CN102123165B - 一种提高基于无线mesh网络的分布式网络控制系统间的数据品质控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高基于无线mesh的分布式网络控制系统间的品质控制方法。该方法：1、通过在分布式网络系统模块间采用处理器共享节点(PS)和延迟处理节点(D)以及输入补偿节点相结合的方式，构成开环反馈回路；2、采用针对TCP/IP网络中数据包尺度差异特性的队列调度机制，从而提高对模块间的数据传输的品质控制。本发明的显著效果是：在基于无线mesh的分布式网络控制模块间传输过程中有效提高了基于TCP/IP网络中具有尺度差异的数据完整性和可靠性，本方法使得基于无线mesh的分布式网络控制系统在静态和动态的传输性能有所改善，具有有效抑制和防止了数据在传输过程中的大量丢失而降低业务品质的效果。

Description

一种提高基于无线mesh网络的分布式网络控制系统间的数据品质控制方法

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mesh网络和网络控制系统共存，以及队列调度机制。

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，具有信息资源共享、结构灵活性等许多优点。但在这种开放分布式的网络化控制系统中，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，网络控制系统的使用存在一定程度的局限性。

而另一方面，在无线通信领域，无线网状网(wireless mesh network，WMN)已经成为构建宽带大范围无线通用网络的可选经济方案。对于工业界而言，无线网状网具备诸多的特征，无线网状网具有多层次的网络架构，主要由无线路由节点(Wireless Router，WR)、接入点(Access Point，AP)和用户节点(Client)组成。其中，AP也称无线接入点或网络桥接器，AP的主要作用是将无线网络接入核心网，其次将各个与无线路由器相连的无线客户端连接到一起，使装有无线网卡的终端设备可以通过AP共享核心网。除此之外，AP还具有网管的功能，实现对无线接入网络的控制和管理，把传统交换机的智能性分散到接入点中，节省了骨干网络建设的成本，提高了网络的可延展性。在该网络结构中，通过使用无线路由器(WR)可以实现移动终端设备与接入点间通信范围的弹性延展。终端用户/设备(Client)兼备主机和路由器两种角色。一方面，节点作为主机运行相关的应用程序；另一方面，节点作为路由器需要运行相关的路由协议，参与路由发现、路由维护等常见的路由操作。所有的WR节点构成了无线主干(Backbone)网络，它负责在无线用户和有线网关节点之间建立多跳连接。其主要具有以下优点：

(a)通过无线网状网构建主干无线网络的方法则可大大减少有线接入点的数量，从而降低网络构建的费用；

(b)适合大范围布网，可以实现无线链路的较大程度的复用，可以更快的速率支持更远距离传输；

(c)无线网状网为两终端节点间提供了多径链路，这大大提高了通信的可靠性，也消除了中间节点错误和潜在的瓶颈链路束缚，网络的冗余设计和对潜在问题(节点错误、路径阻塞、外部干扰等)的自适应能力，也可为接入有线网络提供多个接入口和到目的节点的可选路由；

(d)采用对等网络来构建无线传输系统并具备自组织、自治愈等优点，因而网络的建立相对于用户透明，例如当新加入的节点时，各节点由相应的功能函数自动发现新的路由和选择新的传输路径。因此，网络的扩容也相对简单。

另一方面对于基于无线mesh网络的分布式模块，其模块间的数据交换既存在业务流的传输，也存在控制信息的交互。为了提高对分布式模块间的数据传输品质，有必要采取反馈机制和相应的共享处理(processor sharing，PS)策略队列系统。PS节点队列系统主要用于通信和计算机中数据流调度机制的描述，队列中所有的数据包都同时接受服务器提供的服务，当PS节点队列系统有k个数据包时，每个数据包都有

