探析典型網絡通信系統的控制方法

李啟軍 南京東禾自動化工程有限公司

引言

隨著“智能時代”的快速逼近，網絡通信技術正面臨嚴峻的挑戰，必須加強對網絡的研究，使之具有快速、穩定、低功耗的特性，重點關注無線通信網絡、車聯網通信網絡和計算機擁塞網絡，分析這三種典型網絡的異同之處，提出三種典型通信網絡的建模及控制方法，滿足大流量、高速度的即時數據傳輸的網絡需求。

1 三種典型通信網絡概述

無線通信網絡是一種典型的不可再生資源，現今普遍使用低成本、高效率、高覆蓋率的蜂窩式移動通信網絡，然而該網絡也存在難以規避的復雜信道衰落和傳輸時滯的問題，如：路徑損耗、多徑衰落、陰影效應、多普勒效應等，并主要表現為基站到移動臺之間的傳輸時滯和移動臺到基站之間的傳輸時滯。為此，要進行無線通信網絡的功率和速率聯合控制，如：無線通信網絡功率和速率控制的狀態空間系統模型；自適應控制策略；輸入時滯的功率與速率預測控制方法；魯棒控制策略；自適應模糊控制算法和基于輸入輸出鏈路的最優控制算法等。

車聯網通信網絡體現出節點移動性高、既有自組織網絡無線分布式及無中心的特性，適用于車車互聯、車網互聯、車路互聯、車人互聯等場景，常用的通信技術有蜂窩網絡、專用短程通信、可見光通信、衛星通信等。

計算機通信網絡促進了現代社會信息流的爆炸式增長，然而受到網絡資源的限制，要重點關注計算機網絡的擁塞問題，采用計算機網絡擁塞控制算法，進行計算機網絡的性能評價，如：吞吐量、時滯、丟包率、公平性、穩定性等，引入以流量控制為基礎的端到端擁塞控制算法和以隊列管理為基礎的路由擁塞控制算法，確保網絡資源的充分利用，規避網絡過載或欠載的問題。

2 采用滑模變結構控制方法分析不確定性典型網絡

2.1 典型網絡通信系統的建模分析

以蜂窩狀無線通信網絡為例，該網絡有一個基站（BS）和若干個移動站（MS），可以在獲悉相關參數的前提下，進行系統建模分析，如：基站接收的實際信噪比；移動站與基站之間的信道衰落；移動站的發射功率；系統往返時滯等，并添加一個功率控制量，確保實際信噪比達到預期值。

對于車聯網通信網絡的系統建模，以車輛作為移動節點，基于相關參數如：移動節點發射功率、信號覆蓋半徑、發射/接收天線增益、實際功率的前提下，構建車聯網通信網絡信道衰落Nkagami-m模型，分析車聯網系統中的不確定性問題。

以離散時間條件下的計算機網絡的系統為例，可以構建連續時間網絡控制系統模型，深入探討和分析計算機網絡的擁塞控制問題，并引入空間向量，形成狀態空間模型，進行近似離散參數的轉化，獲取離散時間下的計算機網絡擁塞控制模型，分析計算機網絡控制系統中的不確定性問題。

2.2 滑模變結構控制

滑模控制體現出對系統參數變化、外部擾動的良好魯棒性，能夠較好地引入到不確定性典型網絡通信控制系統之中，以計算機網絡控制系統為例，該系統源端和接收端與路由器之間的帶寬為10Mbps，往返傳輸時滯為20ms，采用MATLAB軟件進行仿真控制分析，通過離散系統最優控制方法輸入反饋增益，獲取計算機網絡滑模變結構控制曲線，通過滑模變結構控制狀態變量曲線可知，曲線平滑并沒有出現超調的現象，表明離散系統最優控制方法體現出良好的抑噪性能，并體現出良好的穩定性和準確性，能夠準確地描述典型網絡的工作特點。

3 采用預測控制方法分析非線性典型網絡時滯性系統

考慮到典型網絡工作條件時存在不可避免的時滯現象，為此要針對系統的時滯問題進行控制，本文重點關注典型網絡的時變狀態時滯、時變控制時滯、非線性及輸入約束等，構建非線性典型網絡時滯系統模型，引入預測控制策略和方法，實現對典型網絡的有效控制。

