鐘 堅(jiān)

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團(tuán)有限公司廣東分公司 廣東 廣州 510062）

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)擁塞問題日益嚴(yán)峻，如何有效減少擁塞問題、促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提升，保證通信網(wǎng)絡(luò)的有效性、穩(wěn)定性和魯棒性，成為眾多研究學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問題［1］。網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中大量數(shù)據(jù)包丟失或被重新發(fā)送，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增加數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。 如果情況嚴(yán)重，還可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。 網(wǎng)絡(luò)擁塞是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的一種網(wǎng)絡(luò)過載現(xiàn)象［2］，是由于用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求超出了網(wǎng)絡(luò)原有的承載能力，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)失去原有平衡。 在通信網(wǎng)絡(luò)中，處理器能力不足等問題都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量降低，進(jìn)而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。 為了能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，進(jìn)而促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的提升，本文將結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，開展對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法的設(shè)計(jì)研究。

1 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)

為了避免通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞問題，首先需要結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行特點(diǎn)，預(yù)測(cè)流量。 其次根據(jù)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，采取相應(yīng)的措施，實(shí)現(xiàn)控制。 在預(yù)測(cè)流量時(shí)引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是將模糊邏輯［3］與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)成以下的新思路：若將網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的作用函數(shù)、連接權(quán)、模糊子集隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則等有機(jī)地組合，就能獲得較好的控制與預(yù)測(cè)效果［4－5］。 首先通過測(cè)定得到在某一時(shí)刻的通信網(wǎng)絡(luò)路由器出口速率，然后將該速率結(jié)果與參考速率對(duì)比，并根據(jù)公式（1）計(jì)算得出偏差值：

式（1）中，r（t） 表示某一時(shí)刻t的出口速率；r0表示參考速率。 在式（1）中，r0應(yīng)當(dāng)滿足r0≤C的條件，其中C表示瓶頸鏈路的鏈路帶寬。 設(shè)計(jì)基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)

將從通信網(wǎng)絡(luò)中獲取到的數(shù)據(jù)輸入到構(gòu)建的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)流量的預(yù)測(cè)。 對(duì)于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的輸入，可選擇將獲取數(shù)據(jù)的隸屬度作為輸入量，其表達(dá)式如式（2）所示。

式（2）中，Rj表示隸屬度；Pj表示隸屬度概率；wj表示權(quán)重；α表示隸屬度系數(shù)。 基于上述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，結(jié)合隱含層sigmoid 函數(shù)，通過偏差值進(jìn)行優(yōu)化，獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，即通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，公式如式（3）所示。

式（3）中，β為通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

至此完成基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)。

2 構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制與模糊控制

基于通信網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)結(jié)果，構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制與模糊控制方法［6］。 建立通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的非線性微分方程如式（4）所示。

式（4）中，W（t） 表示通信網(wǎng)絡(luò)擁塞窗口大??；R（t） 表示信元往返延長時(shí)間；p表示分組丟棄或標(biāo)記概率。 該方程模擬了ECP 擁塞窗口的AIMD 過程，其中可以用于描述慢開始時(shí)的指數(shù)增長，W／2 可以用于對(duì)擁塞檢測(cè)時(shí)乘性減小的描述。

基于以上論述，確定基于鏈路擁塞的通信網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制有兩種：一種為隊(duì)列管理控制，另一種為隊(duì)列調(diào)度控制。其中，前者主要是通過對(duì)路由器中的緩存隊(duì)列進(jìn)行管理，來確定是否將生成的數(shù)據(jù)包插入到緩存隊(duì)列中或是丟棄。這樣能有效地控制排隊(duì)時(shí)間，將排隊(duì)時(shí)間保持在一個(gè)相對(duì)合理的區(qū)間，減少了鏈路時(shí)延，提高了鏈路的吞吐率。 后者可根據(jù)多個(gè)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包優(yōu)先順序，更大限度地使用帶寬，實(shí)現(xiàn)更公平的帶寬分配，從而使得隊(duì)列之間能夠?qū)崿F(xiàn)共享。

考慮到通信網(wǎng)絡(luò)存在非線性、時(shí)延和參數(shù)多變等特點(diǎn)，本文建立一個(gè)具備動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)能力的模糊控制器方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞的模糊控制，通過模糊控制分別調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的學(xué)習(xí)速率。 模糊控制的輸入值如式（5）所示。

式（5）中，e（t） 表示誤差值變化；δ表示模糊控制輸入系數(shù)；?表示時(shí)間轉(zhuǎn)換系數(shù)。 將模糊控制的輸入設(shè)置為模糊集，則模糊集為D＝｛d1（t），d2（t），…，dm（t）｝， 通過模糊集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙曲正切函數(shù)（tanh）的一種變體函數(shù)結(jié)合，得到如下激活函數(shù)如式（6）所示。

通過式（6）激活后，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞進(jìn)行模糊控制，得到通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法，可用公式表示如式（7）所示。

式（7）中，γ表示通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制因子；E（t） 表示采樣時(shí)刻隊(duì)列長度與期望隊(duì)列長度之差；表示差值因子。 至此完成基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法設(shè)計(jì)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

