（模式识别与智能系统专业论文）atm网络拥塞控制的智能pid方法研究.pdf

摘要 摘要 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f o r mm o d e ) 异步传输模式网络技术，是当前 宽带网络( 如a d s l 、v d s l 等) 的核心技术，自1 9 9 4 年以来已从实验室研究大 量走向实际应用。它结合了电路网络和计算机网络的优点，能承载语音、数据 和图像等多种业务。但是，随着网络业务量的增加，a t m 网络的拥塞控制越发 成为迫切需要解决的难题。 a t m 网络的一个重要特征就是它能提供几类服务以满足不同服务质量的要 求，这包括：恒定比特率( c b r ) 、未定比特率( u b r ) 、可用比特率( a b r ) 以及 可变的比特率( v b r ) 服务。这些服务 cc b r 和v b r 属于“受保护”的服务， 它们被网络中的交换机赋予更高的优先权，优先获得链路带宽的分配。a b r 则 是利用c b r 和v b r 连接剩余的带宽来承载“尽力传输”的业务；此外，a b r 服务主要用于支持数据应用，在网络信息传输中有着重要的地位。因此a b r 业 务的拥塞控制显得尤为重要。 a b r 业务采用基于速率反馈的拥塞控制机制，主要有两种实现方案：二进 制速率反馈和显示速率反馈方案。在高速网络中，实现方案的简洁性在很大程 度上决定着交换机的性能，所以广大交换机厂商纷纷采用了相对简单的二进制 速率反馈方案。但是，传统的二进制a b r 业务拥塞控制机制大多基于启发式法 则而没有正式的理论支持，所以这些方法存在两个不足，一是队列长度和源端 允许信元速率呈现振荡性；二是在具有大的带宽时延乘积的网络中，控制效果 不佳。本文摒弃了以往二进制a b r 拥塞控制中采用的直觉分析方法，从控制理 论的角度分析了该问题。本文的主要工作包括： 首先，基于流体流理论建立了单瓶颈节点的二进制a b r 流的网络模型。在 对该模型线性化后，本文对二进制a b r 拥塞控制广泛采用的显示前向拥塞指示 ( e f c i ) 算法进行了性能分析，结果表明二进制e f c i 算法导致系统振荡的主要 原因在于判定和解除拥塞状态时引入了非线性环节，而非二进制机制的内在属 性。因此从理论上讲，二进制反馈机制的简洁性应该有充分发挥的空间。这为 论文的研究奠定了基础。 然后，采用上述模型，分别基于线性p i d 、模糊p i d 、神经p i d 、专家p i d 摘要 及遗传算法p i d 技术，研究了二进制a b r 流的拥塞控制问题。线性p i d 控制 器在一定程度上抑制了系统振荡，使得系统的稳态动态性能有所改善，同时使 得系统具有一定的鲁棒性。继普通p i e ) 控制之后，设计了三种改进的p i d 控制 器，即积分分离p i d 、变速积分p i d 及微分先行p i d 控制器，这类改进的p i d 控制器进一步改善了系统性能，但其效果不明显。 将模糊逻辑与p i d 技术相结合，研究设计了直接控制量模糊p i d 控制器、 模糊自适应整定p i d 控制器及模糊免疫p i d 控制器，并将其成功地应用于二进 制a b r 流的拥塞控制。仿真表明这类控制器不仅具有传统p i d 控制器的优良特 性，而且由于模糊逻辑的加入，当系统受到可变比特流的干扰或系统参数变化 时，控制器| 仍能很好地完成控制任务。 将神经网络与p i d 技术相结合，研究设计了单神经元自适应p t d 控制器， 并根据控制经验将其进行了改进：提出了种动态前向网络范畴的新型神经元 p i d 控制器，并将其成功地应用于二进制a b r 流的拥塞控制。这类控制器通过自 学习，取得了良好的控制效果，有效的抑制了系统振荡，实现了零超调、零误 差，增强了系统的鲁棒性。相对于其它拥塞控锘4 机制，这类控制机制的综合性 能更加突出。 将专家知识及遗传算法与p i d 技术相结合，研究设计了专家p i d 控制器和 基于遗传算法的p i d 控制器，并将其应用于二进制a b r 流的拥塞控制。仿真表 明这两种控制方法的有效性，但是其控制效果仍有待改善。 最后，本文分析比较了各类拥塞控制方法，指出了它们的优缺点，同时对 a b r 拥塞控制及智能p i d 控制的应用前景进行了展望。 关键字：a t m 网络，拥塞控制，a b r 流量控制，p i d 控制，智能p i d 控制 神经网络，模糊逻辑，专家知识，遗传算法 a b s t r a c t r e s e a r c ho f i n t e l l i g e n t p i dc o n t r o lf o r c o n g e s t i o n i na t mn e t w o r k a b s t r a c t t h ed e m a n df o rh i g h e rt r a n s m i s s i o nc a p a c i t ya n d h i g h e rb a n d w i d t h t ot h eu s e r b ym u l t i s e r v i c ea n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n ，h a sp u ta s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) b a s e d o na r c h i t e c t u r e sa tt h ef o r e f r o n to fs e v e r a l c o m p e t i n g s w i t c h t e c h n o l o g i e s a t m i se x p e c t e dt os u p p o r tv a r i o u st y p e so fm u l t i m e d i a t r a f f i c ( s u c h a s d a t a ，v o i c eo rv i d e oa p p l i c a t i o n s ) w i t hd i f f e r e n tb i tr a t e sa n dq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n t s d u et ot h eu n p r e d i c t a b l ef l u c t u a t i o n sa n db u s h i n e s so f t r a f f i cf l o w s w i t h i nn e t w o r k s ，c o n g e s t i o nm a yo c c u r f r e q u e n t l y t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r yt o d e s i g n t h e p r o p e rc o n g e s t i o n c o n t r o lm e c h a n i s m st oe n s u r et h ep r o m i s e dq o s o n eo f t h e i m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i c so f a t mn e t w o r k si st h a tt h ea t mn e t w o r k s s u p p o r t s e v e r a ls e r v i c et y p e st om e e t a p p l i c a t i o n s 、v i md i f f e r e n tq o s i n u n i4 1 t h e s e r v i c et y p e sa r ec o n s t a n tb i tr a t e ( c b r ) ，v a r i a b l eb i tr a t e ( v b r ) ，a v a i l a b l eb i t r a t e ( a b r ) ，a n du n s p e c i f i e d b i tr a t e ( u b r ) a m o n gt h e s es e r v i c e s ，c b ra n dv b r s e r v i c e s g u a r a n t e e b o t ht h eb a n d w i d t ht h a tac o n n e c t i o nw i l lr e c e i v ea n dt h e m a x i m u md e l a yt h a tw i l lb ei n c u r r e d b y i t sc e l l d i f f e r e n tf r o mt h e m ，a b r c o n n e c t i o n sc a r lo n l yu t i l i z et h er e s i d u a lb a n d w i d t ho fc b ra n dv b rc o n n e c t i o n s h e n c e ，c o n g e s t i o n c o n t r o lo f a b rs e r v i c ei se s p e c i a l l y i m p o r t a n t t h e r ea r et w od i f f e r e n ts c h e m e st o i m p l e m e n tt h ea b r s e r v i c ec o n g e s t i o n c o n t r o l ，b i n a r yr a t ef e e d b a c k ( b r e ) s c h e m ea n de x p l i c i tr a t ef e e d b a c k ( e r f ) s c h e m e b e c a u s et h es w i t c hp e r f o r m a n c el i e so nt h es i m p l i c i t yo ft h ea l g o r i t h mi nh i g h s p e e d a t m n e t w o r k s ，m