CN101394324A - 一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，方法是：首先采用基于路由器时延组成分析的在线式测量方法，对NCS系统中从执行器端发出的控制启动初始帧的单向时延进行估计，从而得出相对精确的估计值。接着，基于采用系统两端本地时钟记录下两端的RTT值，并以得到的控制启动初始帧估计值为参考标量，通过端系统的一系列计算最终分别估计得到NCS系统前向和反向通道中的单向时延值。本发明的方法不仅有效的避免了在线式估计方法所存在的系统开销过大的缺陷，并且较现有典型的端到端单向时延估计方法在估计值的精确度上有显著提升，从而达到有效准确估计NCS系统单向时延的目的。

Description

一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法

技术领域

本发明属于机械制造自动化、工业自动控制和计算机网络领域，具体地讲是一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法。

背景技术

由于应用成本低和柔韧性高等特点，计算机网络可广泛应用于多种工业领域的自动控制应用中，如远程工业控制、生产车间自动化和装备远程监测等。因此近年来，结合了计算机网络技术和自动控制技术的网络控制系统(NSC)在工业领域中逐步引起了人们的高度重视，并获得了广泛的应用。NCS是由传感器、控制器、执行器和通信网络所组成的一个分布式实时反馈控制系统。它可以有效的减少系统布线的复杂程度，增加系统的柔韧性，实现制造资源的共享和协同操作，并最终使整个大规模分布式系统的控制性能得到有效提升。然而，尽管NCS具有上述多项优点，通信网络的存在却增加了系统分析与设计的难度。由于控制系统中的控制序列是实时相关的，因此网络中的数据传输时间对于NCS的性能保证至关重要。但是，计算机网络中由于路由器数据传输和流量拥塞所造成的网络随机时延却是不可避免的。NCS中前向通道和反向通道的数据传输随机时延对系统性能影响显著，在系统设计时若不考虑网络中随机时延的存在将会降低控制性能，甚至造成整个系统的崩溃。因此，掌握数据传输的时延，并在此基础上采取有效的时延补偿策略，对于保证NCS的可靠性、提升系统的控制性能具有显著的意义。

在理论上，NCS中的前向和反向时延可以通过记录发送端和接收端分组的时间标签，根据两个标签的时间量相减获得。在分别得到准确的前向和反向通道单向时延后，可进行相应的时延补偿，从而保证系统可靠并高效的运行。文献[1，2]就是采用这种策略来获得NCS中前向和反向通道的单向时延。然而，这种策略的实现必须是在发送端与接收端时钟同步的前提下。在实际应用中，NCS系统两端的时钟通常是不同步的，因此这种策略很难在实际环境中适用。文献[3，4]尝试通过时钟同步的策略解决此类问题，但是由于NCS具有大规模、分布式和异构性等特点，使得全局时钟同步策略很难在NCS应用中取得较好的效果。综上所述，根据NCS的系统特性和应用特点，无需系统全局时钟同步的单向时延估计策略将是获得前向和反向通道单向时延有效并可行的途径。

