基于控制理論的網(wǎng)絡擁塞控制中的若干算法研究.pdf

1、由于網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡流量分布的不均衡，擁塞的發(fā)生是Internet網(wǎng)絡的固有屬性。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的快速增長和各種應用的不斷產(chǎn)生，網(wǎng)絡擁塞問題日益加劇，成為了影響網(wǎng)絡性能的主要因素，所以對網(wǎng)絡擁塞控制算法的研究也成為了網(wǎng)絡研究領域的熱點問題。
　　 擁塞控制算法可以分為源算法和鏈路算法兩類。源算法，如TCP協(xié)議等，在主機及網(wǎng)絡邊緣設備中執(zhí)行，根據(jù)網(wǎng)絡設各的反饋信息調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送的速率；鏈路算法，如主動隊列管理算法，在網(wǎng)絡設備中執(zhí)行，作用

2、是檢測擁塞的發(fā)生，并將擁塞信息反饋給用戶。動態(tài)的網(wǎng)絡環(huán)境以及網(wǎng)絡延時的不確定性，給網(wǎng)絡的建模以及設計擁塞控制算法帶來了很多困難。此外，有線/無線網(wǎng)絡、無線多跳網(wǎng)絡等一些新的網(wǎng)絡結構的涌現(xiàn)，給Internet網(wǎng)絡帶來了很多新的特性，使得傳統(tǒng)的擁塞控制機制暴露了很多局限性。針對這些問題，本文通過控制理論來提高網(wǎng)絡擁塞控制算法的穩(wěn)定性和魯棒性，并設計能夠適應新的網(wǎng)絡類型的網(wǎng)絡擁塞控制算法。本文的主要研究成果與創(chuàng)新點如下：
　　 1、針

3、對動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境，設計了一類具有H∞性能指標的主動隊列管理算法。在忽略網(wǎng)絡系統(tǒng)高頻性能的前提下，設計了一種H∞PI控制器，通過線性矩陣不等式方法給出了一種簡單的H∞PI控制參數(shù)的整定方法?？紤]H∞PI控制器在建模過程中的不足，通過線性時滯系統(tǒng)的H∞控制方法，設計了一種主動隊列管理的輸出反饋控制器。證明了這種輸出反饋控制器具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，同時給出了基于線性矩陣不等式方法的參數(shù)求解方法。仿真結果表明這類具有H∞性能指標的主動隊列管理

4、算法具有良好的控制性能且在變化的網(wǎng)絡環(huán)境下具有較強的魯棒性。
　　 2、針對通訊過程中時延的不確定性，給出了一類基于變時滯的主動隊列管理算法?？紤]TCP協(xié)議中的超時重傳機制，在小信號線性化的基礎上，設計了一個基于觀測器的時滯相關H∞狀態(tài)反饋控制器。針對小信號線性化存在局部穩(wěn)定性的問題，根據(jù)RTT與隊列長度的線性關系，建立了非線性的網(wǎng)絡模型?；诜床皆O計法給出了系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制律，同時給出了控制律系數(shù)的取值范圍。設計了基于TCP

5、窗口值的觀測器，證明了當丟包率的取值范圍在0到1之間時，TCP窗口觀測值收斂到實際值。ns仿真表明這類基于變時滯的主動隊列管理算法維持了較好的網(wǎng)絡性能。
　　 3、針對傳統(tǒng)TCP協(xié)議在有線/無線網(wǎng)絡中的局限性，基于模糊控制理論，設計了一種模糊速率選擇擁塞控制算法。通過對路由器中隊列長度和數(shù)據(jù)速率的測量，能夠結合AIAD策略和AIMD策略的特點，我們提出的模糊速率選擇擁塞控制算法能夠有效地區(qū)分無線比特錯誤導致的丟包和擁塞導致的丟包

6、。仿真結果表明算法在有線/無線網(wǎng)絡環(huán)境下具有很好的控制性能，能夠保證動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境下?lián)砣刂频挠行浴?br>　　 4、針對TCP協(xié)議在隊列延時等方面控制性能不佳的局限性，設計了一種基于卡爾曼濾波器的TCP窗口控制器。首先設計了一種基于比例控制原理的TCP窗口控制器，由于這種基于比例控制的控制器是非因果的，通過對網(wǎng)絡中隊列長度和往返時間的測量，利用卡爾曼濾波器理論對這種非因果的控制器進行逼近。ns仿真表明，這種TCP窗口控制算法能夠較好

7、的預測TCP窗口值，并且在動態(tài)網(wǎng)絡環(huán)境下依然具有較高的鏈路吞吐量和較低的隊列延時。
　　 5、針對無線多跳網(wǎng)絡的“多跳”特性，根據(jù)分布式動態(tài)系統(tǒng)理論和有向圖的基本理論設計了無線多跳網(wǎng)絡的基于速率的擁塞控制算法。首先給出了基于無線Ad hoc網(wǎng)絡的最小速率算法，可以保證所有正在通訊的節(jié)點收斂到最小的可用帶寬；其次設計了一個無線傳感器網(wǎng)絡中的基于領導者的擁塞控制算法，把匯聚節(jié)點作為這個網(wǎng)絡系統(tǒng)的領導者，由其來決定每個TCP連接的可用