ATM网络拥塞控制系统的建模与控制

*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,东华大学信息科学与技术学院,ATM,网络拥塞控制系统的建模与控制,11/26/2024,1,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,11/26/2024,2,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,11/26/2024,3,绪论,1.选题背景及意义,ATM(Asynchronous Transform Mode)异步传输模式网络技术，是当前宽带网络(如ADSL、VDSL等)的核心技术，自1994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,同时支持专用和公用网络，具有动态分配信道带宽的优点。,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效劳质量，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ATM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ATM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，及各大网络设备生产商的广泛关注。,11/26/2024,4,2.网络拥塞的原因及危害,网络拥塞的原因,存储空间缺乏,带宽容量缺乏,处理器的处理能力弱、速度慢,网络拥塞的危害,丢弃数据包，在通信量非常高的情况下，几乎没有数据包能够送达，出现了所谓的“死锁现象。,信息传递时延增加,绪论,图1网络吞吐量与负荷的关系,11/26/2024,5,绪论,3.本文的研究对象,ATM的四种效劳类型,恒定比特率业务,(,Constant Bit Rate Service，CBR,),可变比特率业务,(,Variable Bit Rate Service，VBR,),可用比特率业务,(,Available Bit Rate Service，ABR,),未指定比特率业务,(,Unspecified Bit Rate Service，UBR,),表1 ATM效劳类型及特性,11/26/2024,6,绪论,3.本文的研究对象,ABR业务采用基于速率反响的拥塞控制机制，主要有两种实现方案：,二进制速率反响(Binary Rate Feedback，BRF)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，所以广阔交换机厂商纷纷采用了相对简单的二进制速率反响方案。因此，本文将研究二进制ABR流拥塞控制问题。,显式速率反响(Explicit Rate Feedback，ERF)方案,该方案中，交换机主要执行两种运算：探测初始的拥塞和向源结点提供二进制反响。,该方案中，交换机主要执行三种运算：(1) 计算可支持每个VC的带宽公平分享值；(2) 决定负载，这可通过管理队列长度或其增长率来实现；(3) 决定实际显式速率(ER)并将其发往源结点。,11/26/2024,7,绪论,4.基于,速率的,ABR,业务拥塞控制研究现状,基于控制理论的设计方法,传统的二进制ABR业务拥塞控制机制大多基于启发式法那么而没有正式的理论支持，所以这些方法存在两个缺乏，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的网络中，控制效果不佳。,主要有：,基于传统控制机制及智能控制机制的拥塞控制,基于启发式法那么的拥塞控制方法,11/26/2024,8,绪论,4.基于,速率的,ABR,业务拥塞控制研究现状,基于传统控制理论的方法，给出一个,ABR,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。,ATM,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,),、RP调节器、PD控制器、CAERA控制器、SPDI控制器,(,Simplified PD,),、SPD2控制器、DUPD控制器,(,双PD调节器,),、H,2,调节器等。,这类方法可以方便地使用各种控制理论方法进行速率调节器的设计，可以根据控制目标(如稳定性、瞬态响应、鲁棒性等)进行参数整定，从而有效地控制或防止网络拥塞，提高网络运行性能。这类方法共同的缺乏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。,传统拥塞控制方法的优缺点：,11/26/2024,9,绪论,4.本文的研究内容,近些年来，智能理论与常规PID控制技术相结合，形成所谓的智能PID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，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，因此本文将结合这两种控制技术，对ATM网络中二进制ABR业务的拥塞问题进行研究。具体内容将在下面介绍。