单向时延估计策略具有代表性的算法协议有：往返时间(RoundTrip Time，RTT)算法。RTT记录的是一个分组从发射端到接收端再返回需要的时间，由于整个过程均是采用发射端的时钟进行记录，因此无需考虑全局时钟同步的问题。该算法在获得RTT值后，取其1/2的值作为NCS前向和反向通道的单向时延值。然而，在现实的NCS应用中，分组传递的通信链路往往是不对称的，链路带宽、通信竞争程度，甚至分组的传递路径也不尽相同，这就使得前向和反向通道的单向时延并不相等，因此简单的取RTT的1/2值作为单向时延的估计值是无法在实际工程中适用的。一些工作通过设置测量分组传递的时钟偏差和时钟频差来克服时钟不同步对单向时延估计造成的影响。文献[5]通过估计分组传递两端的相对时钟偏差来完成单向时延的估计，但是这种方法只能在链路始终对称的网络环境中适用。为了克服上述不足，文献[6]通过测量通信链路上每个节点的相对时钟偏差，并将这些偏差值相加，从而得到系统两端的相对时钟偏差值。这种方法要求通信路径中的每个节点始终参与计算，因此会给系统带来过多且不必要的网络开销和负担。文献[7]通过测量通信链路的时钟偏差和频差来完成单向时延的估计工作，但是这种方法实现的前提条件是链路时延、传输时延和错误率等参量必须相等，这种前提条件过于理想化，因此很难适用于实际的NCS应用。近年来，大部分的工作开始主要关注于通过监测网络中的数据流来进行单向时延的估计，这种估计方式主要分为两种方法：在线式单向时延估计和端到端单向时延估计。文献[8]是一种典型的在线式估计方法，通过测量分组通过每个路由器的队列时延，取所有测量的队列时延之和作为网络的单向时延值。在线式估计方法需要所有路由器始终参与到单向时延估计的运算中，因此会给系统带来巨大的计算开销和网络负担。端到端的估计方法只需系统两端的节点参与计算，因此可以有效克服在线式估计方法存在的缺陷。文献[9-11]即是利用端到端的估计方法获得网络的单向时延值。文献[9]通过在系统两端测量分组之间的发送和到达时间间隔，利用傅立叶域-时间域的迭代重构算法估计得到端到端单向队列时延的分布特性，从而获得单向时延估计值。然而，这种方法无法准确的获得每个分组的单向时延值，而且并不是针对NCS系统设计。文献[10]则需要在无网络拥塞的状态下测量参考标量值，无网络拥塞的前提条件极大的限制了方法的应用范围，并且是不符合实际情况的。文献[11]可以分别有效的估计出网络前向和反向的单向时延值。该方法的准确度主要依靠于参考标量值，但是采用的启发式估算方法很难获得精确的参考标量值。此外，该算法并不是针对NCS设计，无法直接适用于NCS应用中。综上所述，由于当前的方法或多或少都还存在着理论上的缺陷与不足，并且在实际环境中也还存在着较大的应用局限性，因此NCS中前向和反向控制通道的单向时延估计仍是一个不小的难题。

相关的技术文献有以下十一篇：

[1]Liu GP，Xia YQ，Rees D，Hu WS.Networked predictive control ofsystems with random network delays in both forward and feedbackchannels.IEEE Trans.on Industrial Electronics 2007，54(3)：1282-1297.

[2]Liu GP，Rees D.Stability criteria of networked predictive controlsystems with random network delay.In：44th IEEE Conference onDecision and Control.2005.

[3]Mills D.Improved algorithms for synchronizing computer networkclocks.IEEE/ACM Transactions on Networking 1995，3(3)：245-254.

[4]Johannessen S.Time synchronization in a local area network.IEEEControl Systems Magazine 2004，24(2)：61-69.

[5]Paxson V.On calibrating measurements of packet transit times.In：International Conference on Measurement and Modeling of ComputerSystems.1998.

[6]Luong DD，Biro J.Partial methods versus end-to-end measurements[EB/OL].http://citeseer.ist.psu.edu/382657.html.2004.

[7]Tsuru M，Takine T，Oie YJ.Estimation of clock offset from one-waydelay measurement on asymmetric paths.In：InternationalSymposium on Applications and the Internet.2002.

[8]Shao QK，Yu L，Zhang GJ.Online delay evaluation and controllerco-design for networked control systems.Acta Automatica Sinica2007，33(7)：781-784.

[9]Gu WX，Yu SZ.Novelapproach to measure and estimate one-wayqueuing delay without clock synchronization.Journal onCommunications 2007，28(9)：104-111.

[10]Joo I，Song J，Park J，Lee SS，Paik E.Performance monitoring formultimedia traffic using differentiated probe(DiffProbe).In：Workshop in Multimedia Communications and Computing.2007.

[11]Choi JH，Yo C.One-way delay estimation and its application.Computer Communications(Elsevier)2005，28：819-828.