被服务能力。并且TCP/IP网络和网络服务器提出了对数据流的差异性要求，因此有必要对PS节点队列系统设计相应的调度机制。

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，而NCS较少考虑网络形态对控制能力的影响，因此有必要将无线mesh网络和NCS相结合，另一方面，需提高对分布式模块间数据传输的品质控制能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：改善基于无线mesh网络分布式网络控制系统间在数据传输过程中的数据流品质问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：改变分布式网络模块中的数据传输模式；提供一种基于三节点的提高控制品质方法，该方法通过针对TCP/IP网络中数据流的尺度差异以及应用延迟反馈回路来动态调节控制品质；其特征在于：通过发明一种队列调度机制和运用反馈回路来提高传输过程中的数据流品质控制，包括以下步骤：

A、采用多个分布式网络控制系统模块相连，并在单个模块中使用无线mesh网络作为控制信息和业务流的传输平台，单个分布式网络控制系统模块是由控制器、执行器、传感器，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或具有延迟的网络反馈控制系统；

B、基于A步骤所采用的分布式网络控制系统模块，在多个模块间传输过程中使用处理器共享节点PS、输入补偿节点以及延迟节点D相结合的方式，构成开环反馈控制，当数据经无线mesh网络传输到达处理器共享节点PS时，检查数据的完整性，如果数据不完整，其进入到延迟节点D，从D出来的数据经过输入补偿节点，要求数据源在指定的时刻进行丢失数据补偿，准备下一次完整性效验；如果在下一次效验中经过处理器共享节点PS数据被效验完整，则其顺利进入到下一个分布式网络模块中；

C、在B步骤的开环反馈控制系统中的处理器共享节点PS内引入一种队列调度机制。

所述步骤A中，通过无线mesh网络进行基于无线mesh网络的分布式网络控制系统的控制信息和业务信息的传输和交换，并使用相应的控制单元对无线mesh网络进行控制，如图1所示。

所述步骤A中，控制器节点采用事件驱动方式，接收经由无线mesh网络通道到达控制器节点的传感器所获取的数据，并采用相应的控制算法产生控制信息，而执行器节点采用时间驱动方式，接收从无线mesh网络传送的控制信息，在接收到控制信息后立即动作，周期性作用于被控对象。

所述步骤B中，具体的数据完整性效验机制为：假设从A到PS(processorsharing)节点的队列为Poisson到达，速率为λ，当第j个数据包到达PS节点后，经PS节点处理出来之后流向延迟节点D(Delay)的概率为p_j，则其流向B的概率为1-p_j，数据流在D停留一段时间后，经输入补偿数据后其又流向PS节点；在PS节点内j类型的数据包总负载为

数据类型j在延迟节点D的总负载为

在延迟节点D中的平均时间：

其中为j类型数据包在延迟节点D的总负载，δ_j为延迟节点D的服务时间Laplace-Stieltjes变换(LST)的均值，K为数据包类型个数，同一数据包访问处理器共享节点j次的概率

p_i为第i个数据包到达处理器共享节点PS后，经处理器共享节点PS处理出来之后流向延迟节点D的概率，p_j为第j个数据包到达处理器共享节点PS后，经处理器共享节点PS处理出来之后流向延迟节点D的概率，如图2所示。

所述步骤B中，从延迟节点D出来的数据，会再一次经过处理器共享节点PS的效验，若此次数据经效验具有完整性，则将顺利进入下一相邻分布式网络控制系统模块，若此次数据经效验仍不具有完整性，则继续进入延迟节点D，等待下一次效验。

所述步骤B中，在数据上一次经处理器共享节点PS效验后，如数据具有完整性，则下一次的数据到达服从Poisson分布；如数据经效验不具有完整性，那么缺少的数据包会会同其它数据到达，其分布仍服从Poisson分布。

所述步骤C中，处理器共享节点PS是既具有数据队列调度功能，又具有效验数据完整性功能的节点。在处理器共享节点PS内对数据流量设置相应的门限值，当数据流量小于门限值时，被认为是具有高优先级服务级别的数据队列，系统立即对其服务；如果在处理器共享节点PS的数据流量超过门限值时，此数据被分为两部分，对于数据流量为门限值的部分被认为是具有高优先级服务级别的数据队列并立即被系统服务，而其余部分被认为是具有低优先级服务级别的数据队列并等待被系统服务，一旦具有高优先级服务级别的数据队列被服务完成，系统对具有低优先级服务级别的数据队列进行服务，如图3所示。

