基于控制理论的主动队列管理的研究(1)
2014-04-13 01:00
导读：计算机应用论文论文，基于控制理论的主动队列管理的研究(1)怎么写，格式要求，写法技巧，科教论文网展示的这篇文章是很好的参考：
摘 要 本文运用经典控制理论对TCP拥塞控制机制建模，在此基础
摘 要 本文运用经典控制理论对TCP拥塞控制机制建模，在此基础上依次分析了PI控制器、PID控制器对主动队列进行的管理技术，并对两者进行了比较。最后研究分析了智能控制理论在主动队列管理中的应用技术，并引入了模糊控制和神经网络，介绍了两者在主动队列管理中的具体应用。 关键词 主动队列管理；PID；模糊理论；神经网络1 引言 由于Internet数据本质上是突发的，因此允许传输突发的数据非常必要，而路由器中队列的重要作用就是吸收突发的数据包。较大的队列能够吸收更多突发的数据包，提高吞吐量，但TCP机制往往会保持较高的队列占用，从而增加了数据包的排队延迟。主动队列管理机制就是要维持一个较小的队列长度以降低排队延迟，提高吞吐量，其中最著名的就是RED算法[1]，然而RED算法对网络环境敏感，可能导致队列振荡、吞吐量下降、延迟等问题。为了解决这个问题，业界提出了各种改进算法，但是大部分算法都在很大程度上依赖于参数的设置。不合适的参数很容易导致网络性能的下降，甚至导致系统的不稳定性。近些年来，人们将控制理论引入到主动队列的管理中，通过建立拥塞控制器，使队列长度尽快的达到期望值，从而减小延迟时间，保持高的链路利用率。本文针对主动队列管理中控制理论的应用进行了研究总结。2 经典控制理论在AQM中的应用2.1 PI控制器 在随机早期检测(RED)算法中，当分组到来时，主要按照以下处理方式来进行： (1)若平均队列长度小于最小阈值minth，则分组进入队列排队。 (2)若平均队列长度位于minth和maxth之间，则以概率P丢弃到来的包。 (3)若平均队列大于最大阈值maxth，则丢弃到来的所有包。 从控制论的角度分析，RED算法等价于比例控制器加上低通滤波(LPF)。低通滤波的存在降低了网络对拥塞的快速响应能力。而参数的选择必须要考虑队列的稳定裕度和快速性的折衷。比例控制器的缺点是存在“稳态误差”，稳态误差的大小依赖于网络的环境，这是平均队列随网络流量增长的主要原因。有时可能出现误差超过缓冲的大小，从而引起振荡现象的发生。 Misra等人基于流体流理论建立了AQM作用下的TCP连接上拥塞窗口的动态模型[2]，它可以用下面的一组非线性微分方程来描述：
其中，W为期望的拥塞窗口，q为期望的队列长度，R为返回时间，C为链路带宽，p为丢包率，N为TCP的连接数。将该
数学模型在平衡点附近线性化，得到拥塞控制系统的方块图，如图1所示。
图1 TCP/AQM系统 基于上面的TCP/AQM控制理论模型，Hollot进行了合理的线性化处理，提出了用比例控制器和积分控制器来产生反馈控制系统(如图2所示)。积分(I)控制器有一个很重要的属性：能够使稳态误差为0。如果在AQM中引入积分控制器，就可以解除队列长度和丢弃概率之间的直接耦合，从而消除稳态误差。
图2 AQM控制系统(PI) PI控制器建立在TCP流量模型基础上，与RED相比性能大大提高，能够将队列长度控制在预期的范围内，同时保持良好的稳态和瞬态性能。但是在缓冲区较小或者路由器上负载较大时，队列需要较长时间才能收敛到期望值附近。在AQM算法中使用PI控制器虽然可以消除稳态误差，但同时也会减慢系统的反应速度。当网络中的流量发生很大变化时，PI控制器需要的收敛时间远远长于比例控制器。2.2 PID控制器 为了解决PI控制器的调节时间过长，对路由器缓存大小的依赖性过强的问题，又引入了微分环节，设计用于主动队列管理的PID控制器[3](如图3所示)，可以缩短控制器的调节时间，使队列尽快趋于期望值附近，提高网络的性能。
图3 模拟PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，其控制规律为：