a n y s w i t c hm a n u f a c t u r e r sc h o o s et h eb r fs c h e m et h a ti ss i m p l e r t h ec l a s s i c a l c o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m s f o rb i n a r ya b rs e r v i c em a i n l y b a s e do nh e u r i s t i c sa n dd on o th a v eaf o r m a lt h e o r yt os u p p o r tt h e m ，t h u st h e yh a v e t w od r a w b a c k s o n ei st h a tt h eq u e u el e n g t ha n da l l o w e dc e l lr a t e ( a c r ) o s c i l l a t e w i t hg r e a ta m p l i t u d e ，t h eo t h e ri st h a tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei sn o ta sg o o da sw e h a d e x p e c t e di nn e t w o r k s w i t hal o n gb a n d w i d t h d e l a y c o n s i d e r i n gt h e s e ，t h ep a p e r i i i a b s t r a c t s t u d i e st h ec o n g e s t i o nc o n t r o lo f b i n a r ya b r f r o mt h ev i e wo ft h em o d e mc o n t r o l t h e o r y t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eb i n a r ya b rc o n g e s t i o nc o n t r o lm o d e li sd e d u c e db a s e do nt h ef l o w t h e o r y s u b s e q u e n t l y , t h en o n l i n e a rm o d e li sl o c a l l yl i n e a r i z e da te q u i l i b r i u mp o i n t w i t ht h i sl i n e a rm o d e l ，t h ep e r f o r m a n c eo fs t a n d a r de f c i a l g o r i t h mt h a ti su s e di n b r fs c h e m ei se v a l u a t e d t h ec o n c l u s i o ni st h a to s c i l l a t i o n sa r ec a u s e db yt h e n o n l i n e a rc o m p o n e n te x i s t e di ne f c ia l g o r i t h m ，b u tn o ti n t r i n s i ca t t r i b u t eo ft h e b i n a r yc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m t h e r e f o r e ，t h eb r f s c h e m ec a l lb ee x p e c t e da b r i g h tf u t u r e s e c o n d l y ，b a s e d o nt h el i n e a rp dc o n t r o l l e r , t h e p a p e r d o e sr e s e a r c ho n c o n g e s t i o nc o n t r o l o fb i n a r ya b rs e r v i c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i s c o n t r o l l e rc o n s t r a i n st h eo s c i l l a t i o no fa c ra n dt h eq u e u el e n g t ho fs w i t c h i ns o m e d e g r e e ，t h ep e r f o r m a n c e so fs t e a d ya n di n s t a n t a n e o u s s t a t eh a v eb e e ni m p r o v e d a f t e rt h i s ，t h r e er e f o r m a