,11/26/2024,10,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,论文结构,11/26/2024,11,ATM网络及ABR业务拥塞控制,1.ABR业务的特征,ABR业务是利用CBR和VBR连接剩余的带宽来承载“尽力传输业务。它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。但是，ABR业务传输不提供严格的质量保证，而以延迟为代价最小化信元丧失并允许其应用的源端系统通过调整其瞬间发送速率到所允许的值来充分应用带宽。,它提供低信元丧失保证,最小排队延迟,可以提供非零的最小速率保证,充分利用带宽和缓冲区,满足ABR竞争用户间可用资源的公平分配,11/26/2024,12,ATM网络及ABR业务拥塞控制,2.基于速率的ABR业务流实现的技术框架,ABR源定时(如每32个数据信元)发送一个前向资源管理(FRM)信元，其目的将接受到的带有网络状态信息的FRM加上本地的资源状态信息后，发还给源端，此时称后向资源管理(BRM)信元，根据接收到的BRM中的信息源调节其信元发送速率以适应变化着的网络环境。,图2 基于速率的ABR效劳流的控制实现,11/26/2024,13,ATM网络及ABR业务拥塞控制,3.ABR业务的效劳参数,在连接建立时，ABR业务源要与网络协商几个运行参数，其中有：,表2,11/26/2024,14,ATM网络及ABR业务拥塞控制,4.,ABR,业务流拥塞控制算法的设计目标,可伸缩性,链路利用率高,信元丧失率低,稳定性,具有很好的瞬时特性,鲁棒性,实现简单,11/26/2024,15,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,论文结构,11/26/2024,16,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,1.二进制ABR业务流的反响机制,二进制ABR流有两种反响控制机制，分别是:,显式前向拥塞标识(Explicit Forward Congestion Indication，EFCI): 在EFCI反响中，每个信元的信头含有拥塞指示位(CI)，发生拥塞的交换机可以通过将CI置位来反映网络的拥塞状态。,相对速率反响(Relative Rate，RR)机制,它在RM信元的净荷中定义了2个有效的比特位，除了拥塞指示位(CI)外，还有一个零增长标识位(NI)。,在EFCI和RR机制中信元均采用加性增加和乘性减少的策略来调节允许信元速率(Allowed Cell Rate, ACR)，如表3所示。,表3,11/26/2024,17,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,2.二进制ABR业务拥塞控制的模型,图中各参量的物理意义如下：,C：连接交换机SW1和SW2的主干链路的容量；：相邻两个RM信元间的时间间隔；,d：信源与发生拥塞的交换机之间的播送时延；,f ：RM信元自进入拥塞交换机到返回信元所经历的时间；,：往返时间(Round Trip Time，RTT)；,此外，为方便表达，定义以下参量：,Nrm：指每Nrm个信元中包含一个RM信元；,S：单个ATM信元包含的比特数，为424；,：ACR的单位增量，即PCRRIF；,：为ACR的倍乘减小因子，即RDF；,N：激活的连接数；,P(t)：拥塞交换机将数据信元信头拥塞标识位CI置0的概率。,图3 NN同构网络模型,11/26/2024,18,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,2.二进制ABR业务拥塞控制的模型,11/26/2024,19,为了验证模型的正确性，用龙格库塔方法求解上述微分方程组，并与相同配置下的仿真结果来比较。选定交换机SW1和SW2的主干链路的容量C为44.736Mbps,长20km；交换机的缓存为1000cells，标准EFCI算法中用于判定和解除拥塞的队列门限分别为700 cells和300 cells。此外，RIF和RDF均为1/16，峰值速率PCR为149.76Mbps,最小信元速率MCR为1.49 Mbps，初始信元速率ICR为7.49 Mbps。端系统与交换机间的链路长度均为5km，根据电磁波在有线介质中的传播速度为2108m/s，因此d和tp分别为25us, 275us。在龙格库塔方法的求解中设定步长为1us，以保证求解的精度。,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,2.二进制ABR业务拥塞控制的模型,11/26/2024,20,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,2.二进制ABR业务拥塞控制的模型,图4 (a) SW,1,队列长度的变化(N=1) 图4 (b) ACR的变化(N=1),图5 (a) SW,1,队列长度的变化(N=6) 图5 (b) ACR的变化(N=6),图4，图5分别给出了N=1和6时信元允许输率(ACR)和队列长度(q)的变化过程，其中图中虚线表示微分方程组得到的解析解，实线为实际的仿真结果。不难看出，解析解与实际仿真结果是根本吻合的，所以用方程组(4)来描述二进制流控是合理的。