二进制ABR流量控制的离散滑模控制算法
闫 明,井元伟
(东北大学a.教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室, b.信息科学与工程学院,沈阳110004)摘 要:针对ATM网络的拥塞控制问题,考虑网络中的不确定性因素,借助离散滑模控制理论的设计方法,提出一种二进制ABR(可用比特率)流量控制算法.该算法利用线性矩阵不等式设计了一个稳定的滑模面,同时给出了一种能够明显减小滑模面附近抖振的离散趋近律,基于该趋近律的控制律能有效抑制ATM交换机中的队列长度和允许信元速率的振荡.仿真算例证实了所提出算法的有效性.
关键词: ABR流量控制;离散滑模;非匹配不确定系统;线性矩阵不等式;趋近律
中图分类号: TP273 文献标识码: A
1 引 言
ABR(可用比特率)是ATM网络的一种服务类型,其流量控制是一种有效的网络拥塞控制手段.ABR主要有二进制和ERF(显式速率反馈)两种流控机制[1].前者典型的代表是EFCI(显式前向拥塞标识)算法,其特点是实现起来非常简洁,但同时也存在着一个严重的问题,即ATM交换机中的队列长度和ACR(允许信元速率)存在大幅度的振荡,这势必会降低链路的利用率.虽然ERF在一定程度上可以克服这一问题,但其实现十分复杂.因此,如果能有效地抑制队列长度和ACR的振荡,二进制流控机制将具有更大的实用价值.
近年来,人们在积极探索二进制流控机制的改进算法,取得了一些研究成果.文献[2]基于经典的控制理论分析了队列长度和ACR振荡的原因,提出一种概率拥塞判定机制,有效地抑制了这二者的振荡,但没有考虑到系统中存在的不确定性因素的影响.文献[3]提出了E-EFCI算法,缩短了端到端的延时,提高了链路的利用率,但控制器参数需要精确调节,这在实际中存在着很大的困难.文献[4]提出一种基于拥塞概率标识的p-EFCI算法,用控制理论中的描述函数法分析了算法的稳定性,在理论上证明了p-EFCI算法的鲁棒性优于传统的二进制算法,但无法根据网络的实际情况动态调整拥塞概率标识.文献[5]提出了i-EFCI算法,认为依赖于直觉的启发式非线性控制算法诱发的自激振荡是造成队列长度和ACR振荡的本质原因,通过修改交换机参数配置策略来优化性能的方案取得了较好的控制效果,但没有考虑队列门限参数的动态配置问题.
文献[6]在交换机中通过队列的长度设置EFCI来传递网络的排队信息,不仅反映了网络的阻塞情况,而且反映了网络的排队情况,具有较高的性能价格比,但对系统的稳定性缺乏理论上的论证.
ATM网络是一个复杂的时变系统,一旦系统发生改变,上述各种改进的二进制流控算法的控制效果并不理想.因此,需要设计一种鲁棒性强的控制器,以取得好的控制效果.滑模系统中的滑动模态因其具有理想的鲁棒性而引起广大学者的关注,出现了许多研究成果[7-11].对于ATM网络这种复杂的时变系统,滑模控制是相当理想的选择,但目前将滑模控制算法应用于ATM网络流量控制的文献并不多见.文献[10]设计了一个比例切换滑模控制器,使ATM网络的稳态特性得到了很大的改善,但对队列长度和ACR振荡的抑制效果还有待提高.
本文采用离散滑模控制方法设计控制器,考虑了网络存在的各种不确定性因素,利用线性矩阵不等式设计了一个渐近稳定的滑模面.同时给出一个改进的离散趋近律,该趋近律能克服传统趋近律固有的使系统稳态特性不够理想的不足.基于该趋近律设计的控制律使得ATM交换机中的队列长度和ACR的振荡大大降低,提高了系统的稳定性和鲁棒性,改善了ATM网络的服务质量.
2 二进制ABR流量控制的模型
二进制ABR流量控制的模型可用下面的微分方程组描述[4]:
在图1和图2中,虚线代表文献[10]中的算法(VS),实线代表本文算法(DSMC).从仿真结果可以看出,与文献[10]中的算法相比,本文算法有效抑制了交换机中的队列长度和允许信元速率的振荡,使二者很快地趋向于期望值
5 结 语
本文为二进制ABR流量控制设计了一种离散滑模控制算法.首先利用线性矩阵不等式设计了一个渐近稳定的滑模面;然后给出了一个新的离散趋近律,基于该趋近律的控制律能有效地抑制交换机中队列长度和允许信元速率的振荡.从仿真结果可以看出,用本文方法设计的控制器具有更强的稳定性和鲁棒性.这对充分发挥二进制流控机制的简洁性、改善ATM网络的服务质量大有好处.
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