一种CPS延时抖动缓冲方法技术

本发明专利技术提出一种CPS延时抖动缓冲方法，其包括：获取网络延迟初始数据；设置一个滑动窗口，用于记录距离当前时间最近的若干个单边时延变量；剔除滑动窗口中较大的单边时延变量；对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换；针对经映射变换后的数据，利用导数最小二乘预测模型求解第一预测值；对所述第一预测值进行逆映射；针对经逆映射变换后的数据，以及经排序后的所述滑动窗口中的剩余数据的第u％位数据，选取较大者作为第二预测值；其中，所述u％根据经验设置；根据该第二预测值计算反馈延迟预测值。所述方法可以合理设置反馈延迟区的大小，平滑网络抖动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及网络通信
，具体地，涉及一种CPS延时抖动缓冲方法。
技术介绍
在CPS中，传感器节点需要实时感知环境变化，决策控制模块需要根据实时数据进行处理与判决，执行器间要协同操作以实现对物理过程的控制。传感器节点、决策控制模块和执行器节点依靠无线网络构成了一个闭环环路。由于CPS引入了通信过程，不可避免会带来网络时延。如果时延太大，则会对系统的实时性和同步性产生影响，特别是会影响系统中各个执行模块之间的同步。并且，通信网络中存在各种复杂因素，例如拥塞和信道质量等原因造成的传输延迟、延迟抖动和丢包，这些问题也会影响系统的实时性和同步性。此外，网络延迟可能会在很短的时间内急剧变化，从而导致数据包到达时间不可预测，阻碍CPS数据包的实时传送和系统单元的同步操作。最终，这些问题甚至会影响被控物理系统的性能，危害物理系统的稳定性和安全性。而且，一些实时同步应用需要准确预测数据包的到达时间，然而，时延抖动会导致数据包的到达时间不确定，进而会影响实时同步应用的性能，使得提供高质量服务的实时同步应用十分困难。由此可见，建立一个合理的网络时延抖动平滑机制来减少网络时延不稳定对系统的影响是十分必要的。网络时延是影响CPS实时性和同步性的一个重要因素，网络时延越大，系统等待时间越长，实时性和同步性也就越差；网络抖动则是影响系统稳定性的一个重要因素，网络抖动越少，系统的稳定性也就越好。因此，平滑网络抖动是CPS必须要解决的问题之一。在执行器端设置反馈延迟区可以平滑网络抖动，在预测时间内应用控制信号，能够有效地减小或者消除网络的不确定性对网络应用系统性能的影响。反馈延迟区的含义是：在执行器端设置一段时间，在这段时间内接收到控制模块发来的命令信号时，先存储起来，等到这段时间完结，再执行命令。这段时间的时长称为反馈延迟。反馈延迟区时长的设置十分关键：如果反馈延迟区的时长设置过大，执行模块等待过长，时延就会过大，影响系统的实时性和同步性；反之，反馈延迟区的时长设置过小，执行模块无法正常接收命令信号，结果不仅无法吸收延时抖动，而且会导致丢包率的上升，最后甚至损坏系统。因此，反馈延迟区时长的设置必须在延时和丢包之间取得平衡。如何合理的设置反馈延迟区的大小，平滑网络中的不规则抖动，国内外研究学者们提出了很多种网络抖动平滑以及缓冲器大小设置算法。例如，基于最小二乘法(LeastSquareMethod,LSM)和移动平均法(MovingAverageMethod,MAM)的预测算法。这两种算法在遇到较大的延时抖动后，预测值产生突变，无法重新贴近实验中的网络延时抖动的大小，从而影响预测的准确性。而另外一种基于指数平滑法(ExponentialSmoothingMethod,ESP)的抖动平滑算法与LSM算法和MAM算法相比，ESM算法的均值和方差更小，预测值更加精确。然而，ESM算法会因为观测值中含有较大的单边延迟变量而受到影响，产生一个比较大的预测值，导致时延增大，从而影响系统的实时性和同步性。
技术实现思路
针对CPS的网络以及其它系统涉及的无线网络中，因为时延的不规则抖动影响系统的稳定性和系统性能这一问题，本专利技术提出一种CPS延时抖动缓冲方法，所述方法包括：获取网络延迟初始数据；设置一个滑动窗口，用于记录距离当前时间最近的若干个单边时延变量；剔除滑动窗口中较大的单边时延变量；对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换；针对经映射变换后的数据，利用导数最小二乘预测模型求解第一预测值；对所述第一预测值进行逆映射；针对经逆映射变换后的数据，以及经排序后的所述滑动窗口中的剩余数据的第u％位数据，选取较大者作为第二预测值；其中，所述u％根据经验设置；根据该第二预测值计算反馈延迟预测值。针对CPS的网络以及其它系统涉及的无线网络中，因为时延的不规则抖动影响系统的稳定性和系统性能这一问题，本专利技术提出了一种合理设置反馈延迟区的大小，平滑网络抖动的方法。本专利技术无需各个系统模块时钟同步，不会引入同步算法误差，同时，能够有效地减少网络延迟抖动中的异常值，更加精确地预测网络中延时抖动大小的变化，与其他方法相比，预测值的均值和方差更小，具有一定的优越性。附图说明图1为实施例一提供的一种CPS延时抖动缓冲方法示意图。图2为实施例二提供的一种CPS延时抖动缓冲方法示意图。图3为基于均匀分布的四种抖动缓冲方法均值与方差比较图。图4为基于Pareto分布的四种抖动缓冲方法均值与方差比较图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。参见图1所示，为实施例一提供的一种CPS延时抖动缓冲方法示意图，其中包括如下步骤：S101、获取网络延迟初始数据。所述网络是CPS涉及的无线网络。获取网络延迟初始数据是获取控制器端与终端节点之间的数据包传输时间延迟值，作为初始样本数据。S102、设置一个滑动窗口，用于记录距离当前时间最近的若干个单边时延变量。设置一个滑动窗口作为目标区域，然后计算每一次观测值，即单边时延变量，并将距离当前时间最近的若干个单边时延变量记录至所述滑动窗口。S103、剔除滑动窗口中较大的单边时延变量。由于网络时延的不确定性可能导致所述滑动窗口中的数据出现抖动，即某些数据可能远大于窗口中的其他大部分数据。这些数据会影响网络的稳定性和实时性等多方面的性能。可以通过剔除滑动窗口中较大的单边时延变量来进行平滑。具体而言，先计算所述滑动窗口中的数据集合的标准差，并利用拉依达准则剔除较大的抖动数据。其中，拉伊达准则的数学表达式为：Vd＝|Xd-X|>3σ(1≤d≤n)其中，Xd为样本中的数据；X为样本的期望值；Vd为数据域期望值的偏差。S104、对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换。具体而言，可以通过以下方式对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换：Y(i+1)＝α×x+(1-α)×Y(i)其中，Y(i)为第i次观测值的映射变换，Y(i+1)为第i+1次观测值的映射变换，α表示变换系数，α∈(0,1)。优选地，所述变换系数α＝0.6～0.9。S105、针对经映射变换后的数据，利用导数最小二乘预测模型求解第一预测值。所述导数最小二乘预测模型包括以下至少一种：四参数幂函数模型、三参数指数函数模型；其中，所述四参数幂函数模型的数学表达式为：s(w+1+j)＝a+c(w+1+j)mp(ws+1+j)＝(s(w+1+j)-(1-α)×s(w+j)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CPS延时抖动缓冲方法，其特征在于，包括：获取网络延迟初始数据；设置一个滑动窗口，用于记录距离当前时间最近的若干个单边时延变量；剔除滑动窗口中较大的单边时延变量；对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换；针对经映射变换后的数据，利用导数最小二乘预测模型求解第一预测值；对所述第一预测值进行逆映射；针对经逆映射变换后的数据，以及经排序后的所述滑动窗口中的剩余数据的第u％位数据，选取较大者作为第二预测值；其中，所述u％根据经验设置；根据该第二预测值计算反馈延迟预测值。