,11/26/2024,21,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,3. 模型线性化,11/26/2024,22,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,3. 模型线性化,图6 二进制流量控制线性化模型,11/26/2024,23,根据表3，标准,EFCI,算法可采用右边的方程式描述：,二进制,ABR,业务拥塞控制的网络模型,4.,EFCI,算法的性能分析,从控制理论的角度分析，上式是一带磁滞环的继电器环节，故我们可用图7所示的等效系统来描述二进制的流量控制系统，它是一个典型的带非线性环节的控制系统。,用描述函数分析法分析标准EFCI算法的性能，有以下结论：具有非线性特性的EFCI算法控制下的交换机队列在一定条件下不可防止地会产生自激振荡，这也就是说ACR和队列长度的振荡不一定是二进制反响机制本身的内在属性。作用在节点交换机上的拥塞探测/解除算法是诱发振荡的关键因素，因此，从理论上讲，二进制反响机制的简洁性应该有充分发挥的空间。,图,7,标准EFCI算法,二进制流量的等效系统,11/26/2024,24,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,论文结构,11/26/2024,25,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,.线性PID控制器设计,为了防止了非线性控制环节可能诱发的系统自激振荡，直接有效的解决方法即为用线性控制器来替换标准EFCI算法中带磁滞环的继电器环节，以期望消除或抑制ACR和队列中存在的振荡。在控制系统的设计与分析中，最常用的线性控制器是PID控制器。PID拥塞控制系统框图可用图8表示。,图8 PID拥塞控制框图,11/26/2024,26,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,.线性PID控制器设计,由于原系统的特性很难用实验的方法确切地得到系统地临界放大倍数和临界振荡周期，这样就很难用,Ziegler-Nichols,方法来整定控制器的参数。于是，有些学者提出采用基于幅值和相角稳定裕度的整定方法。,假定PID控制器作用下系统的幅值裕度和相角裕度分别为Am和Pm，基于稳定性的要求，应该有Am1或0Pm/2。于是我们有：,Gp(jp) Kp+j(KdpKi/p)= 1/Am 6,Gp(jg) Kp+j(KdgKi/g)= 7,这里p和g分别为相角和幅值的截止频率。,控制器的设计中，闭环系统的带宽是要仔细选择的，太大那么控制信号容易饱和，太小那么系统的响应缓慢。工程实践中，一般选择闭环系统的带宽接近于开环带宽,我们可以作如下选择：,8,根据公式(6)(8)，选择给定闭环系统的幅值裕度和相位裕度分别为3和/3时，可以解得，,K,p,2.973610,-7,； K,i,2.732610,-6,； K,d,2.141010,-8,；,11/26/2024,27,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,2.线性PID控制器仿真结果,根据图3所示的NN同构网络配置建立的二进制流量/拥塞控制的流体流模型，该模型含有单一瓶颈(交换机SW1)，设定源端与目的端均有5个端系统，选择交换机SW1和SW2的主干链路的容量C为100Mbps,长2000km，交换机的缓存为1000cells，标准EFCI算法中用于判定和解除拥塞的队列门限分别为700 cells和300 cells。此外，RIF和RDF均为1/16，峰值速率PCR为149.76Mbps,最小信元速率MCR为1.49 Mbps，初始信元速率ICR为7.49 Mbps。源端与目的端与交换机间的链路长度均为500km，采样频率取1000Hz ，根据电磁波在有线介质中的传播速度为2108m/s，得到d和tp分别为0.0025s, 0.0275s。源端采用“最大最小公平准那么的带宽分配 。,11/26/2024,28,图 10,(a) SW,1,队列长度的变化,图 10,(b) ACR,的变化,图,9 (a) SW,1,队列长度的变化,图,9 (b) ACR,的变化,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,2.线性PID控制器仿真结果,在MATLAB下，设定初始队列长度为800cells，当调整K,p,1.97410,8,；K,i,1.12610,-9,；K,d,5.14110,-10,时，仿真结果如下：,11/26/2024,29,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,3.线性PID控制性能分析稳态/动态分析,期望队列长度,（cells）,最大值,（cells）,峰值时间,（s）,超调量,（）,稳态值,（cells）,调节时间,（s）,稳态误差,（）,500.0,532.4,0.078,6.48%,505.9,0.362,1.18%,800.0,850.1,0.080,6.26%,811.1,0.350,1.38%,参加PID控制器后，队列长度均可在一段时间内小幅度振荡后，进入稳定状态。