CN105827536B - 一种终端接入网的流量调度方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度方法及系统，适用于网络控制器，方法包括：获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息；获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息；基于第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略；基于流量调度策略，将输入队列中缓存的满足数据转移量的数据包通过待调用信道传输至输出队列。应用本发明实施例，使得在使用混合通信网络作为接入网时，保证了流量调度系统的稳定性，并降低了数据传输成本。

Description

一种终端接入网的流量调度方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种终端接入网的流量调度方法及系统。
背景技术
随着智能电网的发展，终端仅接入专用通信网络已无法满足智能电网的通信需求，致使将专用通信网络与公共通信网络进行混合使用，例如：混合地将电力线通信网络、公共无线网络和公共有线网络用于传输终端所发送的业务数据，但由于混合通信网络中网络的差异性，且缺乏对应于混合接入网的基于成本优化的流量调度机制，造成了传输成本叠加的问题。而现有的公共无线网络和公共有线网络中基于成本优化的流量调度机制并不适用于混合通信网络，使得混合接入网技术的传输成本较高。
其中，混合通信网络中网络的差异性体现在：电力线通信网络属于专用通信网络，传输速率低，传输时延较大，但传输成本低；公共无线网络传输速率高，且传输时延较小；公共有线网络传输速率相对于公共无线网络高，且传输时延较小；但是公共有线网络和公共无线网络需要向电信公司缴纳相应的租赁费用，传输成本较高。
因此，亟需提供一种终端接入网的流量调度方案，以在使用混合通信网络作为接入网时，在保证流量调度系统稳定性的同时，降低数据传输成本。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种终端接入网的流量调度方法及系统，以在使用混合通信网络作为接入网时，在保证流量调度系统稳定性的同时，降低传输数据的经济成本。具体技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度方法，适用于网络控制器，所述方法可以包括：
获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，所述第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，所述第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数据量；其中，所述输入队列用于缓存终端所发送的数据包，所述输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，所述超额成本积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，所述超时积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
基于所述第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于所述输入队列的待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量，其中，所述多个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；
基于所述流量调度策略，将所述输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列。
优选地，在获取输入队列的第一积压信息之前，所述方法还可以包括：确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，所述通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；
根据所述相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将所述终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，所述预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，所述优先级与所述输入队列具有唯一对应性。
优选地，根据本发明实施例提供的终端接入网的流量调度方法，在所述基于所述流量调度策略，将输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列后，还可以包括：更新输出队列的第二积压信息，以得到更新后的第二积压信息；基于更新后的第二积压信息，调整输出队列的服务速率，其中，所述服务速率为缓存在输出队列中的数据转移至输出网络的速率。
优选地，在获取输入队列的第一积压信息之前，所述方法还包括：利用预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数；基于李雅普诺夫函数，构建李雅普诺夫漂移函数；基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
优选地，所述基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数，包括：获取各个信道在目标时刻的数据转移量，其中，所述各个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；基于各个信道在目标时刻的数据转移量，构建第一积压信息函数所对应的第一积压信息动态演进模型，及构建第二积压信息函数所对应的第二积压信息动态演进模型；
基于预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型，并基于预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；基于第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
