在无线软件定义网络拥塞控制传播延迟和外部干扰:一种鲁棒控制的方法

文摘

无线软件定义网络(WSDN)提出了一种新的网络体系结构的控制平面转发设备转移到一个集中控制器。是至关重要的,以最大化网络吞吐量和稳定的网络拥塞控制中。然而,稳定控制是不足以实现这些目标的延迟和干扰。在本文中,我们采用鲁棒控制来解决这些问题。首先,提出了一个高效的加权调度方案最大化网络吞吐量。其次,提出了一种鲁棒控制模型,分析了Lyapunov-Krasovskii泛。充分条件是由线性矩阵不等式(lmi)制定。最后,进行数值仿真表明了该方案的有效性。

1。介绍

在无线软件定义网络(WSDNs),转发设备的控制平面是转移到一个集中控制器(1- - - - - -4]。转发设备保持与中央控制器对持续监视和控制器可以主动饲料控制策略转发设备保持网络稳定,更有利于控制和管理无线网络(5]。由于网络拥塞造成的过度基于网络服务的数据相同或更低优先级(称为优先顺序)(6,7),必须有效地控制交通拥堵和保持网络稳定5,8),例如,在差异化服务(DiffServ)服务质量(QoS)的组合数或属性的网络服务质量。在这种情况下,WSDN不能达到全球最大吞吐量。此外,很难保持稳定的无线网络很长时间了。传播延迟和外部干扰是影响很长一段时间的两个关键因素为稳定WSDN稳定控制。传播延迟的存在导致增加网络成本和不可靠的9),和改变外部干扰在无线环境中会导致网络不稳定(10]。两个因素使WSDN更加难以达到长期稳定控制为应对restabilizaion甚至不足的问题,因此我们采用鲁棒控制来解决这个问题。注意,必须达到全球最大吞吐量通过到达稳定控制方法的鲁棒性。

现有的一些解决方案倾向于分析鲁棒控制网络拥塞的sdn [11- - - - - -13]。文献[11)关注健壮的网络体系结构没有额外的延迟与拓扑通过建立一个原型。作者在12)网络拥塞控制模型建模与其他时滞元素提供一个突出的QoS基于传输控制协议/主动队列管理(TCP /包)网络。在[13标题),实体建筑(ETArch)运输模型提出了解决QoS控制问题。原型或独立开展模型建立了分析网络拥塞控制在当前对应的方法。不幸的是,这些方法无法有力控制全球无线网络拥塞很长一段时间在考虑传播延迟和外部干扰。此外,他们缺乏足够的数学支持。

一般来说,目前的研究有三个至关重要的限制。首先,控制策略并不位于集中控制器但由流表实现转发设备。其次,传播延迟是很少考虑在设备控制器对拥塞控制。最后,传统的鲁棒控制理论在WSDNs不工作好。

本文得到鲁棒控制WSDNs全球最大吞吐量,提出了一种新的鲁棒控制模型通过使用[Lyapunov-Krasovskii泛14,15]。集中控制器产生控制政策和源控制指令转发设备。因此,转发设备可以按照下列指示来调整填充等待时间。通过定义控制状态之间的差值的当前状态和优化状态,传播延迟和外部干扰的鲁棒控制问题可以被制定成一个健壮的控制问题(15]。这个健壮的控制Lyapunov-Krasovskii泛函,然后解决问题。一个定理也提出给健壮的充分条件在lmi)控制。在定理的基础上,提出了控制策略。数值示例表明理论分析的有效性。

我们列出了本文的主要贡献如下:(我)提供一个现实的全球控制策略和分析计划的延迟和干涉WSDNs:目前调度方案中实现集中控制器可以实现稳定控制的全局视图真正WSDN外部干扰;此外,传播延时在实际WSDNs至关重要,我们定义一个上界延迟的网络传播延迟和分析其影响WSDN的全局视图。(2)提出了一个通用和有效途径全球强劲的拥堵问题,通过计算网络参数的优化值与加权公平调度方案,通过转换和维护,优化状态的闭环网络模型正常健壮控制模型。(3)是一个跨学科的努力去构建一个健壮的控制策略相结合的稳定性分析理论和无线网络的拥塞控制原则。采取优势的适用性Lyapunov-Krasovskii泛函,在WSDN稳定性分析中,论文达到所需的全球网络拥塞的鲁棒控制。

