基于滑模控制理论的若干网络拥塞控制算法研究

【摘要】：Internet的体系结构以IP协议提供的无连接端到端报文传输服务为基础,提供尽力而为(Best Effort)服务模型的设计机制。然而随着高速网络技术和多媒体技术的飞速发展,人们越来越多地提出了包括多媒体通信在内的综合服务要求。区分服务(DiffServ)网络是IETF建议的一种扩展性很强的QoS服务体系,它除了融合原有的尽力而为服务类型外,还提出了奖赏服务、确保服务等不同等级的服务。无论对于传统的TCP/IP网络还是DiffServ网络,设计一个简单而有效的拥塞控制算法都是网络管理中亟待解决的问题。作为高速路由器的一个重要模块,主动队列管理(Active Queue Management, AQM)近年来受到越来越多的重视,在高速路由器中实施AQM策略是为了提供小的分组丢失、高的链路利用率以及低的队列延时。 滑模控制系统中的滑动模态具有很强的鲁棒性,对于网络这种复杂的时变系统,滑模控制是一种理想的选择。鉴于此,本文基于滑模控制理论提出了几种主动队列管理算法以解决网络的拥塞控制问题。主要工作概括如下： 首先针对TCP Vegas网络模型进行分析和设计,将Vegas网络的数学模型线性化,并给出一种状态空间的表达形式,然后基于线性化后的网络拥塞控制模型,设计了一个线性的渐近稳定的滑模面,然后设计了使系统有限时间内到达的滑模AQM控制器,该控制器能够有效抑制路由器中的队列长度的震荡,使系统具有良好的暂态和稳态性能。 本文将Kelly提出的网络优化模型与控制理论方法相结合,网络源端采用使系统效用函数最优化的发送速率,而链路端采用滑模变结构算法控制路由器中的标记概率。为了提高队列长度的收敛速度,设计了非线性终端滑模面,保证系统状态能够在有限的时间内沿着滑模面滑动到原点,使得系统的整个收敛时间有限,并给出时间上限的表达式。同时给出了一种基于改进指数趋近律的控制器设计及到达条件分析。 根据非线性流体流理论建立的区分服务网络模型提出一种整体动态拥塞控制(Integrated Dynamic Congestion Control, IDCC)结构,针对典型服务分别设计了模糊滑模控制器和具有输入延时补偿的滑模控制器。算法中模糊控制项的加入,缩短了到达时间,改善了滑模控制的抖振现象,使得控制信号更平滑并且能够保证系统具有很好的抗干扰性。 考虑到T-S模糊模型具有能够很好地逼近非线性系统的特点,将滑模控制与其相结合共同进行拥塞控制。对非线性的DiffServ网络拥塞控制系统进行了T-S模糊模型的建模,通过选取适当的模糊规则和隶属函数来提高拥塞控制系统的性能。路由器中的队列长度能够快速收敛于期望值同时稳态时的振荡很小,提高了链路的利用率,减小了包的丢失率。利用LMI设计了渐近稳定的滑模面,从而有效地补偿了不确定和时变时滞因素的影响。 针对区分服务网络的两种典型服务分别进行控制器设计。应用非线性流体流理论建立的区分服务网络模型,给出了一种新的自适应反演滑模控制器。先将非线性流体流模型转化为参数严格反馈的形式,然后应用反演控制理论完成控制器的设计。反演设计中滑模项的加入,能够抑制系统的未知动态和不确定性扰动,使缓冲器队列长度的调节达到理想效果。 为了实现区分服务网络的整体集中动态拥塞控制策略,引进了主—从控制结构。在此结构基础上,设计了三种二阶滑模控制算法,分别来调节区分服务网络两类典型业务的缓冲区队列长度。与传统滑模算法一样,二阶滑模算法对模型的不确定性和干扰有很好的鲁棒性,同时又能够有效地降低控制器的抖振现象,增加了滑模控制器的可行性。 最后对全文作出总结,并提出了下一步研究的方向。