基于優(yōu)化與控制理論的網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法研究.pdf

1、隨著Internet網(wǎng)絡(luò)從單純學(xué)術(shù)領(lǐng)域向通信、商業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展，以致Internet網(wǎng)絡(luò)上的用戶和應(yīng)用快速增長(zhǎng)，從而不可避免地出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生造成Internet網(wǎng)絡(luò)性能嚴(yán)重下降，因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擁塞控制成為改善Internet網(wǎng)絡(luò)性能、提高服務(wù)質(zhì)量的主要手段。本文分別從優(yōu)化理論、經(jīng)典線性控制理論、非線性控制理論的角度來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同應(yīng)用角度，提出了幾種網(wǎng)絡(luò)擁塞控制算法。
　　 基于PI

2、控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法可以有效地消除隊(duì)列控制中的“穩(wěn)態(tài)誤差”，然而，該算法中PI控制積分項(xiàng)的引入也導(dǎo)致算法響應(yīng)速度的降低，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)效果不甚理想。本文提出一種基于最優(yōu)非線性PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量處于平穩(wěn)狀態(tài)，采用基于最優(yōu)非線性PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法來控制路由器隊(duì)列長(zhǎng)度，該算法具有更快的響應(yīng)速度以及更小的穩(wěn)態(tài)誤差，算法性能優(yōu)于基于PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法。
　　 雖然基于最優(yōu)非線性PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管

3、理算法在響應(yīng)速度上優(yōu)于基于PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量處于較劇烈變化時(shí)，基于最優(yōu)非線性PI控制器的主動(dòng)隊(duì)列管理算法可能引起“閉環(huán)不穩(wěn)定”，產(chǎn)生控制振蕩現(xiàn)象。振蕩可通過向控制信號(hào)增加微分作用項(xiàng)來予以矯正，但其參數(shù)的設(shè)置比較困難。因此，本文提出一種基于粒子群優(yōu)化的PID主動(dòng)隊(duì)列管理算法。該算法通過將粒子群優(yōu)化算法與PID控制器相結(jié)合，既能解決PID控制器參數(shù)整定的問題，又可通過粒子群優(yōu)化算法在線修正PID控制器參數(shù)來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)

4、流量的變化，對(duì)較劇烈網(wǎng)絡(luò)流量變化的適應(yīng)能力較強(qiáng)。
　　 PI控制器、PID控制器均屬于線性控制器，雖然基于經(jīng)典線性控制理論所設(shè)計(jì)的控制器增強(qiáng)了對(duì)路由器隊(duì)列長(zhǎng)度的控制能力，但在網(wǎng)絡(luò)高速變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境下（TCP連接數(shù)目較多，變化較大，存在UDP流），這些算法地很難抵抗負(fù)載擾動(dòng)和噪聲的干擾，控制器參數(shù)難以整定，魯棒性較差，算法穩(wěn)定性難以保證。針對(duì)這一問題，本文從非線性控制理論出發(fā)，利用非線性控制方法中的積分反步法設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)隊(duì)列管理

5、算法，利用積分反步法所設(shè)計(jì)的主動(dòng)隊(duì)列管理算法具有較好的魯棒性以及穩(wěn)定性。
　　 滑模變結(jié)構(gòu)控制作為一種魯棒控制方法引起人們極大的關(guān)注，滑模變結(jié)構(gòu)控制與積分反步法同屬于非線性控制方法，與本文所提出的利用積分反步法進(jìn)行主動(dòng)隊(duì)列管理算法的設(shè)計(jì)相比，滑模變結(jié)構(gòu)控制具有所產(chǎn)生的滑動(dòng)模態(tài)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動(dòng)不敏感的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾性強(qiáng)。在滑模變結(jié)構(gòu)控制中，僅依賴于系統(tǒng)參數(shù)變化的界值，不要求受控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，本文提出使用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制策

6、略，在TCP往返時(shí)間RTT以及TCP連接數(shù)目這些不確定參數(shù)和UDP數(shù)據(jù)流擾動(dòng)部分上界未知情況下，根據(jù)滑模到達(dá)條件，利用模糊規(guī)則估計(jì)出控制律中的切換增益，可以有效地克服傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制切換中延遲造成的抖動(dòng)。利用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法所設(shè)計(jì)的主動(dòng)隊(duì)列管理算法具有更好的魯棒性以及穩(wěn)定性。
　　 本文前面部分從不同角度所設(shè)計(jì)的四個(gè)主動(dòng)隊(duì)列管理算法，主要是在路由器中實(shí)現(xiàn)，不涉及TCP擁塞控制與路由器中的擁塞控制算法配合機(jī)制，S.H.Lo

7、w等人提出了完整的TCP/AQM對(duì)偶性模型，該模型把現(xiàn)有的TCP擁塞控制和AQM算法看作是求解具有適當(dāng)效用函數(shù)的最優(yōu)速率分配問題，把用戶合適擁塞速率的求取歸結(jié)為一個(gè)非線性優(yōu)化模型，在TCP/AQM對(duì)偶性模型中，采用梯度下降法來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)鏈路價(jià)格。Internet網(wǎng)絡(luò)流量瞬息萬變，為了實(shí)現(xiàn)全局的最優(yōu)化速率控制，必須提高擁塞控制算法的收斂速度，針對(duì)梯度下降法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)鏈路價(jià)格收斂速度慢的問題，本文提出使用BFGS方法來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)鏈路價(jià)格的計(jì)算，B