t i v ep i dc o n t r o l l e r sa r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r t h e ya r e i n t e g r a l s e p a r a t e dp i dc o n t r o l l e r 、s h i f ti n t e g r a lp i dc o n t r o l l e ra n dd i f f e r e n t i a l a h e a dp i d c o n t r o l l e r t h e y f u r t h e r i m p r o v e n e t w o r kp e r f o r m a n c e s ，b u tt h e e n h a n c e m e n ti sn o tg o o d e n o u g h t h i r d l y , t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ff u z z yl o g i ca n dp i d ，t h ep a p e rd e s i g n s t h r e ef u z z yp i dc o n t r o l l e r sa n da p p l i e st h e mi nc o n g e s t i o nc o n t r o lo f b i n a r ya b r s e r v i c e s u c c e s s f u l l y t h e y a r e d i r e c t - a c t i o n - t y p ef u z z yp i dc o n t r o l l e r , f u z z y s e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l l e ra n df u z z yi m m u n ep i dc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o n ss h o w t h a tt h e s ek i n dc o n t r o l l e r sn o to n l yi n c l u d et h ef i n ep e r f o r m a n c e so ft h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e rb u ta l s od ow e l lw h e ng r e a td i s t u r b a n c e sa r em e tw i t ho rt h e p a r a m e t e r so f t h e m o d e la r ec h a n g e d f o u r t h l y , t h r o u g h t h ec o m b i n a t i o no f n e u r a ln e t w o r ka n dp i d ，t h e p a p e rd e s i g n s t h r e en e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r o l l e r sa n da p p l i e st h e mi n c o n g e s t i o nc o n t r o lo f b i n a r ya b r s e r v i c es u c c e s s f u l l y t h e ya r e s i g n a l n e u r o np i dc o n t r o l l e r , n e w n e u r o n p i dc o n t r o l l e ra n d f u z z y - p i d c o n t r o l l e rb a s e do nn n t h e yo b t a i n e x c e l l e n tc o n t r o le f f e c t st h r o u g h s e l f - s t u d y , g r e a t l yc o n s t r a i n t h eo s c i l l a t i o n so fa c r a n dq u e u e ，p u tz e r oo v e r s h o o ta n dz e r oe r r o ri n t or e a l i t y , s t r e n g t h e nt h er o b u s t n e s s a n da n t i i n t e r f e r e n c ea n di m p r o v et h el i n ku t i l i z a t i o n m o r e o v e r , t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o n o f e x p e r tk n o w l e