基于饱和控制的TCP网络主动队列管理算法研究

摘要

随着网络的发展，用户数量和需求急剧增加，加大了对网络带宽的需求，进而导致了网络拥塞现象的发生，大大影响网络的服务质量。路由器作为网络中的节点能够在第一时间接收到网络的拥塞信息，将其与基于端主机的拥塞控制算法结合可以很好地缓解拥塞现象。对TCP网络进行建模，系统的控制输入为分组丢弃概率，其值的取值范围在0和1之间。同时，由于控制输出为路由器缓冲区瞬时队列长度，受到路由器物理条件即最大缓冲队列长度的限制。因此，系统的输入输出均具有一定的饱和特性。饱和特性对系统的稳定性影响较大，但是现有文献对此研究的很少。综上，本文主要针对TCP网络，采用饱和控制策略实现对路由器缓冲区队列长度的控制，主要研究工作如下: (1)针对线性TCP网络，考虑输入饱和与输入延时，提出了一种基于观测器的AQM算法。由于饱和函数的存在，使得控制器不显含于状态方程中，给控制器设计带来困难。因此，在控制器设计之前先对饱和函数进行变换，将控制器分离出来。同时，考虑到系统状态不完全可测，设计状态观测器。其次，在观测器的基础上考虑不确定项设计反馈控制器。最后，进行数值仿真验证，结果表明所设计的控制器能够使路由器缓冲区的队列长度较快地稳定在期望值附近。 (2)针对线性TCP网络，考虑输入饱和与状态延时，提出了一种基于动态输出反馈的AQM算法。由于饱和函数的存在，使得控制器输出与实际系统输入幅值上存在偏差。将偏差经过抗饱和增益环节，反馈到控制器中，弱化饱和特性对系统的影响。并基于Lyapunov理论给出了使系统渐近稳定的充分条件以及控制器参数的具体求解方法。最后，仿真结果证明在控制器的作用下，系统输出能够快速地收敛至期望值。 (3)针对非线性TCP模型，同时考虑输入、输出饱和，提出了基于反步控制的AQM算法。由于饱和函数不具有可导性，文中利用光滑可导函数对饱和函数进行近似。另外，由于状态变量为系统输出及其一阶导数，输出饱和就可以转化为状态饱和。同时还考虑系统外界干扰，设计干扰观测器对干扰进行观测，减小对系统的影响。最后，仿真结果表明，所设计的干扰观测器能有效地对干扰进行观测且控制器能够使系统输出较快地收敛至期望值附近。 最后对全文做出总结，并提出了下一步研究的方向。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2主动队列管理机制与研究现状

1．3饱和控制及其研究现状

1．4本文主要工作

第2章基于输入饱和的主动队列管理算法研究

2．1引言

2．2模型描述

2．3基于观测器的拥塞控制器设计

2．3．1状态观测器设计

2．3．2反馈控制器设计

2．4仿真分析

2．5本章小结

第3章基于抗饱和控制的主动队列管理算法研究

3．1引言

3．2模型描述

3．3抗饱和拥塞控制器设计

3．4仿真分析

3．5本章小结

第4章基于输入／输出饱和的主动队列管理算法研究

4．1引言

4．2模型描述

4．3基于干扰观测器的反步拥塞控制器设计

4．3．1干扰观测器设计

4．3．2反步控制器设计

4．4仿真分析

4．5本章小结

第5章结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所做的主要工作