Báo cáo khoa học: "MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN ỨNG DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG ATM"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

78
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Bài viết này trình bày một số kỹ thuật điều khiển trong việc thiết kế bộ điều khiển nghẽn cho các lưu lượng ABR trong mạng ATM. Chúng tôi sử dụng phương pháp hồi tiếp dựa trên tốc độ để điều khiển lưu lượng mà ở đó các nguồn sẽ điều chỉnh tốc độ truyền của chúng phù hợp với các thông tin phản hồi từ các nút mạng. Cụ thể, tác giả sẽ đưa ra các phương pháp điểm cực, điều khiển tối ưu và logic mờ để thiết kế bộ điều khiển tốc độ tường minh....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN ỨNG DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG ATM"

MỘT SỐ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TRÁNH TẮC NGHẼN ỨNG DỤNG TRONG MẠNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG ATM ThS. TRẦN XUÂN TRƯỜNG Liên Bộ môn Điện – Điện tử - Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài viết này trình bày một số kỹ thuật điều khiển trong việc thiết kế bộ điều khiển nghẽn cho các lưu lượng ABR trong mạng ATM. Chúng tôi sử dụng phương pháp hồi tiếp dựa trên tốc độ để điều khiển lưu lượng mà ở đó các nguồn sẽ điều chỉnh tốc độ truyền của chúng phù hợp với các thông tin phản hồi từ các nút mạng. Cụ thể, tác giả sẽ đưa ra các phương pháp điểm cực, điều khiển tối ưu và logic mờ để thiết kế bộ điều khiển tốc độ tường minh. Các bộ điều khiển này có thể được ứng dụng cho mạng thông tin băng rộng ATM vì nó đạt được những chỉ tiêu về trạng thái ổn định và đáp ứng quá độ tốt. Summary: In this paper we present control techniques for the designing a congestion controller in ATM networks for available bit rate (ABR) load. We use rate based feedback diagram to control traffic where sources adjust their rate in response to feedback imformation from the network node. We provide pole placement, optimal control and fuzzy logic method to design an explicit rate controller. These methods can be applicabe for ATM broadband networks owing to their good transient and steady state performance. CT 2 đổi (VBR). Mỗi ứng dụng CBR tạo ra dòng I. ĐẶT VẤN ĐỀ lưu lượng các tế bào không thay đổi và mong đợi phía thu sẽ nhận dòng tế b ào này với giá Phương pháp truyền dẫn không đồng bộ trị trễ tế bào biến đổi nhỏ. Lớp con VBR đ ược (ATM) là một chìa khoá công nghệ cho việc mô hình bởi các ứng dụng mà tạo ra lưu lượng tích hợp đa dịch vụ trong các mạng tốc độ dạng cụm nhiều hơn là các dòng lưu lượng cao. Diễn đàn ATM đã định ra các loại dịch bằng phẳng, đồng thời chúng mong đợi rằng vụ liên quan tới việc quản lý lưu lượng trong mạng sẽ mang lưu lượng dạng cụm của chúng mạng ATM. Các loại dịch vụ này có thể chia với sự trễ tối thiểu. Ngoài ra, diễn đàn ATM tổng quát thành hai loại cơ bản: