CN110234134B - 一种改善手机通信网络拥塞的控制方法 - Google Patents

一种改善手机通信网络拥塞的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改善手机通信网络拥塞的控制方法，利用正切换系统建模网络拥塞问题，构造了系统的事件触发控制器。首先，通过对系统模型进行数据采集，建立手机通信网络的正切换系统模型。其次，构造手机通信网络忙时的事件触发条件。然后，对正切换系统设计一种事件触发控制器，在网络忙时实时限速以达到网络平稳运行，避免网络因拥塞导致瘫痪，从而改善手机通信网络拥塞的控制方法。与现有手机通信技术相比，本发明方法可以有效的改善手机通信网络的拥塞问题，避免机械的以用户使用流量数为降速标准带来的不良使用体验，使手机通信网络安全平稳运行。

Description

一种改善手机通信网络拥塞的控制方法
技术领域
本发明属于手机通信网络控制领域，涉及到网络数据包传送过程中可能发生的拥塞现象，基于事件触发控制技术和饱和控制技术，具体涉及一种改善手机通信网络拥塞的控制方法。
背景技术
随着科技的飞速进步，互联网发展速度越来越快，从最开始的2G时代到4G 时代，以及即将到来的5G时代。网络的迅速发展使得人们的生活越来越便捷。随着信息技术的不断改进，网络用户越来越多，通信网络中的拥塞、资源浪费等现象随之出现。通信网络系统的平稳健康运行，对网络中数据传输和网络安全都至关重要。在互联网快速发展时代，网络的使用率越来越高。互联网给我们提供便利的同时，也带来了许多烦恼。大量的用户使用移动互联网，必然会导致网络拥塞。因此，三大通信公司采取了一些措施，当用户使用移动数据超过规定的流量时，上传或下载的网速就会被降低。例如，中国移动通信公司套餐规定，省内使用流量超过40G或省外使用超过20G时网速将降低到1Mbps，这就是一个典型的事件触发控制。
在控制领域存在一类这样的系统，对于任意的初始状态和输入非负，系统的所有状态和输出都是非负的，我们称这类系统为正系统。正系统的状态和输出一直保持在第一象限内，使得正系统在建模很多实际问题时具有明显优势，如研究生物种群的数目变化、容器中水的变化等等。使用正系统建模可以避免建模冗余。一个数据通信网络一般呈现忙时和闲时两种情况。忙时和闲时分别表示网络中存在大量数据包和少量数据包传输的情况，实际上这就是一个切换过程。由于通信网络传送的数据总是非负的，所以通信网络系统中忙时和闲时的切换可以用正切换系统表示。
本申请将提出一种改善手机通信网络拥塞的控制方法，不需要在达到固定的流量数据时降低网速。在通信忙时，对每个用户实时限速以达到网络平稳运行，避免网络因拥塞导致瘫痪，从而改善手机通信网络拥塞的控制方法。与现有手机通信技术相比，本发明方法可以有效的改善手机通信网络的拥塞问题以及资源浪费问题，避免机械的以用户使用流量数为降速标准带来的不良使用体验，在用户拥有同等流量数据情况下，月底用户体验非常差，导致很多用户放弃使用移动数据，这是一种明显的资源浪费。采用事件触发控制解决网络拥塞问题，是一个较好的解决方案。
发明内容
本发明的目的是解决复杂手机通信网络中的拥塞问题，减少网络传输过程中出现的数据丢失现象，提出一种基于事件触发机制的控制方法。通过设计事件触发控制器，改善手机通信网络拥塞，实现数据平稳传输，保证通信网络数据包传输的流畅性，提高网络传输质量。具体技术方案如下：
本发明方法的步骤包括
步骤1、通过采集手机通信网络传输数据，建立手机通信网络系统状态空间模型：
x(k+1)＝Aσ(k)x(k)+Bσ(k)uσ(k)(k),
其中σ(k)表示手机通信网络中的子网单元，
Figure RE-GDA0002157321140000021
代表手机通信网络中数据包的数量，n表示子网中节点的个数；
Figure RE-GDA0002157321140000022
表示在第k个采样点第σ(k)个子网从控制中心发出数据包的数量，m代表第σ(k)个子网单元控制输入的节点个数；
Figure RE-GDA0002157321140000023
和
Figure RE-GDA0002157321140000024
表示适当维度的系统矩阵，可由实际数据包传输过程采集得到。对于每个σ(k)∈S都有Aσ(k)≥0,Bσ(k)≥0(≥是针对矩阵Aσ(k),Bσ(k)中的每个元素，即矩阵内所有元素都是非负的)。
