ATM網絡擁塞控制系統的建模與控制7/23/20231標題添加點擊此處輸入相關文本內容點擊此處輸入相關文本內容總體概述點擊此處輸入相關文本內容標題添加點擊此處輸入相關文本內容緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望7/23/20233緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望7/23/20234緒論>>>1.選題背景及意義ATM(AsynchronousTransformMode)——異步傳輸模式網絡技術，是當前寬帶網絡(如ADSL、VDSL等)的核心技術，自1994年以來已從實驗室研究大量走向實際應用。它結合了電路網絡和計算機網絡的優點，能承載語音、數據和圖像等多種業務,同時支持專用和公用網絡，具有動態分配信道帶寬的優點。網絡中，當兩個突發業務同時到達一個節點，隊列長度迅速增加，導致緩沖區溢出而不能保證服務質量，或當慢速網絡引入更高速率的鏈路，造成輸入鏈路速率大于輸出鏈路速率時，就產生了擁塞問題。由于ATM網絡傳輸速率高和業務種類多，網絡流量具有突發性和波動性，所以即使在設計很好的網絡中，擁塞也經常發生。擁塞一旦發生，傳輸延時就增大，信元丟棄率迅速上升，擁塞持續時間過長，還會導致整個網絡崩潰。因此，擁塞控制是ATM網絡設計中的一個關鍵問題，引起了越來越多的國內外學者，及各大網絡設備生產商的廣泛關注。

7/23/202352.網絡擁塞的原因及危害網絡擁塞的原因

存儲空間不足帶寬容量不足處理器的處理能力弱、速度慢

網絡擁塞的危害

丟棄數據包，在通信量非常高的情況下，幾乎沒有數據包能夠送達，出現了所謂的“死鎖”現象。信息傳遞時延增加緒論>>>圖1網絡吞吐量與負荷的關系7/23/20236緒論>>>3.本文的研究對象

ATM的四種服務類型

恒定比特率業務(ConstantBitRateService，CBR)可變比特率業務(VariableBitRateService，VBR)可用比特率業務(AvailableBitRateService，ABR)未指定比特率業務(UnspecifiedBitRateService，UBR)

表1ATM服務類型及特性7/23/20237緒論>>>3.本文的研究對象

ABR業務采用基于速率反饋的擁塞控制機制，主要有兩種實現方案：

二進制速率反饋(BinaryRateFeedback，BRF)方案

在高速網絡中，實現方案的簡潔性在很大程度上決定著交換機的性能，所以廣大交換機廠商紛紛采用了相對簡單的二進制速率反饋方案。因此，本文將研究二進制ABR流擁塞控制問題。顯式速率反饋(ExplicitRateFeedback，ERF)方案該方案中，交換機主要執行兩種運算：探測初始的擁塞和向源結點提供二進制反饋。該方案中，交換機主要執行三種運算：(1)計算可支持每個VC的帶寬公平分享值；(2)決定負載，這可通過管理隊列長度或其增長率來實現；(3)決定實際顯式速率(ER)并將其發往源結點。7/23/20238緒論>>>4.基于速率的ABR業務擁塞控制研究現狀基于控制理論的設計方法傳統的二進制ABR業務擁塞控制機制大多基于啟發式法則而沒有正式的理論支持，所以這些方法存在兩個不足，一是隊列長度和源端允許信元速率呈現振蕩性；二是在具有大的帶寬時延的網絡中，控制效果不佳。主要有：基于傳統控制機制及智能控制機制的擁塞控制基于啟發式法則的擁塞控制方法7/23/20239緒論>>>4.基于速率的ABR業務擁塞控制研究現狀

基于傳統控制理論的方法，給出一個ABR業務的網絡受控分析模型，所以可方便地使用各種控制理論方法進行速率調節器的設計。ATM網絡擁塞控制中，已提出的傳統控制方法主要有：

比例控制器(P控制器)

、RP調節器、PD控制器、CAERA控制器、SPDI控制器(SimplifiedPD)