本文通過將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中，提出了一種全新的控制方法。 為了驗(yàn)證新的控制方法在實(shí)際應(yīng)用中能否實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞的有效控制，進(jìn)而促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率的提升，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)中將基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法設(shè)置為實(shí)驗(yàn)組，將基于NS2 的控制方法設(shè)置為對(duì)照I 組，將沒有任何控制方法應(yīng)用下的常規(guī)無反饋設(shè)置為對(duì)照II 組。 應(yīng)用三組控制方法對(duì)同一通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擁塞控制。 在該通信網(wǎng)絡(luò)中存在一系列獨(dú)立高斯白噪聲，其均值設(shè)置為0.526，方差為1。 在實(shí)驗(yàn)的過程中，設(shè)置通信網(wǎng)絡(luò)幀產(chǎn)生的速率為25 幀／s。 選用2 000 個(gè)數(shù)據(jù)，其中400 個(gè)數(shù)據(jù)用于兩種控制方法的訓(xùn)練，后1 600 個(gè)數(shù)據(jù)用于對(duì)三組進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)本文控制方法的檢驗(yàn)，選擇將通信網(wǎng)絡(luò)中幀的信元比特率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其公式如式（8）所示。

式（8）中，λ（n＋1） 表示第n幀的下一幀信元比特率；a和b均為常數(shù)，其中a取值為0.826 1，b取值為0.112 5；ω（n） 表示一系列獨(dú)立高斯白噪聲；λ（n） 表示第n幀的信元比特率，λ（n） 的單位取7.5 Mb／s。 通過上述公式計(jì)算得出的信元比特率，取值越高，說明在單位時(shí)間內(nèi)傳輸或處理的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)量越多，通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率越高，擁塞問題發(fā)生的可能性越??；反之，取值越低，說明在單位時(shí)間內(nèi)傳輸或處理的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)量越少，通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率越低，擁塞問題發(fā)生的可能性越大。 根據(jù)上述論述，記錄三組不同實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的信元比特率，結(jié)果如表1 所示。

表1 三組實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)中信元比特率對(duì)比

從表1 中記錄的數(shù)據(jù)可以看出，在三組實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)組信元比特率最高，基本控制在0.85×7.5 ～0.97×7.5 Mb／s 范圍內(nèi)，而對(duì)照I 組信元比特率僅能控制在0.40×7.5～0.46×7.5 Mb／s 范圍內(nèi)，明顯小于實(shí)驗(yàn)組。 對(duì)照II 組由于沒有應(yīng)用任何控制方法，因此其信元比特率最低，只能夠維持在0.20×7.5 ～0.26×7.5 Mb／s 范圍內(nèi)，極易出現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。 根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，在不進(jìn)行控制時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)極易出現(xiàn)擁塞問題，造成通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率降低，而實(shí)驗(yàn)組控制方法與對(duì)照I 組控制方法相比，控制效果更理想，能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，減少甚至避免擁塞問題發(fā)生的可能。

接下來再從通信質(zhì)量角度開展對(duì)三組實(shí)驗(yàn)條件下的通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制實(shí)驗(yàn)。 選擇將通信網(wǎng)絡(luò)中信元的丟失率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，丟失率越高，說明對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量越差，控制效果越差；丟失率越低，說明對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量越優(yōu)，控制效果越優(yōu)。在計(jì)算三組實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)信元丟失率時(shí)，可將公式（9）作為依據(jù)：

式（9）中，U表示通信網(wǎng)絡(luò)的信元丟失率；u表示信元的丟失量；Z表示通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男旁偭俊?根據(jù)上述公式，對(duì)三組實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)的信元丟失率進(jìn)行記錄，并繪制如圖2 所示的對(duì)比圖。

圖2 三組實(shí)驗(yàn)條件下通信網(wǎng)絡(luò)信元丟失率對(duì)比圖

從圖2 中三條曲線對(duì)比可以看出，實(shí)驗(yàn)組條件下，在通信10 min 時(shí)間內(nèi)，信元的丟失率始終未超過0.005，并且隨著時(shí)間的增加，信元丟失率呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢(shì)。 而對(duì)照I 組條件下，信元的丟失率基本控制在0.015 上下幅度范圍，且隨著通信時(shí)間的增加，信元丟失率明顯呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。 對(duì)照II 組由于未應(yīng)用任何控制方法，造成通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了擁塞問題，因此其信元丟失率最高，基本控制在0.025 ～0.035 范圍內(nèi)。 根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，應(yīng)用本文提出的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法可以有效降低通信網(wǎng)絡(luò)中信元的丟失率，促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的提升，達(dá)到預(yù)期理想的控制效果。

4 結(jié)語

綜上所述，為了解決通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中存在的信元比特率低和信元丟失率高的問題，本文提出了一種全新的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。 該方法設(shè)計(jì)了模糊集，并且結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機(jī)制，從而構(gòu)建了通信網(wǎng)絡(luò)擁塞控制方法。 通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式證明新的控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)擁塞問題的有效控制，提升信元比特率，降低信元丟失率，在極大程度上可以避免通信擁塞問題產(chǎn)生。 在實(shí)際應(yīng)用中，本文提出的控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)流量的預(yù)測(cè)，因此結(jié)合得到的預(yù)測(cè)結(jié)果分配復(fù)用、路由和帶寬，能夠進(jìn)一步促進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能的提升，對(duì)未來通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和發(fā)展有較大的參考價(jià)值。