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合在线式测量和端到端估计的相关机制，仅对于系统控制初始帧的单向时延采用在线式测量方法进行估计，并将其作为系统运算的参考标量，而对于后续的系统前向和反向时延，则采用端到端的测量方法，基于前期获得的系统控制初始帧参考标量，结合系统两端获得的RTT值，通过端系统的运算得出时延估计值的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的方法是：将在线式测量策略与端到端估计策略相结合，首先采用基于路由器时延结构分析的在线式测量方法，对NCS系统中从执行器端发出的控制启动初始帧的在线式单向时延进行测量估计，并得出相对精确的估计值。接着，通过采用两端本地时钟记录下两端的RTT值，并以前期得到的控制启动初始帧估计值为参考标量，通过端系统计算最终分别得出NCS系统端到端的前向和反向通道中的单向时延值，从而为保证NCS系统的稳定性和控制性能提供有效的支持。

上述控制启动初始帧的在线式单向时延估计和端到端的前向和反向时通道中的单向时延值两部分中：

第一部分为NCS系统中基于时延结构分析的控制启动初始帧在线式估计，包括：NCS系统控制启动初始帧的发出、基于路由器的时延组成分析、基于分组传递路径的在线式时延计算；

第二部分为基于参考标量和两端RTT计算的端到端单向时延估计，包括：系统两端RTT值的计算，以控制启动初始帧估计值为参考标量的反向单向时延计算，基于本地RTT值和反向时延估计值的前向单向时延计算。

上述基于时延结构分析的控制启动初始帧在线式估计的步骤是：

第一步骤：NCS系统控制启动初始帧从执行器端向控制器端发出，若在设定时间内未收到来自于控制端的信息，则重发控制启动初始帧，直至接收到来自于控制端的信息；

第二步骤：控制启动初始帧在传递过程中，基于路由器中分组传递的时延组成，计算得出经历单个路由器的时延，并保存在分组中；

第三步骤：到达控制器端后，统计经历路径中的路由器数量，依据记录下的经历每个路由器的时延，综合考虑链路时延的补偿，计算出控制启动初始帧的单向时延值。

上述基于参考标量和两端RTT计算的端到端单向时延估计的步骤是：

第一步骤：通过信息的交互，系统两端分别采用本地时钟记录下每次分组的RTT值；

第二步骤：基于获得的RTT值，分别在两端的端系统中计算单向时延值；

第三步骤：以通过在线式测量方法获得的控制启动初始帧时延值为参考标量，在端系统中计算得出系统的反向时延值；

第四步骤：基于获得的RTT值和反向时延值，计算出相应的系统前向时延值。

上述控制初始帧的在线式单向时延估计的具体步骤是：

第一步骤：NCS系统的控制初始帧从执行器端向控制器端发出；

第二步骤：在每个路由器的链路接入层均设有分组探测器，以此记录下每个分组从路由器的链路层进入和离开的时间，t₁和t₂；

第三步骤：计算分组经过单个路由器所需时间，每个分组经过路由器的时延由传输时延d_t，队列时延d_q，和处理时延d_proc组成，其基于第二步骤可获得分第组经过第n个路由器的队列时延d_q与处理时延d_proc之和：

d_q(n)+d_proc(n)＝t₂(n)-t₁(n)

而传输时延d_t则由输入传输时延d_tin和输出传输时延d_tout组成，其大小与网络中传输的分组大小和链路带宽有关，通过下式得出：

$d_t\left(n\right)=d_{\mathrm{tin}}\left(n\right)+d_{\mathrm{tout}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}$

因此，控制初始分组经过第n个路由器所消耗的时延之和T(n)为：

$T\left(n\right)=d_t\left(n\right)+d_q\left(n\right)+d_{\mathrm{proc}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right));$

第四步骤：在线估计控制初始分组的单向时延：设定分组从执行器端出发，到达控制器端，经历了m个节点，则总时延为：

$k_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}T\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[t_{\mathrm{prop}}\left(i\right)+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(i\right)-t_1\left(i\right))]$