d g e ，g e n e t i ca l g o r i t h ma n d p i d ，t h ep a p e rd e s i g n se x p e r tp i dc o n t r o l l e ra n d p i dc o n t r o l l e rb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m a n d a p p l i e s t h e mi n c o n g e s t i o n c o n t r o lo fb i n a r ya b rs e r v i c e t h e s i m u l a t i o n ss h o wt h a tt h et w oc o n t r o l l e r sa r ee f f e c t i v et os o m ee x t e n d ，h o w e v e r , t h e p e r f o r m a n c e sc a n b e i m p r o v e d f u r t h e r f i n a l l y ，a l l k i n d so fc o n g e s t i o nc o n t r o l l e r sa l ec o m p a r e d ，a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e sa m o n gt h e m 8 e a n a l y z e d a n dt h en e x tr e s e a r c hi n t h i s f i e l d i s p r o p o s e d y_ k e y w o r d s ：a t mn e t w o r k ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，p i d c o n t r o l l e r , i n t e l l i g e n tp i d ， n e u r a ln e t w o r k ，f u z z yl o g i c ，i n t e l l i g e n tp i d ，e x p e r tk n o w l e d g e ，g e n e t i ca l g o r i t h m v 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵亏 日期：卫口口碑，, e l 届日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构迸交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书a 本学位论文属于 1 不保密口。 学位论文作者签名：赵芗 日期：卯币年j 月肜日 指导教师签名：二圭 日期：口j ，年，月，日 第1 章 第1 章绪论 1 1 引言 近十几年来，计算机网络经历了飞速的发展，使得信息的交流变得方便和 快捷。借助计算机网络，人们解除了地理位置的束缚，处在不同地方的用户可 以共享网络上的软件资源和硬件资源。多媒体计算机网络的应用，使声、文、 图、像等多种信息的收集、传送、存储和处理融为一体，给用户提供了很大的 方便。可以说计算机网络已经成为现代社会重要的组成部分和赖以生存的基础。 随着远程通信、多媒体和计算机工业与技术的日益发展和相互结合，计算 机网络互联逐渐采用一种称为异步转移模式( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ，简称 a t m ) 的技术。该技术己被国际电信联盟( 删一t ) 推荐为b i s d n 的复用和交换 方式，也是当前宽带网络( 如a d s l 、v d s l 等) 的核心技术。自1 9 9 4 年以来， a t m 网络己从实验室研究大量走向实际应用，它结合了电路网络和计算机网络 的优点，能承载语音、数据和图像等多种业务；它同时支持专用和公用网络， 具有动态分配信道带宽的优点，从而简化了网络结构，有效地利用了网络资源。 与此同时，a t m 网络的国际标准也已由a t m 论坛【1 1 和r r u 圆制定并正在完善与 发展。 网络中，当两个突发业务同时到达一个节点，队列长度迅速增加，导致缓 冲区溢出而不能保证服务质量，或当慢速网络引入更高速率的链路，造成输入 链路速率大于输出链路速率时，就产生了拥塞问题。由于a t m 网络传输速率高 和业务种类多，网络流量具有突发性和波动性，所以即使在设计很好的网络中， 拥塞也经常发生。拥塞一旦发生，传输延时就增大，信元丢弃率迅速上升，拥 塞持续时间过长，还会导致整个网络崩溃。因此，拥塞控制是a 1 m 网络设计中 的一个关键问题，引起了越来越多的国内外学者 3 l 【4 】，及各大网络设备生产商的 广泛关注。 很多像计算机网络这样的复杂系统中的问题，都能从控制理论的角度进行 解释。y a n g 和k e d d y 5 】( 1 9 9 5 ) 依据控制论将拥塞控制方法分为两类：开环和闭 环控制。