dịch vụ bảo cũng chia các dịch vụ nỗ lực tốt nhất thành hai đảm và dịch vụ nỗ lực tốt nhất tuỳ thuộc vào lớp nhỏ hơn gọi là dịch vụ tốc độ bít không cách chúng yêu cầu sự thực hiện đảm bảo từ xác định (UBR) và dịch vụ tốc độ bit có sẵn mạng. Các ứng dụng của dịch vụ bảo đảm (ABR). Lớp dịch vụ UBR đi liền với dịch vụ điển hình gồm có âm thanh hội nghị, thoại, hiện tại trên internet. Dịch vụ ABR được đảm truyền hình hội nghị, đo lường từ xa, truyền bảo tốc độ mất tế bào bằng 0 nếu như các hình theo yêu cầu, trò chơi hoạt tính nhiều nguồn tuân theo các tín hiệu điều khiển lưu lớp, đào tạo từ xa. Lớp các dịch vụ này lại lượng biến đổi một cách linh hoạt từ phía được chia thành lớp con dịch vụ tốc độ bít mạng. Mạng sẽ sử dụng tế bào quản lý tài không đ ổi (CBR) và lớp con dịch vụ bít thay
nguyên RM đ ể thông tin tới nguồn ABR về khiển nghẽn vòng kín hồi tiếp dựa trên tốc độ. băng thông có sẵn hiện tại nơi cổ nút chai trên Mỗi nguồn sẽ gửi tế bào quản lý tài nguyên các đường truyền của chúng. Nếu nguồn tuân (RM) một cách định kỳ cùng với yêu cầu về thủ tín hiệu này nó sẽ đảm bảo sự mất tế bào sự phân bố tốc độ truyền dẫn cụ thể trong bằng 0. Tuy nhiên mạng cũng không cần đảm khoảng thời gian kế tiếp. Mỗi phần tử mạng bảo về giới hạn độ trễ hay băng thông trung (hay server) sẽ tính tốc độ phân bố của nguồn bình (chỉ bảo đảm tại băng thông tối thiểu). theo quy luật công bằng max-min. Nó ghi tốc Dịch vụ ABR khác với VBR ở chỗ, VBR độ này trên tế bào RM đang quay lại trở về không cần thay đổi hành vi của nó thích ứng nguồn. Tại nguồn, tốc độ trên t ế bào RM được với các tín hiệu mạng bởi vì tài nguyên dự trữ sử dụng để chỉnh sửa tốc độ truyền của nó cho nguồn loại này đủ để đảm bảo rằng giới một cách linh hoạt. Nguồn gửi xen các tế bào hạn về chỉ tiêu của nó được thoả mãn. Ở đây dữ liệu cùng với các tế bào RM theo quy luật ta sẽ bàn tới sự quản lý lưu lượng ABR khi sử cứ một tế b ào RM cho mỗi cụm NRM tế bào dụng các tế bào RM. dữ liệu, trong đó NRM là một tham số của sơ đồ. Tế bào RM chứa một tốc độ tường minh Trong mạng B - ISDN, thuật ngữ điều (ER) là tốc độ mà nguồn sẽ gửi ngay trong khiển lưu lượng và đi ều khiển nghẽn diễn tả thời điểm tương lai kế tiếp. Khi một phần tử những khía cạnh khác nhau của các hoạt động mạng nhận tế bào RM, nó tính băng thông ATM. Nghẽn được xác định là một điều kiện chia sẻ của nguồn theo một vài phương pháp tồn tại ở lớp ATM trong các phần tử mạng nào đó (không xác định theo tiêu chuẩn). Một như các nút chuyển mạch hay các tuyến vài thuật toán đã đ ược phát triển để tính băng truyền dẫn mà tại đó mạng không đáp ứng thông của nguồn được chia sẻ công bằng. Nếu CT 2 được trạng thái và sự thoả thuận của đối giá trị chia sẻ là nhỏ hơn tốc độ yêu cầu của tượng. Ngược lại điều khiển lưu lượng được nguồn thì nó sẽ giảm giá trị của trường ER. xác định như tập các hành động thực hiện bởi Ngoài ra, trong tế bào