、SPD2控制器、DUPD控制器(雙PD調節器)

、H2調節器等。

這類方法可以方便地使用各種控制理論方法進行速率調節器的設計，可以根據控制目標(如穩定性、瞬態響應、魯棒性等)進行參數整定，從而有效地控制或避免網絡擁塞，提高網絡運行性能。這類方法共同的不足之處是需要一個精確的網絡模型。但是，由于實際的網絡是一個非線性隨機系統，在網絡建模時往往忽略了許多因素，因此很難得到精確的網絡模型，從而限制了調節器參數的選擇，使網絡的性能未得到應有的提高。傳統擁塞控制方法的優缺點：

7/23/202310緒論>>>4.本文的研究內容

近些年來，智能理論與常規PID控制技術相結合，形成所謂的智能PID控制，這種新型控制器已引起人們的普遍關注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應用。它具有不依賴系統精確數學模型，且對系統的參數變化具有較好的魯棒性的優點。但是，以往基于速率的擁塞控制很少采用這種控制方法，因此本文將結合這兩種控制技術，對ATM網絡中二進制ABR業務的擁塞問題進行研究。具體內容將在下面介紹。7/23/202311緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望>>>論文結構7/23/202312ATM網絡及ABR業務擁塞控制>>>1.ABR業務的特征

ABR業務是利用CBR和VBR連接剩余的帶寬來承載“盡力傳輸”業務。它主要用于支持數據應用，在網絡信息傳輸中有著重要的地位。但是，ABR業務傳輸不提供嚴格的質量保證，而以延遲為代價最小化信元丟失并允許其應用的源端系統通過調整其瞬間發送速率到所允許的值來充分應用帶寬。它提供低信元丟失保證最小排隊延遲可以提供非零的最小速率保證充分利用帶寬和緩沖區滿足ABR競爭用戶間可用資源的公平分配7/23/202313ATM網絡及ABR業務擁塞控制>>>2.基于速率的ABR業務流實現的技術框架

ABR源定時(如每32個數據信元)發送一個前向資源管理(FRM)信元，其目的將接受到的帶有網絡狀態信息的FRM加上本地的資源狀態信息后，發還給源端，此時稱后向資源管理(BRM)信元，根據接收到的BRM中的信息源調節其信元發送速率以適應變化著的網絡環境。圖2基于速率的ABR服務流的控制實現7/23/202314ATM網絡及ABR業務擁塞控制>>>3.ABR業務的服務參數

在連接建立時，ABR業務源要與網絡協商幾個運行參數，其中有：表27/23/202315ATM網絡及ABR業務擁塞控制>>>4.ABR業務流擁塞控制算法的設計目標

可伸縮性鏈路利用率高信元丟失率低穩定性具有很好的瞬時特性魯棒性實現簡單7/23/202316緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望>>>論文結構7/23/202317二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>1.二進制ABR業務流的反饋機制二進制ABR流有兩種反饋控制機制，分別是:顯式前向擁塞標識(ExplicitForwardCongestionIndication，EFCI):在EFCI反饋中，每個信元的信頭含有擁塞指示位(CI)，發生擁塞的交換機可以通過將CI置位來反映網絡的擁塞狀態。相對速率反饋(RelativeRate，RR)機制,它在RM信元的凈荷中定義了2個有效的比特位，除了擁塞指示位(CI)外，還有一個零增長標識位(NI)。在EFCI和RR機制中信元均采用加性增加和乘性減少的策略來調節允許信元速率(AllowedCellRate,ACR)，如表3所示。表37/23/202318二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>2.二進制ABR業務擁塞控制的模型圖中各參量的物理意義如下：C：連接交換機SW1和SW2的主干鏈路的容量；△：相鄰兩個RM信元間的時間間隔；τd：信源與發生擁塞的交換機之間的廣播時延；τf

