基于Minimax理论的TCP网络主动队列管理算法研究

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互联网的发展给人们的生活带来了便捷,但同时随着网络上的用户和应用的不断增加,使网络系统出现了日益严重的拥塞问题。拥塞是由于数据在路由器的瓶颈处堆积,使发送端的数据无法发送到接收端,导致数据丢失,造成网络服务质量下降。与TCP(Transmission Control Protocol)控制协议相结合的路由器主动队列管理算法,是目前解决TCP网络拥塞控制问题的一种广泛有效的方法。通过对网络中的队列进行主动管理,有效提高了链路的利用率和并降低了队列延时,对网络服务质量的提高有很大帮助。因此,主动队列管理算法的研究成为了 TCP网络领域的一个热点问题。针对TCP网络中存在的拥塞问题,本文从控制理论的角度对主动队列管理算法进行了深入的研究。重点放在网络系统中状态变量存在时变时延、系统参数变化、非线性以及非响应UDP(User Datagram Protocol)流干扰等因素对网络性能的影响上。论文的主要研究内容如下:针对线性TCP网络的动态模型,研究了一种基于Minimax理论的主动队列管理算法。在设计过程中,运用线性矩阵不等式方法,充分考虑了系统状态的时变延迟,并将链路容量误差作为干扰项来处理。结合Lyapounov-Krasovskii泛函建立了一个检验函数,使用Minimax方法得出了对系统影响最坏的干扰,避免了对干扰项的人为放缩和估计,有效的降低了保守性。同时,设计了状态反馈控制器和输出反馈控制器。仿真结果说明了所提控制器的有效性。结合Backstepping方法和Minimax理论,研究了网络拥塞的主动队列管理问题。针对以速率和队列长度为状态变量的TCP非线性网络系统,在设计过程中没有对系统进行线性化处理,并在逆推的过程中嵌入Minimax方法,以此处理了系统中的干扰,改进了单一使用Backstepping方法对大干扰的敏感性。通过仿真对比,充分说明了所设计的控制器使系统在最坏干扰存在的情况下控制的有效性和稳定性。研究了 TCP/AQM(Active Queue Management)非线性网络系统在受到最坏干扰的影响时的鲁棒控制器设计问题。为使系统消除稳态误差,引入了积分项函数进行调解,得到的鲁棒控制器使非线性网络系统渐近稳定,丢包概率很小。接下来,给出了丢包率在0和1之间的控制器参数取值的充分条件。通过仿真分析对比说明了该设计方法的优越性。研究了 TCP/AQM非线性网络系统的鲁棒自适应控制器设计。考虑了 TCP网络系统以窗口和队列为状态变量的非线性系统模型,在系统存在参数不确定和UDP流干扰的情况下,应用Minimax理论和自适应Backstepping方法,设计了主动队列管理算法。在设计自适应律的过程中,引入了参数映射机制,即引入辅助变量,通过估计值和辅助变量的分段函数映射的约束,确保参数估计过程始终发生在指定的范围内,能够使得不确定参数在指定的范围内变化,从而提高误差跟踪的效率。设计了自适应干扰抑制算法的主动队列管理控制器。通过TCP网络系统窗口和速率之间的映射关系,得到了带有UDP流干扰和参数不确定的非线性网络拥塞模型。由于分段函数映射破坏了其连续性,于是提出了一种改进措施,设计了一个新的自适应拥塞控制器。改进的自适应参数重构机制保证了所设计的控制器是连续光滑的。通过仿真分析对比,说明所设计的Minimax自适应干扰抑制算法的优越性。最后对全文进行了总结,并对下一步的研究方向作出了展望。
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