优选地，所述李雅普诺夫函数为：
其中，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，其中L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数，所述α、β、γ和δ为预设常数。
优选地，所述李雅普诺夫漂移函数为：
其中，所述Δ(Θ(t))为t时隙内的李雅普诺夫漂移函数，所述L(Θ(t+1))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数，L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数。
优选地，所述的李雅普诺夫漂移加罚函数为：
其中，所述VE(y(t)|Θ(t))为成本罚函数，其中V为预设控制常数，且V＞0，所述B为边界值，所述y(t)为在t时隙内的成本函数，所述a(t)为在t时隙内数据到达输入队列的数据到达率，所述u(t)为在t时隙内信道的数据转移率，所述b(t)为在t时隙内输出队列的数据输出速率，所述为预设调度成本，所述Wx(t)为数据包x的总排队延时，所述d为预设延时。
第二方面，本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度系统，适用于网络控制器，所述系统可以包括：第一获取单元、第二获取单元、流量调度策略求解单元和调度单元；
所述第一获取单元，用于获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，所述第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，所述第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数据量；其中，所述输入队列用于缓存终端所发送的数据包，所述输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
所述第二获取单元，用于获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，所述超额成本积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，所述超时积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
所述流量调度策略求解单元，用于基于所述第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于所述输入队列的待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量，其中，所述多个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；
所述调度单元，用于基于所述流量调度策略，将所述输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列。
优选地，所述系统还可以包括：通信质量指标确定单元、优先级确定单元和发送单元；
所述通信质量指标确定单元，用于确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，所述通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；所述优先级确定单元，用于根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；
所述发送单元，用于根据所述相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将所述终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，所述预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，所述优先级与所述输入队列具有唯一对应性。
优选地，所述系统还可以包括：第二积压信息更新单元和服务速率调整单元；
所述第二积压信息更新单元，用于在基于所述流量调度策略，将输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列后，更新输出队列的第二积压信息，以得到更新后的第二积压信息；
所述服务速率调整单元，用于基于更新后的第二积压信息，调整输出队列的服务速率，其中，所述服务速率为缓存在输出队列中的数据转移至输出网络的速率。
优选地，所述系统还可以包括：李雅普诺夫函数构建单元、李雅普诺夫漂移函数构建单元和李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元；
所述李雅普诺夫函数构建单元，用于利用预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数；所述李雅普诺夫漂移函数构建单元，用于基于李雅普诺夫函数，构建李雅普诺夫漂移函数；所述李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元，用于基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
优选地，所述李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元，可以包括：获取子单元、第一动态演进模型构建子单元、第二动态演进模型构建子单元和李雅普诺夫漂移加罚函数构建子单元；
所述获取子单元，用于获取各个信道在目标时刻的数据转移量，其中，所述各个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输信道；
所述第一动态演进模型构建子单元，用于基于各个信道在目标时刻的数据转移量，构建第一积压信息函数所对应的第一积压信息动态演进模型，及构建第二积压信息函数所对应的第二积压信息动态演进模型；
所述第二动态演进模型构建子单元，用于基于预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型，并基于预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；
