一种用于通信网络拥塞控制的主动队列管理方法

摘要

本发明公开一种用于通信网络拥塞控制的主动队列管理方法，属于通信网络和自动控制的技术领域，本方法的特征在于：建立了通信网络拥塞控制系统的时滞有界模型，给出了判定闭环系统稳定性的充分性条件，设计了基于线性矩阵不等式的动态输出反馈控制器参数，给出了主动队列管理的实施步骤。本发明适用于通信网络拥塞控制，能迅速地将队列长度收敛到目标长度附近，在特征参数变化的通信网络环境中，具有较强的鲁棒性。

主权项

1.一种用于通信网络拥塞控制的主动队列管理方法，包括步骤：(1)将TCP/AQM的流体流模型在工作点附近进行线性化，得到线性微分方程$\left\{\begin{array}{c}\delta \stackrel{.}{W}\left(t\right)=\frac{N}{R_0^{2}C}(\mathrm{\delta W}\left(t\right)+\mathrm{\delta W}(t-R_0))-\frac{1}{R_0^{2}C}(\mathrm{\delta q}\left(t\right)-\mathrm{\delta q}(t-R_0))-\frac{R_0{C}^2}{2N^2}\mathrm{\delta p}(t-R_0)\\ \delta \stackrel{.}{q}\left(t\right)=\frac{N}{R_0}\mathrm{\delta W}\left(t\right)-\frac{1}{R_0}\mathrm{\delta q}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$其中工作点(W₀，q₀，p₀)定义为N(t)≡N，C(t)≡C，即W₀＝R₀C/N，R₀＝q₀/C+T_p，δW(t)＝W(t)-W₀，δq(t)＝q(t)-q₀，δp(t)＝p(t)-p₀，W(t)表示拥塞窗口尺寸，q(t)表示路由器缓存中的队列长度，p(t)表示路由器中使用AQM时包丢弃的概率，N(t)表示TCP会话数，C(t)表示链路容量，R(t)表示往返时间，R(t)＝q(t)/C(t)+T_p，C(t)表示链路容量，T_p表示传播时延；(2)得到TCP/AQM的状态空间方程$\stackrel{.}{x}\left(t\right)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+A_{d}x(t-r)+\mathrm{Bu}\left(t\right)$y(t)＝A_cx(t)                                        (3)t∈[-r^*，0]其中状态向量$x\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\delta W}\left(t\right)\\ \mathrm{\delta q}\left(t\right)\end{array}\right],$输出y(t)＝δq(t)，控制输入u(t)＝δp(t-r)，时延r＝R₀，A_c＝[01]，$A=\left[\begin{array}{cc}-\frac{N}{R_0^{2}C}& -\frac{1}{R_0^{2}C}\\ \frac{N}{R_0}& -\frac{1}{R_0}\end{array}\right],$$A_d=\left[\begin{array}{cc}-\frac{N}{R_0^{2}C}& \frac{1}{R_0^{2}C}\\ 0& 0\end{array}\right],$$B=\left[\begin{array}{c}-\frac{R_0{C}^2}{2N^2}\\ 0\end{array}\right];$其特征在于还包括以下步骤：(3)设计全维动态输出反馈控制器$\stackrel{\stackrel{.}{~}}{x}\left(t\right)=K_{11}\tilde{x}\left(t\right)+K_{12}y\left(t\right)$(4)$u\left(t\right)=K_{12}\tilde{x}\left(t\right)+K_{22}y\left(t\right)$使得对于r∈[0，r^*]，通信网络拥塞控制系统的时滞有界模型式(5)是稳定的，$\stackrel{\stackrel{.}{‾}}{x}\left(t\right)=\bar{A}\bar{x}\left(t\right)+{\bar{A}}_d\bar{x}(t-r)---\left(5\right)$其中$\bar{x}\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(t\right)\\ \tilde{x}\left(t\right)\end{array}\right],$$\bar{A}=\left[\begin{array}{cc}A+B{K}_{22}{A}_c& B{K}_{21}\\ K_{12}{A}_c& K_{11}\end{array}\right],$${\bar{A}}_d=J{A}_d,$$J=\left[\begin{array}{c}{I}_2\\ 0\end{array}\right];$(4)将系统式(5)变换为$\stackrel{\stackrel{.