[发明专利]一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法

说明书

技术领域

本发明属于机械制造自动化、工业自动控制和计算机网络领域，具体地讲是一种适用于网络控制系统的混合式单向时延估计方法。 

背景技术

由于应用成本低和柔韧性高等特点，计算机网络可广泛应用于多种工业领域的自动控制应用中，如远程工业控制、生产车间自动化和装备远程监测等。因此近年来，结合了计算机网络技术和自动控制技术的网络控制系统(NSC)在工业领域中逐步引起了人们的高度重视，并获得了广泛的应用。NCS是由传感器、控制器、执行器和通信网络所组成的一个分布式实时反馈控制系统。它可以有效的减少系统布线的复杂程度，增加系统的柔韧性，实现制造资源的共享和协同操作，并最终使整个大规模分布式系统的控制性能得到有效提升。然而，尽管NCS具有上述多项优点，通信网络的存在却增加了系统分析与设计的难度。由于控制系统中的控制序列是实时相关的，因此网络中的数据传输时间对于NCS的性能保证至关重要。但是，计算机网络中由于路由器数据传输和流量拥塞所造成的网络随机时延却是不可避免的。NCS中前向通道和反向通道的数据传输随机时延对系统性能影响显著，在系统设计时若不考虑网络中随机时延的存在将会降低控 制性能，甚至造成整个系统的崩溃。因此，掌握数据传输的时延，并在此基础上采取有效的时延补偿策略，对于保证NCS的可靠性、提升系统的控制性能具有显著的意义。 

在理论上，NCS中的前向和反向时延可以通过记录发送端和接收端分组的时间标签，根据两个标签的时间量相减获得。在分别得到准确的前向和反向通道单向时延后，可进行相应的时延补偿，从而保证系统可靠并高效的运行。文献[1，2]就是采用这种策略来获得NCS中前向和反向通道的单向时延。然而，这种策略的实现必须是在发送端与接收端时钟同步的前提下。在实际应用中，NCS系统两端的时钟通常是不同步的，因此这种策略很难在实际环境中适用。文献[3，4]尝试通过时钟同步的策略解决此类问题，但是由于NCS具有大规模、分布式和异构性等特点，使得全局时钟同步策略很难在NCS应用中取得较好的效果。综上所述，根据NCS的系统特性和应用特点，无需系统全局时钟同步的单向时延估计策略将是获得前向和反向通道单向时延有效并可行的途径。 

单向时延估计策略具有代表性的算法协议有：往返时间(RoundTrip Time，RTT)算法。RTT记录的是一个分组从发射端到接收端再返回需要的时间，由于整个过程均是采用发射端的时钟进行记录，因此无需考虑全局时钟同步的问题。该算法在获得RTT值后，取其1/2的值作为NCS前向和反向通道的单向时延值。然而，在现实的NCS应用中，分组传递的通信链路往往是不对称的，链路带宽、通信竞争程度，甚至分组的传递路径也不尽相同，这就使得前向和反向通道的 单向时延并不相等，因此简单的取RTT的1/2值作为单向时延的估计值是无法在实际工程中适用的。一些工作通过设置测量分组传递的时钟偏差和时钟频差来克服时钟不同步对单向时延估计造成的影响。文献[5]通过估计分组传递两端的相对时钟偏差来完成单向时延的估计，但是这种方法只能在链路始终对称的网络环境中适用。为了克服上述不足，文献[6]通过测量通信链路上每个节点的相对时钟偏差，并将这些偏差值相加，从而得到系统两端的相对时钟偏差值。这种方法要求通信路径中的每个节点始终参与计算，因此会给系统带来过多且不必要的网络开销和负担。文献[7]通过测量通信链路的时钟偏差和频差来完成单向时延的估计工作，但是这种方法实现的前提条件是链路时延、传输时延和错误率等参量必须相等，这种前提条件过于理想化，因此很难适用于实际的NCS应用。近年来，大部分的工作开始主要关注于通过监测网络中的数据流来进行单向时延的估计，这种估计方式主要分为两种方法：在线式单向时延估计和端到端单向时延估计。文献[8]是一种典型的在线式估计方法，通过测量分组通过每个路由器的队列时延，取所有测量的队列时延之和作为网络的单向时延值。在线式估计方法需要所有路由器始终参与到单向时延估计的运算中，因此会给系统带来巨大的计算开销和网络负担。端到端的估计方法只需系统两端的节点参与计算，因此可以有效克服在线式估计方法存在的缺陷。文献[9-11]即是利用端到端的估计方法获得网络的单向时延值。文献[9]通过在系统两端测量分组之间的发送和到达时间间隔，利用傅立叶域-时间域的迭代重构算法估计得到端到端单向队 列时延的分布特性，从而获得单向时延估计值。然而，这种方法无法准确的获得每个分组的单向时延值，而且并不是针对NCS系统设计。文献[10]则需要在无网络拥塞的状态下测量参考标量值，无网络拥塞的前提条件极大的限制了方法的应用范围，并且是不符合实际情况的。文献[11]可以分别有效的估计出网络前向和反向的单向时延值。该方法的准确度主要依靠于参考标量值，但是采用的启发式估算方法很难获得精确的参考标量值。此外，该算法并不是针对NCS设计，无法直接适用于NCS应用中。综上所述，由于当前的方法或多或少都还存在着理论上的缺陷与不足，并且在实际环境中也还存在着较大的应用局限性，因此NCS中前向和反向控制通道的单向时延估计仍是一个不小的难题。