：RM信元自進入擁塞交換機到返回信元所經歷的時間；τ：往返時間(RoundTripTime，RTT)；此外，為方便表達，定義以下參量：

Nrm：指每Nrm個信元中包含一個RM信元；S：單個ATM信元包含的比特數，為424；α：ACR的單位增量，即PCR×RIF；β：為ACR的倍乘減小因子，即RDF；N：激活的連接數；P(t)：擁塞交換機將數據信元信頭擁塞標識位CI置0的概率。圖3N×N同構網絡模型

7/23/202319二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>2.二進制ABR業務擁塞控制的模型7/23/202320

為了驗證模型的正確性，用龍格－庫塔方法求解上述微分方程組，并與相同配置下的仿真結果來比較。選定交換機SW1和SW2的主干鏈路的容量C為44.736Mbps,長20km；交換機的緩存為1000cells，標準EFCI算法中用于判定和解除擁塞的隊列門限分別為700cells和300cells。此外，RIF和RDF均為1/16，峰值速率PCR為149.76Mbps,最小信元速率MCR為1.49Mbps，初始信元速率ICR為7.49Mbps。端系統與交換機間的鏈路長度均為5km，根據電磁波在有線介質中的傳播速度為2×108m/s，因此τd和tp分別為25us,275us。在龍格－庫塔方法的求解中設定步長為1us，以保證求解的精度。二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>2.二進制ABR業務擁塞控制的模型7/23/202321二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>2.二進制ABR業務擁塞控制的模型

圖4(a)SW1隊列長度的變化(N=1)圖4(b)ACR的變化(N=1)

圖5(a)SW1隊列長度的變化(N=6)圖5(b)ACR的變化(N=6)圖4，圖5分別給出了N=1和6時信元允許輸率(ACR)和隊列長度(q)的變化過程，其中圖中虛線表示微分方程組得到的解析解，實線為實際的仿真結果。不難看出，解析解與實際仿真結果是基本吻合的，所以用方程組(4)來描述二進制流控是合理的。7/23/202322二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>3.模型線性化7/23/202323二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>3.模型線性化圖6二進制流量控制線性化模型7/23/202324根據表3，標準EFCI算法可采用右邊的方程式描述：二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型>>>4.EFCI算法的性能分析從控制理論的角度分析，上式是一帶磁滯環的繼電器環節，故我們可用圖7所示的等效系統來描述二進制的流量控制系統，它是一個典型的帶非線性環節的控制系統。

用描述函數分析法分析標準EFCI算法的性能，有以下結論：具有非線性特性的EFCI算法控制下的交換機隊列在一定條件下不可避免地會產生自激振蕩，這也就是說ACR和隊列長度的振蕩不一定是二進制反饋機制本身的內在屬性。作用在節點交換機上的擁塞探測/解除算法是誘發振蕩的關鍵因素，因此，從理論上講，二進制反饋機制的簡潔性應該有充分發揮的空間。

圖7標準EFCI算法二進制流量的等效系統

7/23/202325緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望>>>論文結構7/23/202326基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>１.線性PID控制器設計

為了避免了非線性控制環節可能誘發的系統自激振蕩，直接有效的解決辦法即為用線性控制器來替換標準EFCI算法中帶磁滯環的繼電器環節，以期望消除或抑制ACR和隊列中存在的振蕩。在控制系統的設計與分析中，最常用的線性控制器是PID控制器。PID擁塞控制系統框圖可用圖8表示。圖8PID擁塞控制框圖7/23/202327基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>１.線性PID控制器設計由于原系統的特性很難用實驗的方法確切地得到系統地臨界放大倍數和臨界振蕩周期，這樣就很難用Ziegler-Nichols方法來整定控制器的參數。于是，有些學者提出采用基于幅值和相角穩定裕度的整定方法。

假定PID控制器作用下系統的幅值裕度和相角裕度分別為Am和Pm，基于穩定性的要求，應該有Am＞1或0＜Pm＜π/2。于是我們有：Gp(jωp)[Kp+j(Kdωp－Ki/ωp)]=1/Am