这说明了线性PID控制器大幅度地抑制了队列长度的振荡，具有较好的稳态/动态性能。,图11,表4 PID控制器的稳态/动态性能,11/26/2024,30,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,分析的主要目的是：当端结点(源结点和目的结点)与相邻交换机之间的距离发生变化时，分析,PID,控制机制的鲁棒性能，即间接的考察往返传输时间(,RTT),对,PID,控制机制稳定性(受控参数的收敛性)的影响。,3.线性PID控制性能分析鲁棒性能距离,为研究距离对控制机制的影响，我们选择了四组不同的距离，即端结点(源结点和目的结点)与相邻交换机之间的距离分别为1000,km，500km，100km，10km，,其它网络参数不便。由于上述距离的改变主要对信元的往返时间,造成影响，距离改变与往返时间之间的变化关系如表5。,表5 不同距离下的网络参数,11/26/2024,31,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,3.线性PID控制性能分析鲁棒性能距离,图12 (a) 距离为1000km 图12 (b)距离为500km 图12 (c) 距离为100km 图12 (d)距离为10km,表6 鲁棒实验数据,我们可以看出,当距离较小时(即往返时间较短)，瓶颈交换机SW1的输出缓冲区队列长度q的最大值和超调量也比较小，当距离到达1000km时，q的最大值到达了975.2 cells，超调为21.9%。但是，不同距离下，队列长度q均可以在有限的时间内收敛于期望队列q0，其稳态误差为1.2%左右。上述说明，线性PID控制机制具有一定的鲁棒性。,11/26/2024,32,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,分析的主要目的是：通过改变激活连接数(,VCs),来分析,PID,控制机制的鲁棒性能，即考察,VCs,对,PID,控制机制稳定性(受控参数的收敛性)的影响。,3.线性PID控制性能分析鲁棒性能VCs,VCs,的改变将带来二进制,ABR,流的控制模型的变化，表7给出了不同激活连接数下的控制对象,G(s)。,表7 不同距离下的网络参数,11/26/2024,33,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,3.线性PID控制性能分析鲁棒性能VCs,图13 (a),N,=,100,图13 (b),N,=,90,图13 (c),N,=8,0,图13 (d),N,=,75,表8 鲁棒实验数据,我们可以看出，随着VCs数的改变，瓶颈交换机SW1的输出缓冲区队列长度q 队列总是收敛于期望队列q0，而且它的最大值和稳态值根本不变。只是响应时间增长，尤其是随着激活连接数变化的不断增大，调节时间逐渐增长。上述也说明，线性 PID控制机制具有一定的鲁棒性。,11/26/2024,34,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,3.线性PID控制性能分析抗干扰性分析,我们在图3的根底上参加一对干扰源和干扰目的源，如图14所示。图中源端(包括干扰源端和目的端)与它们所直接相连的交换机间的距离均相同，为500km。干扰源采用优先级高于ABR业务的且带宽始终处于变化的VBR业务。这里，我们采用一个ON-OFF业务模型来表示该 VBR业务，其中ON-OFF模型是一个泊松分布随机过程。,图14 (a) SW,1,队列长度的变化 图14 (b) ACR的变化,参加VBR干扰信号后，交换机SW1队列长度q和一个源端的ACR都在设定值附近振荡，这说明了线性PID控制机制抑制了振荡，具有一定的抗干扰性能。,11/26/2024,35,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.改进的PID控制器设计,二进制ABR拥塞控制中，一般的线性PID控制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和抗干扰性。但是，系统的性能并没有得到充分的提高。为进一步改善系统性能，课题采用三种改进的PID方法，即积分别离PID控制方法、变速积分PID方法及微分先行PID控制方法。,积分别离PID控制：为克服过程启动、结束或大幅度增减时，造成PID运算的积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大超调，甚至引起系统较大的振荡。,变速积分PID控制：在普通的PID控制算法中，由于积分系数Ki是常数，所以在整个控制过程中，积分增量不变。但是，系统对积分项的要求却是，系数偏差大时积分作用应减弱甚至全无，而在偏差小时那么应加强。因此，根据系统偏差大小改变积分的速度，对于提高系统品质是很重要的。变速积分PID较好地解决这一问题。,微分先行PID控制：为减小ACR和队列的振荡，以保证二进制反响的简洁性能充分发挥。微分先行PID适用于给定值频繁变化的场合，可以防止给定值的变化所引起的系统振荡，从而改善系统的动态性能。,11/26/2024,36,队列长度的变化,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.