所述李雅普诺夫漂移加罚函数构建子单元，用于基于第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
优选地，所述李雅普诺夫函数构建单元所构建的李雅普诺夫函数为：
其中，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，其中L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数，所述α、β、γ和δ为预设常数。
优选地，所述李雅普诺夫漂移函数构建单元所构建的李雅普诺夫漂移函数为：
其中，所述Δ(Θ(t))为时隙t内的李雅普诺夫漂移函数，所述L(Θ(t+1))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数，L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数。
优选地，所述李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元所构建的李雅普诺夫漂移加罚函数为：
其中，所述VE(y(t)|Θ(t))为成本罚函数，其中V为预设控制常数，且V＞0，所述B为边界值，所述y(t)为在t时隙内的成本函数，所述a(t)为在t时隙内数据到达输入队列的数据到达率，所述u(t)为在t时隙内信道的数据转移率，所述b(t)为在t时隙内输出队列的数据输出速率，所述为预设调度成本，所述Wx(t)为数据包x的总排队延时，所述d为预设延时。
本发明实施例提供的终端接入网的流量调度方法及系统，由预先构建的输入队列缓存终端发送的数据包，预先构建的输出队列缓存由信道所传输的数据包；预先构建的第一虚拟队列缓存调度数据包所超过预设调度成本的超额成本，预先构建的第二虚拟队列缓存调度数据包所超过预设延时的超时时间；网络控制器通过获取输入队列所对应的第一积压信息、输出队列所对应的第二积压信息，第一虚拟队列所对应的超额成本总和，以及第二虚拟队列所对应的超时总和，以此获取输入队列与输出队列的数据包积压状态，和传输数据包所对应的超时状态和超额成本状态；并将这些状态所对应的信息代入预先设定的李雅普诺夫漂移加罚函数，即使用成本罚函数作为加罚模型，在保证流量调度系统的拥塞程度较低的前提下计算得到最优成本的流量调度策略；其中，该流量调度策略给出了下一周期流量调度所对应的最优的传输信道，以及该最优传输信道的数据转移量；另外，由于传输信道与输出队列相连，输出队列对应特定的输出网络，因此可以根据该流量调度策略选择最优的传输网络，使得在保证传输系统稳定性的条件下，数据传输成本最低。当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种终端接入网的流量调度方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种终端接入网的流量调度系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种终端接入网的流量调度系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图；
图5为现有技术中基于李雅普诺夫诺夫调度策略LSS的终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图；
图6为现有技术中基于随机调度策略RSS的终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图；
图7为图4至图6所涉及的三种终端接入网的流量调度系统的传输成本的对比图；
图8为图4至图6所涉及的三种终端接入网的流量调度系统的平均系统时延的对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度方法及系统。
首先，本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度方法，适用于网络控制器，如图1所示，该方法可以包括：
S101：获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，该第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，该第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数据量；其中，该输入队列用于缓存终端所发送的数据包，该输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
其中，在使用混合网络进行通信时，可预先构建输入队列和输出队列，且将终端发送的数据包缓存至输入队列中，并通过信道将该数据包从输入队列转移到输出队列；另外输出队列与输出网络一一对应，并且输出网络中至少包括两种输出网络，即至少预先构建了两组输出队列，也就是说，将数据包从输入队列转移到输出队列的路径不同会导致所选择的输出网络不同，而不同的输出网络对应不同的传输成本，也就是路径的选择会影响传输成本。
另外，可以通过在目标时刻的输入队列中所缓存的数据包所对应的数据量，获取关于输入队列的第一积压信息；且可以通过在目标时刻的各个输出队列中所缓存的数据包所对应的数据量，获取关于各个输出队列的第二积压信息；通过获取得到的第一积压信息和第二积压信息，可以对输入队列和输出队列拥塞程度进行监测，并方便依据输入队列和输出队列的拥塞程度做出流量调度决策，以保证流量调度系统的稳定性。其中，数据量是指数据存储单元数。
其中，输出网络可包括专用网络，公共有线网络和公共无线网络中的至少两种，并且专用网络可以是电力专用网络和铁路专用网路等专用网络。
S102：获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，该超额成本积压信息用于表征该目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，该超时积压信息用于表征该目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