剩下的纸是组织如下。部分2简要介绍了相关的工作。部分3提出了调度模型,并建立了一个健壮的控制模型在设备控制器对传播延迟和外部干扰。部分4介绍了问题公式化和一些开场白。部分5模型的鲁棒控制通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函,并获得充分条件。节6、模拟验证理论分析。结论是在一节7。

近年来,拥塞控制WSDNs吸引了越来越多的关注。众多研究提供稳定和鲁棒控制的拥塞控制算法在许多无线网络场景中,例如,WSN和VANET,实现鲁棒控制网络拥塞。

稳定控制网络拥塞引起了广泛的关注和研究兴趣16,17]。现有工作提出了解决稳定控制问题。在[18]区间上的分析研究服务响应性能的评价,提出了基于黑破裂机制。调度策略,提出了建立系统的动力学模型,采用传统稳定控制理论解决系统状态稳定(19]。在[20.),作者同时操作多个传感器调度,让这些传感器开关根据一些最优概率分布随机获得最好的预期稳定状态性能。

鲁棒控制吸引了特别感兴趣的文学传统的网络控制系统。基于无线网络的特点,健壮的拥塞对网络拥塞已经应用在许多无线网络的情况下,例如,WSN (21],VANET [22,23),排队网络(24],WSDN [11,25WSDNs],集中控制器有一个全局视图,负责控制和管理的所有流程表在每个OpenFlow设备(25]。修改SDN-OpenFlow架构与通用操作逻辑,多协议标签交换(MPLS)管理逻辑,和QoS管理逻辑,提出了在11]。在[26]作者展示了SDN控制模型在无线传感器和演员网络资源分配的任务处理。

Lyapunov-Krasovskii泛函,和线性矩阵不等式(lmi)方法通常是提出了控制网络拥塞。在[9),作者提供了传统的负荷频率控制传播延迟模型基于线性矩阵不等式(lmi)。采用(15,27- - - - - -30.在网络控制系统(摘要)实现健壮的拥塞控制。

3所示。模型与分析

图1显示了一个典型场景的WSDN传播延迟和外部干扰。集中控制器能够从所有转发设备收集信息处理网络拥塞。有两种类型的延迟发生在无线网络:实现延迟和传播延迟31日]。传播延迟比较,极短的实现延迟被忽略和传播延迟是分析网络模型,和他们通常并不是相同的顺序。传播延迟是影响控制平面传播。在无线环境中干扰的可变性导致网络不稳定(10]。集中控制器使全球调度转发设备和相应的内部干扰避免的影响通过网络预定的参数。本文因此仅仅考虑了外部干扰。存在一个优化稳定状态在每一个转发设备稳定控制网络拥塞。基于调度方案,集中控制器的控制策略提供网络服务处理数据流的转发设备。

我们的目标是全球网络吞吐量最大化稳定控制和稳定的全球网络参数最优鲁棒控制状态的传播延迟和外部干扰。用传播延迟,在那里是离散数的数字。

填充等待时间是一个关键的网络参数WSDNs的鲁棒控制。如图2,处理时间处理网络服务的时间消耗。等待时间也可能引入的一个调度方案来减缓转发设备,和进一步处理的网络服务是这个等待的时间推迟了。填充等待时间被定义为处理时间和等待时间之和。当所有转发设备被认为是在同一处理速度,减少填充等待时间之和的总服务时间可能缩短所有网络服务和网络吞吐量最大化。

闭环WSDN可能分为两个部分,下面分析。

3.1。无优先调度方案设计对稳定控制全球WSDN最大化吞吐量

一种新型无优先调度方案,提出了可以预定稳定每个转发设备的网络参数。为了解决网络拥塞问题,在调度问题,必须找到填充之和的最小等待时间在给定的约束条件。适当的衬垫等待时间安排每个转发设备。存在每一个转发设备的优化调度方案。一起计划实现稳定控制网络拥塞和全球网络的吞吐量最大化。

有端到端网络传输服务,。每个网络传输服务组成点对点传输网络,在那里和。点对点网络传输遵循顺序优先顺序(QoS /体验质量)组成相应的服务。为了方便,基于事件的离散化采样,所以集中控制器可以被看作是一个基于事件的数字控制器。有转发设备在闭环WSDN可以处理这些点对点网络传输。