（6）

Gp(jωg)[Kp+j(Kdωg－Ki/ωg)]=（7）這里ωp和ωg分別為相角和幅值的截止頻率。控制器的設計中，閉環系統的帶寬是要仔細選擇的，太大則控制信號容易飽和，太小則系統的響應緩慢。工程實踐中，一般選擇閉環系統的帶寬接近于開環帶寬,我們可以作如下選擇：（8）根據公式(6)～(8)，選擇給定閉環系統的幅值裕度和相位裕度分別為3和/3時，可以解得，Kp＝2.9736×10-7；Ki＝2.7326×10-6；Kd＝2.1410×10-8；7/23/202328基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>2.線性PID控制器仿真結果

根據圖3所示的N×N同構網絡配置建立的二進制流量/擁塞控制的流體流模型，該模型含有單一瓶頸(交換機SW1)，設定源端與目的端均有5個端系統，選擇交換機SW1和SW2的主干鏈路的容量C為100Mbps,長2000km，交換機的緩存為1000cells，標準EFCI算法中用于判定和解除擁塞的隊列門限分別為700cells和300cells。此外，RIF和RDF均為1/16，峰值速率PCR為149.76Mbps,最小信元速率MCR為1.49Mbps，初始信元速率ICR為7.49Mbps。源端與目的端與交換機間的鏈路長度均為500km，采樣頻率取1000Hz，根據電磁波在有線介質中的傳播速度為2×108m/s，得到τd和tp分別為0.0025s,0.0275s。源端采用“最大－最小”公平準則的帶寬分配。7/23/202329圖10(a)SW1隊列長度的變化

圖10(b)ACR的變化

圖9(a)SW1隊列長度的變化

圖9(b)ACR的變化

基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>2.線性PID控制器仿真結果

在MATLAB下，設定初始隊列長度為800cells，當調整Kp＝1.974×10－8；Ki＝1.126×10-9；Kd＝5.141×10-10時，仿真結果如下：7/23/202330基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>3.線性PID控制性能分析（穩態/動態分析）期望隊列長度（cells）最大值（cells）峰值時間（s）超調量（％）穩態值（cells）調節時間（s）穩態誤差（％）500.0532.40.0786.48%505.90.3621.18%800.0850.10.0806.26%811.10.3501.38%

加入PID控制器后，隊列長度均可在一段時間內小幅度振蕩后，進入穩定狀態。這表明了線性PID控制器大幅度地抑制了隊列長度的振蕩，具有較好的穩態/動態性能。圖11表4PID控制器的穩態/動態性能7/23/202331基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>分析的主要目的是：當端結點(源結點和目的結點)與相鄰交換機之間的距離發生變化時，分析PID控制機制的魯棒性能，即間接的考察往返傳輸時間(RTT)對PID控制機制穩定性(受控參數的收斂性)的影響。3.線性PID控制性能分析（魯棒性能Ⅰ－距離）為研究距離對控制機制的影響，我們選擇了四組不同的距離，即端結點(源結點和目的結點)與相鄰交換機之間的距離分別為1000km，500km，100km，10km，其它網絡參數不便。由于上述距離的改變主要對信元的往返時間τ造成影響，距離改變與往返時間之間的變化關系如表5。表5不同距離下的網絡參數7/23/202332基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>3.線性PID控制性能分析（魯棒性能Ⅰ－距離）圖12(a)距離為1000km圖12(b)距離為500km圖12(c)距離為100km圖12(d)距離為10km表6魯棒Ⅰ實驗數據