其中，t_prop为每条链路的传播时延补偿值，

上述端到端的前向和反向时延估计的具体步骤是：

先做如下定义：

S_n：控制器端的时间值；

R_n：执行器端的时间值；

t_n：NCS前向通道时延；

k_n：NCS反向通道时延；

RTT(s，n)：控制器端记录的RTT值；

RTT(r，n)：执行器端记录的RTT值，

第一步：系统运行后，分别记录执行器端和控制器端的RTT值，

执行器端记录的RTT值为：

RTT(r，n-1)＝R_n-R_n-1＝t_n+k_n-1

控制器端记录的RTT值为：

RTT(s，n)＝S_n+1-S_n＝t_n+k_n

第二步：分别计算NCS前向和反向通道的时延值，根据第一步，可得：

RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝k_n-k_n-1

从发送第1个分组到第n个分组，依据上式可得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i-1)=k_n-k_0$

由此可得NCS的反向通道时延：

$k_n=k_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i)$

则NCS的前向通道时延为：

$t_n=-k_0+\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i)$

由上式可以看到，提出的端到端前向和反向时延估计的准确度主要由控制初始帧的时延估计值决定。在本发明的第一部分中，改进的在线式单向时延估计有效地保证了控制初始帧时延估计的精确度，从而为后续的端到端时延估计奠定了良好的基础。结合了在线式时延估计机制和端到端时延估计机制的NCS混合式单向时延估计方法，为准确获取前向和反向通道的单向时延，提升系统的可靠性和控制性能提供了有效的途径。

本发明提出了一种适用于NCS的混合式单向时延估计方法。与以往的单向时延估计方法相比较，该技术是针对NCS中的闭环控制应用而设计，在时延估计的精确性上有显著的提高，并且不会给系统带来过多的计算开销和网络负担。由于本发明采用了结合在线式时延估计机制和端到端时延估计机制的混合式估计方法，在NCS闭环控制应用启动时采用在线式时延估计技术得到初始控制帧的单向时延值，在后续的前向和反向通道的时延估计工作则采用端到端时延估计技术，并以前期获得的参考标量值为基准，从而保证了NCS前向和反向单向时延估计的准确性。这也是本发明的创新之处。其关键技术之一是用在线式估计技术得到控制初始帧的单向时延估计值，该技术关注于NCS应用中分组传递时延的每个组成部分，从而保证了估计值的精确度；关键技术之二是端到端的时延估计技术，在线式估计技术的缺点是会给系统带来额外的开销，利用端到端的时延估计技术则可以有效避免这种不足，利用NCS两端记录的RTT值，找出其与前向和反向时延的联系，从而在端系统中计算得出单向时延估计值；关键技术之三是混合式的技术集成，将关键技术一、二有效集成，则形成了适用于NCS的混合式单向时延估计方法，该方法不仅能够有效准确估计出闭环控制应用中前向和反向通道的时延值，并且不会给系统带来过多的计算开销和网络负担。大量的试验数据表明该技术是非常有效并且可行的。

附图说明

图1为本发明所适用的网络控制系统结构图。

图2为本发明初始控制帧经历单个路由的时延组成图。

图3为本发明利用两端RTT值计算NCS单向时延的示意图。

图4为本发明算法性能测试场景与参数设置图。

图5为无竞争应用环境下的系统初始帧时延测量比较图。

图6为无竞争应用环境下的前向单向时延测量比较图。

其中：

(a)发送分组大小为800Bytes。

(b)发送分组大小为1600Bytes。

图7为存在竞争应用环境下的系统初始帧时延测量比较图。

图8为存在竞争应用环境下的前向单向时延测量比较图。

其中：

(a)发送分组大小为800Bytes。

(b)发送分组大小为1600Bytes。

图9为计算复杂度比较图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

典型的NCS系统结构如图1所示。在整个系统中，消息传递的时延对于系统的稳定性和控制性能有着显著的影响。NCS系统的消息传递时延T_delay主要由三部分组成，如下式所示：

T_delay＝t_sc+t_p+t_ca

其中，t_ca为网络前向时延，t_sc为网络反向时延，t_p为端系统的处理时延。由于端系统是采用本地时钟，因此可以准确的计算出t_p的值。然而，通过网络连接的各个节点的分布性使得NCS系统中的各个节点很难时钟同步，因此由大网络系统所产生的时延t_ca和t_sc则需要有效的单向时延估计策略进行估计处理，从而得到准确的系统时延值，为保证系统的稳定性和提升控制性能提供有效的支持。

