徐昌彪，張 坤，鮮永菊，王精華，鄭湘渝

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065;2.重慶市電力公司，重慶 400015)

0 引言

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，各種新興的無線通信技術(shù)不斷得到應用，這使得有限的頻譜資源日益緊缺?；趧討B(tài)頻譜接入(DSA)的認知無線電(CR)技術(shù)能有效地提高頻譜資源利用率，以緩解無線頻譜資源短缺的問題。目前，認知無線電技術(shù)研究的熱點主要集中在物理層和MAC層，如動態(tài)頻譜感知、頻譜分配、頻譜預測等，然而對上層協(xié)議研究相對較少，如傳輸控制協(xié)議(TCP)。

在認知無線網(wǎng)絡(luò)中端到端的傳輸控制協(xié)議性能，是衡量次用戶QoS的一個重要指標。文獻［1］中提出了一個基于跨層的方案，聯(lián)合考慮頻譜感知、接入決策、物理層的調(diào)制編碼機制以及數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀長，以提高認知網(wǎng)絡(luò)中TCP吞吐量。其中，物理層將感知結(jié)果反饋到傳輸層，傳輸層根據(jù)感知結(jié)果聯(lián)合下層做出相應調(diào)整，選擇合適的數(shù)據(jù)幀長，調(diào)制編碼方案及接入決策。多信道選擇接入問題，會直接影響到次用戶應用。然而目前動態(tài)頻譜接入研究中主要采用的是隨機接入方式，在Random方式下很難保證接入信道質(zhì)量。文獻［2］在文獻［1］提出的跨層優(yōu)化設(shè)計方案基礎(chǔ)上，進一步引入一個最優(yōu)多信道接入機制以增強TCP性能。文中用Restless Bandit System模擬認知網(wǎng)絡(luò)中信道接入過程，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、回報率、衰減因子等因素將信道用不同的優(yōu)劣指數(shù)標記，從而控制選擇最優(yōu)信道接入以獲取相對最優(yōu)的TCP吞吐量。文獻［3］在認知環(huán)境下提出了一種基于跨層設(shè)計的傳輸控制協(xié)議。文獻［4］中設(shè)計的適合認知Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議，通過中間結(jié)點及目的結(jié)點的信息反饋，使傳輸層準確識別鏈路變化信息，同時在源端采用經(jīng)典的TCP速率控制算法與底層交互相關(guān)信息從而合理調(diào)整傳輸狀態(tài)。文獻［5］在基于跨層信息反饋的基礎(chǔ)上，改進TCP－Reno協(xié)議以使其適應認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。文獻［6］中以感知接入過程中SU的漏檢與虛警行為，以及感知時間的選取為前提，分析了DSA對TCP協(xié)議的影響。文獻［7］提出了一個新的CR－Mac協(xié)議，以準確獲取可用信道信息反饋給傳輸層，并提出了基于擁塞門限預測的擁塞避免機制，只有在當前可用信道帶寬大于擁塞門限時才會觸發(fā)擁塞避免機制。文獻［8］提出了一個新的認知網(wǎng)絡(luò)管理框架(DSAync)，它是一種邏輯上的鏈路層網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，在不改變端到端的TCP語義條件下，網(wǎng)絡(luò)間的接口結(jié)點執(zhí)行基于緩存管理與流量整形算法以減小動態(tài)頻譜接入對TCP流的影響。

綜上分析，目前大多數(shù)文獻從不同的角度研究了認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP協(xié)議［9－10］。而本文首先討論分析了認知無線電環(huán)境下影響TCP性能的關(guān)鍵因素，其次緊密結(jié)合認知無線電特性，通過NS2仿真軟件搭建認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，仿真分析了不同TCP版本協(xié)議在認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能狀況。

1 CR環(huán)境下影響TCP性能的關(guān)鍵因素

貫穿認知無線電技術(shù)的主線就是，通過頻譜感知掃描檢測可用頻帶，發(fā)現(xiàn)頻譜空洞，根據(jù)感知結(jié)果分析出未被主用戶(PU)占用的可用頻點位置、可用帶寬、信道狀況以及傳輸時對其他用戶可能產(chǎn)生的影響等，次用戶(SU)由此做出決策，選擇適宜的數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸模式、傳輸帶寬，然后綜合頻譜特征和用戶需求選擇合適的頻段。次用戶在使用頻段的過程中，同時也要監(jiān)測主用戶的活動，當主用戶出現(xiàn)在這個頻段上時，次用戶依據(jù)頻譜移動性管理退出該頻段，在有其他空閑頻段時切換過去繼續(xù)傳輸，如果暫時沒有空閑頻譜，就將數(shù)據(jù)存儲在緩存空間內(nèi)，倘若超過一定時限仍然沒有空閑頻譜可用，就中斷本次通信。次用戶的通信很大程度上取決于主用戶的活動，這也是認知網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的根源。PU的出現(xiàn)就會迫使相關(guān)SU做出調(diào)整，圖1描述了主次用戶共享頻譜資源的動態(tài)使用過程。