改进的PID控制的仿真结果稳态/动态性能,积分别离PID控制,积分别离PID控制,积分别离PID控制,ACR的变化,11/26/2024,37,积分别离PID控制,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.改进的PID控制的仿真结果鲁棒性能距离,变速积分PID控制,微分先行PID控制,11/26/2024,38,队列长度的变化,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.改进的PID控制的仿真结果稳态/动态性能,积分别离PID控制,积分别离PID控制,积分别离PID控制,ACR的变化,积分别离PID控制器和变速积分PID控制器使得队列和ACR的动态和稳态性能有一定程度的提高(如队列长度的超调量减小，稳态误差几乎为零)，但是系统的鲁棒性和抗干扰性变化不大。微分先行PID控制器也同样改建了系统的动态和稳态性能，同时使得系统的抗干扰性有较大程度的提高。但是，系统的鲁棒性不理想。总之，改进的PID控制器进一步改善了系统性能，但其效果不明显。,11/26/2024,39,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,论文结构,11/26/2024,40,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,PID控制器代替二进制ABR流量/拥塞控制模型中标准EFCI算法的非线性环节，从而使得ABR流的拥塞问题得到了一定程度的控制。但是，这些控制方法在很大程度上依赖于结构的系统数学模型，而网络系统的复杂性、时变性及大量的网络干扰却恰恰决定了建立一个精确的网络模型是不可能的。因此，一般PID控制器参数难于整定，当受到外界干扰时，系统难于调节等问题都有待解决。,模糊控制器是一种近年来开展起来的新型控制器，其优点是不要求控制对象具有精确的数学模型，而是根据人工控制规那么组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。基于模糊逻辑理论的拥塞控制已经有一些成功的例子， 1987年，Ying在模糊控制理论中首先严格地建立了模糊控制器与传统控制器的分析解关系，这些工作为模糊控制理论与传统PID控制理论的结合建立了桥梁。自此，许多模糊PID控制器被提出，它扬长避短，既具有模糊控制灵活，适应强性的优点，又具有PID控制精度高的特点。,本课题基于模糊PID进一步研究了二进制ABR流的拥塞控制问题。,11/26/2024,41,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,1.直接控制量型模糊PID控制,控制原理,假设,线性,三个输入量分别是误差e、误差积分值ie、误差微分值ce,PD rules方框为模糊规那么局部，GE、GCE、GIE、GU为增益。,常规PID控制器线性化表示为,于是，得到两者的对应关系：,又可表示为：,GE=Kp/GU,，,GCE=Kd/GU,，,GIE=Ki/GU,根据第四章中整定得到的PID控制器参数，可以得到模糊PID控制器增益GE、GCE及GIE分别为：,GU=110,-5,；GE=1.973610,-3,；GCE=6.05510,-5,；GIE=1.12610,-4,。,假设将模糊规那么局部用函数 表示，那么控制器的输入输出关系可以表示为：,11/26/2024,42,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,1.直接控制量型模糊PID控制,模糊控制器设计,输入/输出隶属度函数,模糊控制器采用两输入误差E及误差微分CE，一输出ER的结构,输入/输出变量的变化范围是： e(k)为q0-B, q0, e(k)/T为-B/T,+B/T,ER为-C,+C，B为缓冲区容量，C为交换机间的链路容量。本文将三个语言变量均模糊划分为五个模糊子集NB,NS,ZE,PS,PB，上图给出了输入/输出变量模糊子集对应的隶属度曲线。,输入变量E的语言值及其隶属函数 输入变量CE的语言值及其隶属函数 输出变量ER的语言值及其隶属函数,11/26/2024,43,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,1.直接控制量型模糊PID控制,模糊控制器设计,控制规那么,为了保证交换机队列变化的稳定性，减少受控参数的超调量和振荡现象，本控制器采用如下的模糊规那么：,(R1)“如果队列长度小而队列长度减少的快，那么交换机可支持的速率增加快。,(R2)“如果队列长度适中而队列长度减少慢，那么交换机可支持的速率增不变。,(R3)“如果队列长度很大而队列长度不变化，那么交换机可支持的速率减少慢。,模糊判决方法,采用重心法,11/26/2024,44,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,2.模糊自适应整定PID控制,控制原理,在实际的网络中，被控对象随着负荷变化或其它流量干扰影响，其对象特性参数或结构会发生变化。,自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，时实改变其控制策略，使得控制系统的品质指标保持在最正确的范围内，但其控制效果的好坏仍然取决于辨识模型的精确度。