我們可以看出,當距離較小時(即往返時間較短)，瓶頸交換機SW1的輸出緩沖區隊列長度q的最大值和超調量也比較小，當距離達到1000km時，q的最大值達到了975.2cells，超調為21.9%。但是，不同距離下，隊列長度q均可以在有限的時間內收斂于期望隊列q0，其穩態誤差為1.2%左右。上述表明，線性PID控制機制具有一定的魯棒性。7/23/202333基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>分析的主要目的是：通過改變激活連接數(VCs)來分析PID控制機制的魯棒性能，即考察VCs對PID控制機制穩定性(受控參數的收斂性)的影響。3.線性PID控制性能分析（魯棒性能Ⅱ－VCs）VCs的改變將帶來二進制ABR流的控制模型的變化，表7給出了不同激活連接數下的控制對象G(s)。表7不同距離下的網絡參數7/23/202334基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>3.線性PID控制性能分析（魯棒性能Ⅱ－VCs）圖13(a)N=100圖13(b)N=90圖13(c)N=80圖13(d)N=75表8魯棒Ⅰ實驗數據

我們可以看出，隨著VCs數的改變，瓶頸交換機SW1的輸出緩沖區隊列長度q隊列總是收斂于期望隊列q0，而且它的最大值和穩態值基本不變。只是響應時間增長，尤其是隨著激活連接數變化的不斷增大，調節時間逐漸增長。上述也表明，線性PID控制機制具有一定的魯棒性。7/23/202335基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>3.線性PID控制性能分析（抗干擾性分析）我們在圖3的基礎上加入一對干擾源和干擾目的源，如圖14所示。圖中源端(包括干擾源端和目的端)與它們所直接相連的交換機間的距離均相同，為500km。干擾源采用優先級高于ABR業務的且帶寬始終處于變化的VBR業務。這里，我們采用一個ON-OFF業務模型來表示該VBR業務，其中ON-OFF模型是一個泊松分布隨機過程。圖14(a)SW1隊列長度的變化圖14(b)ACR的變化加入VBR干擾信號后，交換機SW1隊列長度q和一個源端的ACR都在設定值附近振蕩，這說明了線性PID控制機制抑制了振蕩，具有一定的抗干擾性能。7/23/202336基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.改進的PID控制器設計二進制ABR擁塞控制中，一般的線性PID控制在一定程度上抑制了系統振蕩，使得系統的穩態/動態性能有所改善，同時使得系統具有一定的魯棒性和抗干擾性。但是，系統的性能并沒有得到充分的提高。為進一步改善系統性能，課題采用三種改進的PID方法，即積分分離PID控制方法、變速積分PID方法及微分先行PID控制方法。積分分離PID控制：為克服過程啟動、結束或大幅度增減時，造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大超調，甚至引起系統較大的振蕩。變速積分PID控制：在普通的PID控制算法中，由于積分系數Ki是常數，所以在整個控制過程中，積分增量不變。但是，系統對積分項的要求卻是，系數偏差大時積分作用應減弱甚至全無，而在偏差小時則應加強。因此，根據系統偏差大小改變積分的速度，對于提高系統品質是很重要的。變速積分PID較好地解決這一問題。微分先行PID控制：為減小ACR和隊列的振蕩，以保證二進制反饋的簡潔性能充分發揮。微分先行PID適用于給定值頻繁變化的場合，可以避免給定值的變化所引起的系統振蕩，從而改善系統的動態性能。7/23/202337隊列長度的變化

基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.改進的PID控制的仿真結果（穩態/動態）性能

積分分離PID控制積分分離PID控制積分分離PID控制ACR的變化7/23/202338積分分離PID控制

基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.改進的PID控制的仿真結果（魯棒性能Ⅰ－距離）變速積分PID控制

微分先行PID控制

7/23/202339隊列長度的變化

基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.改進的PID控制的仿真結果（穩態/動態）性能

積分分離PID控制積分分離PID控制積分分離PID控制ACR的變化

積分分離PID控制器和變速積分PID控制器使得隊列和ACR的動態和穩態性能有一定程度的提高(如隊列長度的超調量減小，穩態誤差幾乎為零)，但是系統的魯棒性和抗干擾性變化不大。微分先行PID控制器也同樣改建了系統的動態和穩態性能，同時使得系統的抗干擾性有較大程度的提高。但是，系統的魯棒性不理想。總之，改進的PID控制器進一步改善了系統性能，但其效果不明顯。7/23/202340緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望>>>論文結構7/23/202341基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>

