基于廣義pid的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的aqm系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、廣義PID控制模塊和隨機(jī)早期檢測(cè)模塊；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過自身的學(xué)習(xí)，可以找到某一最優(yōu)控制規(guī)律下的參數(shù)。廣義PID控制模塊對(duì)調(diào)整好的自身參數(shù)做比例、積分、微分運(yùn)算并將不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)的固定值，隨機(jī)早期檢測(cè)模塊獲取該固定值作為最大丟棄概率，經(jīng)自身調(diào)節(jié)產(chǎn)生一個(gè)適用于當(dāng)前負(fù)載的丟棄概率，被控對(duì)象依據(jù)該丟棄概率做出相應(yīng)反應(yīng)，使路由器中的隊(duì)列長(zhǎng)度能穩(wěn)定到一個(gè)預(yù)期值。以此來達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延的目的。
【專利說明】基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種AQM系統(tǒng)，特別設(shè)及一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM 系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 主動(dòng)隊(duì)列管理（即；AQM)的一個(gè)重要目標(biāo)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行早期的檢測(cè)，向系統(tǒng) 發(fā)出控制擁塞的指示，W便路由器中的隊(duì)列長(zhǎng)度能穩(wěn)定到一個(gè)預(yù)期值。該種穩(wěn)定可W提高 網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，降低網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延。AQM的主要算法隨機(jī)早期檢測(cè)算法，在IP和異步傳 輸模式（即；ATM)路由器中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且取得了一定的效果。但由于隨機(jī)早 期檢測(cè)算法（即；R邸算法）參數(shù)設(shè)置的問題一直沒有得到很好的解決，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化容 易引起AQM系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此其性能受到了很大的影響。從RED的工作機(jī)理來看，其性能 受負(fù)載影響的主要原因在于：不同的負(fù)載下需要不同的最大丟棄概率才能使隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)定 在一個(gè)固定值，而在事先不能預(yù)知的情況下，只能把最大丟棄概率配置為一個(gè)特定值。該將 導(dǎo)致在不同的負(fù)載下隊(duì)列會(huì)穩(wěn)定在不同的值，甚至?xí)霈F(xiàn)不穩(wěn)定的情況。基于廣義PID的 隨機(jī)早期檢測(cè)算法利用控制理論中的廣義PID控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整R邸算法 的最大丟棄概率，從而使AQM系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身參數(shù)來改善控制性能。而本發(fā)明能夠 很好地解決上面的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明目的在于提供一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，該系統(tǒng) 結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用控制理論中的廣義PID控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整R邸算法 的最大丟棄概率，使AQM系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身參數(shù)來改善控制性能，該系統(tǒng)解決了 R邸算 法參數(shù)不能實(shí)時(shí)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的變化容易引起AQM系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是；一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè) 算法的AQM系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、廣義PID控制模塊和隨機(jī)早期檢測(cè)模塊。
[0005] BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的功能是；其一，能夠高度逼近任意兩個(gè)不同維數(shù)空間的非線性 映射，若該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元數(shù)為m，輸出元數(shù)為n，則在m維歐式空間中有一個(gè)有界子 集A，存在著一個(gè)到n維歐式空間的一個(gè)有界子集F (A)的映射；其二，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自我學(xué) 習(xí)的功能，它通過輸入層、隱含層、輸出層之間的相互權(quán)連在某種算法下動(dòng)態(tài)地進(jìn)行誤差修 正，直到得到理想結(jié)果；
[0006] 廣義PID控制模塊的功能是；比例部分產(chǎn)生與偏差成正比的輸出信號(hào)，能夠消除 偏差；積分部分產(chǎn)生與偏差的積分值成正比的輸出信號(hào)，能夠消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差；微分 部分產(chǎn)生與偏差的變化率成正比的輸出信號(hào)；二階微分部分增加了該控制模塊的能夠調(diào) 量，能加快控制器的調(diào)節(jié)速率，縮短過渡過程時(shí)間，減少超調(diào)；