开环控制运行于网络端系统，它致力于通过良好的设计避免拥塞的发 生，典型的a t m 网络开环控制方法如漏桶算法【6 1 。但是，开环控制是一种预防 第1 章 式的控制方法，其主要缺点是需要一个精确的网络模型，而且网络资源利用率 低。与之相比较，闭环控制的解决方案是建立在反馈环路上的，其工作原理是 根据网络中的反馈信息，动态地调节每个连接的信元发送速率，从而提高了网 络带宽利用率，及时消除了网络拥塞。 1 2 基于速率的a b r 业务拥塞控制研究现状 a t m 网络的一个重要特征就是它能提供几类服务以满足不同应用的服务质 量要求。这包括：恒定比特率( c b r ) ，未定比特率( u b r ) ，可用比特率( a b r ) 以 及可变的比特率( v b r ) 。这些服务中，c b r 和v b r 属于“受保护”的服务，它 们被网络中的交换机赋予更高的优先权，优先获得链路带宽的分配。a b r 则是 利用c b r 和v b r 连接剩余的带宽来承载“尽力传输”的业务；此外，a b r 服 务主要用于支持数据应用，在网络信息传输中有着重要的地位。因此a b r 业务 的拥塞控制显得尤为重要。 a b r 业务采用基于速率反馈的拥塞控制机制，而且是唯一网络会向发送 者提供速率反馈的服务类型。以往基于速率的a b r 拥塞控制机制研究中，大 多采用直觉的启发设计方法，不可否认，这种模式为网络设计积累了很多经验， 发掘了不少新的方法与策略，在一定程度上控制了网络拥塞。但是，它们存在 两个不足，一是网络流量或信源发送速率呈现有振荡性；其次是在具有大的带 宽时延乘积的网络中，控制效果不佳。这是因为a t m 网络中，大的带宽时延乘 积意味着在信源确认网络拥塞时，已有大量信元( 末受控) 发给网络【_ ”。此外， 在以往基于速率的控制机制研究中，很少考虑其它业务流的影响【8 】，这也是己 存在的基于速率的方法会引起振荡性的原因之一。因此，近年来利用控制理论 方法分析或设计拥塞控制机制( 尤其是基于速率的闭环控制) 已广泛开展。目前， 基于控制理论的拥塞控制可分为两大类：基于传统控制理论的方法和基于智能 控制理论的方法1 9 。 基于传统控制理论的方法，给出一个a b r 业务的网络受控分析模型，所以 可方便地使用各种控制理论方法进行速率调节器的设计。此外，还可根据控制 目标( 如稳定性、瞬态响应、鲁棒性和公平性等) 进行参数整定，从而有效地控 制或避免网络拥塞，提高网络运行性能，保证不同用户所要求的服务质量。另 一方面，对于给定的受控模型，可通过采用最优化方法使网络的运行效率最优， 第1 章 以最大限度地提高网络资源利用率。a t m 网络拥塞控制中，已提出的传统控制 方法主要有：比例控制器( p 控制器) 1 0 1 、r p 调节器【l l 】、p d 控制器【1 2 】、c a e r a 控制器【1 3 】、s p d i 控制器( s i m p l i f i e dp d ) i t 4 、s p d 2 控制器 1 5 】、d u p d 控制器( 双 p d 调节器) 1 6 1 、h 2 调节器【、l q 控制器【1 8 】。这类方法共同的不足之处是需要 一个精确的网络模型。但是，由于实际的网络是一个非线性随机系统，在网络 建模时往往忽略了许多因素，因此很难得到精确的网络模型，从而限制了调节 器参数的选择，使网络的性能未得到应有的提高。 随着智能控制理论的发展，网络拥塞控制的智能方法研究也广泛开展。智 能控制理论方法的主要特点是不需要严格的网络模型，并可以自适应地预测和 控制网络参数，因此系统鲁棒性好。a t m 网络拥塞控制的智能方法研究1 r 9 1 3 主 要基于两种技术：模糊逻辑控制和神经网络控制。模糊控制算法控制形式简单 易于实现，瞬态性能好，尤其对于网络流量的并发性具有很好的控制效果。神 经网络控制算法具有在线学习和并行处理功能，可实时测量网络参数以调节控 制制律，其主要特点是自适应能力强。 近些年来，智能理论与常规p i d 控制技术相结合，形成所谓的智能p i d 控 制 2 4 】，这种新型控制器己引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛 的应用。它具有不依赖系统精确数学模型，且对系统的参数变化具有较好的鲁 棒性的优点。但是，以往基于速率的拥塞控制很少采用这种控制方法，l 习此本 文将结合这两种控制技术，对a t m 网络中a b r 业务的拥塞问题进行研究。 1 3 智能p i d 控制概述 近年来，越来越多的学者已意识到在传统控制中加入逻辑、推理和启发式 知识的重要性，这类系统一般称为智能控制系统。智能控制理论是控制理论发 展的高级阶段，它是人工智能的发展应用于控制过程的直接结果。目前，它主 要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题，主要是不确定性 问题，高度的非线性系统的控制等等。 目前有关智能控制的定义、理论、结构等尚无系统的描述，i e e e 控制系统 协会陋2 6 1 将“智能控制”归纳为：智能控制系统必须具有模拟人类学习和自适 应的能力。