延時約束下的異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術

房 悅, 李國齊

(1. 陜西警官職業(yè)學院 信息技術系, 西安 710021； 2. 清華大學 機械工程學院, 北京 100084)

0 引 言

異構通信網絡能實現信息資源共享, 是一種布線簡單的電子系統(tǒng)[1], 然而, 網絡帶寬有限、 網絡負載不均衡等情況時有發(fā)生, 由此導致的網絡誘導延時、 數據丟包等均會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

由于異構通信網絡很難保證運行穩(wěn)定, 并在運行時, 經常出現信號失真的問題。因此必須研究出有效的異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術, 以確保異構通信網絡安全穩(wěn)定運行。

相關領域學者針對這一問題進行了許多研究, 雖然取得一定的改進, 但依舊存在弊端。傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制技術的控制時間較長, 讀取通信信息后需上傳中心系統(tǒng), 經過中心系統(tǒng)處理后再將提醒信息反饋硬件提醒器, 工作過程繁瑣復雜, 雖然也能達到穩(wěn)定控制效果, 但需要花費管理人員和用戶大量時間, 網絡穩(wěn)定性也因此下降, 并導致信號在傳遞過程中可能出現失真現象[2]。綜上, 筆者提出一種新的穩(wěn)定性控制技術, 針對異構通信網絡, 將中心處理系統(tǒng)與上傳系統(tǒng)相連接, 形成同一個系統(tǒng), 二者不需要分開, 可以有效縮短信號的傳輸路徑和提醒時間, 從而提高工作效率, 保證控制提醒功能的穩(wěn)定性[3]。

該研究側重于穩(wěn)定性控制技術的工作過程, 同時設計技術架構, 利用仿真實驗探討了設計技術的工作效果。

1 異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術架構設計

傳統(tǒng)的異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術, 采用整數階方法, 將所有電子信號整合到一起, 導致整數階整合模塊中的電子信號容易發(fā)生混合, 互相影響, 產生波動。異構通信網絡在實現通信過程中, 很容易受到外來信號影響, 一旦外來信號和內部信號發(fā)生混合, 工作狀態(tài)就會十分不穩(wěn)定, 可能造成整個系統(tǒng)的癱瘓, 穩(wěn)定性難以保障, 同時4G網絡的不穩(wěn)定也會影響網絡的穩(wěn)定性[4]。筆者的自動提醒穩(wěn)定性控制技術, 引用分數階微積分算法, 將信號轉化成數學符號, 通過縮短信號的傳輸路徑提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術的架構平臺如圖1所示。

圖1 異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術架構

圖1的異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術架構, 針對不同狀態(tài)有不同的控制方式, 可以細化為3種方式。

1) 預防控制。是針對異構通信網絡正常狀態(tài)的控制方式, 當系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運行時, 控制技術會根據歷史痕跡進行預防控制, 防止異構通信網絡被外來信號入侵或遭受木馬、 病毒攻擊等。

2) 緊急控制。是針對異構通信網絡緊急狀態(tài)的控制方式, 分為穩(wěn)定性控制和耐受性控制[5]。緊急狀態(tài)是指提醒功能正處于工作狀態(tài)發(fā)生的狀況, 此時穩(wěn)定性控制系統(tǒng)要快速啟動, 將所有模塊統(tǒng)一到同時運行, 確保在最短時間內恢復異構通信網絡。

3) 恢復控制。是針對異構通信網絡出現故障后工作狀態(tài)的控制方式, 恢復控制要對上一次故障進行全方位系統(tǒng)性地分析, 深入剖析出現故障的環(huán)節(jié)、 模塊, 排查故障原因, 并進行修復。

采用分數階微積分方法將電子信號輸送到多個模塊中, 在不同模塊中處理電子信號。與整數階處理方式相比, 分數階處理方式中的各個數字信號工作意義更加清晰, 表述方式更加簡潔明了。分數階控制方式擁有極高的控制能力, 能有效提高控制的自由度, 同時還具備記憶功能, 能記錄提醒功能工作時的一切狀態(tài), 根據當時的狀態(tài)分析可能造成的穩(wěn)定性波動, 從而改善穩(wěn)定性控制的品質[6]。分數階微積分方法是控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要方法, 能將一個系統(tǒng)的母線和線路細化成幾千條, 同時構建出詳細的數學模型, 模擬系統(tǒng)工作過程, 得到輸出結果, 利用輸出結果控制提醒功能的穩(wěn)定性。