RM còn có một bit để mạng để tránh nghẽn. Do sự thăng giáng lựa chọn các phần tử mạng hoặc theo trực tiếp thống kê không thể đoán được của dòng lưu hướng tới (từ nguồn tới đích) hay các phần tử lượng của các dịch vụ đa truyền thông, nghẽn mạng theo hướng về (từ đích tới nguồn). Phần mạng vẫn có thể xuất hiện thậm trí cả khi đã tử mạng sẽ chỉnh lại giá trị ER chỉ trên hướng được trang bị các bộ điều khiển chấp nhận đấu đi thích hợp của tế bào. Khi tế bào RM đi tới nối. Để tránh được thông số chất lượng dịch và đi về hai lần trên mạch ảo từ nguồn tới đích vụ (QOS) xuống cấp nghiêm trọng trong và trở lại nguồn, nó sẽ đ ược phần tử mạng lựa khoảng nghẽn ngắn hạn, ta cần cung cấp một chọn để giảm giá trị ER trong tế bào RM đó bộ điều khiển nghẽn thích hợp. Đây cũng tới giá trị nhỏ nhất đ ược phân bố, chia sẻ dọc chính là lý do để ta nghiên cứu và ứng dụng theo đường truyền. Do đó, nguồn sẽ phát hiện các b ộ điều khiển nghẽn hiệu quả cho mạng ra băng tần được chia sẻ của nó theo hướng thông tin băng rộng ATM. tới hoặc hướng ngược lại sau mỗi chu kỳ di chuyển của tế bào RM. Trong khoảng thời II. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN CHO gian thiết lập cuộc gọi, mạng đảm bảo cung CÁC DỊCH VỤ ABR cấp cho nguồn tốc độ tế bào cho phép (ACR) Diễn đàn ATM đã áp dụng sơ đồ điều không nhỏ hơn tốc độ tế bào cực tiểu (MCR).
Nguồn thông báo cho mạng về tốc độ của nó, Nếu ER
thời gian trễ và tốc độ mới của nguồn sẽ gây Phương trình bộ đệm đối với hàng đợi ảnh hưởng chỉ sau một thời gian trễ khác. Mô cửa ra có thể đ ược viết như sau : hình giả định ở đây cho mạng là giống như   Q( n  1)  Sat B Q( n )   q ( n )  C q ( n ) mô hình đã cho trong [4]. Tức là, chúng ta giả sử rằng lưu lượng ABR trong mạng có thể (2) được mô hình như một quá trình thay đổi có Trong đó, B là dung lượng bộ nhớ trong trước. Chúng ta quan tâm đến việc tính toán trường hợp tải lưu lượng đối xứng tại tất cả các tốc độ tường minh R tại chuyển mạch dựa trên hàng đợi cửa vào; Cq là tốc độ dịch vụ tại chuyển sự chiếm giữ bộ đệm (chiều dài hàng đợi) tại mạch mà có thể đạt được từ bộ điều khiển chấp cổng ra của chuyển mạch. Từ đó nguyên nhân nhận đấu nối và hàm SatB(x) có dạng: của việc thắt nút chai là do giới hạn dung lượng tại cổng ra, sơ đồ điều khiển ABR sẽ 0 nêu   0 giải thích mối quan hệ với một cổng ra cụ thể.  Sat B ()  B nêu   0 (3) Chiều dài hàng đợi cần quan tâm chính là tổng  các truong hop khác  của các tế bào ABR mà đang đợi tại các hàng đợi đầu vào biến đổi, sẵn sàng được chuyển Phương trình cho quá trình tính toán tốc mạch tới cổng ra Q. Nếu ta chia thời gian độ tường minh tại chuyển mạch đ ược cho bởi: thành các khe và mỗi một khe có độ dài là Ts R q ( n  1)  Sat C q ( n ) R q ( n )  U( n ) (4) ms. Ta biểu diễn các tế bào hàng đợi đầu ra là Q(n). Gọi fq (n) và Cq(n) tương ứng là số các tế Ở đây, U(n) là giá trị điều khiển tuỳ bào đ ến tại hàng