所述步骤C中，以Poisson分布速率为λ的数据到达PS节点被服务时，当进入PS节点的数据队列长度x小于ξ时，其被认为是具有高优先级服务级别的数据队列，如果在PS节点的数据队列长度x超过ξ时，此数据被分为两部分，数据队列长度为ξ的部分为具有高优先级服务级别的数据队列，而长度为x-ξ的数据队列为具有低优先级服务级别的数据队列，当对具有高优先级服务级别的数据队列进行服务时，具有低优先级服务级别的数据队列处于等待状态，一旦具有高优先级服务级别的数据队列被服务完成时，对具有高优先级服务级别的数据队列进行服务，数据队列在处理器共享节点PS的平均停留时间为：

$E\left(T_{\mathrm{PS}}\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)+E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)E\left(F\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}+\frac{(m-E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right))}{1-\mathrm{\ρ}}+\frac{(E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)+\mathrm{\ξ})}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\frac{E\left(F_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{b_j\left(\mathrm{\ξ}\right)({\mathrm{\ω}}_i+b_j\left(\mathrm{\ξ}\right))}\frac{\underset{q}{\mathrm{\Π}}({\mathrm{\ω}}_q^2-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}{\underset{q\≠j}{\mathrm{\Π}}(b_q^2\left(\mathrm{\ξ}\right)-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}$

其中T_PS(ξ)为数据在处理器共享节点PS的停留时间，F(y)为服务时间，服从超指数分布，有：

μ为数据离开延迟节点的速率，ξ为给定的队列长度门限值，平均服务时间

λ为初始数据到达处理器共享节点PS的速率，ρ＝(λ+μ)m，ρ＜1，

$E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)={\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}E\left(F\left(y\right)\right)\mathrm{dy},E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^2\right)}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}})},$ 并且i，j，q＝1，...，N，ω_q为系统服务速率， $E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^2\right)={\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}2\mathrm{yE}\left(F\left(y\right)\right)\mathrm{dy},E\left(F_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)={\tilde{p}}_i{e}^{-{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\ξ}},$ F_i(ξ)＝1-β_i(1-ρ_ξ)，β_i为第i次到达的数据包的平均尺度，E(F(y))为F(y)的期望。

本发明的有益效果为：提出了一种基于无线mesh的分布式NCS模块间的数据品质控制提高方法，在传输过程中有效提高了基于TCP/IP网络中具有尺度差异的数据完整性和传输可靠性。

附图说明

图1为分布式网络控制模块组成示意图

图2为基于无线mesh的分布式网络控制模块间数据效验示意图

图3为PS节点内部队列调度机制

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：

本发明的基本思路如下：这种基于WMN的分布式NCS模块间的保证数据数据完整性和可靠性方法通过在传输过程中构建开环反馈回路实现品质控制提高。

1.具有反馈回路的数据效验机制

如图2所示，假设从A到PS(processor sharing)节点的队列为Poisson到达，速率为λ，当第j个数据包到达PS节点后，经PS节点处理出来之后流向延迟处理节点D(Delay)的概率为p_j，流向B的概率为1-p_j，数据流从D停留一段时间后，经输入补偿又流向PS节点。当超过时间，没有数据流向PS节点时，令P_K＝0。定义

当第j个数据包访问队列时，为类型j用户数据包，在PS类型j的数据包总负载为

用户j类型在D的总负载为在延迟模块中的平均时间：

PS节点中与数据类型的1，…，K相对应的数据流X₁，...，X_K和与延迟处理节点D中与数据类型的1，...，K-1相对应的数据流Y₁，...，Y_K-1的数量的稳态联合分布为：

其中

为归一化常数。

2.PS点内部调度机制

以Poisson分布速率为λ的数据到达PS节点。令ξ为给定的队列长度门限值，当进入PS节点的队列长度x小于ξ时，被认为是高优先级数据队列，如果在PS节点的队列长度x超过ξ时，此数据被分为两部分，对于队列长度为ξ的部分被认为是高优先级，而x-ξ长度队列被认为是低优先级，当高优先级处于被服务时，低优先级队列的数据处于等待状态，一旦高优先级被服务完成，对低优先级服务。