PID控制器代替二進制ABR流量/擁塞控制模型中標準EFCI算法的非線性環節，從而使得ABR流的擁塞問題得到了一定程度的控制。但是，這些控制方法在很大程度上依賴于結構已知的系統數學模型，而網絡系統的復雜性、時變性及大量的網絡干擾卻恰恰決定了建立一個精確的網絡模型是不可能的。因此，一般PID控制器參數難于整定，當受到外界干擾時，系統難于調節等問題都有待解決。模糊控制器是一種近年來發展起來的新型控制器，其優點是不要求控制對象具有精確的數學模型，而是根據人工控制規則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。基于模糊邏輯理論的擁塞控制已經有一些成功的例子，1987年，Ying在模糊控制理論中首先嚴格地建立了模糊控制器與傳統控制器的分析解關系，這些工作為模糊控制理論與傳統PID控制理論的結合建立了橋梁。自此，許多模糊PID控制器被提出，它揚長避短，既具有模糊控制靈活，適應強性的優點，又具有PID控制精度高的特點。本課題基于模糊PID進一步研究了二進制ABR流的擁塞控制問題。7/23/202342基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>1.直接控制量型模糊PID控制控制原理若線性

三個輸入量分別是誤差e、誤差積分值ie、誤差微分值cePDrules方框為模糊規則部分，GE、GCE、GIE、GU為增益。

常規PID控制器線性化表示為于是，得到兩者的對應關系：又可表示為：GE=Kp/GU，GCE=Kd/GU，GIE=Ki/GU根據第四章中整定得到的PID控制器參數，可以得到模糊PID控制器增益GE、GCE及GIE分別為：GU=1×10-5；GE=1.9736×10-3；GCE=6.055×10-5；GIE=1.126×10-4。若將模糊規則部分用函數表示，則控制器的輸入輸出關系可以表示為：7/23/202343基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>1.直接控制量型模糊PID控制模糊控制器設計輸入/輸出隸屬度函數

模糊控制器采用兩輸入（誤差E及誤差微分CE），一輸出（ER）的結構輸入/輸出變量的變化范圍是：e(k)為[q0-B,q0],Δe(k)/T為[-B/T,+B/T],ΔER為[-C,+C]，B為緩沖區容量，C為交換機間的鏈路容量。本文將三個語言變量均模糊劃分為五個模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，上圖給出了輸入/輸出變量模糊子集對應的隸屬度曲線。輸入變量E的語言值及其隸屬函數輸入變量CE的語言值及其隸屬函數輸出變量ER的語言值及其隸屬函數7/23/202344基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>1.直接控制量型模糊PID控制模糊控制器設計控制規則

為了保證交換機隊列變化的穩定性，減少受控參數的超調量和振蕩現象，本控制器采用如下的模糊規則：(R1)“如果隊列長度小而隊列長度減少的快，那么交換機可支持的速率增加快。”(R2)“如果隊列長度適中而隊列長度減少慢，那么交換機可支持的速率增不變。”(R3)“如果隊列長度很大而隊列長度不變化，那么交換機可支持的速率減少慢。”模糊判決方法采用重心法7/23/202345基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>2.模糊自適應整定PID控制

控制原理在實際的網絡中，被控對象隨著負荷變化或其它流量干擾影響，其對象特性參數或結構會發生變化。自適應控制運用現代控制理論在線辨識對象特征參數，時實改變其控制策略，使得控制系統的品質指標保持在最佳的范圍內，但其控制效果的好壞仍然取決于辨識模型的精確度。模糊自適應控制是解決這一問題的有效途徑，其原理如圖其中，PID控制部完成常規自適應模糊控制器的結構的PID調節功能，模糊自整定部完成對控制響應參數進行在線監視。當系統參數發生變化時，經模糊推理得出PID參數的修正系數，再經修正PID，得到新的參數7/23/202346基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>模糊控制器設計輸入/輸出隸屬度函數