đợi đầu ra và dung lượng có thuộc vào các k ỹ thuật điều khiển khác nhau. sẵn cho dịch vụ ABR tại cổng ra trong khoảng CT 2 khe thời gian (n, n+1). Chú ý rằng fq và Cq Trong phần sau, ta coi li(n), Uq(n) và biểu diễn cho tốc độ nghĩa là số các tế bào Cq(n) là các hằng số. Giả thiết này có thể biện trong mỗi khoảng lấy mẫu Ts. Chúng ta có thể hộ nếu như các tham số này biến đổi một cách vi ết fq(n) như sau : chậm chạp khi so với hằng số thời gian của hệ thống vòng kín. Trong việc thiết kế hệ thống D ( n )  U q ( n )   l i (n ) * R q ( n  1  i )  điều khiển và việc nghiên cứu tính ổn định q i 1 cục bộ, chúng ta quan sát phần tuyến tính của phương trình đ ộng học bằng cách bỏ đi phần (1) phi tuyến bão hoà một cách đơn giản. Phương Ở đây, Uq(n) là tổng tốc độ (độ rộng trình kết quả có dạng: băng) của các đấu nối bị thắt nút chai ở đâu đó D nhưng được tạo tuyến qua cổng ra này. li(n) là Q(n  1)  Q(n )   l i R (n  l  i)  C 'q số số các kết nối bị thắt nút chai tại cổng ra i 0 với thời gian trễ quanh mạng bằng với khe (5) thời gian i được đo trong Ts > D là thời gian trễ quanh mạng lớn nhất giữa các đấu nối Trong đó : - C’q = Cq - Uq là băng thông được tạo tuyến qua cổng ra này, Rq(n+1) là có sẵn đối với việc chia sẻ bởi tất cả các đấu tốc độ tường minh đ ược tính tại chuyển mạch nối bị thắt cổ chai. tại khoảng thời gian n đối với khe ( n, n+1). Rq(n+1) = Rq(n) + U(n) (6)
Trong phần tiếp theo, ta sẽ mô tả các kỹ đặt của bộ đệm mà có giá trị đủ nhỏ để tối thuật không gian trạng thái và kỹ thuật lô gíc thiểu thời gian trễ quá độ nhưng cũng đủ lớn mờ cho việc thiết kế hàm điều khiển U(n) để để đảm bảo lưu lượng mạng là khả dụng. tính toán tốc độ tường minh Rq(n). Để áp dụng kỹ thuật không gian trạng thái, chúng ta cần IV. THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN NGHẼN HỒI TIẾP ỨNG DỤNG TRONG chuyển đổi các phương trình (5) và (6) dưới MẠNG ATM dạng phương trình trạng thái. Bằng việc định nghĩa véc tơ trạng thái rời rạc: 1. Quá trình thiết kế theo phương pháp điểm cực Q(n )  q 0  Trạng thái điều khiển hồi tiếp U= -K X(n)   0 Q(n  1)  q  khi chỉ có độ lợi là hằng số, ta có thể tìm R ( n )  R ( n  d )  được đối với trường hợp trong đó các điểm   cực của hệ thống được chỉ định giá trị. Mục R (n  1)  R (n  d )  .  đích của điều khiển là thay đ ổi trạng thái ban X(n )  (7)   đầu X0 tới trạng thái X(n) = 0. Phương trình .  đặc tính vòng kín có dạng:   .  ZI-(A-BK)=0=Zn+nZn-1+n-1Zn-2 +...+1 R n  (d  2)  R n  d    R n  (d  1)  R n  d   (11)   Phương trình đặc tính mong muốn đ ược Khi đó phương trình (5) và (6) đ ược viết tìm ra từ các giá trị riêng (các điểm cực) CT 2 dưới dạng phương trình trạng thái như sau: 1 ,  2 , 3 , ... ,  n X(n+1) = AX(n) + BU(n) (8) (Z-1)( Z- 2)... (Z-n)=Zn+ nZn -1 +...+ 2Z+1 Trong đó: (12) 2  1 ( l2  l1 ) ( l3  l2 ) (l D 1  lD  2 ) (l D  l D 1 )  l1 . . 1 0  0 0 0 .. 0 0   Các thành phần của K 0 0 1  1 0 0 .. 