一种基于无线mesh网络的分布式网络控制系统间的流量控制方法

摘要

本发明提供一种基于无线mesh的分布式网络控制系统间的流量控制方法，该方法：1、通过改变传统的网络控制系统结构提高数据的传输质量，采用无线mesh网络传输控制信号和采样信号，既保证了整个控制网络具有较好的容错能力和网格连通性，组网方式的灵活多样性以及较高的自管理性，也增加了无线mesh网络在业务流传输时对整个网络是控制能力；2、通过调整基于无线mesh的分布式网络控制系统模块间不同数据队列门限的差值，实现根据不同条件下控制流速率和业务流拥塞率的均衡。本发明的显著效果是：1、对于单个分布式网络模块增强了对业务流的控制能力和保证了控制信号和采样信号的传输路径的多样性和可靠性；2、对于分布式网络模块间的数据传输，实现了对于任意较低的控制速率获得了最优的指数衰减拥塞概率，提高了网络资源利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域和网络控制领域，特别是涉及无线me sh网络和控制网络共存，以及流量控制。

背景技术

网络控制系统(NCS)是控制技术发展形成的一个全新的领域。它的出现取代了传统控制系统中控制部件点对点的连接方式，实现了现场设备控制的分布化和网络化，同时也加强了现场控制和上层管理的联系，具有信息资源能够共享、高效、灵活性等许多优点。但在这种开放式的网络控制系统中，势必会产生控制器和远程控制对象的传感器和执行器等智能设备之间通过网络进行信息交流和共享问题。但由于目前通信带宽的局限性以及大量设备的信息流量变化不规则等原因，网络控制系统存在一定程度的局限性。

而另一方面，在无线通信领域，无线mesh网络(WMN)的应用为网络控制系统提供了一个稳定的传输平台，在不牺牲信道容量的情况下，可扩展当前无线网络的覆盖范围。由于无线mesh网络具有灵活的网络结构、便利的网络配置、较好的容错能力和网格连通性，组网方式灵活、易于配置，网络是自组织的(Self-Organizing)、自生成的(Self-Creating)和自管理的(Self-Administering)。由于网络具有自组织能力，一方面不但可以简化网络的管理，提高其稳健性(Robustness)和灵活性；另一方面，它能在动态环境下使资源得到有效利用。其容许结点发生故障、结点随意的加入或离去。使得WMN大大提升了现有网络的性能再加上无线mesh网络本身缺乏有效地自身控制能力，将无线mesh网络和网络控制系统相结合可以使二者之间互补。无线mesh网络可实现典型空间分布的控制器和执行器之间的信息交互，以达到被控对象的反馈控制.

而对于分布式网络控制系统模块，其模块间的业务流存在控制问题。为了获取系统中的业务流的拥塞程度，必须合理调整业务流的速率，以完成拥塞控制。并且为了获取精确地队列长度信息，要求大量的控制信息，这不仅会增加系统负担，还会和业务流竞争传输资源，频繁的拥塞警告将会增加业务流的丢 包率。因此有必须设计一种流量控制策略，以满足分布式模块间网络拥塞和控制流的均衡要求。

综上所述：现有无线mesh网络(WMN)仅考虑网络内部的数据传输和处理问题，极少考虑对整体网络的控制能力，因此有必要将无线mesh网络和NCS相结合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服网络控制系统功能单一、适用范围狭窄，数据传输方式有限等问题；解决在分布式网络控制系统模块间的网络拥塞和控制流的均衡问题，如图2所示。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：改变单个分布式网络控制系统模块中的数据传输模式；提供一种二门限值的流量控制的方法，该方法通过控制网络传输系统中队列长度来动态调节控制流速率；其特征在于：通过队列长度门限值的改变实现控制流速率和业务流的合理分配，满足对业务流的有效控制。包括以下步骤：

A、在单个分布式网络控制系统模块中，运用无线mesh网络传输网络中的控制流和业务流；

B、在分布式网络控制系统模块之间通过调整不同数据队列门限的差值，实现根据不同条件下控制流速率和业务流拥塞率的均衡。

所述步骤A中，分布式网络控制系统模块是由控制器、执行器、零阶保持器、量化器，以及用于数据传输的无线mesh网络，构成的一种闭环全分布式实时反馈控制系统；其基本信息(包括参考输入、对象输出、控制输入，业务数据)通过无线mesh网络进行交换，如图1所示。

所述步骤A中，控制器节点采用事件驱动方式，当获取的数据经由网络通道到达控制器节点时，控制器中控制程序根据网络上传送来的数据进行计算，控制器节点立刻开始执行控制算法产生控制量，而执行器节点采用时间驱动方式，接收从无线mesh网络经零阶保持器传送的控制量，在接收到控制信号后立即动作，周期性作用于被控对象(即单个分布式网络模块)。

所述步骤B中，通过队列长度观测器获取队列长度信息，然后根据队列长度信息运用流量控制方法调整业务流的速率；通过动态控制业务流队列长度的 的合理范围，进而调整输入业务流的速度，从而调整传输通道中的也业务流拥塞概率，如图3所示。

所述步骤B中，当系统运行时其中的队列长度未超过所设定的门限上限时，此时的队列的到达速率也即输入速率维持一个较高的水平。。随着队列长度的增长，当其超过所设定的门限上限时，为控制业务流队列长度继续增长，此时产生拥塞警告，输入速率降至较低水平。