σ(k):[0,∞)→S＝{1,2,...,J}是一个依赖于采样点k的函数，是系统的切换信号。为方便起见，记σ(k)＝i,i∈S，则有Aσ(k)＝Ai,Bσ(k)＝Bi。
Figure RE-GDA0002157321140000025
分别表示n维向量和n×n维欧氏矩阵空间。
步骤2、建立手机通信网络系统的事件触发控机制
Figure RE-GDA0002157321140000026
其中常量β＞0，
Figure RE-GDA0002157321140000027
是采样误差，
Figure RE-GDA0002157321140000028
||·||1代表向量的1范数，即向量元素的绝对值之和。
步骤3、设计手机通信网络系统的事件触发控制器，包括如下步骤：
步骤3.1设计事件触发控制律
Figure RE-GDA0002157321140000029
其中k∈[kt,kt+1),t＝0,1,...,k0＝0,Fi是设计第i个子系统的控制器增益矩阵；
步骤3.2依据步骤1、步骤2和步骤3.1可得
Figure RE-GDA0002157321140000031
步骤3.3依据步骤1、步骤3.1和步骤3.2可得
Figure RE-GDA0002157321140000032
其中
Figure RE-GDA0002157321140000033
步骤3.4构造一个线性余正李雅普诺夫函数
Vi(k)＝xT(k)vi,
其中
Figure RE-GDA0002157321140000034
vi∈Rn是n维实数列向量并且列中每个元素都为正数，计算上述李雅普诺夫函数的差分方程：
ΔVi＝Vi(k)-Vi(k-1)＝xT(k)vi-xT(k-1)vi，
其中T代表矩阵的转置；
步骤3.5设计常数0＜ρ＜1，κ＞0，λ＞1和向量
Figure RE-GDA0002157321140000035
Figure RE-GDA0002157321140000036
使得以下不等式
Figure RE-GDA0002157321140000037
Figure RE-GDA0002157321140000038
Figure RE-GDA0002157321140000039
Figure RE-GDA00021573211400000310
Figure RE-GDA00021573211400000311
对于每一个i∈S成立，其中
Figure RE-GDA00021573211400000312
其中
Figure RE-GDA00021573211400000313
步骤3.6设计手机通信网络系统x(k+1)＝Aix(k)+Biui(k)在事件触发控制器
Figure RE-GDA0002157321140000041
使得系统是正的、稳定的；首先计算其李雅普诺夫函数的差分满足
ΔVi＜0；
步骤3.7由步骤3.3、步骤3.4可得：
ΔVi≤xT(k-1)(Ai+BiFi+Ψi-In)Tvi；
再结合步骤3.5，进一步转换为:
Figure RE-GDA0002157321140000042
步骤3.8根据步骤3.5提出的条件，可得关系
Figure RE-GDA0002157321140000043
进一步可得:
Figure RE-GDA0002157321140000044
步骤3.9由步骤3.7和3.8可得如下关系
Figure RE-GDA0002157321140000045
因为0＜ρ＜1，我们可以得到
ΔVi＜0；
步骤3.10综上，根据步骤3.1至步骤3.9可得事件触发控制器增益矩阵为：
Figure RE-GDA0002157321140000046
本发明的改善手机通信网络拥塞的控制方法，该方法针对当前手机通信网络数据包在传输过程中的拥塞现象，提出一种先进的控制技术，建立状态空间模型，为使系统达到所期望的性能指标，采用Lyapunov函数方法，设计事件触发控制器，最终实现手机通信网络数据包的平稳传输。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
本实施例以数据中心发出数据包的数量为控制输入，以通信网络中各个节点数据包的数量为状态，以终端测量为输出，建立状态空间模型。
步骤1、通过采集网络传输数据，建立下状态空间模型：
x(k+1)＝Aσ(k)x(k)+Bσ(k)sat(uσ(k)(k))；
其中σ(k)表示手机通信网络中的子网单元，
Figure RE-GDA0002157321140000051