}{‾}}{x}\left(t\right)=(\bar{A}+{\bar{A}}_d)\bar{x}\left(t\right)-(\bar{A}+{\bar{A}}_d+M){\eta }_t(-r)-N{\int }_{t-r}^t[(\bar{A}+{\bar{A}}_d)\bar{x}\left(\tau \right)-{\bar{A}}_d{\eta }_{\tau }(-r)]\mathrm{d\tau }---\left(6\right)$$M+N+\bar{A}=0---\left(7\right)$其中${\eta }_t\left(\tau \right)={\bar{x}}_t\left(0\right)-{\bar{x}}_t\left(\tau \right),$τ∈[-r，0]；(5)设计动态输出反馈控制器：(A)主动队列管理系统稳定性条件：设计可保证上述系统式(5)稳定的正定对称矩阵P，S₁，S₂，S₃∈R^4×4，S₄∈R^2×2，满足${(\bar{A}+{\bar{A}}_d)}^{T}P+P(\bar{A}+{\bar{A}}_d)+P(\bar{A}+{\bar{A}}_d)S_1^{-1}{(\bar{A}+{\bar{A}}_d)}^{T}P$(8)${+\mathrm{PMS}}_2^{-1}{M}^{T}P+r^{*}{(\bar{A}+{\bar{A}}_d)}^T{S}_3(\bar{A}+{\bar{A}}_d)+r^{*}{\mathrm{PNS}}_3^{-1}{N}^{T}P+r^{*}{\mathrm{PNJS}}_4^{-1}{J}^T{N}^{T}P<0$(B)主动队列管理控制器参数设计：设计可保证上述系统式(5)稳定的适当维矩阵R，U，V，W，满足$\left[\begin{array}{cccccc}{\Gamma }_1^T+{\Gamma }_1& {\Gamma }_1& {\Gamma }_2& {\Gamma }_1^T& {\Gamma }_1& {\Gamma }_3\\ *& -{\hat{S}}_1& 0& 0& 0& 0\\ *& *& -{\hat{S}}_2& 0& 0& 0\\ *& *& *& -{\left(r^{*}\right)}^{-1}\hat{Q}& 0& 0\\ *& *& *& *& -{\left(r^{*}\right)}^{-1}\hat{Q}& 0\\ *& *& *& *& *& -{\left(r^{*}\right)}^{-1}{S}_4\end{array}\right]<0---\left(19\right)$$\hat{Q}=\left[\begin{array}{cc}X& I_2\\ I_2& Y\end{array}\right]>0---\left(20\right)$得到动态输出反馈控制器参数$\left[\begin{array}{cc}{K}_{11}& K_{12}\\ K_{21}& K_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\Gamma }_4& \mathrm{BW}-Y^{-1}V\\ {(-{\mathrm{WA}}_{c}X+U)Z}^{-1}& W\end{array}\right]---\left(21\right)$其中${\Gamma }_1=\left[\begin{array}{cc}(A+A_d)X+\mathrm{BU}& A+A_d+{\mathrm{BWA}}_c\\ R& Y(A+A_d)+{\mathrm{VA}}_c\end{array}\right],$${\Gamma }_2=\left[\begin{array}{c}{A}_d\\ {\mathrm{YA}}_d\end{array}\right],$${\Gamma }_3=\left[\begin{array}{c}A+A_d+{\mathrm{BWA}}_c\\ Y(A+A_d)+{\mathrm{VA}}_c\end{array}\right]$Γ₄＝(-BWA_cX+BU+Y^-1VA_cX-Y^-1R+(A+A_d)X)Z^-1，Z＝X-Y^-1；(6)动态输出反馈控制器的传递函数$G_{\mathrm{DOFC}}\left(s\right)=\frac{U\left(s\right)}{Y\left(s\right)}=K_{21}{(s{I}_2-K_{11})}^{-1}{K}_{12}+K_{22}---\left(27\right)$进行Z变换和离散变换，得到离散化的动态输出反馈控制率δp(k)＝f₁δq(k)+f₂δq(k-1)+f₃δq(k-2)+f₄δp(k-1)+f₅δp(k-2)    (28)(7)主动队列管理的实施步骤：步骤1：采样当前队列长度q(k)，计算队列长度增量δq(k)＝q(k)-q₀；步骤2：根据式(28)计算控制率δp(k)，按照概率p(k)＝p₀+δp(k)对包进行丢弃；步骤3：更新数据，δq(k-2)＝δq(k-1)，δq(k-1)＝δq(k)，δp(k-2)＝δp(k-1)，δp(k-1)＝δp(k)。