基于控制理論的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制中的若干算法研究.pdf

1、由于網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)流量分布的不均衡，擁塞的發(fā)生是Internet網(wǎng)絡(luò)的固有屬性。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的快速增長(zhǎng)和各種應(yīng)用的不斷產(chǎn)生，網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題日益加劇，成為了影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的研究也成為了網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)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(jī)及網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備中執(zhí)行，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(dòng)隊(duì)列管理算法，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中執(zhí)行，作用

2、是檢測(cè)擁塞的發(fā)生，并將擁塞信息反饋給用戶。動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的不確定性，給網(wǎng)絡(luò)的建模以及設(shè)計(jì)擁塞控制算法帶來(lái)了很多困難。此外，有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)等一些新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，給Internet網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了很多新的特性，使得傳統(tǒng)的擁塞控制機(jī)制暴露了很多局限性。針對(duì)這些問(wèn)題，本文通過(guò)控制理論來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的穩(wěn)定性和魯棒性，并設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法。本文的主要研究成果與創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1、針

3、對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一類具有H∞性能指標(biāo)的主動(dòng)隊(duì)列管理算法。在忽略網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)高頻性能的前提下，設(shè)計(jì)了一種H∞PI控制器，通過(guò)線性矩陣不等式方法給出了一種簡(jiǎn)單的H∞PI控制參數(shù)的整定方法?？紤]H∞PI控制器在建模過(guò)程中的不足，通過(guò)線性時(shí)滯系統(tǒng)的H∞控制方法，設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)隊(duì)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(shí)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(jié)果表明這類具有H∞性能指標(biāo)的主動(dòng)隊(duì)列管理

4、算法具有良好的控制性能且在變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　 2、針對(duì)通訊過(guò)程中時(shí)延的不確定性，給出了一類基于變時(shí)滯的主動(dòng)隊(duì)列管理算法?？紤]TCP協(xié)議中的超時(shí)重傳機(jī)制，在小信號(hào)線性化的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于觀測(cè)器的時(shí)滯相關(guān)H∞狀態(tài)反饋控制器。針對(duì)小信號(hào)線性化存在局部穩(wěn)定性的問(wèn)題，根據(jù)RTT與隊(duì)列長(zhǎng)度的線性關(guān)系，建立了非線性的網(wǎng)絡(luò)模型?；诜床皆O(shè)計(jì)法給出了系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制律，同時(shí)給出了控制律系數(shù)的取值范圍。設(shè)計(jì)了基于TCP

5、窗口值的觀測(cè)器，證明了當(dāng)丟包率的取值范圍在0到1之間時(shí)，TCP窗口觀測(cè)值收斂到實(shí)際值。ns仿真表明這類基于變時(shí)滯的主動(dòng)隊(duì)列管理算法維持了較好的網(wǎng)絡(luò)性能。
　　 3、針對(duì)傳統(tǒng)TCP協(xié)議在有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的局限性，基于模糊控制理論，設(shè)計(jì)了一種模糊速率選擇擁塞控制算法。通過(guò)對(duì)路由器中隊(duì)列長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)速率的測(cè)量，能夠結(jié)合AIAD策略和AIMD策略的特點(diǎn)，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(wú)線比特錯(cuò)誤導(dǎo)致的丟包和擁塞導(dǎo)致的丟包

6、。仿真結(jié)果表明算法在有線/無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下具有很好的控制性能，能夠保證動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下?lián)砣刂频挠行浴?br>　　 4、針對(duì)TCP協(xié)議在隊(duì)列延時(shí)等方面控制性能不佳的局限性，設(shè)計(jì)了一種基于卡爾曼濾波器的TCP窗口控制器。首先設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中隊(duì)列長(zhǎng)度和往返時(shí)間的測(cè)量，利用卡爾曼濾波器理論對(duì)這種非因果的控制器進(jìn)行逼近。ns仿真表明，這種TCP窗口控制算法能夠較好

7、的預(yù)測(cè)TCP窗口值，并且在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下依然具有較高的鏈路吞吐量和較低的隊(duì)列延時(shí)。
　　 5、針對(duì)無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的“多跳”特性，根據(jù)分布式動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論和有向圖的基本理論設(shè)計(jì)了無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)的基于速率的擁塞控制算法。首先給出了基于無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的最小速率算法，可以保證所有正在通訊的節(jié)點(diǎn)收斂到最小的可用帶寬；其次設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于領(lǐng)導(dǎo)者的擁塞控制算法，把匯聚節(jié)點(diǎn)作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)者，由其來(lái)決定每個(gè)TCP連接的可用