所述步骤B中，随着业务流的速率降低，系统中的队列长度出现减小趋势，为防止队列长度继续减少，当队列长度降至或低于所设定的门限下限时，其输入速率调整至队列长度未超过所设定的门限上限时的较高输入速率，如图4所示。

所述步骤B中，系统服务采用M/M/1/L模型，对于状态h+1⁽¹⁾，h+1⁽²⁾，i＝1，2，...，k-1，状态转移如图5所示。令，E为当队列长度超过G时的稳态概率为拥塞概率，C为控制流速率。

拥塞概率为$>E={\rho }_2^{G-g}{\rho }_1\frac{1-{\rho }_2^k}{(1-{\rho }_2)}{p}_{g-1}^{\left(1\right)}$>

控制速率为$>C=\left(\begin{array}{cc}\frac{1-{\eta }_1}{1-{\eta }_1^k}{\lambda }_1{p}_h+\mu {\rho }_1{p}_{g-1}^{\left(1\right)},& {\eta }_1\ne 1\\ \frac{1}{k}{p}_h+\mu {\rho }_1{p}_{g-1}^{\left(1\right)},& {\eta }_1=1\end{array}\right),$>

其中 为状态g-1(1)，k的稳态概率，k＝g-h为两个队列长度门限值之差，μ为服务速率， 

本发明的有益效果为：提出了一种基于无线mesh网络的分布式网络控制系统间合理调整控制速率和业务流拥塞率方法。通过此方法对于任意较低的控制速率获得了可能最优的指数衰减拥塞概率。

附图说明

图1为分布式网络控制系统模块结构组成示意图

图2为基于无线mesh的分布式网络控制系统模块连接示意图，其中C为控制流速率，λ₁和λ₂为数据流到达速率

图3为数据流控制示意图

图4为流量控制方法示意图，其中λ₁和λ₂为输入速率，x为队列长度，h为门限值下限，g为门限值上限

图5为马尔科夫状态转移流程图

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本发明的主要目的为：考虑一种基于WMN的分布式网络控制系统，分布式模块间既存在数据交换，也存在控制流的传输。如图2所示，为在分布式网络控制系统模块间有效地传输和控制业务流，我们通过设置一个动态调整业务流的方法，进而控制业务流的拥塞概率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，假设系统初始为零队列状态，系统运行时其中的队列长度未超过g时，此时的队列的到达速率也即输入速率为λ₁。

第二步，随着队列长度的增长，当其超过g时，此时产生拥塞警告，输入速率降至λ₂水平，其中λ₁＞λ₂。

第三步，随着输入速率的降低，当队列长度降至h时，其输入速率调整至λ₁水平，g＞h，其中服务速率为μ，如图4所示。

第四步，令k＝g-h为两个队列长度门限值之差， 令当队列长度超过G时的稳态概率为拥塞概率E。采用M/M/1/L队列，对于状态h+i⁽¹⁾，h+i⁽²⁾，其中i＝1，2，...，k-1，其稳态概率为 如图5所示，ρ₁＞ρ₂， 

$>p_i=\frac{p_h{\eta }_1^{h-i}}{1-{\rho }_1^{L+1}},$>

$>p_{g-j}^{\left(1\right)}=\left(\begin{array}{cc}\frac{1-{\eta }_1^j}{1-{\eta }_1^k}{p}_g,& {\eta }_1\ne 1\\ \frac{j}{k}{p}_g,& {\eta }_1=1\end{array}\right),j=\mathrm{1,2},...,k-1$>

$>p_{h+j}^{\left(2\right)}={\rho }_1\frac{1-{\rho }_2^j}{1-{\rho }_2}{p}_{g-1}^{\left(1\right)},j=\mathrm{1,2},...,k-1$>

$>p_j={\rho }_2^{j-g}{\rho }_1\frac{1-{\rho }_2^k}{1-{\rho }_2}{p}_{g-1}^{\left(1\right)},j\ge g$>

$>p_h=\left(\begin{array}{cc}{[\frac{k(1-{\rho }_2{\eta }_1)}{{\eta }_1(1-{\eta }_1^k)(1-{\rho }_2)}-\frac{{\eta }_1^{h+1}}{1-{\eta }_1}]}^{-1},& {\eta }_1\ne 1\\ {[h+\frac{k+1}{2}+\frac{1}{1-{\rho }_2}]}^{-1},& {\eta }_1=1\end{array}\right)$>

拥塞概率为$>M=\underset{j\ge G}{\Sigma }{p}_j={\rho }_2^{G-g}{\rho }_1\frac{1-{\rho }_2^k}{(1-{\rho }_2)}{p}_{g-1}^{\left(1\right)}$>

控制速率为$>C={\lambda }_1{p}_{g-1}^{\left(1\right)}+\mu p_{h+1}^{\left(2\right)}=\left(\begin{array}{cc}\frac{1-{\eta }_1}{1-{\eta }_1^k}{\lambda }_1{p}_h+\mu {\rho }_1{p}_{g-1}^{\left(1\right)},& {\eta }_1\ne 1\\ \frac{1}{k}{p}_h+\mu {\rho }_1{p}_{g-1}^{\left(1\right),}& {\eta }_1=1\end{array}\right),$>

本发明提供了一种有效控制基于WMN的分布式网络控制系统模块间网络拥塞的方法，由于拥塞概率和控制速率均与k有关，小范围的调节k使得控制速率迅速提高，也即控制能力增强，拥塞概率减小，反之亦然。因此通过调整k，可得到合适的拥塞概率和控制速率。