[0007] 隨機(jī)早期檢測(cè)算法模塊的功能是；對(duì)到達(dá)的數(shù)據(jù)包計(jì)算平均隊(duì)列長(zhǎng)度，在區(qū)分用 戶優(yōu)先級(jí)的同時(shí)再利用廣義PID模塊的輸出量計(jì)算出不同的丟棄概率W丟棄不同等級(jí)用 戶的數(shù)據(jù)包；
[0008] 本發(fā)明的系統(tǒng)是結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用控制理論中的廣義PID控制器，根據(jù)網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整R邸算法的最大丟棄概率值，從而使系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身參數(shù)。
[0009] 本發(fā)明的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，有M個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，Q個(gè) 隱含層節(jié)點(diǎn)，3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)；所述輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)PID控 制器的3個(gè)可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd。
[0010] 本發(fā)明的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊所完成的功能為：
[0011] a:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及初始化某些參數(shù)，即對(duì)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M和隱含層節(jié)點(diǎn) 數(shù)Q的確定，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率和慣性系數(shù)，同時(shí)給出輸入層加權(quán)系數(shù)的初值和隱 含層加權(quán)系數(shù)的初值；
[0012] b:據(jù)梯度下降法通過前向網(wǎng)絡(luò)及后向誤差反饋兩個(gè)過程不斷進(jìn)行自身的學(xué)習(xí)、調(diào) 整加權(quán)系數(shù)，直到輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器S個(gè)參數(shù)kp、ki、kd。
[0013] 本發(fā)明在PID的基礎(chǔ)上，對(duì)PID控制規(guī)律公式增加高階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，并通過化簡(jiǎn)得到廣 義PID的一般形式，提出了廣義PID的概念，該模塊主要完成W下功能：
[0014] a ;采樣得到輸入信號(hào)Qu(t)與系統(tǒng)的輸出信號(hào)屯j(t)，計(jì)算該時(shí)刻系統(tǒng)的偏差值： e(t) = q〇(t)-qa，T(t);
[001引 b ;對(duì)偏差量e(t)進(jìn)行比例、積分、微分的運(yùn)算；
[0016] C;根據(jù)在經(jīng)典PID控制規(guī)律基礎(chǔ)上引入的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的控制算法公式，亦即廣義 PID控制算法

【權(quán)利要求】
1. 一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊、廣義PID控制模塊和隨機(jī)早期檢測(cè)算法模塊； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的功能是：其一，能夠高度逼近任意兩個(gè)不同維數(shù)空間的非線性映 射，若該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入單元數(shù)為m，輸出元數(shù)為n，則在m維歐式空間中有一個(gè)有界子集A， 存在著一個(gè)到n維歐式空間的一個(gè)有界子集F(A)的映射；其二，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自我學(xué)習(xí)的 功能，它通過輸入層、隱含層、輸出層之間的相互權(quán)連在某種算法下動(dòng)態(tài)地進(jìn)行誤差修正， 直到得到理想結(jié)果； 廣義PID控制模塊的功能是：比例部分產(chǎn)生與偏差成正比的輸出信號(hào)，能夠消除偏差； 積分部分產(chǎn)生與偏差的積分值成正比的輸出信號(hào)，能夠消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差；微分部分產(chǎn) 生與偏差的變化率成正比的輸出信號(hào)；二階微分部分增加了該控制模塊的能夠調(diào)量，能加 快控制器的調(diào)節(jié)速率，縮短過渡過程時(shí)間，減少超調(diào)； 隨機(jī)早期檢測(cè)算法模塊的功能是：對(duì)到達(dá)的數(shù)據(jù)包計(jì)算平均隊(duì)列長(zhǎng)度，在區(qū)分用戶優(yōu) 先級(jí)的同時(shí)再利用廣義PID模塊的輸出量計(jì)算出不同的丟棄概率以丟棄不同等級(jí)用戶的 數(shù)據(jù)包。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，所述系統(tǒng)將對(duì)被控對(duì)象模塊進(jìn)行實(shí)際控制；為更好的節(jié)省硬件資源，降低運(yùn)算復(fù)雜度， 所述模塊采用一個(gè)ARM嵌入式路由器作為實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行平臺(tái)。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，所述系統(tǒng)是結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用控制理論中的廣義PID控制器，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況動(dòng) 態(tài)調(diào)整RED算法的最大丟棄概率值，從而使系統(tǒng)自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自身參數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊是一種有隱含層的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，有M個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，Q個(gè)隱含層節(jié) 點(diǎn)，3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)；所述輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)PID控制器的3 個(gè)可調(diào)參數(shù)kp、ki、kd。