模糊控制器采用兩輸入（誤差E及誤差微分CE），三輸出（Kp、Ki、Kd）的結構輸入/輸出變量的變化范圍是：e(k)為[-q0,q0],Δe(k)/T為[-B/T,+B/T],Kx為[Kx,min,Kx,max]，B為緩沖區容量，C為交換機間的鏈路容量。將五個語言變量均模糊劃分為七個模糊子集{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，上圖給出了輸入/輸出變量模糊子集對應的隸屬度曲線。輸入變量E或CE的語言值及其隸屬函數2.模糊自適應整定PID控制

輸出變量Kx的語言值及其隸屬函數7/23/202347基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>模糊控制器設計控制規則

模糊判決方法同前從隊列和源端ACR的穩定性、響應速度、超調量及穩態誤差等，及Kp、Ki、Kd的不同作用有如下的三個規則表：

Kp的模糊規則表Ki的模糊規則表Kd的模糊規則表2.模糊自適應整定PID控制7/23/202348基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>3.模糊免疫PID控制

控制原理免疫PID控制器是借鑒生物系統的免疫機理而設計出的一種控制器。生物的免疫系統對于外來侵犯的抗原，可產生相應的抗體來抵御，抗原和抗體結合后，會產生一系列的反應，通過吞噬作用或產生特殊酶的作用而毀壞抗原。生物的免疫系統由淋巴細胞和抗體分子組成，淋巴細胞又由胞腺產生的T細胞(分為輔助細胞TH和抑制細胞TS)和骨髓產生的B細胞組成。當抗原侵入機體并經周圍細胞消化后，將信息傳遞給T細胞，即傳遞給TH細胞和TS細胞，然后刺激B細胞。B細胞產生抗體以消除抗原。當抗原較多時，機體內的TH細胞也較多，而TS細胞卻較少，從而會產生較多的B細胞。隨著抗原的減少，體內TS細胞增多，它抑制了TH細胞的產生，則B細胞也隨著減少。經過一段時間后，免疫反饋系統便趨于平衡。根據上述原理有反饋控制規律：式中，K=k1用于控制反應速度,η=k2/k1用于控制穩定效果，為一選定的非線性函數。我們應用模糊控制器來逼近非線性函數，以提高系統的適應性。7/23/202349基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>模糊控制器設計輸入/輸出隸屬度函數

模糊控制器采用兩輸入（誤差U及誤差微分CU），一輸出（f（u，cu））的結構輸入/輸出變量的變化范圍均為：每個輸入被兩個模糊集模糊化，分別是正(P)，負(N)，輸出的變量被三個模糊集模糊化，分別是正(P)、零(Z)、負(N)。輸入變量E的語言值及其隸屬函數輸入變量CE的語言值及其隸屬函數輸出變量f的語言值及其隸屬函數3.模糊免疫PID控制

7/23/202350基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>模糊控制器設計控制規則

模糊判決方法mom反模糊化方法

模糊控制器采用如下的四條規則： (R1)IFuisPandΔuisPTHENf(u,Δu)isN(R2)IFuisPandΔuisNTHENf(u,Δu)isZ(R3)IFuisNandΔuisPTHENf(u,Δu)isZ(R4)IFuisNandΔuisNTHENf(u,Δu)isP3.模糊免疫PID控制7/23/202351隊列長度的變化

基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.基于模糊PID控制的仿真結果（穩態/動態）性能直接控制量型模糊PID控制模糊自適應整定PID控制模糊免疫PID控制ACR的變化

7/23/202352隊列長度的變化

基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制>>>4.基于模糊PID控制的仿真結果（穩態/動態）性能直接控制量型模糊PID控制模糊自適應整定PID控制模糊免疫PID控制ACR的變化