假设T_D与T_PS相互独立，根据Burke定理，离开PS节点的数据流仍服从Poisson分布，令离开延迟处理节点D的数据速率为μ。服务时间F(y)服从超指数分布，有： $F\left(y\right)=1-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\tilde{p}}_i{e}^{-{\mathrm{\ω}}_{i}y},\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\tilde{p}}_i=1,{\tilde{p}}_i>0,{\mathrm{\ω}}_i>0,$ i=1，...，N，1＜N≤∞，服务时间的均值

假设系统处于稳态ρ＝(λ+μ)m，ρ＜1，数据的在PS点平均停留时间为：

$E\left(T_{\mathrm{PS}}\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)+E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)E\left(F\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}+\frac{(m-E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right))}{1-\mathrm{\ρ}}+\frac{(E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)+\mathrm{\ξ})}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\frac{E\left(F_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{b_j\left(\mathrm{\ξ}\right)({\mathrm{\ω}}_i+b_j\left(\mathrm{\ξ}\right))}\frac{\underset{q}{\mathrm{\Π}}({\mathrm{\ω}}_q^2-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}{\underset{q\≠j}{\mathrm{\Π}}(b_q^2\left(\mathrm{\ξ}\right)-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}$

其中i＝1，...，N，0＜b_N(ξ)＜ω_N，ω_i+1＜b_i(ξ)＜ω_i，i＝1，…，N-1， ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}=(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right),E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)={\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}E\left(F\left(y\right)\right)\mathrm{dy},E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^2\right)}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}})},$ 并且i，j，q＝1，...，N，ω_q为系统服务速率，

F_i(ξ)＝1-β_i(1-ρ_ξ)，β_i为第i次到达的数据包的平均尺度，E(F(y))为F(y)的期望。

本发明提供了一种基于无线mesh的分布式NCS模块间数据品质控制方法，采用具有数据效验功能的反馈回路和针对TCP/IP网络中具有尺度差异的数据调度机制，实现数据在传输过程中的完整性。

Claims (8)

1.一种提高基于无线mesh网络的分布式网络控制系统间的数据品质控制的方法，采用具有数据效验功能的反馈回路和针对TCP/IP网络中具有尺度差异数据的调度机制，保证数据在传输过程中的完整性和可靠性，包括如下步骤：

A、采用多个分布式网络控制系统模块相连，并在单个模块中使用无线mesh网络作为控制信息和业务流的传输平台，单个分布式网络控制系统模块是由控制器、执行器、传感器，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或具有延迟的网络反馈控制系统；

B、基于A步骤所采用的分布式网络控制系统模块，在多个模块间传输过程中使用处理器共享节点PS、输入补偿节点以及延迟节点D相结合的方式，构成开环反馈控制，当数据经网络传输到达处理器共享节点PS时，检查数据的完整性，如果数据不完整，其进入到延迟节点D，从D出来的数据经过输入补偿节点，要求数据源在指定的时刻进行丢失数据补偿，准备下一次完整性效验；如果在下一次效验中经过处理器共享节点PS数据被效验完整，则其顺利进入到下一个分布式网络模块中；