在智能控制的大旗下，存在着若干彼此相对独立的分支，根据其主要 的思路可以分为以下几个范畴： 第1 章 ( 1 ) 就是试图弄清人类智能的机理，希望通过模拟人脑的结构来产生人类 所特有的智能，即基于联结主义的人工神经网络( 简称神经网络) 。它本质上是 一个非线性的动力学系统，通过大量的简单关系来实现复杂的功能，比如自学 习功能等。因此，常常利用神经网络实现自适应控制，此外，也可以用它来对 控制规则进行学习。 ( 2 1 就是对于特定的系统，利用工程的方法将专家常年积累的知识和经验 提取出来，然后用计算机将专家的控制策略推广到同一类其它系统上，即基于 符号主义的人工智能专家系统理论。比较成熟的有：g n 萨里迪斯提出的分层 递阶控制理论，用来解决复杂控制问题；k j 奥斯特洛姆1 9 8 6 年提出的专家控 制理论，它将专家系统技术同传统的控制方法结合起来；在l a z a d e h 提出的 模糊数学基础上产生的模糊控制理论，则将模糊决策和模糊推理的技术引入控 制理论，目前已被工业界大量采用。另外，还存在着基于进化论的人工生命， 只是由于其还处于发展的早期阶段，理论上很不成熟，实践中的独立运用较少。 模糊控制、神经网络控制和专家控制是目前智能控制研究中最为活跃的领 域。近些年来，智能理论与常规p i d 控制技术相结合，形成所谓智能p i d 控制。 这种新型控制器已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用， 它具有不依赖系统精确数学模型，对系统的参数变化具有较好的鲁棒性的优点。 智能p i d 控制器主要包括基于规则的智能p i d 自学习控制器、加辩识信号的智 能自整定p i d 控制器、专家式智能自整定p i d 控制器、模糊p i d 控制器、基于 神经网络的p i d 控制器、自适应p i d 预测智能控制器和单神经元自适应p i d 智 能控制器等多种类型。 1 4 本文的主要工作 传统的拥塞控制方案大多是基于启发式法则，缺乏正式的理论支持，并且 依靠一系列的测量值，这些测量值不是很难测量就是在估计时产生显著的噪声。 滤除这些噪声将导致队列振荡，较高的信元丢失和较低的链路利用。因此，本 文摈弃了直觉的启发式设计方法，应用控制理论中成熟的分析和设计方法，研 究了a t m 网络中二进制a b r 业务的拥塞控制问题，期望对拥塞控制机制和算 法的性能在理论上有一个全面深入的理解，本文主要进行了以下工作： l 、分析介绍了a t m 网络的基本服务类型及不同服务类型所采用的拥塞控制 4 第1 章 机制，指出了可用比特率( a b r ) 业务拥塞控制的重要性，并从控制理论角度总结 了目前研究较多的基于速率反馈的a b r 拥塞控制方法，指出了该领域研究的热 点和难点。 2 、基于流体流理论建立了单瓶颈节点的二进制a b r 流的网络模型。在对该 模型进行线性化后，本文对二进制a b r 拥塞控制广泛采用的显示前向拥塞指示 ( e f c i ) 算法进行了性能分析，结果表明二进制e f c i 算法导致系统振荡的主要原 因在于判定和解除拥塞状态时引入了非线性环节，而非二进制机制的内在属性。 因此从理论上讲，二进制反馈机制的简洁性应该有充分发挥的空间。这为论文 的研究奠定了基础。 3 、研究了基于线性p i d 的二进制a b r 流的拥塞控制问题：线性p i d 控制 器在一定程度上抑制了系统振荡，使得系统的稳态动态性能有所改善，同时使 得系统具有一定的鲁棒性。继普通p i d 控制之后，本文设计了三种改进的p i d 控制器，即积分分离p i d 、变速积分p i d 及微分先行p i d 控制器，这类控制器 进一步改善了系统性能，但其效果不明显。 4 、将p i d 技术与模糊理论相结合，研究了基于模糊p i d 的二进制a b r 流 的拥塞控制问题，设计了直接控制量模糊p i d 控制器、模糊自适应整定p i d 控制 器及模糊免疫p i d 控制器，并将其成功地应用于二进制a b r 流的拥塞控制。在 与传统p i d 控制相同的网络仿真条件下，分别对三种控制器进行了仿真，结果表 明模糊p i d 控制不仅包含了传统p i d 控制器的优良特性，而且由于模糊逻辑的 加入，当系统受到可变比特流的干扰或系统参数变化时，该类控制器仍能很好 的完成控制任务。 5 、将p i d 技术与神经网络相结合，研究了基于神经p i d 的二进制a b r 业 务的拥塞控制问题，设计了单神经元自适应p i e ) 控制器，并根据控制经验将其 进行了改进；提出了一种动态前向网络范畴的新型神经元p i d 控制器：综合模 糊逻辑、神经网络和p i d 技术，设计了神经网络模糊p i d 控制器，并将这三种 控制器成功地应用于二进制a b r 流的拥塞控制。这类控制器通过自学习，取得 了良好的控制效果，有效的抑制了系统振荡，实现了零超调、零误差，增强了 系统的鲁棒性，提高了网络利用率。相对于其它拥塞控制机制，这类控制机制 的综合性能更加突出。 第1 章 6 、将p i d 控制与专家控制及遗传控制相结合，研究了基于专家知识及遗传 算法p i d 的拥塞控制问题，设计了专家p i d 控制器、基于遗传算法的p i d 控制 器，并将其成功地应用于二进制a b r 流的拥塞控制。仿真分析表明这两种控制 方法的有效性，但是其控制效果仍有待改善。 