【技术特征摘要】
1.一种CPS延时抖动缓冲方法，其特征在于，包括：
获取网络延迟初始数据；
设置一个滑动窗口，用于记录距离当前时间最近的若干个单边时延变量；
剔除滑动窗口中较大的单边时延变量；
对滑动窗口中剩余的数据进行映射变换；
针对经映射变换后的数据，利用导数最小二乘预测模型求解第一预测值；
对所述第一预测值进行逆映射；
针对经逆映射变换后的数据，以及经排序后的所述滑动窗口中的剩余数据的
第u％位数据，选取较大者作为第二预测值；其中，所述u％根据经验设置；
根据该第二预测值计算反馈延迟预测值。
2.根据权利要求1所述的延时抖动缓冲方法，其特征在于，所述网络延迟
初始数据服从均匀分布和Pareto分布。
3.根据权利要求1所述的延时抖动缓冲方法，其特征在于，所述剔除滑动
窗口中较大的单边时延变量，包括：
计算所述滑动窗口中的数据集合的标准差，并利用拉依达准则剔除较大的抖
动数据。
4.根据权利要求1所述的延时抖动缓冲方法，其特征在于，所述对滑动窗
口中剩余的数据进行映射变换，通过以下方式实现：
Y(i+1)＝α×x+(1-α)×Y(i)
其中，Y(i)为第i次观测值的映射变换，Y(i+1)为第i+1次观测值的映射变
换，α表示变换系数，α∈(0,1)。
5.根据权利要求4所述的延时抖动缓冲方法，其特征在于，所述变换系数
α＝0.6～0.9。
6.根据权利要求1所述的延时抖动缓冲方法，其特征在于，所述导数最小

\t二乘预测模型包括以下至少一种：四参数幂函数模型、三参数指数函数模型；
其中，所述四参数幂函数模型的数学表达式为：
s(w+1+j)＝a+c(w+1+j)mp(ws+1+j)＝(s(w+1+j)-(1-α)×s(w+j))/α
其中，a,c和m为待定参数；w+1+j为经过映射变换的时间序列；s(w+1+j)
为根据模型计算的值；p(ws+1+j)为映射变换逆变换后的预测值；
所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘萍，范龙，张克龙，包翰榕，王广智，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11