CN1430376A

CN1430376A - 自动过负荷控制系统

Info

Publication number: CN1430376A
Application number: CN 01138134
Authority: CN
Inventors: 樊伟; 姚清华; 徐火顺
Original assignee: Shanghai No 2 Research Institute of ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2001-12-30
Filing date: 2001-12-30
Publication date: 2003-07-16

Abstract

本发明公开了一种通信设备的自动过负荷控制系统，通过增加漏桶模块、参数检测模块、参数估计模块以及模糊控制器，并采用负反馈控制与参数调节控制的双闭环控制回路，实现对接入实体接入的呼叫/数据的过负荷控制。本发明的自动过负荷控制系统能够有效地检测和控制中央处理实体的负荷；并能对多个中央处理实体同时处理呼叫/数据的情况，实现良好的负荷分担。本发明广泛适用于智能网系统、短消息中心、传统交换机、ATM交换机以及SoftSwitch交换机等通信设备。

Description

自动过负荷控制系统

技术领域

本发明涉及一种对通信领域设备的自动过负荷控制系统，尤其是在智能网(IN)系统中对SCP(业务控制点)的自动过负荷控制，属于通信领域，广泛适用于PSTN，GSM，CDMA等智能网系统，并可以推广应用到通信领域中其他设备(如短消息中心、传统交换机、ATM交换机、SoftSwitch交换机等)的负荷控制和拥塞控制处理中。

技术背景

在通信领域中，有很多的系统设备需要实时地进行大量的呼叫响应，因而这些设备的中央处理模块上承担了极大的负荷。随着话务量的增加，系统处理能力下降，导致响应速度明显减慢，接通率降低，更严重者，可能导致系统瘫痪，无法正常工作，给运营商带来巨大的经济损失。

以智能网系统为例，系统中的SCP(业务控制点)就需要处理大量的呼叫实例，SCP的系统的负荷量过重很可能导致整个IN系统响应能力明显降低。在这样的情况下，就需要一个控制性能好、调节时间短的自动过负荷控制系统，能自动检测到IN系统的负荷参数，并根据当前负荷程度对SSP(业务交换点)话务接入量进行有效控制，从而达到减轻系统负担的目的。

在智能网领域中，ITU和ETSI等制定的智能网规范涉及了SCP自动过负荷控制方法。对于SCP的自动过负荷控制，规范中只是简单建议对SSP限定呼叫可以采用Callgap和Percent两种方法来处理，并在SSP和SCP之间提供了两条信息流：ServiceFilter和CallGap。Callgap主要是通过设置间隙持续时间和间隙间隔时间来确定单位时间中接入呼叫和拒绝呼叫的持续时间，而Percent主要是设置单位时间中接入呼叫的百分比来限制呼叫。在假设接入的呼叫符合一定的几何分布的情况下，可以从理论上证明得出结论：Callgap和Percent两种方法都存在健壮性较低，响应时间较慢等缺点(参考Berger.IEEE Trans on AutomaticControl 1991，36(2)：216～219)。

另外，规范中所涉及的规定也只限于限制呼叫方法，而对于自动过负荷控制系统的建立、系统负荷参数的检测、信息流中参数的确定，规范中都没有规定。在一个完善的系统的实际开发过程中，这些问题都需要进行更进一步的分析和解决。