0   được tìm thấy bằng các hệ 1  0 0 1 0 0 .. 0 0 0 1  0 1 0 .. 0 (9 ) số phương trình (11) và (12). A  1  0 0 0 0 1 0. 0 Phương pháp thay thế đ ược .  . . . . .. . .   biểu thị như sau : Từ các hệ . . . . . .. . .  số phương trình đặc tính 0 0 1  0 0 0 .1 0   vòng hở: 0 0 1  0 0 0 .0 1   B = [l0, 0, 1, 0, ..... 0]’ (10) ZI - A)= 0 = Zn + anZn - 1 + an - 1Zn - 2 +...+ a1 Chú ý rằng trong trường hợp hàng đợi (13) mạch ảo, tất cả các giá trị li = 0 khi i = Từ ma trận M có dạng: 0,1,…,D - 1. Ma trận A sẽ thay đổi nếu các đấu nối được thêm vào hay bỏ đi. q0 là giá trị
nhất giữa chất lượng và giá thành của hệ 1 0 0 . . . 0   . . 0 thống. Một dạng chuẩn hoá đó là tìm hàm an 1 0 .   điều khiển U(n) mà có thể làm tối thiểu giá trị  . . 0 a n 1 an 1 . bình phương chỉ số chất lượng J dưới dạng:   M . . an 1 . . 0  .. . 1 ' . . . .     (n )Q(n )  U ' (n)RU(n ) J   (17) . . . . .. . 2 n 0   . . 1 a2 a3 a4 a4   Trong đó Q và R là hai giá trị xác định dương. Hàm điều khiển U(n) mà có thể tối (14) thiểu giá trị J được cho bởi: Mặt khác, ma trận có tính điều khiển S có dạng: U(n) = - K x(n), A2B An-1B] ở đây: K = (R + B’SB)-1B’SA và S là nghiệm S = [B AB . . của phương trình ma trận Riccati: (15) S = Q + A’SA – A’SB(R + B’SB)-1B’SA Từ đó, K được tính bằng: (18) K = [(MS’)-1 ( - a)]’ (16) Đã có một số công cụ để giải phương Trong đó, dấu “ ’ ” biểu diễn toán hạng trình Riccati này, ví dụ như trong Matlab có chuyển vị ma trận;  và a là các véc tơ có CT 2 thể sử dụng lệnh DLQR trong đó cho A, B, Q dạng: và R là các tham số đầu vào và các ma trận sinh K, S và E. E là một véc tơ các đi ểm cực  = [n n-1 . . 1] và a = [an an-1 . . a1 ] vòng kín mà chúng là các giá trị riêng của Để K có nghiệm, ma trận S phải có hạng (A -B K). Trong nghiên cứu này thì Q đ ược là n. Điều này không dễ để thực hiện khi cỡ chọn là một ma trận chéo với phần tử đầu tiên của ma trận A là lớn bởi vì việc lựa chọn giá là khác 0 và các phần tử khác là 0 và R là đại trị riêng liên quan tới lỗi và p hép thử quan sát lượng vô hướng. được trong khi kết quả của hệ thống là thoả 3. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển mãn từ quan điểm của đáp ứng động. Quá theo lôgíc mờ trình lựa chọn các giá trị riêng theo yêu cầu trong k ỹ thuật điểm cực bao hàm việc cân đối Hiện nay các hệ thống logic mờ đã được giữa chất lượng và giá thành của bộ điều ứng dụng rộng rãi để điều khiển các hệ thống khiển. phi tuyến, thay đổi theo thời gian và khó xác định mô hình, trong đó chúng có thể cung cấp 2. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển giải pháp đơn giản và hiệu quả. Bộ điều khiển tối ưu lôgíc mờ có ba khối chức năng: bộ mờ hoá, bộ Trong điều khiển tối ưu thì bộ điều khiển giải mờ và bộ suy diễn mờ dựa trên các luật được thực hiện để cho quá trình cân đ ối tốt