7 、分析比较了各类拥塞控制方法，指出了它们的优缺点及a t m 网络a b r 业务拥塞控制的进一步改进思路，并对拥塞控制的进一步研究及智能p i d 控制 的应用前景进行了展望。 综上所述，本论文的特点及主要贡献有：( 1 ) 本文摒弃了以往二进制a b r 拥塞控制中所采用的启发式分析方法，从控制理论角度分析了该问题，建立了 单瓶颈节点的二进制a b r 流的网络模型，作为分析研究的基础。( 2 ) 本文针对 二进制a b r 流的拥塞控制问题，设计了几类p i d 控制器，并通过比较分析，指 出了各类控制器的优缺点，从而对不同p i d 控制机制的效果有了进一步认识， 为a b r 拥塞控制的智能p i d 研究提供了参考和思路。( 3 ) 本文根据控制经验对 单神经元p i d 控制器进行了改进。而且，将p i d 控制规律融入神经元网络结构 中，提出了一种动态前向网络范畴的新型神经元p i d 控制器，最后通过仿真表 明了它们的有效性。 第2 章 第2 章a t m 网络及a b r 业务拥塞控制 2 1 a t m 网络简介 a t m 网络吸收了传统网络技术的优点，避开了某些不足之处，它最突出的一 个特点是采用了一种固定长度的信元作为分组交换和统计复用技术的基础。a t m 信元及其信头格式与分组交换的分组相比要简单的多，a t m 信元由5 3 个字节组 成，其中包括4 8 个字节的有效载荷和5 个字节的信头。较小的信元长度使交换 机能够接收和处理大批量信元，而定长的信元结构减小了各种延时( 传输和交换 机处理) ，降低了信元丢弃率，提高了网络利用率，使网络能够支持更高的传输 速率。研究a t m 网络的拥塞问题，首先必须先了解与其相关的基础知识。本章 对a t m 网络，尤其是a b r 业务拥塞控制中涉及到的背景知识进行介绍。 2 1 1 a t m 网络的业务类型及服务质量 a t m 论坛定义了四种类型的业务，分别为恒定比特业务、可变比特业务、自 适应比特业务、不确定比特业务。每种业务类型有自己的流量特性、q o s ( 服务 质量) 指标拥塞控制控制策略。 恒定比特率业务( c o n s t a n tb i tr a t es e r v i c e ，c b r ) ，是一种预留带宽的 业务。它要求在整个连接期间必须有恒定大小的带宽来支持该业务，带宽的大 小由c b r 业务的峰值信元速率来确定。c b r 业务主要用来支持对时延有严格限制 的实时性应用，如语音、视频、电路仿真等。在c b r 中，信源在任何时间都可 以用等于或小于协定的峰值信元速率向网络发送信元，并且持续时间可任意长， 网络必须以协商而定的q o s 支持这些遵守一致性测试的信元流。 可变比特率业务( v a r i a b l eb i tr a t es e r v i c e ，v b r ) ，主要用于支持数据 应用，可分为实时可变比特率业务( r t v b r ) 及非实时可变比特率业务 ( n r t v b r ) 。实时可变比特率业务主要用来描述具有可变数据流并且要求严格实 时的服务，比如交互式的压缩视频( 例如电视会议) 。非实时可变比特率业务主 要用于定时发送的通信场合，在这种场合下，一定数量的延迟及其变化是可以 被应用程序所忍受的，如电子邮件。一v b r 与c b r 一样，在网络中赋予极高的优先 权并优先获得链路带宽分配。 第2 章 可用比特率业务( a v a i l a b l eb i tr a t es e r v i c e ，a b r ) ，是为带宽范围大致 已知道的突发性信息传输而设计的。a b r 业务是一种“尽力传输”的业务，具有 很高的统计复用增益，对带宽和时延没有定量要求，为许多应用业务所接受。 a b r 是唯一网络会向发送者提供速度反馈的服务类型。当网络中拥塞发生时会要 求发送者减小发送速率。 未指定比特率业务( u n s p e c i f i e db i tr a t es e r v i c e ，u b r ) ，是延时和时延 偏差没有严格要求的非实时性应用，如传统计算机网络中的应用程序，如文件 传输和电子邮件等。对u b r 业务没有定义信元丢失率，也没有流量控制参数， 因此当使用u b l t 业务时信元丢失会严重影响系统的整体性能，为避免以这种方 式浪费网络资源，可以在网络的任何中问节点上进行适当处理。各种类型服务 的特性如表2 - 1 。 表2 - 1 各类a t m 服务类型的特性 适用于使用于 i 服务类型带宽保证拥塞控制方式 时实通信突发通信 l c b r 是是不以连接认可控制( c a c ) 分配峰值速率带宽 r t v b r是是不以c a c 分配统计复用带宽 n r t v b r是不是以c a c 分配统计复用带宽 b r可选 不 是反馈型拥塞控制( 动态控制) u b r不不是低优先级控制不保证通信质量 为了使具体的通信量协定成为可能，a t m 标准定义了一系列的服务质量 q o s ，客户和通信提供者可以协商这些参数的值。对于每一个服务质量参数， 其最差情况下的值被指定，要求通信提供者必须要达到或者超过该值。在某些 情况下，参数是一个最小值，而在另外一些情况下也可能是一个最大值，比较 重要的一些参数如表2 - 2 ，其它参数本