代表数据包的数量， n表示子网中节点的个数；
Figure RE-GDA0002157321140000052
表示在第k个采样点第σ(k)个子网从控制中心发出数据包的数量，m代表第σ(k)个子网单元控制输入的节点个数；
Figure RE-GDA0002157321140000053
其中sat(ui(k))＝sgn(ui(k))min{1,|ui(k)|}，i∈m，
Figure RE-GDA0002157321140000054
和
Figure RE-GDA0002157321140000055
为已知的系统加权矩阵，可由实际数据包传输过程采集得到。对于每个σ(k)∈S都有Aσ(k)≥0,Bσ(k)≥0(≥是针对矩阵Aσ(k),Bσ(k)中的每个元素，即矩阵内所有元素都是非负的)。σ(k):[0,∞)→S＝{1,2,...,J}是一个依赖于采样点k的函数，是系统的切换信号。为方便起见，记σ(k)＝i,i∈S, 则有Aσ(k)＝Ai,Bσ(k)＝Bi。
Figure RE-GDA0002157321140000056
分别表示n维向量和n×n维欧氏矩阵空间。
步骤2、建立手机通信网络系统的事件触发机制
Figure RE-GDA0002157321140000057
其中常量β＞0，
Figure RE-GDA0002157321140000058
是采样误差，
Figure RE-GDA0002157321140000059
||·||1代表向量的1范数，即向量元素的绝对值之和。
步骤3、设计手机通信网络系统事件触发控制器，其特征在于包括如下步骤：
3.1设计事件触发控制律
Figure RE-GDA00021573211400000510
其中k∈[kt,kt+1),t＝0,1,...,k0＝0,Fi是设计第i个子系统的控制器增益矩阵。
综上，可得
Figure RE-GDA00021573211400000511
进而，我们得到
Figure RE-GDA00021573211400000512
其中
Figure RE-GDA0002157321140000061
l＝1,...,2m,Dil是m×m的矩阵且对角元素是1 或0,
Figure RE-GDA0002157321140000062
3.2依据步骤1、步骤2和步骤3.1可得
Figure RE-GDA0002157321140000063
其中
Figure RE-GDA0002157321140000064
3.3依据步骤1、步骤3.1和步骤3.2可得
Figure RE-GDA0002157321140000065
其中
Figure RE-GDA0002157321140000066
3.4构造一个线性余正李雅普诺夫函数
Vi(k)＝xT(k)vi,
其中
Figure RE-GDA0002157321140000067
vi∈Rn是n维实数列向量并且列中每个元素都为正数。计算上述李雅普诺夫函数的差分：
ΔVi＝Vi(k)-Vi(k-1)
＝xT(k)vi-xT(k-1)vi，
其中T代表矩阵的转置。
3.5设计常数∈＞1，κ＞0，0＜ρ＜1，λ＞1和向量
Figure RE-GDA0002157321140000068
Figure RE-GDA0002157321140000069
使得以下不等式
Figure RE-GDA00021573211400000610
Figure RE-GDA00021573211400000611
Figure RE-GDA00021573211400000612
Figure RE-GDA00021573211400000613
Figure RE-GDA0002157321140000071
Figure RE-GDA0002157321140000072
Figure RE-GDA0002157321140000073
Figure RE-GDA0002157321140000074
对于每一个i∈S成立，其中
Figure RE-GDA0002157321140000075
Figure RE-GDA0002157321140000076
3.6设计手机通信网络系统x(k+1)＝Aσ(k)x(k)+Bσ(k)sat(uσ(k)(k))的事件触发控制器
Figure RE-GDA0002157321140000077
使得系统是正的、稳定的。首先计算其李雅普诺夫函数的差分满足
ΔVi＜0.
