CN110650496B - 一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，利用正切换系统建模网络拥塞动态过程，构造了具有加权L₁增益的控制器。首先，对通信系统进行数据采集，建立数字通信网络的空间状态模型；然后，针对网络拥塞问题设计一种具有加权L₁增益的反馈控制器，使得系统在扰动信号的干扰下正常工作。本发明不仅可有效改善数字通信网络的拥塞问题，还可抑制数字通信网络中的未知干扰，进而使数字网络系统安全稳定运行。

Description

一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法

技术领域

本发明属于数字通信技术领域，涉及一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法。

背景技术

数字通信网是指以数字信号作为载体传输信息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输的“电信网”。可传输数字数据的数字信号，也可传输经数字化处理的语音、图像等模拟信号。

随着移动通信技术的飞速发展，网络给人们生活带来极大便捷，也逐渐成为人们生活中不可缺少的一部分。但随着用户数量和信息传输量的增加，网络拥塞现象常有发生，且数字通信网络易受到其他网络系统干扰，这极大降低了用户体验，甚至导致数字通信网络系统崩溃。拥塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多,使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。当前，解决数字通信网络拥塞的方法通常有缓冲区预分配法、分组丢弃法和定额控制法，三种方法可一定程度解决上述问题，但在多目标环境下，这些方法便显得捉襟见肘。针对这些问题，本发明利用现代控制理论技术建立了数字通信网络系统的状态空间模型，分析了其稳定性，设计了具有加权L₁增益的状态反馈控制律，不仅可有效抑制干扰信号影响，还可使数字通信网络系统保持安全稳定运行。综上所述，设计一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法具有重要意义。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种利用现代控制理论技术建立了数字通信网络系统的状态空间模型，分析了其稳定性，设计了具有加权L₁增益的状态反馈控制律，不仅可有效抑制干扰信号影响，还可使数字通信网络系统保持安全稳定运行的抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法。

本发明采用的技术方案是：

一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，其具体步骤如下：

(1)通过数据采集，构造数字通信网络系统的状态空间模型；

(2)设计具有加权L₁增益的控制器；

(3)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的正性；

(4)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的渐进稳定性；

(5)在所述控制器下得到所构造的数字通信网络系统的加权L₁增益。本发明通过L₁增益来表示对系统的干扰抑制能力，实现扰动信号下数字通信网络数据包的平稳传输。

进一步，步骤(1)中数字通信网络系统的状态空间模型的构造如下：

切换正系统的状态空间模型，形式如下：

其中x(t)∈Rⁿ,u(t)∈R^m和y(t)∈R^r分别是系统的状态、控制输入和输出，x(t)代表相应通讯节点传输数据包的数量，u(t)为避免网络拥塞的控制输入；当网络出现拥塞时，

表示取消一些数据包的传输，

表示此时网络容量较大，增加数据包的数量；A_σ(t)∈R^n×n表示系统矩阵，B_σ(t)∈R^n×m和C_σ(t)∈R^r×n分别表示加权系数输入、输出矩阵，E_σ(t)∈R^n×n和F_σ(t)∈R^n×n分别表示加权系数扰动输入、输出矩阵，均由实际数据包传输过程中的传感器采集得到；σ(t):[0,∞)→S＝{1,2,…,J}，为一个依赖于时间t的分段常值函数，是系统的切换信号，对任意一个切换序列0≤t₀≤t₁≤…,它是右连续的，其中J∈N⁺，当t∈[t_i,t_i+1)时，系统的第σ(t)个子系统在t_i时刻被激活，在t_i+1时刻离开，w(t)≥0,w(t)∈Rⁿ是外界输入，x(0)＝0。

进一步，所述数字通信系统采用区间不确定系统的模型进行问题的分析，即系统矩阵满足

且对p∈S，有C_p∈R^r×n,F_p∈R^n×n,A_p∈R^n×n,B_p∈R^n×m,E_p∈R^n×n，其中R为实数集，R^n×n为n维欧几里德空间，N⁺是自然数集合。