筆者選用的輸出結果識別方法有模式識別、 概率法和轉換算法。其中模式識別法內容為： 異構通信網絡采用的運行方式通常為典型的運行方式, 即離線計算, 模式識別法就是根據離線計算的結果構成樣本集。樣本集中含有能表現系統(tǒng)特征的特征量, 根據特征量對空間進行分解, 得到判別式。模式識別方法和傳統(tǒng)識別方法比較有兩個優(yōu)點： 其一為有效減少計算量, 計算過程越復雜, 需要花費的時間越長, 提醒功能穩(wěn)定性越難以保證, 所以減少計算量是一種提高穩(wěn)定性的有效方法； 其二為在線判別, 應用人工智能原理可以實現在線判別, 使客戶快速得到提醒信息[7]。概率法內容為： 針對故障對象, 將故障數據畫成曲線圖, 作為原始數據隨機分布在各種改進界面中, 在改進界面上分析故障規(guī)律, 根據解決故障的歷史時間度量穩(wěn)定性。概率法提供的信息精準度較高, 但實用性較差, 同時計算量相對較多, 只能針對故障對象使用此方法。轉換算法內容為： 利用時域變換算法將響應信號變換成曲線, 由此計算出振蕩頻率, 觀察不同的時間間隔對應的工作狀態(tài), 從而對異構通信網絡的穩(wěn)定性進行控制。

2 工作流程設計

圖2 控制技術工作流程圖

傳統(tǒng)異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術的工作流程, 是將各個信號整合到一個模塊, 信號工作時很容易互相干擾, 同時傳輸路徑過長, 導致信號失真, 影響工作穩(wěn)定性。筆者通過分數階微積分算法整合信號, 中心系統(tǒng)和采集系統(tǒng)、 上傳系統(tǒng)在同一個模塊中, 傳輸路徑大大縮減, 工作效率明顯提高[8]。

異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術工作流程如圖2所示。

相較于傳統(tǒng)工作流程, 圖2的工作流程有很大程度簡化, 下面對其進行系統(tǒng)地闡述。

第1步： 檢查初始數據。異構通信網絡在啟動工作時會有大量的初始數據, 穩(wěn)定性控制技術必須要檢查和分析異構通信網絡的初始數據, 利用精密星歷解算基線處理初始數據, 判定初始數據的質量是否合格, 判定公式為

(1)

其中i表示異構通信網絡初始數據；Ch(i)表示理想數據；Pm表示異構通信網絡電子信號的功率指標；δ表示判定因子；S表示判定距離。

第2步： 建立自由網。將數據篩選到自由網中, 建立自由網格, 分析自我提醒功能工作過程產生的平差值, 采用穩(wěn)定法統(tǒng)計學因數, 找出自由網中的不穩(wěn)定點, 從而確定異構通信網絡中的自動提醒模塊穩(wěn)定區(qū)域所在地如下

(2)

其中λ表示異構通信網絡提醒模塊穩(wěn)定系數；k表示模塊相關性序列；Xm表示穩(wěn)定區(qū)域數據；Xn表示區(qū)域不穩(wěn)定點。

第3步： 建立位移變化率。根據ITRF標準設置系統(tǒng)框架, 得到位移變化率, 并將得到的位移變化率與跟蹤站中記錄的位移變化率作對比, 從整體分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9-10], 位移變化率公式如下

(3)

其中ΔX表示異構通信網絡數據位移變化值。

第4步： 分析數據位移間隔, 控制波動值。電子數據在不同的模塊中位移間隔不同, 因此產生的波動值不同, 必須要對波動值進行有效控制, 將其固定在統(tǒng)一范圍內, 才能確保異構通信網絡順利實現, 控制方程式如下

V(t)=[φB+t(1-φ)2]h

(4)

其中t表示異構通信網絡控制時間；φ表示信號波動因子；B表示電子數據集。

相較于傳統(tǒng)工作流程, 筆者設計的工作流程有如下優(yōu)勢。

1) 過程更加簡單。傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制技術雖然也能起到一定的控制效果, 但過程過于復雜繁瑣, 實用性很差, 用戶使用一次需要花費的成本很高。該設計的穩(wěn)定性控制技術可在短時間內完成控制, 過程簡單, 實用性高。

2) 抗干擾能力強。模塊分類能將電子數據按照性質分成不同種類, 存入不同模塊中, 各個模塊獨立工作, 互不影響, 即使一個模塊出現問題, 也不會影響其他模塊的正常工作。

3) 檢測方便。設計的異構通信網絡自動控制技術檢測十分方便, 只需要將路由器放入各個系統(tǒng)觀測是否能正常工作即可。

3 實驗研究

3.1 實驗目的與實驗參數

為檢測設計的異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術的實際效果, 與傳統(tǒng)控制技術進行對比, 設計了對比實驗, 重點分析了故障運行狀態(tài)兩種控制技術的實驗效果。設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數

