。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，尾節點根據輸入數據率對尾節點的其他出口鏈路的穩定性影響的預測結果計算得到所述反饋控制量；首節點的輸出數據率根據所述反饋控制量和對鏈路數據率的穩定性要求計算得到。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟Sl具體為設E = Iei,」}，Vi, Vj e V, Ts表示控制周期，對任意一條從節點ρ到節點S鏈路，p， S e V，任意第k個控制周期的數據率Rp,s(k)用這個周期的平均數據率求出，k為正整數， V表示網絡中所有節點的集合，V= {&， ，...，％} ;ei,j表示從節點Vi到節點Vj的有向鏈路，對于鏈路eM，節點Vi是、的上一節點，\是Vi的下一節點，節點Vi稱為鏈路的首節點，Vj稱為鏈路ey的尾節點；E表示網絡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的數據率為I p,s(k-1)，則要求在第k個周期的數據率 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周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率，α為控制參量， Cp, s表示鏈路的傳輸容量；式(1)就是對鏈路數據率的控制目標。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S2中，對數據率的預測與對反饋控制量的計算過程具體為在第k-Ι個周期，根據前L個周期輸入輸出對數據率的統計值，分別預測每個輸入輸出對數據率在k個周期的值1，5， (幻，得到輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣;^(幻和每條輸入鏈路數據率的預測值<，5(幻，L彡k-l，i- (幻表示節點S的鄰節點ρ到節點S的鄰節點 η的數據率的預測值；節點S根據第k-Ι個周期的統計量Rp, s (k-Ι)，計算得到第k個周期為保持鏈路穩定所要求的最大數據率HiaxRp, s(k)；比較kp S{k)和maxRp, s (k)，如果㈨>maxU幻，則相應地修正該鏈路所包含的輸入輸出對數據率的預測值，得到新的預測量&&(幻，同樣，對其它輸入輸出對數據率的預測值進行修正，得到修正后的輸入輸出對數據率矩陣的預測矩陣 X's{k) = [x[S]{k)}N/NXj^Vs·,對數據率預測矩陣1丨(幻求行和，得到第k周期輸出鏈路數據率的預測值，對于輸出鏈路，如果& (幻< m^RS n(k\n e Vs，則第k個周期與鏈路相關的輸入輸出對數據率的允許量<，,， (幻與預測值相同，否則按比例減小每個與鏈路相關的輸入輸出對數據率的預測值，作為第k個周期的輸入輸出對數據率允許量，從而得到第k周期的節點S分配給相鄰節點的輸入輸出數據率允許量構成的向量)C(k)；對數據率矩陣的預測矩陣;求列和，得到節點S對每條輸入鏈路的數據率的反饋控制量 R*p,s(k)。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，首節點對輸出數據率進行控制具體為 節點P根據從節點s接收到的反饋控制量和鏈路數據率的控制目標，計算每個周期k的輸出數據率，并由鏈路的首節點在其相應的端口通過令牌生成速率可變的令牌桶對輸出數據率進行控制。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，節點的每個輸出端口按照所述控制周期調整令牌生成速率。
全文摘要
本發明涉及移動通信組網方法體系中的狀態處理技術領域，公開了一種基于節點間鏈路反饋控制機制的節點狀態控制方法，該方法中，假設各節點狀態相互獨立，且該方法包括以下步驟S1、建立鏈路數據率的控制目標；S2、利用節點間鏈路狀態反饋控制機制來實現所述控制目標，節點間鏈路狀態反饋控制機制包括鏈路的尾節點對數據率的預測與對反饋控制量的計算，以及首節點對輸出數據率的控制。本發明由于采用了節點間鏈路狀態反饋控制機制，通過對鏈路數據率的預測和相鄰節點間的反饋控制實現對鏈路數據率變化的控制。將該方法應用于路由機制和擁塞控制，可以大幅度降低業務在傳輸過程中的丟包率，減小網絡中節點排隊長度，從而降低數據包在節點的延時。
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 優先權日2011年11月23日
發明者寧永忠, 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