进一步，步骤(2)的控制器设计如下：

控制器的状态反馈律设计为：

其中，

是给定的m维列向量，其所有元素都大于0；

为系统的输入矩阵；v^(p)和z(p)分别是由一些约束条件求出的向量，可分别由步骤(3)、(4)求得。

进一步，步骤(3)中的正性验证过程如下：

设计常数μ＞0,γ＞0,

λ＞1，向量

v^(p)∈Rⁿ，

v^(q)∈Rⁿ，z^(p)∈Rⁿ使得：

对任意(p,q)∈S×S,p≠q成立，其中

是给定向量，当平均驻留时间满足

时，在该状态反馈控制律

下，闭环系统是正的、稳定的，且有鲁棒加权L₁增益γ，其中μ₀∈(0,μ)；

由上述条件知

是一个正常数，因此有

由于

且

易知A_p+B_pK_p是Metzler矩阵，所以闭环系统为正系统，此时，对于所有时刻，系统状态和系统输出都是正的。

进一步，步骤(4)中渐进稳定性的验证过程如下：

构造一个线性余正李雅普诺夫函数为V_p(x(t))＝x^T(t)v^p，则

由步骤(3)可得

从而有

当w(t)＝0时，因为

所以有

故扰动不存在时，数字通信系统是渐进稳定的。

进一步，由步骤(5)可得到所述数字通信网络系统的加权L₁增益，其过程如下：

根据比较原则，

可转化为：

由

得

进一步可推出

重复上述过程，得出

分别对上式进行左乘和右乘

有

根据

结合

得出

又因为

对上式两边在[0,∞)积分得

即

其中，

η＝μ₀。当x(0)＝0时，有V(0)＝0，则

从而得出数字通信系统具有加权L₁增益γ。

本发明的有益效果：针对当前通信过程中干扰现象，建立了数字通信网络的状态空间模型，设计具有加权L₁增益控制器，最终实现扰动信号下数字通信网络数据包的平稳传输。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

本实施例提供了一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，其具体步骤如下：

(1)通过数据采集，构造数字通信网络系统的状态空间模型；

具体构造如下：切换正系统的状态空间模型，形式如下：

其中x(t)∈Rⁿ,u(t)∈R^r和y(t)∈R^m分别是系统的状态、控制输入和输出，x(t)代表相应通讯节点传输数据包的数量，u(t)为避免网络拥塞的控制输入；当网络出现拥塞时，

表示取消一些数据包的传输，

表示此时网络容量较大，增加数据包的数量；A_σ(t)∈R^n×n表示系统矩阵，B_σ(t)∈R^n×m和C_σ(t)∈R^r×n分别表示加权系数输入、输出矩阵，E_σ(t)∈R^n×n和F_σ(t)∈R^n×n分别表示加权系数扰动输入、输出矩阵，均由实际数据包传输过程中的传感器采集得到；σ(t):[0,∞)→S＝{1,2,…,J}，为一个依赖于时间t的分段常值函数，是系统的切换信号，对任意一个切换序列0≤t₀≤t₁≤…,它是右连续的，其中J∈N⁺，当t∈[t_i,t_i+1)时，系统的第σ(t)个子系统在t_i时刻被激活，在t_i+1时刻离开，w(t)≥0,w(t)∈Rⁿ是外界输入，x(0)＝0。所述数字通信系统采用区间不确定系统的模型进行问题的分析，即满足

且对p∈S，有C_p∈R^r×n,F_p∈R^n×n,A_p∈R^n×n,B_p∈R^n×m,E_p∈R^n×n，其中R为实数集，R^n×n为n维欧几里德空间，N⁺是自然数集合。

(2)设计具有加权L₁增益的控制器；

所述控制器的状态反馈律设计为：

其中，

是给定的m维列向量，其所有元素都大于0；

为系统的输入矩阵；v^(p)和z(p)分别是由一些约束条件求出的向量，可分别由步骤(3)、(4)求得。

(3)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的正性；

正性验证过程如下：

设计常数μ＞0,λ＞1,γ＞0,

向量

v^(p)∈Rⁿ，

v^(q)∈Rⁿ，z^(p)∈Rⁿ即：

上述式子作为约束条件，由线性规划的方法，求解出常数和向量。对任意(p,q)∈S×S,p≠q成立，其中

是给定向量，当平均驻留时间满足

时，在该状态反馈控制律

下，闭环系统是正的、稳定的，且有鲁棒加权L₁增益γ，其中μ₀∈(0,μ)；

由上述条件知

是一个正常数，因此有

由于

且

易知A_p+B_pK_p是Metzler矩阵，所以闭环系统为正系统，此时，对于所有时刻，系统状态和系统输出都是正的。

(4)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的渐进稳定性；渐进稳定性的验证过程如下：

构造一个线性余正李雅普诺夫函数为V_p(x(t))＝x^T(t)v^p。则

由上述条件可以得

从而有

当w(t)＝0时，因为

所以有

故扰动不存在时，数字通信系统是渐进稳定的。

(5)在所述控制器下得到所构造的数字通信网络系统的加权L₁增益；根据比较原则，

可转化为：

由

得

进一步可推出

重复上述过程，得出

分别对上式进行左乘和右乘

有

根据

结合

得出

又因为

对上式两边在[0，∞)积分得

即

其中，

η＝μ₀。当x(0)＝0时，有V(0)＝0，则

从而得出数字通信系统具有加权L₁增益γ。

本发明利用现代控制理论建立数字通信网络拥塞模型，构造具有加权L₁增益的控制器。首先，对数字通信网络系统进行数据采集，建立数字通信网络的空间状态模型；然后，设计一种具有加权L₁增益的控制器，使得系统能够抑制扰动并解决数字通信网络拥塞问题。