本发明所采用的方法是：

一、执行器端向控制器端发送控制启动初始帧，从而通知控制器端开始执行控制任务。控制启动初始帧发出后，若执行器端在设定时间T_set内未收到来自于控制器端的控制信息，则重发控制启动初始帧，直至接收到由控制器端发出的控制信息。

当控制启动初始帧发出后，采用在线时延估计方法对控制启动初始帧的单向时延进行估计，从而为后期的前向和反向时延估计提供准确的参考标量值。本发明采用的在线时延估计方法是基于消息传递所经历的路由器时延结构分析进行的。如图2所示，控制启动初始帧经过单个路由器的时延主要由传输时延d_t、队列时延d_q和路由处理时延d_proc组成。设控制启动初始帧传递到系统控制端共经历m个路由器，考虑到消息传递的链路时延d_prop，则控制启动初始帧传递的总时延T如下式所示：

$T=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(d_{\mathrm{prop},i}+d_{t,i}+d_{\mathrm{proc},i}+d_{q,i})$

在路由器中监测帧的通过状态，当控制启动初始帧进入链路层时，记录进入的时间t₁，当离开链路层后，记录离开的时间t₂。则可得到控制启动初始帧通过路由器n的队列时延和路由处理时延之和，如下式所示：

d_q(n)+d_proc(n)＝t₂(n)-t₁(n)

消息帧通过路由器的传输时延由分组大小l和网络带宽C决定，可通过下式计算出控制启动初始帧通过路由器n的输入传输时延和输出传输时延之和：

$d_{\mathrm{tin}}\left(n\right)+d_{\mathrm{tout}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}$

依据上述分析，可得到控制启动初始帧通过路由器n的时延之和：

$T\left(n\right)=d_t\left(n\right)+d_q\left(n\right)+d_{\mathrm{proc}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right))$

若控制启动初始帧经历m个路由器到达系统的控制端，则可通过下式得到控制启动初始帧的时延总和k₀：

$k_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}T\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[t_{\mathrm{prop}}\left(i\right)+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(i\right)-t_1\left(i\right))]$

其中，t_prop为事先设定的每条链路的传播时延补偿值。

对于控制启动初始帧，采用的是基于路由器的在线式测量方法对其单向时延值进行计算。该方法充分考虑了控制启动初始帧经历传递路径的时延组成结构，因此在单向时延估计上具有较高的精确度。

二、采用在线式测量方法得到控制启动初始帧的单向时延后，采用结合两端RTT测量值的端到端估计方法获得NCS系统中的前向和反向时延值。

如图3所示，控制器端接收到来自于执行器端的控制启动初始帧后，开始向执行器端发送信息，NCS系统控制功能启动，控制信息与反馈信息在控制器端和执行器端之间传递，形成闭环控制应用。此时，在系统两端分别采用本地时钟记录下本端的RTT值，控制器端的为RTT(s，i)，执行器端的为RTT(r，i)。

设NCS系统的前向时延为t_n，反向时延为k_n，则可得RTT(s，i)与RTT(r，i)的表达式为：

RTT(r，n-1)＝R_n-R_n-1＝t_n+k_n-1

RTT(s，n)＝S_n+1-S_n＝t_n+k_n

有上述两式可得：

RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝k_n-k_n-1

根据上述可以得到：

RTT(s，1)-RTT(r，0)＝k₁-k₀

RTT(s，2)-RTT(r，1)＝k₂-k₁

RTT(s，3)-RTT(r，2)＝k₃-k₂

          .

          .

          .