,模糊自适应控制是解决这一问题的有效途径，其原理如图其中，PID控制部完成常规,自适应模糊控制器的结构,的PID调节功能，模糊自整定部完成对控制响应参数进行在线监视。当系统参数发生变化时，经模糊推理得出PID参数的修正系数，再经修正PID，得到新的参数,11/26/2024,45,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,模糊控制器设计,输入/输出隶属度函数,模糊控制器采用两输入误差E及误差微分CE，三输出Kp、Ki、Kd 的结构,输入/输出变量的变化范围是： e(k)为-q0, q0, e(k)/T为-B/T,+B/T, Kx为Kx,min, Kx,max ，B为缓冲区容量，C为交换机间的链路容量。,将五个语言变量均模糊划分为七个模糊子集NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB，上图给出了输入/输出变量模糊子集对应的隶属度曲线。,输入变量E或CE的语言值及其隶属函数,2.模糊自适应整定PID控制,输出变量Kx的语言值及其隶属函数,11/26/2024,46,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,模糊控制器设计,控制规那么,模糊判决方法,同前,从队列和源端ACR的稳定性、响应速度、超调量及稳态误差等，及Kp、Ki、Kd的不同作用有如下的三个规那么表：,Kp的模糊规那么表 Ki的模糊规那么表 Kd的模糊规那么表,2.模糊自适应整定PID控制,11/26/2024,47,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,3.模糊免疫PID控制,控制原理,免疫PID控制器是借鉴生物系统的免疫机理而设计出的一种控制器。生物的免疫系统对于外来侵犯的抗原，可产生相应的抗体来抵御，抗原和抗体结合后，会产生一系列的反响，通过吞噬作用或产生特殊酶的作用而毁坏抗原。生物的免疫系统由淋巴细胞和抗体分子组成，淋巴细胞又由胞腺产生的T细胞(分为辅助细胞TH和抑制细胞TS)和骨髓产生的B细胞组成。当抗原侵入机体并经周围细胞消化后，将信息传递给T细胞，即传递给TH细胞和TS细胞，然后刺激B细胞。B细胞产生抗体以消除抗原。当抗原较多时，机体内的TH细胞也较多，而TS细胞却较少，从而会产生较多的B细胞。随着抗原的减少，体内TS细胞增多，它抑制了TH细胞的产生，那么B细胞也随着减少。经过一段时间后，免疫反响系统便趋于平衡。,根据上述原理有反响控制规律：,式中，K=k1用于控制反响速度, =k2/k1用于控制稳定效果， 为一选定的非线性函数。,我们应用模糊控制器来逼近非线性函数 ，以提高系统的适应性。,11/26/2024,48,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,模糊控制器设计,输入/输出隶属度函数,模糊控制器采用两输入误差U及误差微分CU，一输出fu，cu的结构,输入/输出变量的变化范围均为：,每个输入被两个模糊集模糊化，分别是正(P)，负(N)，输出的变量被三个模糊集模糊化，分别是正(P)、零(Z)、负(N)。,输入变量E的语言值及其隶属函数 输入变量CE的语言值及其隶属函数 输出变量f 的语言值及其隶属函数,3.模糊免疫PID控制,11/26/2024,49,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,模糊控制器设计,控制规那么,模糊判决方法,mom,反模糊化方法,模糊控制器采用如下的四条规那么：,(R1) IF u is P and u is P THEN f(u, u) is N,(R2) IF u is P and u is N THEN f(u, u) is Z,(R3) IF u is N and u is P THEN f(u, u) is Z,(R4) IF u is N and u is N THEN f(u, u) is P,3.模糊免疫PID控制,11/26/2024,50,队列长度的变化,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.基于模糊PID控制的仿真结果稳态/动态性能,直接控制量型模糊PID控制,模糊自适应整定PID控制,模糊免疫PID控制,ACR的变化,11/26/2024,51,队列长度的变化,基于模糊PID的二进制,ABR,拥塞控制,4.基于模糊PID控制的仿真结果稳态/动态性能,直接控制量型模糊PID控制,模糊自适应整定PID控制,模糊免疫PID控制,ACR的变化,三种基于模糊PID的控制器均可成功地应用于二进制ABR流的拥塞控制。仿真说明这类控制器不仅具有传统PID控制器的优良特性，而且由于模糊逻辑的参加，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。