Claims (3)

1.一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，其特征是具体步骤如下：

(1)通过数据采集，构造数字通信网络系统的状态空间模型；

(2)设计具有加权L₁增益的控制器；

(3)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的正性；

(4)在所述控制器下验证所构造的数字通信网络系统的渐进稳定性；

(5)在所述控制器下得到所构造的数字通信网络系统的加权L₁增益；

步骤(1)中数字通信网络系统的状态空间模型的构造如下：

切换正系统的状态空间模型，形式如下：

y(t)＝C_σ(t)x(t)+F_σ(t)w(t)

其中x(t)∈Rⁿ,u(t)∈R^r和y(t)∈R^m分别是系统的状态、控制输入和输出，x(t)代表相应通讯节点传输数据包的数量，u(t)为避免网络拥塞的控制输入；当网络出现拥塞时，

表示取消一些数据包的传输，

表示此时网络容量较大，增加数据包的数量；A_σ(t)∈R^n×n表示系统矩阵，B_σ(t)∈R^n×m和C_σ(t)∈R^r×n分别表示加权系数输入、输出矩阵，E_σ(t)∈R^n×n和F_σ(t)∈R^n×n分别表示加权系数扰动输入、输出矩阵，均由实际数据包传输过程中的传感器采集得到；σ(t):[0,∞)→S＝{1,2,…,J}，为一个依赖于时间t的分段常值函数，是系统的切换信号，对任意一个切换序列0≤t0≤t1，它是右连续的，其中J∈N⁺，当t∈[t_i,t_i+1)时，系统的第σ(t)个子系统在t_i时刻被激活，在t_i+1时刻离开，w(t)≥0,w(t)∈Rⁿ是外界输入，x(0)＝0；

所述数字通信系统采用区间不确定系统的模型进行问题的分析，即满足

且对p∈S，有C_p∈R^r×n,F_p∈R^n×n,A_p∈R^n×n,B_p∈R^n×m,E_p∈R^n×n，其中R为实数集，R^n×n为n维欧几里德空间，N⁺是自然数集合；

步骤(2)的控制器设计如下：

控制器的状态反馈律设计为：

其中，

是给定的m维列向量，其所有元素都大于0；v^(p)和z^(p)分别由步骤(3)、(4)求得；

步骤(3)中的正性验证过程如下：

设计常数μ＞0,γ＞0,

λ＞1，向量v^(p)＞0，v^(p)∈Rⁿ，v^(q)＞0，v^(q)∈Rⁿ，z^(p)∈Rⁿ即：

对任意(p,q)∈S×S,p≠q成立，其中

是给定向量，当平均驻留时间满足

时，在该状态反馈控制律

下，闭环系统是正的、稳定的，且有鲁棒加权L₁增益γ，其中μ₀∈(0,μ)；

由上述条件知

是一个正常数，因此有

由于

且

得知A_p+B_pK_p是Metzler矩阵，所以闭环系统为正系统，此时，对于所有时刻，系统状态和系统输出都是正的。

2.如权利要求1所述的一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，其特征在于：步骤(4)中渐进稳定性的验证过程如下：

构造一个线性余正李雅普诺夫函数为V_p(x(t))＝x^T(t)v^p，则

由步骤(3)得

和

从而有

当w(t)＝0时，因为

所以有

故扰动不存在时，数字通信系统是渐进稳定的。

3.如权利要求2所述的一种抑制干扰的数字通信网络拥塞控制方法，其特征在于：步骤(5)中所述数字通信网络系统的加权L₁增益的得到过程如下；

根据比较原则，

转化为：

由

得

进一步推出

重复上述过程，得出

分别对上式进行左乘和右乘

有

根据

结合

得出

又因为

对上式两边在[0，∞)积分得

即

其中，

η＝μ₀；当x(0)＝0时，有V(0)＝0，则

得出数字通信系统具有加权L₁增益γ。