探析典型网络通信系统的控制方法

李启军 南京东禾自动化工程有限公司

引言

随着“智能时代”的快速逼近，网络通信技术正面临严峻的挑战，必须加强对网络的研究，使之具有快速、稳定、低功耗的特性，重点关注无线通信网络、车联网通信网络和计算机拥塞网络，分析这三种典型网络的异同之处，提出三种典型通信网络的建模及控制方法，满足大流量、高速度的即时数据传输的网络需求。

1 三种典型通信网络概述

无线通信网络是一种典型的不可再生资源，现今普遍使用低成本、高效率、高覆盖率的蜂窝式移动通信网络，然而该网络也存在难以规避的复杂信道衰落和传输时滞的问题，如：路径损耗、多径衰落、阴影效应、多普勒效应等，并主要表现为基站到移动台之间的传输时滞和移动台到基站之间的传输时滞。为此，要进行无线通信网络的功率和速率联合控制，如：无线通信网络功率和速率控制的状态空间系统模型；自适应控制策略；输入时滞的功率与速率预测控制方法；鲁棒控制策略；自适应模糊控制算法和基于输入输出链路的最优控制算法等。

车联网通信网络体现出节点移动性高、既有自组织网络无线分布式及无中心的特性，适用于车车互联、车网互联、车路互联、车人互联等场景，常用的通信技术有蜂窝网络、专用短程通信、可见光通信、卫星通信等。

计算机通信网络促进了现代社会信息流的爆炸式增长，然而受到网络资源的限制，要重点关注计算机网络的拥塞问题，采用计算机网络拥塞控制算法，进行计算机网络的性能评价，如：吞吐量、时滞、丢包率、公平性、稳定性等，引入以流量控制为基础的端到端拥塞控制算法和以队列管理为基础的路由拥塞控制算法，确保网络资源的充分利用，规避网络过载或欠载的问题。

2 采用滑模变结构控制方法分析不确定性典型网络

2.1 典型网络通信系统的建模分析

以蜂窝状无线通信网络为例，该网络有一个基站（BS）和若干个移动站（MS），可以在获悉相关参数的前提下，进行系统建模分析，如：基站接收的实际信噪比；移动站与基站之间的信道衰落；移动站的发射功率；系统往返时滞等，并添加一个功率控制量，确保实际信噪比达到预期值。

对于车联网通信网络的系统建模，以车辆作为移动节点，基于相关参数如：移动节点发射功率、信号覆盖半径、发射/接收天线增益、实际功率的前提下，构建车联网通信网络信道衰落Nkagami-m模型，分析车联网系统中的不确定性问题。

以离散时间条件下的计算机网络的系统为例，可以构建连续时间网络控制系统模型，深入探讨和分析计算机网络的拥塞控制问题，并引入空间向量，形成状态空间模型，进行近似离散参数的转化，获取离散时间下的计算机网络拥塞控制模型，分析计算机网络控制系统中的不确定性问题。

2.2 滑模变结构控制

滑模控制体现出对系统参数变化、外部扰动的良好鲁棒性，能够较好地引入到不确定性典型网络通信控制系统之中，以计算机网络控制系统为例，该系统源端和接收端与路由器之间的带宽为10Mbps，往返传输时滞为20ms，采用MATLAB软件进行仿真控制分析，通过离散系统最优控制方法输入反馈增益，获取计算机网络滑模变结构控制曲线，通过滑模变结构控制状态变量曲线可知，曲线平滑并没有出现超调的现象，表明离散系统最优控制方法体现出良好的抑噪性能，并体现出良好的稳定性和准确性，能够准确地描述典型网络的工作特点。

3 采用预测控制方法分析非线性典型网络时滞性系统

考虑到典型网络工作条件时存在不可避免的时滞现象，为此要针对系统的时滞问题进行控制，本文重点关注典型网络的时变状态时滞、时变控制时滞、非线性及输入约束等，构建非线性典型网络时滞系统模型，引入预测控制策略和方法，实现对典型网络的有效控制。