发明内容

为了克服背景技术中所述的不足，本发明提出了一种通用的自动负荷控制系统，具有控制能力强、调节时间短等特点。

本发明所述的一种自动过负荷控制系统，包括一接入实体、一中央处理实体，还包括：

一漏桶模块，负责过滤从接入实体送来的呼叫/数据，并将系统负荷允许的呼叫/数据送往中央处理实体处理，过滤数量的多少由模糊控制器决策出的漏桶速率参数决定；

一模糊控制器，负责根据参数检测模块和参数估计模块送来的实时负荷情况，通过模糊逻辑进行模糊决策，得到下一时刻漏桶模块所需的最佳漏桶速率参数；

一参数检测模块，负责持续不断地检测中央处理实体的负荷参数，并将实时的负荷参数送往参数估计模块和所述模糊控制器进行处理；

一参数估计模块，负责根据漏桶模块上报的实时接入呼叫量与参数检测模块检测到的各时刻中央处理实体负荷参数，进行分析处理后得到的系统的参数估计误差。

由于本发明的自动过负荷控制系统采用两个闭环控制回路的协同工作，保证了系统能够在运行过程中，不断的采样、估计、校正和控制，直至系统达到并保持期望的控制性能指标，使得系统具有很强的自适应控制能力。

本发明还能够有效地检测、控制中央处理实体的负荷，对有多个中央处理实体同时进行呼叫/数据处理的时候，还能够有效地进行负荷分担。

有效检测中央处理实体负荷：能够敏感检测到当前的负荷情况。同时，由于采用了参数误差调整回路，可以敏感检测到系统中直接负荷(接入的呼叫/数据产生的负荷)之外的额外负荷(如中央处理实体自身所需定时完成的一些计划任务)，并能反馈限制接入呼叫/数据数量。

有效控制中央处理实体负荷：中央处理实体的负荷增加时，可以通过对接入实体接入呼叫/数据数量进行限制，避免呼叫/数据峰值造成的不良影响，克服以往的负荷控制失效现象。

附图说明

图1是本发明的自动过负荷控制系统模型图。

图2是本发明实施例中利用漏桶算法进行呼叫限制的原理图。

图3是模糊控制系统结构示意图。

图4是本发明自动过负荷控制系统负荷控制端的工作流程图。

具体实施方式

下面分别就本发明的自动过负荷控制系统所涉及的几个模块进行分析：

参考图1所示，本发明所述的自动过负荷控制系统包括：接入实体、中央处理实体、漏桶模块、参数检测模块、参数估计模块和模糊控制模块。其中接入实体和中央处理实体是原通信设备本身就具有的两个功能实体，接入实体主要负责呼叫(或数据)的接入，中央处理实体为呼叫(或数据)核心处理模块；在控制系统工作时，接入实体不断将呼叫/数据送入漏桶模块。漏桶模块相当于一个呼叫/数据的过滤器(过滤数量的多少取决于模糊控制器决策出的漏桶参数)。漏桶模块将过滤后的呼叫/数据接入到中央处理实体中进行实时处理。参数检测模块是工作在中央处理实体上的一个模块，它持续不断检测中央处理实体当前的负荷参数(包括负荷量值和负荷量值变化率)。所获取的负荷参数一方面直接送入模糊控制器中直接进行负反馈控制；另一方面送入参数估计模块，综合前若干时刻获取的大量负荷参数数据(存储在存储器中)计算负荷参数估计误差(同时将当前的负荷参数存储到存储器中作为下一时刻的历史数据)。负荷参数估计误差也将送入模糊控制器中，模糊控制器依据模糊规则进行模糊决策，根据当前的负荷情况决策出下一时刻漏桶模块所需的最佳漏桶速率参数，该参数直接决定了对呼叫/数量的过滤数量。

下面就以本发明的自动过负荷控制系统在智能网设备中的应用为例展开说明。在智能网中，接入实体对应于SSP，中央处理实体对应于SCP。当整个模型移植到其他的应用领域中，这两个实体分别对应其他部分(如短消息中心分别对应SMPP Agent和SMSC/SC)。

漏桶模块

漏桶模块核心是采用漏桶算法进行接入呼叫/数据限制。漏桶算法的基本思想是一个呼叫/数据在中央处理实体处理之前必须经过漏桶模块，并从令牌池得到一个令牌；如果令牌池中已经没有空闲令牌，那么呼叫/数据请求就被拒掉；同时令牌池里面的令牌数将按照一定的令牌增长速率进行增长。