圖1 動態(tài)頻譜接入過程

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，認知無線電網(wǎng)絡(luò)中影響TCP協(xié)議性能的因素主要有頻譜感知、主用戶活動、頻譜切換和TCP協(xié)議自身的瓶頸。

1.1 頻譜感知

為了獲得可用頻譜，每個SU在數(shù)據(jù)鏈路層都會定期掃描所在頻段內(nèi)的所有信道，如圖2所示，在掃描階段(S)，當SU找到一個合適的頻譜空洞后，接下來在信道接入階段(CA)，SU就會將存儲在緩存中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)向終端。如果在掃描階段沒有空閑信道，就必須經(jīng)歷完當前的To時間，在下一個周期的掃描階段重新尋求一個空閑頻譜。其中To和Ti的大小可以不一，但是在循環(huán)周期里面的值是確定的［6］。

圖2 數(shù)據(jù)鏈路層的周期掃描［6］

感知時間T0必須選取一個合適的值，如果感知時間越長，SU就會花更多的時間去檢測而不是傳送數(shù)據(jù)，同時短的感知時間會增大干擾主用戶活動的風險。在掃描階段，SU所檢測到的信道狀態(tài)不一定是準確的，可能存在誤判行為。這種誤判行為主要包括兩種:1)錯誤地將處于空閑狀態(tài)的頻點判斷為PU正在使用(虛警)。2)錯誤地將PU正在使用的頻點判為空閑頻譜(漏檢)。前者會降低SU的頻譜利用效率，后者會由于接入信道而與PU發(fā)生沖突產(chǎn)生干擾，從而帶來吞吐量衰減［11］。

在感知期間，底層會停止數(shù)據(jù)發(fā)送與接收通信對端回送的ACK，而現(xiàn)有無線TCP協(xié)議無法識別底層的行為，仍然會繼續(xù)向底層輸送TCP數(shù)據(jù)報文段，從而會引起SU發(fā)送端口緩存數(shù)據(jù)溢出。同時，已成功發(fā)送出的數(shù)據(jù)包由于得不到及時確認，也會因此而導致計時器超時，觸發(fā)傳輸層不必要的超時重傳，同時削減擁塞窗口(cwnd)，促使TCP性能衰退。

1.2 主用戶活動

認知網(wǎng)絡(luò)中，PU對授權(quán)頻段有絕對的優(yōu)先使用權(quán)，SU在使用空閑頻譜過程中，會因為主用戶的出現(xiàn)而隨時退讓出頻譜。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中引起丟包的主要原因有擁塞丟失、信道差錯丟失和數(shù)據(jù)沖突丟失，認知網(wǎng)絡(luò)中SU為避免干擾PU而動態(tài)使用頻譜空洞，會產(chǎn)生一種新的數(shù)據(jù)丟失原因——服務(wù)中斷丟失。這種新的丟包原因只取決與PU的活動頻率和一些外部因素(地理位置及不同的時段)，那么PU活動越頻繁，則SU傳輸數(shù)據(jù)的時間越少，并且服務(wù)中斷丟失的概率也就越大，SU的TCP吞吐量也就越低［12］。當服務(wù)中斷丟失出現(xiàn)時，現(xiàn)有無線TCP協(xié)議同樣無法識別，會像對待擁塞丟失一樣，進行擁塞調(diào)控。

1.3 頻譜切換

在CRN中，SU進行頻譜切換時會產(chǎn)生一定的切換延遲。當可用頻譜空洞較多時，SU切換很容易，產(chǎn)生的切換時延也相對較小;但在主用戶活動頻繁時，SU可獲得的頻譜空洞較少，切換時延也相對較長，而且切換時次用戶之間競爭頻譜空洞導致沖突的概率也相應增大。即使SU切換成功，所獲得的空閑頻譜也不一定與SU所傳輸?shù)耐ㄐ艠I(yè)務(wù)需求是最優(yōu)匹配的，因為不同頻段的鏈路特性可能不同，如誤碼率、帶寬、延遲等。

大多數(shù)端到端的無線TCP解決方案，主要依靠時間相關(guān)信息，如RTT或延遲時間。在認知網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包經(jīng)過帶寬變化的鏈路，會使相關(guān)時間信息在測量當前網(wǎng)絡(luò)狀況時不太可靠。從而無法保障TCP協(xié)議的可靠性。超時重傳機制是實現(xiàn)可靠TCP協(xié)議的關(guān)鍵因素，其中最重要的一個參數(shù)就是超時重傳時間RTO。RTO又是根據(jù)RTT來設(shè)置的，且RTT與用戶使用的頻段緊密相關(guān)。當SU所用信道帶寬較大時，傳輸率較快，RTT值相對較小，在完成一次數(shù)據(jù)傳輸中避開因主用戶出現(xiàn)而產(chǎn)生干擾的可能性也就越大。同理，當信道帶寬較小時，RTT值也會較大。當SU的頻譜分配情況發(fā)成變化時，根據(jù)原來的RTT來計算RTO，就會使RTO過大或者過小，從而對傳輸層協(xié)議帶來不利影響。

