有线/无线网络中最小方差拥塞控制算法
发布时间：2021-06-29 14:06
为了满足流媒体等新型应用对网络服务质量的需求,该文提出了基于最小方差理论的网络拥塞控制算法。针对有线/无线网络特性,利用平衡点线性化方法将拥塞控制模型转换为离散传递函数,并考虑系统噪声和随机性的影响,将广义最小方差控制理论引入有线/无线网络的拥塞控制中,设计了基于最小方差的网络拥塞控制算法。仿真实验表明,在变化网络环境下,所设计的网络拥塞控制算法是有效和鲁棒的,能够维持期望的队列长度,有效抑制队列长度波动和延时的影响,提高有线/无线网络服务质量。
【文章来源】：南京理工大学学报. 2017,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑
z－2解Diophantine方程(7)得E(z－1)=1F(z－1)=－6．56+7z－1－1．5z－2代入式(6)，基于最小方差的网络拥塞控制器即MVCC算法表示为p(k)=1204．21［41+6．56q(k)－7q(k－1)+1．5q(k－2)－407．6p(k－1)－203．8p(k－2)］式中:p为瓶颈路由器中生成的数据包标记/丢弃概率，q为瓶颈路由器缓存中的队列长度。显然，k时刻的数据包标记/丢弃概率是k，k－1和k－2时刻的队列长度以及前两个时刻的数据包标记/丢弃概率的线性组合。在瓶颈路由器中，分别使用经典拥塞控制的PI算法和本文的MVCC算法，图2给出了两种不同算法作用下路由器Ｒ0中缓存的队列长度。由图2可以看出，MVCC算法与PI算法相比响应速度较快，且维持了队列长度波动较小，MVCC算法具有更好的收敛性。采用最小方差控制，系统的输出偏离给定值的方差保持最小，即数据包传输过程中的延时变化率相对较小，降低了延时抖动对视频等流媒体质量的影响，提高了整个网络服务质量。图2瓶颈路由器中两种算法的队列长度改变网络负载数目验证算法在随机网络环境下的鲁棒性，在30s随机加入10个TCP数据发送源，并在70s随机结束20个TCP数据发送源，图3给出了在两种不同算法作用下变化连接数路由器Ｒ0中缓存的队列长度。由图3可以看出，在增加和减少网络负载数目情况下，MVCC算法与PI算法相比收敛速度较快，MVCC算法具有更好的鲁棒性。采用最小方差控制，针对随机系统的一种优化控制方法，在控制器设计过程中充分考虑系统的噪声和随机性，符合有线/无线网络特性，满足移动终端接入等应用场合，适应随机变化的网络环境。图3随机网络环境下两种算法的队列长度4结论本文设计了基于最小方差的拥塞控制算法，该方法能够有效地控制队列长度迅速收敛
影响。设网络拥塞控制系统方程为N(z－1)y(k)=M(z－1)u(k)+e(k)(5)式中:y(k)为系统的输出，u(k)为系统的控制器，e(k)为系统误差，可以用式(5)来表示网络的不确定性。为了保证系统输出方差最小，设计网络拥塞控制器u(k)=τ0q0－F(z－1)q(k)q0+E(z－1)M(z－1)(6)其中多项式E(z－1)和F(z－1)满足Diophantine方程N(z－1)E(z－1)+F(z－1)=1(7)关于网络拥塞控制闭环系统稳定性充要条件的证明参见文献［13］。3仿真实验仿真实验采用开源的Ns-2仿真软件，图1表示带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑，其中Si是数据发送端，Ｒi为路由器，di是数据接收端，Ｒ0是瓶颈路由器，Ｒ0与Si之间是有线链路，Ｒ1与di之间是有线链路，Ｒ0与Ｒ1之间是无线瓶颈链路。设定有线/无线网络特征参数，传输延时Tp=0．01s，数据包大小为500字节，无线瓶颈链路带宽C0=250packet/s(1Mb/s)，发送和接收节点带宽为2500packet/s(10Mb/s)，路由器缓存大小为300packet，期望队列长度q0=100packet，TCP数据源数目N=30，链路丢包率pl=0．1，仿真持续时间为100s。图1带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑根据仿真拓扑设置的有线/无线网络特征参数，可以得到τ0=q0C0+Tp=0．41sW0=τ0C0N(1－pl)=3．8packetp0=2(1+pl)W20－2plW0=0．13209
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间延迟/中断容忍网络拥塞控制策略研究[J]. 燕洪成,张庆君,孙勇. 通信学报. 2016(01)
[2]节点状态感知的延迟容忍网络拥塞控制策略[J]. 吴大鹏,傅象玖,张洪沛,王汝言. 电子学报. 2016(01)
[3]异构网络下TCP拥塞控制的混沌特性分析[J]. 魏旭晖,王辉. 系统仿真学报. 2015(07)
[4]TCP拥塞控制中的死锁与混沌[J]. 姜文刚,孙金生,王执铨. 南京理工大学学报. 2011(04)