3.1 典型网络通信系统的建模

无线通信网络系统建模分析要重点关注时变的功率时滞、速率时滞、控制时滞等非线性、不确定性因素，在模型中添加一个含有时滞的功率控制量和二维状态向量，可以获取系统状态空间模型。

对于车联网通信网络而言，在进行系统建模分析的过程中要充分考虑系统的时变时滞、控制时滞、非线性因素，并加入功率控制量和二维状态向量，获取车联网功率控制状态空间模型。

在计算机网络的系统建模中，要充分考虑分组丢弃概率表达中的系统时滞变量，构建计算机网络控制系统状态空间模型，并进行离散化，获悉离散时间下的计算机网络拥塞控制模型。

3.2 预测控制方法的应用

考虑到三种典型网络存在较大的不确定性和外界干扰等非线性因素，为此可以采用具有良好抗干扰能力和鲁棒性的预测控制方法，实现对非线性时滞系统的有效控制。对此需要构建典型网络的预测系统模型，设置开环预测向量，通过控制策略与参数估计相结合的方式，求取获得控制量。

以车联网通信网络的预测控制方法为例，相关数据为：初始信噪比为10dB，载波频率为5.9GHz，信号传输最大容量为3Mb/s，选用离散系统的最优控制方法，获取车联网通信网络状态变量曲线、输入变量曲线和时变时滞曲线，直观显示非线性典型网络的时滞系统性能，反映预测控制方法对车联网通信网络的良好功率、速率控制效果。

4 采用鲁棒保性能控制方法分析多时滞典型网络非线性系统

鉴于典型网络模型的复杂性，要引入鲁棒保性能控制方法，面向三个典型网络构建多时滞非线性系统模型，充分考虑无/有时滞状态量、无/有时滞控制量、不确定参数及非线性因素，再采用保性能控制方法实现系统控制。

4.1 典型网络通信系统的建模

无线通信网络系统建模要考虑时滞问题、不确定性和非线性问题，设置状态时滞、控制时滞、无/有时滞的功率控制量，构建无线通信网络速率控制状态空间模型。

车联网通信网络系统建模要考虑车联网通信系统中的时变时滞、控制时滞、非线性因素，加入功率控制量，获取车联网通信网络状态空间模型。

计算机网络系统建模考虑计算机网络的下行链路中分组丢弃概率被传回源端的情形，还要考虑计算机网络上行链路中信号衰落和丢包的现象，构建计算机网络系统状态空间模型，并进行离散化，获取离散时间下的计算机网络拥塞控制模型。

4.2 鲁棒保性能控制方法的应用

考虑典型网络存在参数不确定性和时滞性问题，因而可以设计一个控制律，使闭环系统逐渐趋于鲁棒稳定性，并具有良好的动态响应性能。以实际无线网络通信系统为例，其相关参数为：信道带宽为4KHz，初始信噪比为30dB，获取无线通信网络状态变量曲线、输入变量曲线、系统时滞及控制时滞曲线，可以看到鲁棒保性能控制的状态变量曲线能够快速趋于稳定，并无超调量现象，能够有效克服系统的多时滞、不确定性、非线性、输入约束等问题，提升系统的稳定性、准确性和快速性。

5 小结

综上所述，本文选取无线通信网络、车联网通信网络和计算机网络这三种典型网络，构建典型网络通信系统模型，对不确定性、状态时滞的典型网络采用滑模变结构控制，对时变时滞、非线性的典型网络系统采用预测控制，对同时兼具时变状态时滞、时变控制时滞、非线性、输入约束的典型网络系统采用鲁棒保性能控制。未来还要考虑移动通信网络形式的车联网系统构建模型，并在控制过程中考虑网络的公平性和资源分配问题，深入探讨网络跟踪和容错性课题。