3.2 穩(wěn)定性能對比實驗

根據上述參數進行實驗, 選用文獻[2]方法和筆者的控制技術進行對比實驗, 分析實驗結果。首先檢測正常運行狀態(tài)下的異構通信網絡電子信號波長的波動情況, 用于對比兩種方法的穩(wěn)定性能, 實驗結果如圖3所示。分析圖3a可知, 在正常運行狀態(tài)下, 異構通信網絡電子信號波長的波動值基本在20 mm范圍內, 且波長變化穩(wěn)定； 分析圖3b可知, 在故障運行狀態(tài)下, 采用文獻[2]方法對信號穩(wěn)定性進行控制時, 異構通信網絡電子信號工作狀態(tài)極其不穩(wěn)定, 波動值范圍超過40 mm, 電子信號穩(wěn)定性很差； 分析圖3c可知, 在故障運行狀態(tài)下, 采用筆者的控制技術控制信號穩(wěn)定性時, 電子信號波長的波動值在20 mm之內, 波動值變化情況與正常狀態(tài)下相近, 且變化平穩(wěn)。電子信號波長的波動值越大, 表示技術的穩(wěn)定性越差, 通過以上數據可以證明使用筆者的穩(wěn)定性控制技術時, 控制的電子信號穩(wěn)定性更好, 有效性更高。

a 正常運行狀態(tài)下電子信號波動值實驗結果 b 文獻[2]方法故障運行狀態(tài)下實驗結果 c 筆者控制技術故障運行狀態(tài)下實驗結果

3.3 控制誤差對比實驗

為進一步驗證研究技術的有效性, 檢測不同樣本數量下, 異構通信網絡電子信號的頻率變化情況, 信號頻率誤差值與理想值越接近, 表示技術的誤差越小, 實驗結果如圖4所示。

圖4 不同控制技術的誤差對比

分析圖4可知, 理想信號頻率誤差值在-0.2～0 Hz左右, 文獻[2]方法的電子信號頻率誤差值波動范圍很大, 在-2.6～2.0 Hz之間, 遠超出理想誤差值； 而筆者控制技術的電子信號頻率誤差值接近于理想值, 其范圍在0.2～0.3 Hz之間, 波動范圍很小。通過上述數據可以證明, 筆者技術的準確性更高, 應用效果更理想。

3.4 結 論

根據上述實驗結果, 得到如下結論： 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制技術和筆者的穩(wěn)定性控制技術, 在控制異構通信網絡的穩(wěn)定性時都會起到一定的作用, 但工作效果完全不同。系統(tǒng)在正常運行時, 穩(wěn)定性較好, 電子信號產生的波動較小, 當系統(tǒng)處于故障狀態(tài)時, 傳統(tǒng)控制技術表現出很大的局限性, 這是由于傳統(tǒng)控制技術采用的是單一模板處理方式, 所以信號很容易互相干擾, 當一個信號出現問題時, 整個工作狀態(tài)都會癱瘓, 控制技術將會徹底失去作用。而筆者控制技術性能較好, 這是因為筆者的控制技術采用的是多模板控制, 信號獨立分類, 在自己的模塊中運行, 協(xié)同工作, 互不影響, 而且這種工作方式可以有效抵擋外來信號入侵, 即使一個模板不能正常工作, 也不會影響其他模板的工作, 工作效果不會受到太大影響, 實用性很高。同時該技術的誤差值與理想值接近, 準確性更理想, 這是由于研究的控制技術針對各個模塊進行分析, 可以快速分析出每個模塊的工作狀態(tài), 從而找出故障原因, 提高工作的準確性。

4 結 語

在延時約束下, 異構通信網絡穩(wěn)定性控制技術是一種重要通信技術, 能確保異構通信網絡穩(wěn)定運行。由于通信網絡數據繁多, 用戶信息數量大, 因此異構通信網絡必須具有很高的智能性。為了確保異構通信網絡順利工作, 相關學者研究了多種穩(wěn)定性控制技術, 但所研究的技術都是采用單一模板統(tǒng)計分析, 工作效率難以保障。筆者的穩(wěn)定性控制技術, 利用分數階微積分方法將一個模板分成多個模板, 同時采集和處理電子數據, 不僅能有效抵抗外來信號干擾, 同時能提高準確度。經實驗研究表明, 相較于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制技術, 筆者的穩(wěn)定性控制技術的穩(wěn)定性更高, 且準確性更好, 設計的穩(wěn)定性控制技術具有很大的市場發(fā)展空間。