5. 如權(quán)利要求4所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊所完成的功能為： a:確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及初始化某些參數(shù)，即對(duì)輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q的確定，設(shè)定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率和慣性系數(shù)，同時(shí)給出輸入層加權(quán)系數(shù)的初值和隱含層 加權(quán)系數(shù)的初值； b:據(jù)梯度下降法通過前向網(wǎng)絡(luò)及后向誤差反饋兩個(gè)過程不斷進(jìn)行自身的學(xué)習(xí)、調(diào)整加 權(quán)系數(shù)，直到輸出對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID控制器三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，在PID的基礎(chǔ)上，對(duì)PID控制規(guī)律公式增加高階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，并通過化簡(jiǎn)得到廣義PID的一 般形式，提出了廣義PID的概念，該模塊主要完成以下功能： a:采樣得到輸入信號(hào)qjt)與系統(tǒng)的輸出信號(hào)qa，T(t)，計(jì)算該時(shí)刻系統(tǒng)的偏差值：e(t) =q〇(t)-qa；T(t)； b:對(duì)偏差量e(t)進(jìn)行比例、積分、微分的運(yùn)算； c:根據(jù)在經(jīng)典PID控制規(guī)律基礎(chǔ)上引入的二階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的控制算法公式，亦即廣義PID 控制算法
得到RED算法的所需最大丟 棄概率？_; d:根據(jù)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，在線調(diào)整輸入層加權(quán)系數(shù)和隱含層加權(quán) 系數(shù)(k)，從而實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)，其特征在 于，所述隨機(jī)早期檢測(cè)模塊包括： 讀取路由器緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度，即：記為q，利用平均指數(shù)加權(quán)算法，即：權(quán)值記 為％，計(jì)算出數(shù)據(jù)包的平均隊(duì)列長(zhǎng)度，S卩：記為Q;如果平均隊(duì)列長(zhǎng)度小于最小門限 該數(shù)據(jù)包直接進(jìn)入隊(duì)列；如果平均隊(duì)列長(zhǎng)度大于最大門限maxth則直接丟棄；如果在設(shè)定的 門限，即：最小門限記為minth，最大門限記為maxth之內(nèi)，再利用平均隊(duì)列長(zhǎng)度和最大丟棄概 率（記為P_)計(jì)算出丟棄概率P;最后利用P來控制數(shù)據(jù)包是否被丟棄，從而控制瞬時(shí)隊(duì)列 長(zhǎng)度避免擁塞發(fā)生。
8. -種基于廣義PID的隨機(jī)早期檢測(cè)算法的AQM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述方 法包括如下步驟： 步驟1:BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)某時(shí)刻的輸入量，通過自身的學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，使kp、ki、kd三個(gè)控制參數(shù)穩(wěn)定在某種最優(yōu)控制規(guī)律下，輸出作為PID控制器的控制參數(shù)； 步驟2 :PID控制器采樣得到輸入信號(hào)qci(t)與系統(tǒng)的輸出信號(hào)qa，T (t)，計(jì)算該時(shí)刻系 統(tǒng)的偏差值
步驟3 :對(duì)偏差量e(t)進(jìn)行比例、積分、微分的運(yùn)算； 步驟4 :根據(jù)廣義PID控制算法：得到 RED算法所需的最大丟棄概率pmax;
步驟5 :分組到達(dá)時(shí)，計(jì)算隊(duì)列中總體分組的平均隊(duì)長(zhǎng)Q[t+1]= (1-wJXQl^til+WqXqlit+1]，其中Q[t]為t時(shí)刻的平均隊(duì)列長(zhǎng)度，Q[t+1]為t+1時(shí)刻平均隊(duì) 列長(zhǎng)度，q[t+l]為t+1時(shí)刻的瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度，wq為權(quán)值系數(shù)（G[〇, 1]); 步驟6 :當(dāng)Q〈minth時(shí)，分組進(jìn)入隊(duì)列；當(dāng)minth彡Q〈maxth時(shí)，根據(jù)該類業(yè)務(wù)的參數(shù) (minth，maxth，pmax)計(jì)算其丟棄概率p，同時(shí)調(diào)整該類業(yè)務(wù)分組的最大丟棄概率口_;當(dāng) Q彡maxth時(shí)，丟棄所到達(dá)的分組。
【文檔編號(hào)】H04L12/865GK104486248SQ201410729812
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】秦立慶, 周井泉 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)