每一个点对点的网络传输在给定的时间处理转发设备nonpreemption,是离散数的数字。具体转发设备定义为是。假设每个转发设备可以处理只有一个一次,有足够的缓冲空间转发设备存储等待网络传输。一旦转发设备开始在固定时间处理网络传输服务,它不会停止,直到完成的网络传输服务。每一个点对点的网络传输安排一个转发设备吗在控制器从以前的配置,比如无线路由算法。前的安排已经优化传播理想的网络情况。假设只有水平的填充等待时间,与体重成正比。定义一个调度向量的填充时间等待所有的网络传输在运输设备。值得注意的是,我们有,目的地设备完成端到端传输没有任何更多的填充物等待时间。

首先,介绍了以下安排变量提出一个数学描述

为每一个安排,我们的目标是最小化填充等待时间之和。当所有转发设备具有相同的处理速度,减少填充之和等待时间会缩短总服务时间的所有网络服务和全球网络的吞吐量最大化。因此,稳定控制的优化问题可以制定如下:

填充等待时间可以安排在传输之前的约束。起初,填充之和最小化的优化问题等待时间可以很容易地解决和安排简单的计算比例。在这个时候,当优化状态计算和预先安排好的,每个转发设备的填充等待时间是稳定的稳定控制在标准状态。

然而,传播延迟和外部干扰在无线环境中可能导致网络不稳定。因此,鲁棒控制问题是维护网络稳定的传播延迟和外部干扰的存在。

3.2。鲁棒控制模型与传播延迟和外部干扰

简单来说,当一个网络传输服务进入WSDN或是转发设备中产生,它是排队的缓冲和等待处理和传播。如果通信介质变得自由,可以无优先调度方案实现建立一个端到端的路径集中控制器在收到转发的广告设备。控制器设计的控制策略通过调度方案,然后发送控制指令调整填充每个转发设备等待时间。

传播延迟和外部干扰,当前状态在每一个转发设备奉行预先安排好的理想状态(指节3.1),鲁棒控制,。让的状态和错误为。

根据分析闭环WSDN传播延迟,转发的传播延迟设备集中控制器(DC)和逆转(CD)被定义为一个和,分别。假设直流延迟可见,转发设备接收到从控制器与CD延迟反馈消息吗在图1。表示。

转发设备不断调整填充后等待时间控制指令。因此,网络服务在转发设备不断实现无优先调度通过广告(一个纸包的信息)。

首先,转发设备广告错误的网络服务控制器。与时消息,控制器计算,控制器将全球信息错误状态并生成控制策略保持填充等待时间稳定在图1。控制策略需要restabilize填充等待时间的传播延迟和外部干扰。控制器使加权矩阵的适当调整。最后,控制器发送一个盒子消息,这表明起源于纸包消息流和实施与控制指令。完成闭环WSDN和建模与传播延迟在哪里非负参数代表了网络特性常数矩阵与适当的维度。

因此,控制命令,表示鲁棒控制强度,控制策略被认为是在哪里,控制指令和吗是离散数的数字。考虑到传播延迟和重写作为

外部干扰在本文中被定义为时间的干扰。因此,外部干扰被认为是一种添加剂的干扰,这可能会延长填充在转发设备等待时间。然后,闭环网络模型可以被制定成一个健壮的控制模型。同时,闭环WSDN (4)添加了外部干扰的部分。在哪里是外部干扰的重量与适当的非负常数矩阵维度。为了方便起见,我们假设外部干扰是有限的精力和时间。

因此,健壮的控制模型的误差状态与传播延迟和外部干扰是在闭环WSDN制定。

4所示。配方的问题控制

根据这个词(4),健壮的控制模型的误差状态传播延迟和外部干涉闭环WSDN所描述的在哪里错误状态表示的不同值填充当前状态和理想状态之间的等待时间,控制指令,是能量有限的外部干扰和协方差矩阵和持续时间吗并期望为零,作为一个测量是鲁棒控制的输出,和是离散数的数字。定义和常数矩阵。正如上述分析,,表示鲁棒控制的力量。表示传播延迟。

定义1(见[29日])。给定两个阳性闭环WSDN (7)是稳定的外部干扰。,分别代表其上界和下界,满足。

定义2。闭环WSDN (7)是稳定的,如果存在一个状态反馈控制指令,。因此,鲁棒控制策略。

引理3(舒尔补充(32])。给定的常数矩阵,,,在那里和,然后LMI相当于下列条件:,。

5。标准的健壮的控制

在下面,我们,。重写闭环WSDN错误状态(7)到一个更紧凑的形式在哪里是不同国家,

定理4。考虑到强劲的控制模型的误差状态传播延迟和外部干扰在闭环WSDN (9)。由于外部干扰衰减水平和正整数,。闭环WSDN达到强劲控制,如果存在适当的对称正定矩阵维度,,,,和适当的维度矩阵,,所以以下条件(11)持有: 在哪里