C、在B步骤的开环反馈控制系统中的处理器共享节点PS内引入一种队列调度机制，该队列调度机制为：以Poisson分布速率为λ的数据到达PS节点被服务时，当进入PS节点的数据队列长度x小于ξ时，其被认为是具有高优先级服务级别的数据队列，其中ξ是给定的队列长度门限值，如果在PS节点的数据队列长度x超过ξ时，此数据被分为两部分，数据队列长度为ξ的部分为具有高优先级服务级别的数据队列，而长度为x-ξ的数据队列为具有低优先级服务级别的数据队列，当对具有高优先级服务级别的数据队列进行服务时，具有低优先级服务级别的数据队列处于等待状态，一旦具有高优先级服务级别的数据队列被服务完成时，对具有低优先级服务级别的数据队列进行服务。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：通过无线mesh网络进行控制信息和业务信息的传输和交换，并使用相应的控制单元对无线mesh网络进行控制。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：控制器节点采用事件驱动方式，接收经由无线mesh网络通道到达控制器节点的传感器所获取的数据，并采用相应的控制算法产生控制信息，而执行器节点采用时间驱动方式，接收从无线mesh网络传送的控制信息，在接收到控制信息后立即动作，周期性作用于被控对象。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：具体的数据完整性效验机制为：假设从A到PS(processor sharing)节点的队列为Poisson到达，速率为λ，当第j个数据包到达PS节点后，经PS节点处理出来之后流向延迟节点D(Delay)的概率为p_j，则其流向B的概率为1-p_j，数据流在D停留一段时间后，经输入补偿数据后其又流向PS节点；在PS节点内j类型的数据包总负载为

β_i为第i次到达的数据包的平均尺度，数据类型j在延迟节点D的总负载为

在延迟节点D中的平均时间：

其中

为j类型数据包在延迟节点D的总负载，δ_j为延迟节点D的服务时间Laplace-Stieltjes变换(LST)的均值，K为数据包类型个数，同一数据包访问处理器共享节点j次的概率p_i为第i个数据包到达处理器共享节点PS后，经处理器共享节点PS处理出来之后流向延迟节点D的概率，p_j为第j个数据包到达处理器共享节点PS后，经处理器共享节点PS处理出来之后流向延迟节点D的概率。

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：从延迟节点D出来的数据，会再一次经过处理器共享节点PS的效验，若此次数据经效验具有完整性，则将顺利进入下一相邻分布式网络控制系统模块，若此次数据经效验仍不具有完整性，则继续进入延迟节点D，等待下一次效验。

6.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：在数据上一次经处理器共享节点PS效验后，如数据具有完整性，则下一次的数据到达服从Poisson分布；如数据经效验不具有完整性，那么缺少的数据包会会同其它数据到达，其分布仍服从Poisson分布。

7.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：处理器共享节点PS是既具有数据队列调度功能，又具有效验数据完整性功能的节点。

8.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：数据队列在处理器共享节点PS的平均停留时间为：

$E\left(T_{\mathrm{PS}}\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)+E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)E\left(F\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}+\frac{(m-E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right))}{1-\mathrm{\ρ}}+\frac{(E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)+\mathrm{\ξ})}{1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}}}\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}\frac{E\left(F_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)}{b_j\left(\mathrm{\ξ}\right)({\mathrm{\ω}}_i+b_j\left(\mathrm{\ξ}\right))}\frac{\underset{q}{\mathrm{\Π}}({\mathrm{\ω}}_q^2-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}{\underset{q\≠j}{\mathrm{\Π}}(b_q^2\left(\mathrm{\ξ}\right)-b_j^2\left(\mathrm{\ξ}\right))}$

其中T_PS(ξ)为数据在处理器共享节点PS的停留时间，F(y)为服务时间，服从超指数分布，有：

μ为数据离开延迟节点的速率，ξ为队列长度门限值，平均服务时间

λ为初始数据到达处理器共享节点PS的速率，ρ＝(λ+μ)m，ρ＜1， $E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^1\right)={\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}E\left(F\left(y\right)\right)\mathrm{dy},E\left(W\left(\mathrm{\ξ}\right)\right)=\frac{(\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ})E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^2\right)}{2(1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ξ}})},$

并且i，j，q＝1，...，N，1＜N≤∞，ω_q为系统服务速率， $E\left(X_{\mathrm{\ξ}}^2\right)={\∫}_0^{\mathrm{\ξ}}2\mathrm{yE}\left(F\left(y\right)\right)\mathrm{dy},E\left(F_i\left(\mathrm{\ξ}\right)\right){\tilde{p}}_i{e}^{-{\mathrm{\ω}}_i\mathrm{\ξ}},$ F_i(ξ)＝1-β_i(1-ρ_ξ)，β_i为第i次到达的数据包的平均尺度，E(F(y))为F(y)的期望。

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