[5]基于反步设计法的非线性主动队列管理算法[J]. 杨歆豪,王执铨. 南京理工大学学报(自然科学版). 2010(03)
[6]一种基于TCPW的流媒体端到端拥塞控制方法[J]. 金崇奎,王嘉,宋利. 中国图象图形学报. 2008(10)
本文编号：3256580
【文章来源】：南京理工大学学报. 2017,41(02)北大核心CSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑
z－2解Diophantine方程(7)得E(z－1)=1F(z－1)=－6．56+7z－1－1．5z－2代入式(6)，基于最小方差的网络拥塞控制器即MVCC算法表示为p(k)=1204．21［41+6．56q(k)－7q(k－1)+1．5q(k－2)－407．6p(k－1)－203．8p(k－2)］式中:p为瓶颈路由器中生成的数据包标记/丢弃概率，q为瓶颈路由器缓存中的队列长度。显然，k时刻的数据包标记/丢弃概率是k，k－1和k－2时刻的队列长度以及前两个时刻的数据包标记/丢弃概率的线性组合。在瓶颈路由器中，分别使用经典拥塞控制的PI算法和本文的MVCC算法，图2给出了两种不同算法作用下路由器Ｒ0中缓存的队列长度。由图2可以看出，MVCC算法与PI算法相比响应速度较快，且维持了队列长度波动较小，MVCC算法具有更好的收敛性。采用最小方差控制，系统的输出偏离给定值的方差保持最小，即数据包传输过程中的延时变化率相对较小，降低了延时抖动对视频等流媒体质量的影响，提高了整个网络服务质量。图2瓶颈路由器中两种算法的队列长度改变网络负载数目验证算法在随机网络环境下的鲁棒性，在30s随机加入10个TCP数据发送源，并在70s随机结束20个TCP数据发送源，图3给出了在两种不同算法作用下变化连接数路由器Ｒ0中缓存的队列长度。由图3可以看出，在增加和减少网络负载数目情况下，MVCC算法与PI算法相比收敛速度较快，MVCC算法具有更好的鲁棒性。采用最小方差控制，针对随机系统的一种优化控制方法，在控制器设计过程中充分考虑系统的噪声和随机性，符合有线/无线网络特性，满足移动终端接入等应用场合，适应随机变化的网络环境。图3随机网络环境下两种算法的队列长度4结论本文设计了基于最小方差的拥塞控制算法，该方法能够有效地控制队列长度迅速收敛
影响。设网络拥塞控制系统方程为N(z－1)y(k)=M(z－1)u(k)+e(k)(5)式中:y(k)为系统的输出，u(k)为系统的控制器，e(k)为系统误差，可以用式(5)来表示网络的不确定性。为了保证系统输出方差最小，设计网络拥塞控制器u(k)=τ0q0－F(z－1)q(k)q0+E(z－1)M(z－1)(6)其中多项式E(z－1)和F(z－1)满足Diophantine方程N(z－1)E(z－1)+F(z－1)=1(7)关于网络拥塞控制闭环系统稳定性充要条件的证明参见文献［13］。3仿真实验仿真实验采用开源的Ns-2仿真软件，图1表示带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑，其中Si是数据发送端，Ｒi为路由器，di是数据接收端，Ｒ0是瓶颈路由器，Ｒ0与Si之间是有线链路，Ｒ1与di之间是有线链路，Ｒ0与Ｒ1之间是无线瓶颈链路。设定有线/无线网络特征参数，传输延时Tp=0．01s，数据包大小为500字节，无线瓶颈链路带宽C0=250packet/s(1Mb/s)，发送和接收节点带宽为2500packet/s(10Mb/s)，路由器缓存大小为300packet，期望队列长度q0=100packet，TCP数据源数目N=30，链路丢包率pl=0．1，仿真持续时间为100s。图1带瓶颈链路的有线/无线网络仿真拓扑根据仿真拓扑设置的有线/无线网络特征参数，可以得到τ0=q0C0+Tp=0．41sW0=τ0C0N(1－pl)=3．8packetp0=2(1+pl)W20－2plW0=0．13209
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间延迟/中断容忍网络拥塞控制策略研究[J]. 燕洪成,张庆君,孙勇. 通信学报. 2016(01)
[2]节点状态感知的延迟容忍网络拥塞控制策略[J]. 吴大鹏,傅象玖,张洪沛,王汝言. 电子学报. 2016(01)
[3]异构网络下TCP拥塞控制的混沌特性分析[J]. 魏旭晖,王辉. 系统仿真学报. 2015(07)
[4]TCP拥塞控制中的死锁与混沌[J]. 姜文刚,孙金生,王执铨. 南京理工大学学报. 2011(04)
[5]基于反步设计法的非线性主动队列管理算法[J]. 杨歆豪,王执铨. 南京理工大学学报(自然科学版). 2010(03)
[6]一种基于TCPW的流媒体端到端拥塞控制方法[J]. 金崇奎,王嘉,宋利. 中国图象图形学报. 2008(10)
本文编号：3256580
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