基于控制理論的網絡擁塞控制中的若干算法研究.pdf

1、由于網絡資源和網絡流量分布的不均衡，擁塞的發(fā)生是Internet網絡的固有屬性。隨著網絡規(guī)模的快速增長和各種應用的不斷產生，網絡擁塞問題日益加劇，成為了影響網絡性能的主要因素，所以對網絡擁塞控制算法的研究也成為了網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協議等，在主機及網絡邊緣設備中執(zhí)行，根據網絡設各的反饋信息調整數據發(fā)送的速率；鏈路算法，如主動隊列管理算法，在網絡設備中執(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)的網絡環(huán)境以及網絡延時的不確定性，給網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/無線網絡、無線多跳網絡等一些新的網絡結構的涌現，給Internet網絡帶來了很多新的特性，使得傳統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絡類型的網絡擁塞控制算法。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。在忽略網絡系統高頻性能的前提下，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RTT與隊列長度的線性關系，建立了非線性的網絡模型?；诜床皆O計法給出了系統的狀態(tài)反饋控制律，同時給出了控制律系數的取值范圍。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絡性能。
　　 3、針對傳統TCP協議在有線/無線網絡中的局限性，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據速率的測量，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/無線網絡環(huán)境下具有很好的控制性能，能夠保證動態(tài)網絡環(huán)境下擁塞控制的有效性。
　　 4、針對TCP協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、針對無線多跳網絡的“多跳”特性，根據分布式動態(tài)系統理論和有向圖的基本理論設計了無線多跳網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)點作為這個網絡系統的領導者，由其來決定每個TCP連接的可用