其中，预先构建第一虚拟队列和第二虚拟队列；将调度任一数据包所花费的调度成本超过预设调度成本的超额成本缓存至第一虚拟队列中，即第一虚拟队列用于存储超额成本积压信息，且该超额成本积压信息可用于表征在目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和。其中，每个第一虚拟队列唯一对应一个输出队列，且每个输出队列与每个输出网络可通过一个通信服务器实现一一对应连接，即当输出队列被确定后，则传输网络被相应的确定，也就可以在目标时刻统计各个第一虚拟队列的超额成本积压信息。
另外，第二虚拟队列用于存储超时积压信息，即该超时积压信息可用于表征在目标时刻调度前数据包超过预设延时的超时总和。其中，每个第二虚拟队列唯一对应一条传输路径，且该传输路径用于传输数据包，其中，传输路径包括：输入队列—信道—输出队列—输出网络，其中，该多个信道为连接该输入队列和该输出队列的数据传输通道；在目标时刻通过统计传输路径各个部分所产生的延时计算超时积压信息；使得能够获取在调度过程中所产生的超额成本总和超时总和，能够对成本和延时进行监控，以方便下一步的调度策略的选择。
S103：基于该第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于该输入队列的待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量，其中，该多个信道为连接该输入队列和该输出队列的数据传输通道；
其中，在获取第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息后，将第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息代入预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，即将网络调度问题转换为求解李雅普诺夫漂移加罚函数取值最小化问题，以在保证流量调度稳定的前提下使得传输成本最少。
S104：基于所述流量调度策略，将所述输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列。
其中，在获取流量调度策略后，可从多个信道中确定待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量；在待调用信道被确定之后，输入队列和输出队列被确定；基于该流量调度策略，将满足流量调度策略的输入队列中所缓存的、满足数据转移量的数据包通过该待调用信道传输至对应的输出队列。其中，数据转移量是指通过待调用信道传输的数据存储单元数。
本发明实施例中，由预先构建的输入队列缓存终端发送的数据包，预先构建的输出队列缓存由信道所传输的数据包；预先构建的第一虚拟队列缓存调度数据包所超过预设调度成本的超额成本，预先构建的第二虚拟队列缓存调度数据包所超过预设延时的超时时间；网络控制器通过获取输入队列所对应的第一积压信息、输出队列所对应的第二积压信息，第一虚拟队列所对应的超额成本总和，以及第二虚拟队列所对应的超时总和，以此获取输入队列与输出队列的数据包积压状态，和传输数据包所对应的超时状态和超额成本状态；并将这些状态所对应的信息代入预先设定的李雅普诺夫漂移加罚函数，即使用成本罚函数作为加罚模型，在保证流量调度系统的拥塞程度较低的前提下计算得到最优成本的流量调度策略；其中，该流量调度策略给出了下一周期流量调度所对应的最优的传输信道，以及该最优传输信道的数据转移量；另外，由于传输信道与输出队列相连，输出队列对应特定的输出网络，因此可以根据该流量调度策略选择最优的传输网络，使得在保证传输系统稳定性的条件下，数据传输成本最低。
更进一步地，在获取输入队列的第一积压信息之前，该方法还可以包括：
确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，该通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；根据该相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将该终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，该预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，该优先级与该输入队列具有唯一对应性。
可以理解的是，在该种实现方式中，可根据终端中所要传输的数据包的时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项通信质量指标，确定数据包的优先级，并可将该优先级标识到该数据包上；根据预设映射表所提供的对应关系，将具有相应优先级的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，每种优先级只能唯一对应一个输入队列。
值得强调的是，将优先级标识到数据包上为现有技术，在此不作详述。另外，在此仅考虑数据包的优先级，和每个优先级数据包的平均尺寸，并不考虑每个数据包的具体尺寸，具有较强的通用性和扩展性。
更进一步地，根据本发明实施例提供的终端接入网的流量调度方法，在该基于该流量调度策略，将输入队列中缓存的满足该数据转移量的数据包通过该待调用信道传输至输出队列后，还可以包括：
更新输出队列的第二积压信息，以得到更新后的第二积压信息；基于更新后的第二积压信息，调整输出队列的服务速率，其中，该服务速率为缓存在输出队列中的数据转移至输出网络的速率。
可以理解的是，在该种实现方式中，在将数据包传送至输出队列后，更新此时输出队列的第二积压信息，得到更新后的第二积压信息；并根据更新后第二积压信息，调整服务速率，其中，该服务速率为缓存在输出队列中的数据转移至输出网络的速率，且可预先设定第二积压信息小于预设的第二积压信息阈值时，该流量调度系统中的输出队列传输稳定。
其中，服务速率可用b(t)表示，并用max b(t)表示b(t)所能取到的最大值，min b(t)表示b(t)所能取到的最小值，且在调整b(t)时，应使b(t)的取值在最大值和最小值所确定的范围内，以保证流量调度系统的稳定性。另外，由于服务速率的增高会造成传输成本的增加，因此网络控制器需要在服务速率和传输成本之间做出权衡，即在满足流量调度系统稳定的前提下，将服务速率调整至最小。
更进一步地，获取输入队列的第一积压信息之前，该方法还可以包括：
利用预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数；基于李雅普诺夫函数，构建李雅普诺夫漂移函数；基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
