基于状态空间模型的主动队列管理算法分析与设计

论文摘要

在短短数十年内,Internet从一个美国政府建立的研究性网络发展成为今天全球性的商用网络,充分体现了IP技术所具有的简单性,灵活性以及良好的适应性。随着计算机网络的高速发展,人们对网络的要求也越来越高。由于对时延及时延抖动敏感的实时业务越来越多地在网上传输,一方面使得网络资源极大地丰富但同时也引入了如何保证服务质量的问题。当多种业务或多个连接同时达到某个节点,或高速链路接入慢速网络时,易引起此节点的缓冲区队列长度迅速上升而溢出,导致拥塞。拥塞又会引起网络处理延时的增加,进一步使拥塞加剧,甚至导致网络崩溃。因此,设计有效的算法控制网络拥塞,是提高网络资源利用率和改善网络服务质量的首要任务。 本文首先分析了拥塞控制和主动队列管理(AQM)背景,并简单分析了各种已有的AQM算法。接着以PID类主动队列管理算法为例说明了AQM算法的实现过程。并且在静态PID的基础上,提出了自适应非线性PID主动队列管理算法。为了进一步理解这类算法的运行机制,在相同的网络拓扑条件下,利用仿真软件NS对这类算法进行了仿真实现与比较。 然后我们对基于状态空间的主动队列管理算法进行了深入的研究。我们发现目前已有的大多数AQM算法在设计过程中都没有充分考虑到大时滞对算法性能的影响。并且通过仿真实验证实已有的几种基于状态空间的典型算法控制的队列在大时滞网络下无一例外地出现了剧烈地振荡,导致瓶颈链路利用率下降和延时抖动加剧。为此,在进行了适当模型拟合处理地基础上,我们提出并设计了以下几种主动队列管理算法: (1)基于积分变换和滑模控制的主动队列管理算法。 (2)基于状态反馈和线性矩阵不等式(LMI)的主动队列管理算法。 (3)基于动态反馈和线性矩阵不等式(LMI)的主动队列管理算法。 这些算法克服了大时滞给队列稳定性造成的不利影响。仿真实验结果表明,新算法在大时滞小期望队列长度的网络配置中表现出的综合性能明显优于已有的算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 拥塞控制的背景
• 1.1.1 拥塞和拥塞控制
• 1.1.2 拥塞控制算法的类型
• 1.1.3 拥塞控制的发展
• 1.2 主动队列管理算法综述
• 1.2.1 RED（随机早期检测）算法及其改进算法
• 1.2.2 基于优化的REM算法
• 1.2.3 基于虚队列的AVQ算法
• 1.2.4 基于智能控制理论的主动队列管理算法
• 1.2.5 基于状态空间的主动队列管理算法
• 1.3 本文的研究内容及创新意义
• 2 基于经典控制理论的PID类主动队列管理算法研究
• 2.1 算法设计
• 2.1.1 TCP流量控制中AQM系统的模型
• 2.1.2 平衡点线性化
• 2.1.3 频域稳定性的基本原理
• 2.1.4 AQM控制器的设计
• 2.2 算法仿真与性能评价
• 2.2.1 NS2仿真软件简介
• 2.2.2 用NS2进行网络仿真的一般步骤
• 2.2.3 PID类AQM算法仿真实现与比较
• 3 基于状态空间模型的主动队列管理算法分析和设计
• 3.1 本章的基本概念和理论基础
• 3.1.1 鲁棒控制概述
• 3.1.2 时延和时延抖动
• 3.1.3 时滞系统鲁棒控制概述
• 3.1.4 滑模变结构基础
• 3.1.5 线性矩阵不等式（LMI）基础
• 3.1.6 AQM／TCP动态模型
• 3.2 几种典型的基于状态空间的主动队列管理算法
• 3.2.1 应用变结构滑模控制方法的VS主动队列管理算法
• 3.2.2 基于状态反馈控制的SFC主动队列管理算法
• 3.3 针对时滞系统鲁棒的基于状态空间的主动队列管理算法设计
• 3.3.1 基于积分变换和滑动模控制的VSMC主动队列管理算法
• 3.3.2 基于状态反馈和LMI的KSFC主动队列管理算法
• 3.3.3 基于动态反馈和LMI的VSFC主动队列管理算法
• 3.4 基于状态空间的主动队列管理算法仿真分析与比较
• 3.4.1 实验一：VSMC算法与SFC算法和VS算法的仿真实现与性能分析比较
• 3.4.2 实验二：KSFC算法与SFC算法的仿真实现与性能分析比较
• 3.4.3 实验三：VSFC算法与SFC算法的仿真实现与性能分析比较
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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