图2表示了智能网过负荷控制系统的漏桶模块的实现过程。实际上，一个被送往SCP处理的呼叫将消耗一个令牌。如果令牌池中至少有一个可用的令牌，那么到达的呼叫会立即送往CP(这里假设一个SCP中包括多个处理实体，即多个CP)进行处理。否则将被拒绝或者是送往其他的CP中。令牌以一定的速率产生，并不断的放入漏桶模块。漏桶模块中令牌的数量有一个上限，在令牌池满的时候到达的令牌被丢弃。令牌池的大小规定了呼叫接入量的上限，从而控制了呼叫突发性增加对SCP造成的冲击，令牌池的上限是由SCP的处理能力决定的，从而保证了接入实体接入的呼叫在最差情况下仍然不会对SCP造成系统瘫痪的危险。

在智能网系统的漏桶模块中，定义一组数据结构TOKEN_RATE[CP_NUM]，该结构存放了每个CP的模糊控制器所决策出的漏桶速率；另外还有一组数据结构TOKEN_NUM[CP_NUM]，用于存放各个CP的令牌池剩余令牌数量。系统运行过程中接入呼叫时候，找出各CP的TOKEN_NUM[CP_NUM]中令牌数最多(并且大于零)的一个CP，将呼叫送入该CP，并将对应令牌数减一；如果所有的CP对应的令牌数量都为零，则拒绝该呼叫。另一方面，漏桶不断定时(如0.5s)按照TOKEN_RATE[CP_NUM]去增加令牌池剩余令牌数，使得CP能够不断的接入新的呼叫。在增加令牌池中的剩余令牌数的同时，保证令牌数不超过令牌池容量的上限TOKEN_MAX[CP_NUM]。令牌池容量的上限是根据对应CP实际能够承受的最多呼叫数来确定。

漏桶模块输入元素为：接入实体接入呼叫/数据、模糊控制器决策出的漏桶速率控制参数；输出元素为：过滤后送入中央处理实体中处理的呼叫/数据和送往参数估计模块的接入呼叫/数据量。

参数检测模块

如何全面的衡量系统的负荷能力是系统的负荷控制的关键。在本发明系统中采用CPU占用率、消息积压数、BHCA性能指标和接入呼叫数变化率作为基本衡量参数。其中，系统的处理能力直接反映就是“CPU占有率”，该指标能够较好的反应出当前系统对负荷的承受能力；当系统繁忙的时候，各进程需要进行大量的消息处理，各进程来不及处理的消息就需要在消息队列中排队，因而，各进程消息积压数，可以综合反应系统各进程的繁忙程度；BHCA性能指标直观反映了单位时间系统接入的呼叫数，也是表征系统的负荷程度的重要指标；接入呼叫数变化率作为基本衡量参数主要是为了有效的控制系统的负荷的峰值冲击。

参数检测模块无输入元素；输出元素为中央处理实体的基本负荷指标(如CPU占用率、消息积压数、BHCA性能指标等)和重要指标的变化率(如CPU占有率变化率，接入呼叫/数据变化率)，这些参数被送到模糊控制器端，另外，将CPU占有率送入参数估计模块进行参数估计。

参数估计模块

在系统实际运行过程中，如果能够依据当前的呼叫量对负荷进行估计预测，就可以和实际系统检测到的负荷参数(CPU占有率)进行比较，如果实际系统负荷远高于估计预测值，说明系统现在存在一些额外系统负荷，很可能系统正在处理一些额外任务，此时就可以适当调低漏桶速率参数，使得系统能够控制接入的呼叫数。这样就可以较好的控制突发性的额外任务对系统的冲击。

系统负荷变化是一个非常复杂的过程，很难用一定的数学模型描述其内在数学规律。但是在系统运行过程中，可以得到大量的负荷统计值(可以将前面若干时刻检测到的负荷数据存放起来)，有了这些统计值，就可以很方便的按照数理统计的方法进行负荷的估计。本发明系统中采用最小二乘法的方法对系统负荷进行估计预测。参数估计后，还需要将当前原始负荷参数，当前接入呼叫/数据存储起来，以保证在参数估计模块永远保存了最近的若干时刻的估计基本参数。