可以理解的是，在该种实现方式中，将预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数，使得李雅普诺夫函数的取值随着第一积压信息函数的取值、第二积压信息函数的取值、超额成本积压信息函数的取值和超时积压信息函数的取值中一项或者多项而改变；并根据李雅普诺夫函数构建李雅普诺夫漂移函数，则在该李雅普诺夫漂移函数取得最小值时，可以保证输入队列、输出队列、第一虚拟队列和第二虚拟队列在时隙t内的加权积压变化量之和最低，可保证流量调度系统的稳定性；进而基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数，则在该李雅普诺夫漂移加罚函数取得最小值时，可保证流量调度系统稳定，且使得成本最小，则此时计算得到的流量调度策略为最优流量调度策略。
更进一步地，基于该李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数，包括：
获取各个信道在目标时刻的数据转移量，其中，该各个信道为连接该输入队列和该输出队列的数据传输信道；基于各个信道在目标时刻的数据转移量，构建第一积压信息函数所对应的第一积压信息动态演进模型，及构建第二积压信息函数所对应的第二积压信息动态演进模型；
基于预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型，并基于预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；基于第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
可以理解的是，在该种实现方式中，在目标时刻，获取各个信道的数据转移量，则可根据该各个信道的数据转移量确定第一积压信息动态演进模型和第二积压信息动态演进模型，其中，第一积压动态演进模型可根据输入队列的当前队列的第一积压信息、数据的输入速率和数据转移量确定；第二积压动态演进模型可根据输出队列的当前队列的第二积压信息、数据转移量和数据的输出速率确定。
另外，可根据预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型；并可根据预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；其中，超额成本积压信息动态演进模型可根据预设调度成本、本次实际调度成本和上一周期流量调度结束后的超额成本积压信息确定；超时积压信息函数动态演进模型可根据预设延时、本次实际调度延时和上一周期流量调度结束后的超时积压信息确定。
确定第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型和超时积压信息动态演进模型，可动态地监控第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息；根据第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
更进一步地，该李雅普诺夫函数为：
其中，该Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，其中L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，该Q(t)为第一积压信息函数，该P(t)为第二积压信息函数，该Z(t)为超额成本积压信息函数，该H(t)为超时积压信息函数，该α、β、γ和δ为预设参数，且分别表示输入队列积压量、输出队列积压量、第一虚拟队列积压量和第二虚拟队列积压量在李雅普诺夫函数中所占的权重。
更进一步地，该李雅普诺夫漂移函数为：
其中，该Δ(Θ(t))为时隙t内的李雅普诺夫漂移函数，该L(Θ(t+1))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数，L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，该Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，该Q(t)为第一积压信息函数，该P(t)为第二积压信息函数，该Z(t)为超额成本积压信息函数，该H(t)为超时积压信息函数。
其中，Δ(Θ(t))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数与在调度时刻t的李雅普诺夫函数之间的差值，即时隙t内的李雅普诺夫函数的变化量。
更进一步地，该的李雅普诺夫漂移加罚函数为：
其中，该VE(y(t)|Θ(t))为成本罚函数，其中V为预设控制常数，且V＞0，该B为边界值，该y(t)为成本函数，该a(t)为在t时隙内的数据包到达输入队列的数据到达率，该u(t)为在t时隙内信道的数据转移率，该b(t)为在t时隙内输出队列的数据输出速率，该为预设调度成本，该Wx(t)为数据包x的总排队延时，该d为预设延时。
其次，相应于上述方法实施例，本发明实施例提供了一种终端接入网的流量调度系统，适用于网络控制器，如图2所示，该系统可以包括：第一获取单元201、第二获取单元202、流量调度策略求解单元203和调度单元204；
该第一获取单元201，用于获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，该第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，该第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数据量；其中，该输入队列用于缓存终端所发送的数据包，该输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
该第二获取单元202，用于获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，该超额成本积压信息用于表征该目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，该超时积压信息用于表征该目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