证明。我们首先定义然后,我们得到在闭环网络,Lyapunov-Krasovskii泛函,可以表达的在哪里,,,是正定对称矩阵。定义;因此对于任何适当维数的矩阵,我们有为一个适当的维度的矩阵,我们得到因此,从(16)(18),我们有与定义和使用舒尔补充引理(引理3),在(lmi)19)可以使不平等真实的。那么存在一个正的标量这样。因此,它遵循。
考虑和舒尔补充引理,不等式(后11),我们有总和从来的初始化;我们可以获得基于Lyapunov-Krasovskii泛,健壮控制模型的误差状态传播延迟和外部干扰的闭环WSDN强劲所能达到的水平控制与期望的性能指标后(11)。
证明已经完成。

的参数所需的健壮在MATLAB控制可以通过LMI,通过在MATLAB仿真软件给出了性能评价。

6。仿真结果

在本节中,数值仿真表明该方案的有效性进行WSDNs和控制策略的设计给出了定理4。

在实际WSDNs、QoS机制是典型的实例作为网络服务的优先级顺序包含集成服务和差异化服务。通常,有八个优先级级别的QoS机制,定义了从0到7 0是最高的。表示,,因为这些WSDNs八优先级级别。考虑到强劲的控制模型(9)与不同的网络参数清晰地展示不同的QoS在控制器集中控制策略如下:和在哪里表示之间的关系和。定义这意味着订单优先级。在实际的无线网络环境中,在开始执行之前,优先级低的流动需要等待完成所有流程的完成与nonlower优先级队列转发设备。填充等待时间的概率的重量每nonlower优先级。

6.1。该方案在WSDNs验证的有效性

根据定理4,存在一个lmi的可行解(11)。我们使用不同的状态反映了逼近误差状态的结果。也就是说,意味着错误的状态填充相邻时间间隔之间的等待时间。

假设控制力量,控制策略和初始条件和,分别。两个场景在不同的初始状态被认为做个比较。假设一个阶跃函数代表了外部干扰有限的精力和时间进行仿真处理。

值得注意的是,错误的国家可能增加或减少基于不同的初始状态。然而,国家的区别能保持系统稳定的传播延迟和外部推论,如图3和4。不同的初始状态仍然使收敛步骤的存在外部干扰,代表所有的错误状态达成协议的集中式控制。因此,这可以进行模拟表明WSDNs方案的有效性。

最后融合数据的错误状态3和4表明鲁棒控制稳定状态差异引起的传播延迟和外部干扰,发生在稳定的初始状态由传统的稳定控制。换句话说,鲁棒控制已经成功地提高了传统稳定控制稳定的效果。

6.2。设计控制策略的健壮控制WSDNs

本节介绍了设计的控制策略的基础上,提出在WSDNs方案。我们选择中间的优先级在模拟。数据5和6显示错误的变化状态下不同的控制力量。初始状态是(图5),而(图6)。相比之下,不同的初始状态和控制力量,值得注意的是,一个更严格的控制导致宽度越小。

因此,适当调整QoS的控制策略可以很容易地设计控制器。控制策略可以用来控制宽度测量在不同初始误差状态。

7所示。结论

本文采用了鲁棒控制来解决的问题,最大化网络吞吐量和保持网络稳定WSDNs拥塞控制中。首先,一个高效的无优先调度方案提出了全球网络吞吐量最大化。其次,传播延迟和鲁棒控制模型通过使用Lyapunov-Krasovskii泛函,给出了外部干扰。充分条件是由lmi)制定。最后,进行了数值模拟,表明了该方案的有效性。

未来的研究应该探索的影响实现延迟和随机外部干扰的性能鲁棒控制WSDNs网络拥塞。延迟是无处不在的无线网络,而常常导致稳定性问题。的方法,我们提出了将扩展到开发更复杂的算法和其他无线领域的应用。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的863项目(批准号2014 aa01a701);中国的国家自然科学基金(批准号。61271168,61271168)。

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