信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擁塞控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著計(jì)算網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和應(yīng)用業(yè)務(wù)的日益豐富，擁塞控制在保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和服務(wù)質(zhì)量方面的重要性持續(xù)增加，其主要由基于端到端的傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)和基于路由的主動(dòng)隊(duì)列管理(Active Queue Managment，AQM)組成?；诼酚啥说腁QM控制機(jī)制能夠主動(dòng)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生，有著降低排隊(duì)時(shí)延、提高鏈路利用率、減少丟包率的優(yōu)點(diǎn)。但研究表明，對(duì)于存在動(dòng)態(tài)突變以

2、及非響應(yīng)流量的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，AQM算法有著建模復(fù)雜、參數(shù)配置困難、隊(duì)列穩(wěn)定性差、網(wǎng)絡(luò)資源利用率低等缺陷，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。本論文在部級(jí)科研項(xiàng)目“船舶信息網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)研究”支持下對(duì)AQM算法及其相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探討。
　　本文利用T-S(Takagi-Sugeno)模糊模型不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型且對(duì)于非線性系統(tǒng)具備良好逼近能力的特點(diǎn)，對(duì)非線性的TCP/AQM控制系統(tǒng)進(jìn)行了T-S模糊建模，將受鏈路參

3、數(shù)攝動(dòng)影響的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等效為具有不確定性的狀態(tài)空間模型。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequlity，LMI)方法，給出了狀態(tài)反饋?zhàn)饔孟麻]環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件和控制器的設(shè)計(jì)方法。驗(yàn)證了模糊保性能控制律的存在條件和設(shè)計(jì)方法，從而達(dá)到對(duì)于指定性能指標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化及時(shí)延抖動(dòng)，該算法能夠保證路由器隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)值，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象發(fā)生。
　　對(duì)網(wǎng)

4、絡(luò)擁塞模型的研究可知，其模型具有非線性特點(diǎn)，且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)其參數(shù)隨工況變化而變化，要求控制算法中考慮模型參數(shù)變化的因素。針對(duì)此種情況，提出了預(yù)測(cè)函數(shù)隊(duì)列管理策略，利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)動(dòng)態(tài)，在一定程度上提高了控制系統(tǒng)的性能，使隊(duì)列長(zhǎng)度穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)值。在將帶有性能約束的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制求解轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)agurange乘子算法，避免了直接在路由處理器中求解 QP問(wèn)題，節(jié)省了計(jì)算資源。在網(wǎng)絡(luò)中存在參數(shù)攝動(dòng)和動(dòng)態(tài)突發(fā)流、非響應(yīng)流干擾的情況下具有很強(qiáng)

5、的魯棒性。
　　針對(duì)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)模型提出了滑模預(yù)測(cè)隊(duì)列管理策略，利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)滑模面的未來(lái)動(dòng)態(tài)，利用滑模控制具備良好暫態(tài)性能和魯棒性的特點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化丟包率確保路由隊(duì)列快速平穩(wěn)到達(dá)目標(biāo)值。研究了網(wǎng)絡(luò)存在變化長(zhǎng)時(shí)延?時(shí)對(duì)AQM系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，并利用線性矩陣不等式和Lyapunov-Krasovskii理論得到使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不依賴于延遲的穩(wěn)定性充要條件。通過(guò)仿真驗(yàn)證了滑模預(yù)測(cè)算法對(duì)于存在較大時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)有良好的控制性能，克服了

6、網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流和往返時(shí)延等不確定因素給系統(tǒng)帶來(lái)的不利影響，有效避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生。
　　基于復(fù)雜自適應(yīng)模型的擁塞控制方法在快速性、易處理性等方面難以滿足高速網(wǎng)絡(luò)的需求，采用固定的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型又會(huì)導(dǎo)致控制精度和性能上的損失。引入灰色預(yù)測(cè)建模方法來(lái)使模型具有處理不確定變量的能力，彌補(bǔ)了固定模型導(dǎo)致算法魯棒性差的缺陷，在滑模自適應(yīng)控制器中加入魯棒控制項(xiàng).在線學(xué)習(xí)方式可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)控制參數(shù)以保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在滑模面附近的穩(wěn)定性，提升了響應(yīng)速度和

7、穩(wěn)態(tài)特性。在復(fù)雜多瓶頸網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的仿真結(jié)果表明，該控制策略可以有效的抑制網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)，對(duì)于混雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　介紹了作者參與開發(fā)，應(yīng)用于大型船舶的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，探討了船舶信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基本功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，介紹了原理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件架構(gòu)和監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，著重介紹了軟硬件結(jié)合的半物理仿真平臺(tái)，以及舵槳協(xié)同控制等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為未來(lái)組建船舶信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供借鑒。具有重要的工程價(jià)值。
　　論文從理論意義和應(yīng)用前景等多個(gè)角