该流量调度策略求解单元203，用于基于该第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于该输入队列的待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量，其中，该多个信道为连接该输入队列和该输出队列的数据传输通道；
该调度单元204，用于基于该流量调度策略，将该输入队列中缓存的满足该数据转移量的数据包通过该待调用信道传输至输出队列。
下面，结合图3对本发明实施例提供的终端接入网的流量调度系统作进一步说明。
图3示出了本发明实施例提供的另一种终端接入网的流量调度系统的结构示意图，且该系统至少包括：多条信道、M个输入队列、N个输出队列和N个输出网络。且数据包的传输过程为：先对需要传输的数据包进行优先级划分，其中，每种优先级唯一对应一个输出队列；将所要传输的数据包缓存至对应的输入队列中；通过信道传输该数据包，并进入相应的输出队列，其中，每个输出队列唯一对应一种输出网络，并且数据包从输入队列转移至输出队列的转移情况可参见图3。另外，在图3所示的结构之外，还包括第一虚拟队列和第二虚拟队列，其所产生的作用具体参见方法实施例，在此不做赘述。
需要强调的是，使用通信服务器接入输出网络为现有技术，且可将其替换为具备相同功能的其他设备，在此不做详述，并且M和N的取值可由本领域的技术人员根据具体情况进行设定。
本发明实施例中，由预先构建的输入队列缓存终端发送的数据包，预先构建的输出队列缓存由信道所传输的数据包；预先构建的第一虚拟队列缓存调度数据包所超过预设调度成本的超额成本，预先构建的第二虚拟队列缓存调度数据包所超过预设延时的超时时间；网络控制器通过获取输入队列所对应的第一积压信息、输出队列所对应的第二积压信息，第一虚拟队列所对应的超额成本总和，以及第二虚拟队列所对应的超时总和，以此获取输入队列与输出队列的数据积压状态，和传输数据包所对应的超时状态和超额成本状态；并将这些状态所对应的信息代入预先设定的李雅普诺夫漂移加罚函数，即使用成本罚函数作为加罚模型，在保证流量调度系统的拥塞程度较低的前提下计算得到最优成本的流量调度策略；其中，该流量调度策略给出了下一周期流量调度所对应的最优的传输信道，以及该最优传输信道的数据转移量；另外，由于传输信道与输出队列相连，输出队列对应特定的输出网络，因此可以根据该流量调度策略选择最优的传输网络，使得在保证传输系统稳定性的条件下，数据传输成本最低。
更进一步地，该系统还可以包括：通信质量指标确定单元、优先级确定单元和发送单元；
该通信质量指标确定单元，用于确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，该通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；该优先级确定单元，用于根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；
该发送单元，用于根据该相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将该终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，该预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，该优先级与该输入队列具有唯一对应性。
更进一步地，该系统还可以包括：第二积压信息更新单元和服务速率调整单元；
该第二积压信息更新单元，用于在基于所述流量调度策略，将输入队列中缓存的满足该数据转移量的数据包通过该待调用信道传输至输出队列后，更新输出队列的第二积压信息，以得到更新后的第二积压信息；该服务速率调整单元，用于基于更新后的第二积压信息，调整输出队列的服务速率，其中，该服务速率为缓存在输出队列中的数据转移至输出网络的速率。
下面，结合图4、图5和图6，对本发明实施例提供的终端接入网的流量调度系统作进一步说明。
其中，图4示出了本发明实施例提供的终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图；图5示出了现有技术中基于李雅普诺夫调度策略LSS的终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图；图6为现有技术中基于随机调度策略RSS的终端接入网的流量调度系统的传输成本示意图。其中，LSS(Lyapunov-Based Scheduling Strategy，基于李雅普诺夫的策略)，RSS(Random Scheduling Strategy，随机调度策略)，CDCS(Cost-OptimalDistributed Control Strategy，成本最优的分布式控制策略)。
通过将图4与图5、图6进行比较可知：在数据到达输出网络的速率增加的情况下，按照调度策略LSS计算得到的流量调度策略进行流量分配，所耗费的传输成本较基于RSS策略所耗费的传输成本的变化较为平缓，且基于LSS调度策略的流量调度系统的传输成本，低于RSS策略所耗费的传输成本。而基于本发明实施例提供的CDCS调度策略所耗费的成本，较基于LSS策略和基于RSS策略所耗费的成本都要低。例如，在优先级类1和优先级类2的到达速率均为每时隙45数据包时，基于RSS策略的流量调度系统的传输成本在5000元以上，基于LSS策略的流量调度系统的传输成本在5000元以下，并较为接近5000元；而基于CDCS策略的流量调度系统的传输成本在5000元以下，并较5000元较远。
也就是说，按照本发明实施例提供的CDCS调度策略计算得到的流量调度策略进行流量分配，所耗费的传输成本较图5所示的LSS调度策略所耗费的传输成本的变化更为平缓，并低于图6所示的RSS调度策略所耗费的传输成本，即CDCS系统为更优的流量调度方案。
另外，为了更明显的展现RSS系统、LSS系统和CDCS系统所分别对应的三种调度策略对传输成本的影响，设置一个数据包以固定速率到达输出网络的实验场景：λ1＝40，λ2＝40，λ3＝4，也就是将优先级为1(优先级类1)和优先级为2(优先级类2)的数据包到达相应输出网络的速率均设置为每时隙40数据包，优先级为3(优先级类3)的数据包到达相应输出网络的速率设置为每时隙4数据包。并设置各个优先级数据包的平均尺寸为：l1＝4，l2＝3，l3＝5，也就是将优先级为1(优先级类1)的数据包的平均尺寸设置为每数据包4个存储单元，优先级为2(优先级类2)的数据包的平均尺寸设置为每数据包3个存储单元，优先级为3(优先级类3)的数据包的平均尺寸设置为每数据包5个存储单元。在该场景下，优先级1和优先级2的数据包的到达速率均较高，且此时的网络负载较大，能更好地对三种调度机制所产生的传输成本进行比较，如图7所示，随着时间的增长，LSS系统和CDCS系统中的传输成本平缓增加，且平均系统经济成本低于RSS系统，并且，CDCS系统的传输成本低于LSS的传输成本。