RTT(s，n-1)-RTT(r，n-2)＝k_n-2-k_n-2

RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝k_n-k_n-1

将上式相加可得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i-1)=k_n-k_0$

因此可得系统的反向时延值k_n：

$k_n=k_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i)$

系统的前向时延值t_n也可得出：

$t_n=-k_0+\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i)$

有上述两式可以看到，系统的前向和反向时延值的精度均与控制启动初始帧的单向时延值k₀有关。在本发明的第一步中，通过在线式的测量方法精确的获得了控制启动初始帧的单向时延值k₀，则在本步骤中可有效获得系统的前向和反向时延值。

本发明采用在线式测量与端到端估计相结合的方法获得NCS系统的前向通道和反向通道中的单向时延值，这是一种混合式的单向时延估计策略。本发明所提出的方法，在获得NCS系统单向时延值的同时，有效的避免了在线式估计方法所存在的系统开销过大的缺陷，并且较现有的端到端单向时延估计方法，在估计值的精确度上有显著提升。

为了能够进行公平合理的性能评估，本发明给出NCS系统评价过程中几个定量评价指标的定义。

(1)分组传递时延，即分组从系统一端出发，到那另一端所需时间。

(2)系统计算复杂度，即算法运行时所需路由器参与系统运算的数量。

实验采用了无应用竞争和存在应用竞争两种场景对发明中提出的方法的性能基于NS2平台进行仿真测试评估，如图4中(a)和(b)所示。

在无应用竞争场景中的测试结果如图5和图6所示。图5示出了本发明所提出的方法(Hybrid One-Way Delay Estimation，HOWDE)与现有一些典型的算法对于控制启动初始帧单向时延值估计的性能比较，从图中可以看到HOWDE得到的估计值与真实时延最为接近，其中存在的偏差主要是由链路时延的补偿偏差所造成的，而在现实应用环境中，链路时延在整个系统时延中所占比例是非常小的。图6中(a)和(b)分别是示出了800Bytes和1600Bytes大小的分组在系统中传递，各类算法的前向时延估计值，当准确获得系统的前向单向时延值后，反向单向时延值则可通过从RTT值中减去前向时延值而获得。从图中可以看到，通过对350个分组的前向单向时延进行统计，HOWDE与现有的典型算法RTT/2和ARTT相比，对于NCS系统的单向时延估计更加精准。

在存在应用竞争场景中的测试结果如图7和图8所示。从图中可以看到，即使存在应用竞争流，相对于其它现有典型算法而言，无论是对于控制启动初始帧时延的测量，还是系统中前向和反向时延的测量，本发明提出的方法均具有更高的精确度。

图9示出了上述算法的计算复杂度，可以看出本发明提出的方法在计算复杂度上较在线式估计方法ARTT要低得多。虽然较端到端的估计策略RTT/2而言计算复杂度略高，但是从前期的结果中可以看到，HOWDE的估计精度比RTT/2要高得多。因此，实验测试结果有效的证明本发明所提出的单向时延估计方法不仅有效的避免了在线式估计方法所存在的系统开销过大的缺陷，并且较现有典型的端到端单向时延估计方法在估计值的精确度上有显著提升，是一种有实际应用价值的NCS系统单向时延估计方法。

本发明各装置的工作原理与本发明的方法相一致。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1、一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，所采用的方法是：将在线式测量策略与端到端估计策略相结合，首先采用基于路由器时延结构分析的在线式测量方法，对NCS系统中从执行器端发出的控制启动初始帧的在线式单向时延进行测量估计，并得出相对精确的估计值，接着通过采用两端本地时钟记录下两端的RTT值，并以前期得到的控制启动初始帧估计值为参考标量，通过端系统计算最终分别得出NCS系统端到端的前向和反向通道中的单向时延值，从而为保证NCS系统的稳定性和控制性能提供有效的支持。

2、如权利要求1所述的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，其特征在于：控制启动初始帧的在线式单向时延估计和端到端的前向和反向时通道中的单向时延值两部分中：

第一部分为NCS系统中基于时延结构分析的控制启动初始帧在线式估计，包括：NCS系统控制启动初始帧的发出、基于路由器的时延组成分析、基于分组传递路径的在线式时延计算；

第二部分为基于参考标量和两端RTT计算的端到端单向时延估计，包括：系统两端RTT值的计算，以控制启动初始帧估计值为参考标量的反向单向时延计算，基于本地RTT值和反向时延估计值的前向单向时延计算。