3.1 典型網絡通信系統的建模

無線通信網絡系統建模分析要重點關注時變的功率時滯、速率時滯、控制時滯等非線性、不確定性因素，在模型中添加一個含有時滯的功率控制量和二維狀態向量，可以獲取系統狀態空間模型。

對于車聯網通信網絡而言，在進行系統建模分析的過程中要充分考慮系統的時變時滯、控制時滯、非線性因素，并加入功率控制量和二維狀態向量，獲取車聯網功率控制狀態空間模型。

在計算機網絡的系統建模中，要充分考慮分組丟棄概率表達中的系統時滯變量，構建計算機網絡控制系統狀態空間模型，并進行離散化，獲悉離散時間下的計算機網絡擁塞控制模型。

3.2 預測控制方法的應用

考慮到三種典型網絡存在較大的不確定性和外界干擾等非線性因素，為此可以采用具有良好抗干擾能力和魯棒性的預測控制方法，實現對非線性時滯系統的有效控制。對此需要構建典型網絡的預測系統模型，設置開環預測向量，通過控制策略與參數估計相結合的方式，求取獲得控制量。

以車聯網通信網絡的預測控制方法為例，相關數據為：初始信噪比為10dB，載波頻率為5.9GHz，信號傳輸最大容量為3Mb/s，選用離散系統的最優控制方法，獲取車聯網通信網絡狀態變量曲線、輸入變量曲線和時變時滯曲線，直觀顯示非線性典型網絡的時滯系統性能，反映預測控制方法對車聯網通信網絡的良好功率、速率控制效果。

4 采用魯棒保性能控制方法分析多時滯典型網絡非線性系統

鑒于典型網絡模型的復雜性，要引入魯棒保性能控制方法，面向三個典型網絡構建多時滯非線性系統模型，充分考慮無/有時滯狀態量、無/有時滯控制量、不確定參數及非線性因素，再采用保性能控制方法實現系統控制。

4.1 典型網絡通信系統的建模

無線通信網絡系統建模要考慮時滯問題、不確定性和非線性問題，設置狀態時滯、控制時滯、無/有時滯的功率控制量，構建無線通信網絡速率控制狀態空間模型。

車聯網通信網絡系統建模要考慮車聯網通信系統中的時變時滯、控制時滯、非線性因素，加入功率控制量，獲取車聯網通信網絡狀態空間模型。

計算機網絡系統建模考慮計算機網絡的下行鏈路中分組丟棄概率被傳回源端的情形，還要考慮計算機網絡上行鏈路中信號衰落和丟包的現象，構建計算機網絡系統狀態空間模型，并進行離散化，獲取離散時間下的計算機網絡擁塞控制模型。

4.2 魯棒保性能控制方法的應用

考慮典型網絡存在參數不確定性和時滯性問題，因而可以設計一個控制律，使閉環系統逐漸趨于魯棒穩定性，并具有良好的動態響應性能。以實際無線網絡通信系統為例，其相關參數為：信道帶寬為4KHz，初始信噪比為30dB，獲取無線通信網絡狀態變量曲線、輸入變量曲線、系統時滯及控制時滯曲線，可以看到魯棒保性能控制的狀態變量曲線能夠快速趨于穩定，并無超調量現象，能夠有效克服系統的多時滯、不確定性、非線性、輸入約束等問題，提升系統的穩定性、準確性和快速性。

5 小結

綜上所述，本文選取無線通信網絡、車聯網通信網絡和計算機網絡這三種典型網絡，構建典型網絡通信系統模型，對不確定性、狀態時滯的典型網絡采用滑模變結構控制，對時變時滯、非線性的典型網絡系統采用預測控制，對同時兼具時變狀態時滯、時變控制時滯、非線性、輸入約束的典型網絡系統采用魯棒保性能控制。未來還要考慮移動通信網絡形式的車聯網系統構建模型，并在控制過程中考慮網絡的公平性和資源分配問題，深入探討網絡跟蹤和容錯性課題。