此外，图8示出了RSS系统、LSS系统和CDCS系统的平均系统延时情况，且由图8可知，在RSS系统中两种优先级的数据包所产生的平均系统时延均为最小，而LSS系统中两种优先级的数据包所产生的平均系统时延均为最大，而CDCS系统中两种优先级的数据包所产生的平均系统时延均处于居中位置，因此本领域的技术人员可根据具体需求选择相对应的流量调度策略。
更进一步地，该系统还可以包括：李雅普诺夫函数构建单元、李雅普诺夫漂移函数构建单元和李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元；
该李雅普诺夫函数构建单元，用于利用预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数；该李雅普诺夫漂移函数构建单元，用于基于李雅普诺夫函数，构建李雅普诺夫漂移函数；该李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元，用于基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
更进一步地，该李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元，可以包括：获取子单元、第一动态演进模型构建子单元、第二动态演进模型构建子单元和李雅普诺夫漂移加罚函数构建子单元；
该获取子单元，用于获取各个信道在目标时刻的数据转移量，其中，该各个信道为连接该输入队列和该输出队列的数据包传输信道；该第一动态演进模型构建子单元，用于基于各个信道在目标时刻的数据转移量，构建第一积压信息函数所对应的第一积压信息动态演进模型，及构建第二积压信息函数所对应的第二积压信息动态演进模型；
该第二动态演进模型构建子单元，用于基于预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型，并基于预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；该李雅普诺夫漂移加罚函数构建子单元，用于基于第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
更进一步地，该李雅普诺夫函数构建单元所构建的李雅普诺夫函数为：
其中，该Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，其中L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，该Q(t)为第一积压信息函数，该P(t)为第二积压信息函数，该Z(t)为超额成本积压信息函数，该H(t)为超时积压信息函数，该α、β、γ和δ为预设常数。
更进一步地，该李雅普诺夫漂移函数构建单元所构建的李雅普诺夫漂移函数为：
其中，该Δ(Θ(t))为时隙t内的李雅普诺夫漂移函数，该L(Θ(t+1))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数，L(Θ(t))为在调度时刻的李雅普诺夫函数，该Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，该Q(t)为第一积压信息函数，该P(t)为第二积压信息函数，该Z(t)为超额成本积压信息函数，该H(t)为超时积压信息函数。
更进一步地，该李雅普诺夫漂移加罚函数构建单元所构建的李雅普诺夫漂移加罚函数为：
其中，该VE(y(t)|Θ(t))为成本罚函数，其中V为预设控制常数，且V＞0，该B为边界值，该y(t)为在t时隙内的成本函数，该a(t)为在t时隙内数据到达输入队列的数据到达率，该u(t)为在t时隙内信道的数据转移率，该b(t)为在t时隙内输出队列的数据输出速率，该为预设调度成本，该Wx(t)为数据包x的总排队延时，该d为预设延时。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种终端接入网的流量调度方法，其特征在于，适用于网络控制器，所述方法包括：
获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，所述第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，所述第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数据量；其中，所述输入队列用于缓存终端所发送的数据包，所述输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，所述超额成本积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，所述超时积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
基于所述第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用预先构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于所述输入队列的待调用信道和所述待调用信道所要传输的数据转移量，其中，所述多个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；
基于所述流量调度策略，将所述输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取输入队列的第一积压信息之前，所述方法还包括：
确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，所述通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；
根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；
