基于状态空间的主动队列管理算法研究

摘要

TCP/AQM系统是时变非线性时滞系统，目前广泛应用的流体流模型可以良好地描述该系统的特性。然而流体流模型近似丢包概率p＜＜1，在使用丢包方式时不精确。流体流模型的不精确性会影响基于此模型提出的算法的性能，因此对流体流模型进行改进具有重要意义。
　　本文分析了在使用丢包方式时TCP/AQM系统的动态特性，对流体流模型进行了修改。并基于状态空间的分析方法，将状态反馈控制理论和输出反馈控制理论应用到AQM算法设计中。取得的主要成果如下:
　　(1)对流体流模型进行了改进，推导出了一个新的TCP/AQM系统的动态非线性模型FFI。针对流体流模型因近似丢包概率p＜＜1而在使用丢包方式的情况下存在不精确性的问题，将流体流模型改进为FFI模型，该模型未对p做近似，而是考虑以0＜p＜1概率进行丢包时TCP/AQM系统的窗口和队列的动态特性。仿真结果表明，使用丢包方式时FFI模型比流体流模型更精确。
　　(2)提出了一种基于FFI模型的状态反馈控制ISFC算法。采用小信号分析法将FFI模型线性化，建立基于状态空间的表达形式，应用状态反馈控制理论设计了新的AQM算法。使用LMI方法，根据Lyapunov理论给出了闭环控制系统渐近稳定的充分条件和控制器参数的设计方法。
　　(3)提出了一种基于FFI模型的输出反馈控制IOFC算法。基于FFI模型的状态空间表达形式，应用输出反馈控制理论设计了新的AQM算法。使用LMI方法给出了闭环控制系统渐近稳定的充分条件，并给出了IOFC算法的实现步骤。
　　NS2仿真结果表明，ISFC算法和IOFC算法均能使队列迅速收敛到期望值，相比于传统的AQM算法，新的算法具有较小的队列抖动，并且在变化的网络环境中具有较好的适应性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 网络拥塞控制的研究背景

1．1．1 网络拥塞的含义

1．1．2 网络拥塞产生的原因

1．1．3 网络拥塞控制的目标

1．2 网络拥塞控制算法

1．2．1 拥塞控制算法的分类

1．2．2 TCP拥塞控制算法

1．2．3 链路拥塞控制算法

1．3 主动队列管理算法的研究现状

1．3．1 基于启发式的AQM算法

1．3．2 基于控制理论的AQM算法

1．4 主动队列管理算法的研究意义

1．5 本文所作工作及章节安排

2 线性矩阵不等式在控制问题中的应用

2．1 线性矩阵不等式基础

2．2 LMI工具箱介绍

2．3 稳定性分析的LMI方法

2．4 几种典型的基于状态空间的AQM算法

2．4．1 基于状态反馈控制的SFC主动队列管理算法

2．4．2 基于LMI的状态反馈控制KSFC算法

2．5 本章小结

3 TCP／AQM系统模型

3．1 TCP／AQM系统动态特性分析

3．1．1 TCP拥塞窗口动态特性

3．1．2 路由器队列动态特性

3．1．3 TCP／AQM系统的FFI模型

3．2 仿真实验

3．2．1 仿真环境

3．2．2 TCP／AQM模型的实现

3．2．3 仿真结果

3．3 本章小结

4 基于FFI模型的状态反馈控制ISFC算法

4．1 FFI模型线性化

4．2 状态反馈控制ISFC算法

4．2．1 基于LMI的状态反馈控制ISFC算法

4．2．2 ISFC算法的实现

4．3 仿真实验与结果分析

4．3．1 网络仿真器NS2简介

4．3．2 仿真环境与参数配置

4．3．3 不同仿真环境下的算法性能分析

4．4 本章小结

5 基于FFI模型的输出反馈控制IOFC算法

5．1 TCP／AQM系统状态空间模型

5．2 输出反馈控制IOFC算法

5．2．1 基于LMI的输出反馈控制IOFC算法

5．2．2 IOFC算法的实现

5．3 仿真实验与结果分析

5．3．1 仿真环境设置与参数配置

5．3．2 不同仿真场景下的算法性能分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

附录

参考文献