基于控制理論的主動(dòng)隊(duì)列管理算法及其穩(wěn)定性研究.pdf

1、Internet的體系結(jié)構(gòu)以IP協(xié)議提供的無連接端到端報(bào)文傳輸服務(wù)為基礎(chǔ)，提供“盡力而為”(BestEffort)服務(wù)模型的設(shè)計(jì)機(jī)制。這種機(jī)制的最大優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。因此，Internet自出現(xiàn)以來得到了蓬勃發(fā)展，在過去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，TCP/IP協(xié)議族一直是Internet穩(wěn)定并健康發(fā)展的保證。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的極大豐富和成功證明了TCP/IP協(xié)議族的成熟性。然而TCP/IP的這種優(yōu)勢(shì)并不是沒有代價(jià)的，隨著Internet用戶數(shù)

2、量的膨脹，網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題也越來越嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的擁塞控制算法成為網(wǎng)絡(luò)管理中亟待解決的問題。作為高速路由器的一個(gè)重要模塊，主動(dòng)隊(duì)列管理(ActiveQueueManagement,AQM)近年來受到越來越多的重視，在高速路由器中實(shí)施AQM策略是為了提供小的分組丟失、高的鏈路利用率以及低的隊(duì)列延時(shí)，它與TCP端到端的擁塞控制相結(jié)合，是解決目前Intemet擁塞控制問題的一個(gè)主要途徑。主動(dòng)隊(duì)列管理和網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議(Tran

3、sportControlProtocol，TCP)一直以來都是通信界的兩個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域。 本文從智能控制和魯棒控制理論的角度提出了幾種主動(dòng)隊(duì)列管理算法。對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的主動(dòng)隊(duì)列管理算法的設(shè)計(jì)、主動(dòng)隊(duì)列管理算法的穩(wěn)定性分析等方面進(jìn)行了深入的研究。研究的內(nèi)容和結(jié)論如下： 研究了主動(dòng)隊(duì)列管理算法的響應(yīng)速度問題。給出了控制器的設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。針對(duì)傳統(tǒng)PI控制響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，將模糊滑?？刂茟?yīng)用到網(wǎng)絡(luò)擁塞控制系統(tǒng)中

4、，充分利用其不需要精確的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，得到了一種穩(wěn)態(tài)響應(yīng)及暫態(tài)響應(yīng)特性都較好的AQM控制器。利用模糊控制來改善系統(tǒng)的性能同時(shí)又減小到達(dá)時(shí)間、加快響應(yīng)速度，降低了高頻抖振。 研究了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)變化時(shí)的精確目標(biāo)隊(duì)列跟蹤問題。采用連續(xù)的滑模控制來取代不連續(xù)的切換控制，從而消除抖振，并達(dá)到對(duì)隊(duì)列的精確跟蹤。其次，采用一種強(qiáng)魯棒性的時(shí)變滑模面結(jié)構(gòu)，并通過模糊控制調(diào)節(jié)該滑模面的變化從而使隊(duì)列跟蹤性能得到改善。對(duì)隊(duì)列長(zhǎng)度的精確跟蹤可以使緩沖器維

5、持在較小的隊(duì)列長(zhǎng)度。以避免在有突發(fā)流量的情況下分組溢出。 在考慮延時(shí)階段不確定性影響的情況下，設(shè)計(jì)魯棒AQM控制器。由于延時(shí)階段的不確定性會(huì)影響滑模過程的系統(tǒng)穩(wěn)定性，引入一種狀態(tài)變換來消除延時(shí)的影響，利用Lyapunov穩(wěn)定性分析給出了保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的最大允許的延時(shí)邊界。 研究了一種針對(duì)大時(shí)滯動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)隊(duì)列管理算法。結(jié)合模糊控制和Smith控制的優(yōu)點(diǎn)，能補(bǔ)償大時(shí)滯對(duì)隊(duì)列穩(wěn)定性的影響，同時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)流量又存在很強(qiáng)

6、的魯棒性，適合于大時(shí)滯不確定網(wǎng)絡(luò)擁塞控制。利用Lyapunov方法證明了給定方法的穩(wěn)定性。 應(yīng)用神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償?shù)目刂品椒ㄔO(shè)計(jì)基于速率的主動(dòng)隊(duì)列管理算法，該算法既解決了基于隊(duì)列的算法響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，同時(shí)又兼顧了傳統(tǒng)PID控制在線參數(shù)整定困難的不足，通過在線邊學(xué)習(xí)邊控制的方式可以自適應(yīng)地在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性，從而獲得較快的暫態(tài)響應(yīng)以及較好的穩(wěn)態(tài)特性。 由于擁塞控制算法的非線性特性和時(shí)變反饋屬性，算

7、法的穩(wěn)定性分析是其中的難點(diǎn)。基于時(shí)變結(jié)構(gòu)不確定和時(shí)變延時(shí)理論，提出了一種TCP/AQM網(wǎng)絡(luò)魯棒穩(wěn)定性分析方法。給出了以瞬時(shí)隊(duì)列長(zhǎng)度和目標(biāo)隊(duì)列長(zhǎng)度的誤差為變量使TCP/AQM系統(tǒng)全局穩(wěn)定的延時(shí)依賴的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)。由于采用自由權(quán)常量來表示牛頓-來布尼茨(Leibniz-Newton)公式中各項(xiàng)的相互關(guān)系，并通過線性矩陣不等式(LMI)來選擇自由權(quán)常量，因此該分析方法較現(xiàn)存的方法保守性小。 最后對(duì)全文作出總結(jié)，并提出了下一步研究的方