以智能网的过负荷控制为例，假如某时刻检测到的CPU负荷值为Ot，该时刻前300秒(假设采样时间为一秒)的负荷参数保存为Oi(i＝0，1，......，299)，当前漏桶接入的呼叫数为Dt，前300秒漏桶接入呼叫数为Di(i＝0，1，......，299)，由于采样时间间隔非常小，在极短的时间片断中，可以假设O＝aD+a₀；根据最小二乘法，由条件关系：

E(εi)＝0； E(εi²)＝σ²最小；

(其中测量误差εi＝Oi-a^*Di-a₀)

可以推出CPU负荷最优估计值Ot^*和估计误差ΔOt＝Ot^*-Ot。

参数估计模块的输入元素包括：参数检测模块检测到的原始负荷参数(CPU负荷值)，漏桶端当前时刻实际接入的呼叫/数据量。输出元素包括：CPU负荷参数的估计误差值。另外，在进行参数估计时候，还需要存储在参数估计模块中的前若干时刻的原始负荷数据。

模糊控制器

模糊控制系统从逻辑上讲，包括模糊推理模块、模糊规则库、模糊器和去模糊器，其中模糊推理模块和模糊规则库为主要的模糊控制部分，称之为模糊控制器，参考图3所示。

在整个负荷控制系统中，系统的实际接入的呼叫/数据、系统实际存在的负荷数量，都是处于错综复杂不断连续变化过程中。而在进行模糊控制需要进行模糊推理的时候，这些错综复杂不断连续变化的数据都需要将其量化和数据化，推理决策出相应的量化指标后，又要将这些量化指标融合到实际系统中去，实现控制过程。这就是模糊器和去模糊器的目的。从严格意义上来说，模糊控制原理已经交错到了整个的控制系统中，其中的模糊器和去模糊器的工作已经融合到了其他模块来完成。在参数检测模块，给整个系统的负荷程度确定了几个负荷参数指标，并定时检测系统负荷参数，这实际上就是在进行量化和采样的过程，完成了模糊器的工作。在漏桶模块，主要是将漏桶速率(实际上是表征系统负荷控制能力的量化参数)在接入实体和中央处理实体中加以漏桶实现(最后向中央处理实体送出了一个随机、连续变化的呼叫/数据流)，这实际上就完成了一个去模糊器的功能。

在模糊推理模块中，主要功能是将模糊器采样得到的量化负荷指标依据模糊规则库进行一系列的推理，从而决策出系统限制的接入呼叫/数据量化参数(即漏桶速率)，并送入到去模糊器实现整个控制过程。在模糊推理模块中，输入和输出的关系可用一个规则集来表示，规则集中的主要是大量根据系统特性预先制定好的一套模糊逻辑(模糊条件语句)。这些规则构成了模糊逻辑控制器中的模糊规则库。如：“IF CPU占有率为65％AND消息积压数小于15 AND参数估计误差小于1 THEN负荷级别零级，漏桶速率为R0^*(CPU^*)/(CPU)”。模糊推理机使用模糊规则库中的规则进行推理，产生适当的决策，最后反馈到SSP进行呼叫限制。

在模糊控制器中，最关键的就是模糊规则库的建立，为了建立一套比较合理的模糊规则，必须对过负荷控制的负荷参数和整个负荷控制机制做细致地分析。在自校正控制系统模型中，在建立模糊规则库的时候，将CPU占有率主要的权衡指标，消息积压数、BHCA性能指标作为辅助指标辅助负荷控制系统的决策。