3.7由步骤3.3和步骤3.4可得：
Figure RE-GDA0002157321140000078
再结合步骤3.5，进一步转换为:
Figure RE-GDA0002157321140000079
3.8根据步骤3.5提出的条件，可得关系
Figure RE-GDA00021573211400000710
Figure RE-GDA00021573211400000711
进一步可得:
Figure RE-GDA00021573211400000712
Figure RE-GDA00021573211400000713
3.9由步骤3.7和3.8可得如下关系
Figure RE-GDA00021573211400000714
3.10综上，根据步骤3.1至步骤3.9可得事件触发控制器增益矩阵和吸引域增益矩阵为：
Figure RE-GDA0002157321140000081

Claims (1)

1.一种改善手机通信网络拥塞的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、建立手机通信网络系统状态空间模型；
步骤2、构建手机通信拥塞事件触发控制条件；
步骤3、设计手机通信网络系统事件触发控制器；
步骤1具体如下：通过采集手机通信网络传输数据，建立手机通信网络系统状态空间模型：
x(k+1)＝Aσ(k)x(k)+Bσ(k)uσ(k)(k),
其中σ(k)表示手机通信网络中的子网单元，
Figure FDA0003560322290000011
代表手机通信网络中数据包的数量，n表示子网中节点的个数；
Figure FDA0003560322290000012
表示在第k个采样点第σ(k)个子网从控制中心发出数据包的数量，m代表第σ(k)个子网单元控制输入的节点个数；
Figure FDA0003560322290000013
和
Figure FDA0003560322290000014
表示适当维度的系统矩阵，可由实际数据包传输过程采集得到；对于每个σ(k)∈S都有Aσ(k)≥0,Bσ(k)≥0，≥针对矩阵Aσ(k),Bσ(k)中的每个元素，即矩阵内所有元素都是非负的；
σ(k):[0,∞)→S＝{1,2,...,J}是一个依赖于采样点k的函数，是系统的切换信号；记σ(k)＝i,i∈S，则有Aσ(k)＝Ai,Bσ(k)＝Bi；
Figure FDA0003560322290000015
分别表示n维向量和n×n维欧氏矩阵空间；
步骤2具体如下：建立手机通信网络系统的事件触发控制机制
Figure FDA0003560322290000016
其中常量β＞0,
Figure FDA0003560322290000017
是采样误差，
Figure FDA0003560322290000018
||·||1代表向量的1范数，即向量元素的绝对值之和，Fi是设计第i个子系统的控制器增益矩阵；
步骤3具体如下：
步骤3.1设计事件触发控制律
Figure FDA0003560322290000019
其中k∈[kt,kt+1),t＝0,1,...,k0＝0；
步骤3.2依据步骤1、步骤2和步骤3.1可得
Figure FDA0003560322290000021
步骤3.3依据步骤1、步骤3.1和步骤3.2可得
Figure FDA0003560322290000022
其中
Figure FDA0003560322290000023
步骤3.4构造一个线性余正李雅普诺夫函数
Vi(k)＝xT(k)vi,
其中
Figure FDA0003560322290000024
vi∈Rn是n维实数列向量并且列中每个元素都为正数，计算上述李雅普诺夫函数的差分方程：
ΔVi＝Vi(k)-Vi(k-1)＝xT(k)vi-xT(k-1)vi，
其中T代表矩阵的转置；
步骤3.5设计常数0＜ρ＜1，κ＞0，λ＞1和向量
Figure FDA0003560322290000025
Figure FDA0003560322290000026
使得以下不等式
Figure FDA0003560322290000027
Figure FDA0003560322290000028
Figure FDA0003560322290000029
Figure FDA00035603222900000210
Figure FDA00035603222900000211
对于每一个i∈S成立，其中
Figure FDA00035603222900000212
其中
Figure FDA00035603222900000213
步骤3.6设计手机通信网络系统x(k+1)＝Aix(k)+Biui(k)在事件触发控制器
Figure FDA00035603222900000214
使得系统是正的、稳定的；首先计算其李雅普诺夫函数的差分满足
ΔVi＜0；
步骤3.7由步骤3.3、步骤3.4可得：
ΔVi≤xT(k-1)(Ai+BiFi+Ψi-In)Tvi；
再结合步骤3.5，进一步转换为:
Figure FDA0003560322290000031
步骤3.8根据步骤3.5提出的条件，可得关系
Figure FDA0003560322290000032
进一步可得:
Figure FDA0003560322290000033
步骤3.9由步骤3.7和3.8可得如下关系
Figure FDA0003560322290000034
因为0＜ρ＜1，我们可以得到
ΔVi＜0；
步骤3.10综上，根据步骤3.1至步骤3.9可得事件触发控制器增益矩阵为：
Figure FDA0003560322290000035
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