,11/26/2024,52,绪论,ATM网络及ABR业务拥塞控制,二进制ABR业务拥塞控制的网络模型,基于PID的二进制ABR拥塞控制,基于模糊PID的二进制ABR拥塞控制,基于神经PID的二进制ABR拥塞控制,基于专家及遗传PID的二进制ABR拥塞控制,各种PID控制机制的分析比较与展望,论文结构,11/26/2024,53,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,人工神经网络(Neural Network, ANN)是巨量信息并行处理和大规模平行计算的根底。神经网络既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。对于长期困扰控制界的非线性系统和不确定性系统来说，神经网络无疑是一种解决问题的有效途径。正因为如此，近年来在控制理论的所有分支几乎都能看到神经网络的引入及应用，传统的PID控制当然也不例外，以各种方式应用于PID控制的神经网络方法大量涌现，其中有些方法取得了明显的效果。,11/26/2024,54,1.,单神经元自适应PID控制,控制原理,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,q,0,为交换机的设定值，q为输出， e(k)为误差。故神经元的输入为： x,1,(k)=e(k)-e(k-1)，x,2,(k)=e(k)， x,3,(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2),11/26/2024,55,1.,单神经元自适应PID控制,控制原理,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,11/26/2024,56,2.新型神经元PID自适应控制,控制原理,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,单输入单输出系统神经网络自适应控制结构图,11/26/2024,57,控制原理,3.模糊网络模糊PID控制,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,11/26/2024,58,队列长度的变化,4.基于神经PID控制的仿真结果稳态/动态性能,单神经元自适应,PID,控制器,新型神经元,PID,控制器,新型神经元,PID,控制,ACR的变化,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,11/26/2024,59,单神经元自适应,PID,基于PID的二进制,ABR,拥塞控制,新型神经元,PID,神经网络模糊PID控制,4.基于神经PID控制的仿真结果鲁棒性,11/26/2024,60,队列长度的变化,4.基于神经PID控制的仿真结果抗干扰性,直接控制量型模糊PID控制,模糊自适应整定PID控制,模糊免疫PID控制,ACR的变化,基于神经PID的二进制,ABR,拥塞控制,将神经网络与PID技术相结合，研究设计了单神经元自适应PID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PID控制器，并将其成功地应用于二进制ABR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。相对于其它拥塞控制机制，这类控制机制的综合性能更加突出。,11/26/2024,61,1.专家PID控制原理,基于专家PID的二进制,ABR,拥塞控制,典型的两阶系统阶跃响应的误差曲线如下图，图中，、等区域，误差朝绝对值减小的方向变化，、等区域，误差绝对值朝增大的方向变化。对于典型的二阶系统阶跃响应过程有得出以下五条经验。,11/26/2024,62,2.基于专家PID控制的仿真结果,基于专家PID的二进制,ABR,拥塞控制,SW,1,队列长度的变化,ACR的变化,当交换机SW1的期望值q0800cells时，队列长度q的响应是收敛的，它在0.102s时到达最大值829cells，超调量为3.6%；稳态误差为0。与的普通PID相比较，专家PID控制下，队列的超调量有所减小，系统实现零稳态误差，而且系统的峰值时间及调节时间较短，但是，系统的超调量相对前两章的模糊逻辑PID及神经PID要大。源端允许信元速率ACR在一段时间的振荡后，也趋于稳定，稳态误差为零。因此专家PID控制机制取得了较好的稳态和动态性能。,11/26/2024,63,3.基于专家PID控制的仿真结果,基于专家PID的二进制,ABR,拥塞控制,鲁棒性能距离(或RTT)的性能分析,抗干扰性分析,专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。本文对典型的二阶系统阶跃响应过程进行分析得出五条专家经验，然后将它与PID控制相结合对二进制ABR流进行控制，该方法还是比较简单易行的，专家PID控制器使得网络系统取得较好的稳态/动态性能。但是，该方法仍需整定PID的初始参数，而且当有突发流时，系统的性能会不理想。专家PID控制中，专家经验的准确性直接关系着系统整定效果的好坏，因此提高提高经验的准确性是其开展的一个重要方向。,11/26/2024,64,1.遗传PID控制原理,基于遗传PID的二进制,ABR,拥塞控制,遗传算法是一种群体型操作，该操作以群体中的所有个体为对象。遗传算法包括以下五个根本要素，它们分别是:参数编码、初始群体设定、适应度函数确定、遗传操作设计、控制参数设定(主要包括群体的大小、使用遗传操作的概率)，这五个要素构成了遗传算法的核心内容。