在自校正控制系统的模糊控制规则库中，由于采用了负反馈控制规则，从而使过负荷控制系统具有控制稳定性好和调节时间短等特点。

模糊控制器输入元素包括：参数检测模块检测到的负荷原始参数，参数估计模块得到的CPU占有率估计误差值。输出元素是送入漏桶模块的漏桶速率参数。

在对整个系统模型做了介绍后，下面结合图4对本发明系统的负荷端工作流程做一个具体的说明。

SSP端有一个呼叫请求了之后，SSP将其送入漏桶进行判断，漏桶会检查当前SCP有无漏桶令牌存在。如果存在漏桶令牌，则将呼叫接入(多个CP情况下可以将呼叫送入令牌数量最多的CP上)，并将令牌数量减一；如果没有空闲令牌，该呼叫就会被拒绝。接入的呼叫送到SCP的业务执行逻辑中进行处理。同时在SCP上有一个负荷控制模块，该模块不断检测当前负荷参数、计算系统CPU估计误差值、决策下一时刻漏桶速率参数、报告下一时刻的漏桶速率参数到SSP的漏桶端(如图4所示)。漏桶端获取负荷控制模块报告的漏桶速率参数后，漏桶端将其存储起来。同时在漏桶端有一定时器，不断取出最新的漏桶速率参数，按照该速率增加漏桶令牌数量，如果令牌增加后数量超过了漏桶容量上限，则将令牌数量强制限制为容量上限(容量上限是由SCP的实际承受能力确定的，如SCP实际能够承受250CAPS，而漏桶端的定时器为0.5s，则容量上限可定为125个令牌)。

本发明的自动过负荷控制系统并可以推广应用到通信领域中其他设备(如短消息中心、传统交换机、ATM交换机，SoftSwitch交换机等)的负荷控制和拥塞控制处理中，在系统的推广应用中，只需要将模型(图1所示)中的接入实体和中央处理实体转化为相应的处理部件就可以了(如短消息中心接入实体对应于SMPP Agent，中央处理实体对应于SMSC/SC)。

Claims

1.一种自动过负荷控制系统，包括接入实体、中央处理实体，其特征在于，还包括：

漏桶模块，负责过滤从接入实体送来的呼叫/数据，并将系统负荷允许的呼叫/数据送往中央处理实体处理，过滤数量的多少由模糊控制器决策出的漏桶速率参数决定；

模糊控制器，负责根据参数检测模块和参数估计模块送来的实时负荷情况，通过模糊逻辑进行模糊决策，得到下一时刻漏桶模块所需的最佳漏桶速率参数；

参数检测模块，负责持续不断地检测中央处理实体的负荷参数，并将实时的负荷参数送往参数估计模块和所述模糊控制器进行处理；

参数估计模块，负责接收漏桶模块上报的实时接入呼叫量与参数检测模块检测到的各时刻中央处理实体的负荷参数，进行分析处理后得到的系统的参数估计误差。

2.如权利要求1所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述漏桶模块还包括一个令牌池，每一个被送往中央处理实体的呼叫/数据消耗令牌池中的一个令牌，令牌池中的令牌以一定的速率产生，并不断的放入漏桶模块。

3.如权利要求2所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述的令牌池中的令牌数量有一个上限，该上限由中央处理实体的处理能力决定。

4.根据权利要求1所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述的参数估计模块采用最小二乘法对系统负荷进行估计，得到参数估计误差。

5.根据权利要求1所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述的模糊控制器包括：模糊推理模块和模糊规则库；模糊规则库由模糊逻辑构成，模糊推理模块将得到的量化负荷指标依据模糊规则库进行推理，决策出漏桶速率参数，送往漏桶模块。

6.根据权利要求1所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述的接入实体是智能网系统中的业务交换点，所述的中央处理实体是智能网系统中的业务控制点。

7.根据权利要求1所述的一种自动过负荷控制系统，其特征在于，所述的接入实体是短消息中心中的SMPP Agent，所述的中央处理实体是短消息中心中的SMSC或SC。