基于L-V模型的异构网络控制

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随着移动通信技术的迅猛发展,网络应用已经渗透到人类生活的各个领域。而当前存在的多种无线网络由于各自的覆盖范围不同,管理机制不同和业务范畴不同,因此出现了异构网络。为了确保异构网络中的各个子网能够以相对独立的模式运行,同时又能相互弥补各自的不足以满足用户的多样体验,所以近年来出现了有关异构网络融合方案的研究。该项研究通过搭建一个统一的网络平台来对各个子网进行集中管理,可将网络的效益达到最大化。本文基于上述背景首次引用控制理论的方法来设计异构网络中无线资源的分配机制,还讨论了不确定时延存在的情况下,如何对含有时延的异构网络进行控制,以确保网络资源按照期望值得到分配。本文的主要贡献包括以下三个方面:(1)引入生物系统中的Lotka Volterra(L-V)模型对异构网络进行建模,通过分析L-V模型平衡解的特征得出了经典L-V模型不能直接应用于实际中网络资源分配的结论。因此,本文需要添加反馈矩阵器u=LS来对网络带宽值重新配置,利用微分中值定理方法将非线性的控制系统精确线性化。然后又通过构造二次型李雅普诺夫函数,找到了能使得网络资源按照期望值分配的稳定性充分条件,利用线性矩阵不等式得到了反馈增益矩阵L的解析表达式,运用线性矩阵不等式工具箱可以求L的值,所得的L满足网络中用户的多样公平性要求。此外,又提出了具体在网络背景中用于实际操作的共存算法,描述了整个网络程序的运行流程。最后,通过一组数值仿真证明了上述结论的正确性。(2)前面的无线资源管理机制只是在没有时延的情况下提出的,而实际的网络运行有数据传输排队等候等情况带来的影响,导致网络诱导时延普遍存在。本文研究了一类在不确定时延存在的条件下如何对系统进行镇定的方法。采用引入时延的L-V离散方程作为系统模型,首先对多个时延采用同一控制器,这种控制器由于迭代次数少,算法简便因此在实际使用中备受青睐。设计过程中先借助微分中值定理将非线性时延系统精确线性化,之后利用李雅普诺夫稳定性判据和Schur引理可以得到网络资源渐进收敛于期望值的稳定性充分条件,该条件需要满足一组双线性矩阵不等式,求解这组双线性矩阵不等式时本文设计了一套同伦算法,数值仿真的结果表明了控制方法的可行性。(3)在实际应用中,由于之前设计的通用时延控制器虽然计算简便,但对于多个时延找到同一控制器操作起来很困难,且常常需要在α<1的时候才能找到可行解,因此我们又提出一种对时延τ=iT(0≤i≤,i∈Z)设计相应的控制器Ki的方法来降低保守性。这种方法同样是在线性化后利用李雅普诺夫稳定性判据和Schur补引理得到一组双线性矩阵不等式,为此本文设计一套与之匹配的同伦算法来求解该双线性矩阵不等式,之后通过一幅算法框图来表明用户和服务器中心进行数据交互、迭代控制的整个流程。最后的数值仿真结果验证了之前的结论。
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