基于人工免疫算法的异构网络传输性能优化算法研究

摘要

无线传感器网络，卫星网络，无线自组网等无线网络与传统有线网络的互联互通，形成了巨大、开放、复杂的异构网络系统。由于系统存在诸多异构特性，如带宽差异、不对称信道、无线网络的高随机误码率、移动性等，导致面向有线网络的传统TCP协议在应用于异构网络环境时容易出现网络吞吐量下降的问题。因此，如何优化异构网络中的关键网络参数以提高网络吞吐量是近年来该领域的一个研究课题。针对该问题，本文从以下两个方面开展了研究工作。
　　在面向异构网络的TCP增强协议中，TCP Veno协议通过区分异构网络中的拥塞丢包和无线误码丢包，使其吞吐量公式能够基于关键网络参数的变化而较为准确地预测网络吞吐量的改变。如何优化关键网络参数配置是目前比较难以实现的问题。本文提出了基于人工免疫算法的关键网络参数优化方法，网络以 TCP Veno协议的吞吐量公式作为免疫算法的目标函数，采用浮点数编码方式将关键网络参数 RTT和丢包率 p编码为抗体集，算法采用了免疫记忆机制提高算法的收敛速度；为避免抗体早熟现象，采用基于亲和度和浓度的选择概率以抑制浓度高的抗体，同时采用了自适应小波变异算子以兼顾全局搜索与局部搜索。当算法运行结束时，即可获得到关键网络参数组合，从而为下一步的异构网络吞吐量优化工作指明了方向。
　　利用免疫算法得到的最优网络参数组合，为了将丢包率以及 RTT等参数稳定在最优值附近，针对主动队列管理算法中存在 PID参数设置困难的问题提出了一种基于改进免疫算法的 PID参数整定及主动队列管理方法。该方法利用改进免疫算法在给定的 PID参数空间内进行组合优化搜索，求得使以误差绝对值积分(ITAE)的性能优化函数最小的一组 PID控制器参数，将该 PID控制器作用于网络的 TCP/AQM模型中，稳定队列长度，以优化丢包概率。改进的 PID主动队列管理方法的响应速度快，能够使网络快速达到稳定状态。基于 Matlab的仿真结果表明，基于改进免疫算法的 PID主动队列管理方法与常规 PID主动队列管理方法相比，在正常 TCP业务流和突发 TCP业务流的冲击两种情况下，缓存队列长度均能快速的稳定在期望队列长度值附近，减小了丢包率。

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第1章 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 人工免疫算法的发展及研究现状

1.3 异构网络性能优化方法概述

1.4 论文主要工作

1.5 论文结构

第2章 人工免疫算法

2.1 引言

2.2 人工免疫算法的分类

2.3 人工免疫算法中的关键操作

2.4 免疫算法在网络上的应用研究

2.5 本章小结

第3章 基于人工免疫算法的网络吞吐量优化参数搜索算法

3.1 引言

3.2 免疫算法的优化原理分析

3.3 基于免疫算法的异构网络吞吐量优化参数搜索算法

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第4章 基于改进免疫算法的PID主动队列管理方法

4.1 引言

4.2 PID主动队列管理方法原理

4.3 基于改进免疫算法的PID主动队列管理方法

4.4 实验仿真

4.5 本章小结

第5章 结论

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果