V. KẾT LUẬN mờ. Bộ mờ hoá sẽ thực hiện quá trình mờ hoá mỗi biến ngôn ngữ đầu vào sang thuật ngữ, Trong bài này, chúng tôi đã trình bày các ngôn ngữ mờ được thực hiện bằng tập các hàm phương pháp cho vi ệc thiết kế bộ điều khiển thuộc. Bộ giải mờ sẽ diễn tả một biến ngôn ngữ nghẽn ABR đối với các mạng tốc độ cao sử đầu ra của hành động điều khiển bằng tập khái dụng điều khiển luồng vòng kín dựa trên tốc niệm được đặc trưng bởi tập các hàm thuộc và độ. Ba kỹ thuật điều khiển được đưa ra để áp cho một phương pháp chuyển đổi tập khái dụng khi thiết kế bộ điều khiển nghẽn ABR là niệm sang các hành động điều khiển không phương pháp điểm cực, điều khiển tối ưu và phải là mờ. Các tham số và luật của bộ điều phương pháp dùng lô gíc mờ. Đặc biệt các khiển lưu lượng mờ tìm thấy từ các phương phương pháp đã chỉ ra cách để làm sao thiết pháp điều khiển nghẽn đã có. Một số tác giả đã kế b ộ điều khiển tốc độ t ường minh. Các bộ giới thiệu hướng nghiên cứu mờ để cung cấp điều khiển này có thể ứng dụng hữu ích cho giải pháp thực hiện linh hoạt và mang lại chất các mạng chuyển mạch gói nói chung, đồng lượng cao đối với việc quản lý hàng đợi trong thời chúng rất thích ứng với các mạng băng mạng ATM. Ở đây chỉ đưa ra một cách tóm tắt rộng tốc độ cao dùng công nghệ ATM. về việc thiết kế bộ điều khiển nghẽn mờ dựa trên chiều dài hàng đợi (sử dụng trong kỹ thuật hai giá trị ngưỡng) và đồng thời dựa trên tốc độ Tài liệu tham khảo thay đổi hàng đợi Q(n) (sự khác nhau giữa tốc [1]. The ATM forum traffic manegement CT 2 độ đến và tốc độ dịch vụ). Các thuật ngữ “gần specification version 4.0 [online], rỗng” và “gần đầy” được sử dụng để mô tả fpt://fpt.atmforum.com/pub/approved-specs/af-tm. Q(n), thuật ngữ “dương” và “âm” mô tả cho [2]. S. Kalyanaraman, “ Traffic manegement for Q(n) và thuật ngữ “giảm”, “không thay đổi”, the available bit rate service in asynchronous “tăng” để mô tả cho hành động điều khiển đầu transfer mode (ATM) networks,” Ph.D. dissertation, Dept. of Computer and Information ra. Các hàm thuộc hình thang được sử dụng Science, The Ohio State Univ., 1997. cho đầu ra. Trọng tâm của phương pháp đưa ra [3]. S.Keshav, An Engineering Approach to được sử dụng để tính toán hành động điều Computer networking, Reading, MA : Addison khiển rõ. Các luật như nếu Q là gần rỗng và wesley, 1997. Q là dương thì hành động điều khiển là [4]. A. Kolarov and G. Ramamurthy, “ A control “tăng” được sử dụng cho tập các luật mờ. Bộ theoretic appoach to the design of closed loop rate điều khiển nghẽn mờ được mô phỏng và kết based flow control for high speed ATM networks,” IEEE infocom, April 1997. quả ban đầu chỉ ra rằng chất lượng bộ điều khiển nghẽn mờ là có thể so sánh với các [5]. H.J.Zimmerman, “Fuzzy set theory and its applications,” 2nd Ed., New York, Kluwer, 1991. phương pháp điều khiển thông thường. Các kết quả hoàn chỉnh được ấn bản trong các nghiên [6]. S. Low, “Traffic manegement of ATM networks,” Ph.D. thesis, U.C. Berkeley,1992 cứu khác.