3、如权利要求2所述的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，其特征在于：基于时延结构分析的控制启动初始帧在线式估计的步骤是：

第一步骤：NCS系统控制启动初始帧从执行器端向控制器端发出，若在设定时间内未收到来自于控制端的信息，则重发控制启动初始帧，直至接收到来自于控制端的信息；

第二步骤：控制启动初始帧在传递过程中，基于路由器中分组传递的时延组成，计算得出经历单个路由器的时延，并保存在分组中；

第三步骤：到达控制器端后，统计经历路径中的路由器数量，依据记录下的经历每个路由器的时延，综合考虑链路时延的补偿，计算出控制启动初始帧的单向时延值。

4、如权利要求2所述的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，其特征在于：基于参考标量和两端RTT计算的端到端单向时延估计的步骤是：

第一步骤：通过信息的交互，系统两端分别采用本地时钟记录下每次分组的RTT值；

第二步骤：基于获得的RTT值，分别在两端的端系统中计算单向时延值；

第三步骤：以通过在线式测量方法获得的控制启动初始帧时延值为参考标量，在端系统中计算得出系统的反向时延值；

第四步骤：基于获得的RTT值和反向时延值，计算出相应的系统前向时延值。

5、如权利要求3所述的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，其特征在于：控制初始帧的在线式单向时延估计的具体步骤是：

第一步骤：NCS系统的控制初始帧从执行器端向控制器端发出；

第二步骤：在每个路由器的链路接入层均设有分组探测器，以此记录下每个分组从路由器的链路层进入和离开的时间，t₁和t₂；

第三步骤：计算分组经过单个路由器所需时间，每个分组经过路由器的时延由传输时延d_t，队列时延d_q，和处理时延d_proc组成，其基于第二步骤可获得分第组经过第n个路由器的队列时延d_q与处理时延d_proc之和：

d_q(n)+d_proc(n)＝t₂(n)-t₁(n)

而传输时延d_t则由输入传输时延d_tin和输出传输时延d_tout组成，其大小与网络中传输的分组大小和链路带宽有关，通过下式得出：

$d_t\left(n\right)=d_{\mathrm{tin}}\left(n\right)+d_{\mathrm{tout}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}$

因此，控制初始分组经过第n个路由器所消耗的时延之和T(n)为：

$T\left(n\right)=d_t\left(n\right)+d_q\left(n\right)+d_{\mathrm{proc}}\left(n\right)=\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(n\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(n\right)-t_1\left(n\right));$

第四步骤：在线估计控制初始分组的单向时延：设定分组从执行器端出发，到达控制器端，经历了m个节点，则总时延为：

$k_0=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}T\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[t_{\mathrm{prop}}\left(i\right)+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{in}}}+\frac{l\left(i\right)}{C_{\mathrm{out}}}+(t_2\left(i\right)-t_1\left(i\right))]$

其中，t_prop为每条链路的传播时延补偿值。

6、如权利要求4所述的适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法，其特征在于：端到端的前向和反向时延估计的具体步骤是：

先做如下定义：

S_n：控制器端的时间值；

R_n：执行器端的时间值；

t_n：NCS前向通道时延；

k_n：NCS反向通道时延；

RTT(s，n)：控制器端记录的RTT值；

RTT(r，n)：执行器端记录的RTT值，

第一步：系统运行后，分别记录执行器端和控制器端的RTT值，

执行器端记录的RTT值为：

RTT(r，n-1)＝R_n-R_n-1＝t_n+k_n-1

控制器端记录的RTT值为：

RTT(s，n)＝S_n+1-S_n＝t_n+k_n

第二步：分别计算NCS前向和反向通道的时延值，根据第一步，可得：

RTT(s，n)-RTT(r，n-1)＝k_n-k_n-1

从发送第1个分组到第n个分组，依据上式可得：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i-1)=k_n-k_0$

由此可得NCS的反向通道时延：

$k_n=k_0+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i)$

则NCS的前向通道时延为：

$t_n=-k_0+\mathrm{RTT}(s,i)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(s,i)+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{RTT}(r,i).$

Images