,基于遗传算法的PID控制器操作的过程可以用图表示，具体设计如下，,(1) 参数确实定,由本文节我们对二进制ABR流模型的PID控制进行参数整定的结果，可知，在本文采用的网络仿真模型下得到Kp1.974108，Ki1.12610-9，Kd5.14110-10。,(2) 选择初始种群,因为需要编程来实现各个过程，所以我们采用计算机随机产生初始种群。我们预先选定种群大小Size为30，在仿真中可以根据不同响应情况进行调节。,(3) 适配函数确实定,对二进制ABR流而言，获得满意的过渡过程动态特性，防止巨大的振荡是很重要的，为此，我们采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。,(4) 遗传操作,仿真中，根据网络的具体情况，我们选择交叉概率Pc=0.65，变异概率Pm=0.001-1:1:Size0.001/Size，初始种群通过复制、交叉、变异得到新一代种群，该代种群经过编码后进入适配函数，观察是否满足结束条件，假设不满足，那么重复以上操作直到满足为止。在进化50代后，终止运算。,11/26/2024,65,2.基于遗传PID控制的仿真结果,基于专家PID的二进制,ABR,拥塞控制,SW,1,队列长度的变化,ACR的变化,仍然采用第四章的二进制ABR业务网络仿真模型，设定交换机SW1的期望值q0800cells时，经过50代进化，得到的最优个体为，那么PID参数分别为：Kp=7.9443，Ki=0.8935，Kd=0.0893时，仿真中得到交换机SW1的队列长度q及一个源端的ACR相应。,11/26/2024,66,3.基于遗传PID控制的仿真结果,基于专家PID的二进制,ABR,拥塞控制,鲁棒性能距离(或RTT)的性能分析,抗干扰性分析,c,11/26/2024,67,1.控制器的性能分析与比较,各种PID控制器性能的分析比较与展望 ,网络的性能分析中，最大瞬时队列长度和响应时间常常是两个重要的瞬时性能指标，而受控参数的稳态值与给定值之间稳态误差是主要的稳态性能指标。下表给出了不同控制器下瓶颈交换机SW1的队列长度的稳态/动态性能比照。,11/26/2024,68,1.控制器的性能分析与比较,各种PID控制器性能的分析比较与展望 ,普通线性,PID,控制器是最简单有效的，而且容易实现，它还可以根据控制目标(如系统的稳定性、鲁棒性)对,PID,的参数进行再调整，从而有效地控制了网络拥塞，系统的稳态性能/动态性能得到了一定程度的提高。但是它受网络模型的影响较大，控制参数难以确定，系统性能没有得到充分提高，例如，队列和,ACR,的超调量还是相当大，系统的抗干扰性不是很理想。,三种改进的PID方法，即积分别离PID控制方法、变速积分PID方法及微分先行PID控制方法是针对PID控制器的三个参数比例，积分，微分各自的控制规律，略做改进，它们保存了PID控制的简单性，使得系统的某些性能得到了改善与提高。,将模糊逻辑与PID技术相结合，研究设计了直接控制量模糊PID控制器、模糊自适应整定PID控制器及模糊免疫PID控制器，并将其成功地应用于二进制ABR流的拥塞控制。仿真说明这类控制器不仅具有传统PID控制器的优良特性，而且由于模糊逻辑的参加，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PID技术相结合，研究设计了单神经元自适应PID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PID控制器，并将其成功地应用于二进制ABR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。相对于其它拥塞控制机制，这类控制机制的综合性能更加突出。,这为控制机制在流量拥塞控制中的应用提供了广泛的参考价值。,11/26/2024,69,1.展望,各种PID控制器性能的分析比较与展望 ,本文从某些角度分析了ATM网络中ABR流的拥塞控制问题，并集中对二进制业务的拥塞控制机制进行了研究。随着通信网络向着宽带、高速方向的开展，引起网络带宽延迟的变化和网络速率的巨大变化，网络拥塞问题将更加复杂，为取得更好的网络拥塞控制效果，提高网络性能，尚有许多工作值得研究，主要表现几个方面：,高速网络中流特性的研究。为了充分利用控制理论的分析工具，特别是最优控制分析工具，使网络运行性能最优化，一个较为精确的网络模型是必要的，这主要依靠流特性的精确描述。,基于控制理论方法和基于知识方法的综合研究。智能控制理论的开展成熟还有很长的路要走, 如探索新的神经网络体系结构，寻求新的网络拓扑结构和相应的学习算法,由于PID控制器具有结构简单，鲁棒性和适应性强且易于实现等优点，仍被广泛应用于工业过程控制过程中，在工业过程中采用高级控制技术的控制回路只占总数的10%左右。因此将二者分别与具有成熟理论体系的PID技术相结合无疑是其理论开展的一个重要方向。文本为智能PID技术在实际问题中的应用提供了一个参考。随着现代工业的飞速开展，在过程控制系统设计时，除要求系统具有较高的动态和静态品质指标外，还必须保证系统具有良好的鲁棒性和自适应能力，智能PID控制的研究应用是满足这些需求的有效途径。因此，随着计算机技术和智能控制理论的开展，智能PID控制将有很大的开展空间。,11/26/2024,70,