根据所述相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将所述终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，所述预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，所述优先级与所述输入队列具有唯一对应性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述基于所述流量调度策略，将输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列后，还包括：
更新输出队列的第二积压信息，以得到更新后的第二积压信息；
基于更新后的第二积压信息，调整所述输出队列的服务速率，其中，所述服务速率为缓存在所述输出队列中的数据转移至输出网络的速率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在所述获取输入队列的第一积压信息之前，所述方法还包括：
利用预设的第一积压信息函数、第二积压信息函数、超额成本积压信息函数和超时积压信息函数作为自变量，预先构建李雅普诺夫函数；
基于李雅普诺夫函数，构建李雅普诺夫漂移函数；
基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于李雅普诺夫漂移函数和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数，包括：
获取各个信道在目标时刻的数据转移量，其中，所述各个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；
基于各个信道在目标时刻的数据转移量，构建第一积压信息函数所对应的第一积压信息动态演进模型，及构建第二积压信息函数所对应的第二积压信息动态演进模型；
基于预设调度成本，构建超额成本积压信息函数所对应的超额成本积压信息动态演进模型，并基于预设延时，构建超时积压信息函数所对应的超时积压信息函数动态演进模型；
基于第一积压信息动态演进模型、第二积压信息动态演进模型、超额成本积压信息动态演进模型、超时积压信息动态演进模型和成本罚函数，构建李雅普诺夫漂移加罚函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述李雅普诺夫函数为：
其中，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，其中L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数，所述α、β、γ和δ为预设常数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述李雅普诺夫漂移函数为：
其中，所述Δ(Θ(t))为时隙t内的李雅普诺夫漂移函数，所述L(Θ(t+1))为在调度时刻(t+1)的李雅普诺夫函数，L(Θ(t))为在调度时刻t的李雅普诺夫函数，所述Θ(t)＝(Q(t),P(t),Z(t),H(t))，所述Q(t)为第一积压信息函数，所述P(t)为第二积压信息函数，所述Z(t)为超额成本积压信息函数，所述H(t)为超时积压信息函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的李雅普诺夫漂移加罚函数为：
其中，所述VE(y(t)|Θ(t))为成本罚函数，其中V为预设控制常数，且V＞0，所述B为边界值，所述y(t)为在t时隙内的成本函数，所述a(t)为在t时隙内数据到达输入队列的数据到达率，所述u(t)为在t时隙内信道的数据转移率，所述b(t)为在t时隙内输出队列的数据输出速率，所述为预设调度成本，所述Wx(t)为数据包x的总排队延时，所述d为预设延时。
9.一种终端接入网的流量调度系统，其特征在于，适用于网络控制器，所述系统包括：
第一获取单元，用于获取输入队列的第一积压信息和输出队列的第二积压信息，其中，所述第一积压信息用于表征目标时刻输入队列中缓存的数据包的数据量，所述第二积压信息用于表征目标时刻输出队列中缓存的数据包的数量；其中，所述输入队列用于缓存终端所发送的数据包，所述输出队列与输出网络一一对应连接；其中，输出网络中至少包括两种输出网络；
第二获取单元，用于获取预先构建的第一虚拟队列在目标时刻的超额成本积压信息，并获取预先构建的第二虚拟队列在目标时刻的超时积压信息，其中，所述超额成本积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设调度成本的超额成本总和，所述超时积压信息用于表征所述目标时刻前调度数据包超过预设延时的超时总和；
流量调度策略求解单元，用于基于所述第一积压信息、第二积压信息、超额成本积压信息和超时积压信息，利用构建的李雅普诺夫漂移加罚函数求解流量调度策略，以从多个信道中确定关于所述输入队列的待调用信道和该待调用信道所要传输的数据转移量，其中，所述多个信道为连接所述输入队列和所述输出队列的数据传输通道；
调度单元，用于基于所述流量调度策略，将所述输入队列中缓存的满足所述数据转移量的数据包通过所述待调用信道传输至输出队列。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
通信质量指标确定单元，用于确定终端所发送的数据包的通信质量指标，其中，所述通信质量指标包括时延要求、传输速率要求和可靠性要求中的一项或多项；
优先级确定单元，用于根据终端所发送的数据包的通信质量指标确定相应数据包所对应的优先级；
发送单元，用于根据所述相应数据包所对应的优先级和预设映射表，将所述终端所发送的数据包缓存至对应的输入队列中，其中，所述预设映射表记录有终端所发送的数据包的优先级与输入队列的对应关系，其中，所述优先级与所述输入队列具有唯一对应性。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
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Inventor after: Guo Shaoyong

Inventor after: Shao Sujie

Inventor after: Xu Siya

Inventor after: Li Wenjing

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