三種基于模糊PID的控制器均可成功地應用于二進制ABR流的擁塞控制。仿真表明這類控制器不僅具有傳統PID控制器的優良特性，而且由于模糊邏輯的加入，當系統受到可變比特流的干擾或系統參數變化時，控制器仍能很好地完成控制任務。7/23/202353緒論ATM網絡及ABR業務擁塞控制二進制ABR業務擁塞控制的網絡模型基于PID的二進制ABR擁塞控制基于模糊PID的二進制ABR擁塞控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制基于專家及遺傳PID的二進制ABR擁塞控制各種PID控制機制的分析比較與展望>>>論文結構7/23/202354基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>人工神經網絡(NeuralNetwork,ANN)是巨量信息并行處理和大規模平行計算的基礎。神經網絡既是高度非線性動力學系統，又是自適應組織系統，可用來描述認知、決策及控制的智能行為。對于長期困擾控制界的非線性系統和不確定性系統來說，神經網絡無疑是一種解決問題的有效途徑。正因為如此，近年來在控制理論的所有分支幾乎都能看到神經網絡的引入及應用，傳統的PID控制當然也不例外，以各種方式應用于PID控制的神經網絡方法大量涌現，其中有—些方法取得了明顯的效果。7/23/2023551.單神經元自適應PID控制控制原理基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>q0為交換機的設定值，q為輸出，e(k)為誤差。故神經元的輸入為：x1(k)=e(k)-e(k-1)，x2(k)=e(k)，x3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)7/23/2023561.單神經元自適應PID控制控制原理基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>7/23/2023572.新型神經元PID自適應控制

控制原理基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>單輸入單輸出系統神經網絡自適應控制結構圖

7/23/202358控制原理

3.模糊網絡模糊PID控制基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>7/23/202359隊列長度的變化

4.基于神經PID控制的仿真結果（穩態/動態）性能單神經元自適應PID控制器

新型神經元PID控制器

新型神經元PID控制ACR的變化

基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>

7/23/202360單神經元自適應PID基于PID的二進制ABR擁塞控制>>>新型神經元PID神經網絡模糊PID控制

4.基于神經PID控制的仿真結果（魯棒性）

7/23/202361隊列長度的變化

4.基于神經PID控制的仿真結果（抗干擾性）直接控制量型模糊PID控制模糊自適應整定PID控制模糊免疫PID控制ACR的變化

基于神經PID的二進制ABR擁塞控制>>>

將神經網絡與PID技術相結合，研究設計了單神經元自適應PID控制器，并根據控制經驗將其進行了改進；提出了一種動態前向網絡范疇的新型神經元PID控制器，并將其成功地應用于二進制ABR流的擁塞控制。這類控制器通過自學習，取得了良好的控制效果，有效的抑制了系統振蕩，實現了零超調、零誤差，增強了系統的魯棒性。相對于其它擁塞控制機制，這類控制機制的綜合性能更加突出。7/23/2023621.專家PID控制原理

基于專家PID的二進制ABR擁塞控制>>>

典型的兩階系統階躍響應的誤差曲線如圖所示，圖中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ等區域，誤差朝絕對值減小的方向變化，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ等區域，誤差絕對值朝增大的方向變化。對于典型的二階系統階躍響應過程有得出以下五條經驗。

7/23/2023632.基于專家PID控制的仿真結果

基于專家PID的二進制ABR擁塞控制>>>

SW1隊列長度的變化

ACR的變化

當交換機SW1的期望值q0＝800cells時，隊列長度q的響應是收斂的，它在0.102s時到達最大值829cells，超調量為3.6%；穩態誤差為0。與4.1.1的普通PID相比較，專家PID控制下，隊列的超調量有所減小，系統實現零穩態誤差，而且系統的峰值時間及調節時間較短，但是，系統的超調量相對前兩章的模糊邏輯PID及神經PID要大。源端允許信元速率ACR在一段時間的振蕩后，也趨于穩定，穩態誤差為零。因此專家PID控制機制取得了較好的穩