1.4 TCP協(xié)議自身的瓶頸

慢啟動:一條連接建立的時候，為了避免立即把大量數(shù)據(jù)字節(jié)注入到網(wǎng)絡(luò)中，進而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，TCP實體初始化cwnd=1，試探性地傳輸一個報文段，等待得到確認之后再傳輸?shù)?個報文段。每收到一個確認，cwnd的值就被加1，一直到某個最大值為止。但是在認知網(wǎng)絡(luò)中，由于頻譜空穴的短暫性，還沒有等到cwnd增大到最大窗口值的一半，SU就會因為PU的出現(xiàn)而喪失對頻譜的使用權(quán)［4］。在認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這樣的慢啟動算法極大地降低了SU對頻譜資源的利用效率。

快速恢復:當TCP實體在第3次重復收到針對某一報文段的ACK時，源端TCP立即重傳丟失的報文段，并把cwnd減半，然后繼續(xù)以線性規(guī)律增加cwnd。在認知網(wǎng)絡(luò)中盲目地減小cwnd值同樣會降低SU對信道可用帶寬的利用率。

2 仿真分析

本文在NS2仿真工具上搭建模擬認知無線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并假設(shè)系統(tǒng)中只有兩個主用戶(PU)和一個次用戶(SU)存在，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。主用戶的到達和離開分別服從參數(shù)為λ和μ的泊松分布。接下來會在不同仿真場景下分析TCP協(xié)議在認知無線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能狀況。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2.1 場景一

假定模擬的認知網(wǎng)絡(luò)中只有兩條信道，每條信道的帶寬(5 Mbit/s和3 Mbit/s)和延遲(10 ms和12 ms)不同，構(gòu)成垂直切換環(huán)境。由泊松分布特性易知，主用戶到達的時間間隔和服務(wù)時間分別服從參數(shù)為1/λ和1/μ的指數(shù)分布，平均到達時間間隔和服務(wù)時間分別為E［T1］=1/λ，E［T2］=1/μ。由此可得主用戶對授權(quán)頻段的占用率為P=E［T2］/E［T1］=λ/μ，而且不同的 λ 和 μ 值決定著不同的占用率。在本仿真場景中，以SU的TCP平均吞吐量為指標，對比不同P值條件下TCP各版本協(xié)議的性能狀況。SU在通信傳輸時只建立一條TCP連接，數(shù)據(jù)源為FTP，仿真時間300 s。仿真中，每隔10 s記錄一次TCP窗口值(cwnd)和吞吐量。

仿真結(jié)果解析:仿真結(jié)果如圖4所示，隨著主用戶對授權(quán)信道占用率的增大，SU獲得的頻譜空穴越少，同時也會增加SU通信時被迫切換次數(shù)，這就使得SU的TCP平均吞吐量隨之減少。并且在相同P值條件下:Westwood對應的平均吞吐量最高;Vegas最低;Reno，Newreno和Sack對應的平均吞吐量比較接近。這就說明，具有對信道帶寬估計功能的Westwood協(xié)議對認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應力最好，基于回路響應延時RTT估計的Vegas適應能力最差。

圖4 不同P值條件下TCP各版本的平均吞吐量

圖5、圖6分別為λ=1/4，μ=1/2時5個TCP版本的窗口和吞吐量變化情況。cwnd和吞吐量曲線的總體波動變化是相同的，曲線中各個波動最低點對應著SU因PU出現(xiàn)而退讓出信道被迫進行切換時的性能狀況。成功切換后，SU將重新開始慢啟動過程，這就導致cwnd和吞吐量在一段時間內(nèi)處于相對較低的水平。兩個圖中Vegas對應的曲線與其他4個協(xié)議版本有明顯差距，而其他4個協(xié)議版本中Westwood以微弱優(yōu)勢突出。

2.2 場景二

以場景一中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為基礎(chǔ)條件，取λ=1/4，μ=1/2，仿真時間300 s，采樣間隔1 s。SU通信時建立兩條TCP連接(采用相同TCP版本，用tcp0和tcp1標記區(qū)分)，以公平指數(shù)為標準來衡量兩條TCP連接對資源的競爭狀況。其中公平指數(shù)定義為［13］

圖5 λ=1/4，μ=1/2時5個TCP版本的窗口變化

圖6 λ=1/4，μ=1/2時5個TCP版本的吞吐量變化

T0和T1分別表示tcp0與tcp1的平均吞吐量。當T0和T1的差距變小時，公平指數(shù)也就越接近于1，那么tcp0和tcp1對信道資源利用的公平性越好。

仿真結(jié)果解析:仿真結(jié)果如表1所示，在相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下tcp0與tcp1對網(wǎng)絡(luò)資源競爭的公平性westwood最高，reno其次，vegas最差。接下來將以sack為例分析兩條TCP連接的競爭狀況。

表1 兩條TCP連接下各TCP版本的公平性

圖7、圖8中tcp0和tcp1的cwnd和吞吐量曲線反映出，在競爭時tcp0對網(wǎng)絡(luò)資源的利用處于優(yōu)勢狀態(tài)。當SU穩(wěn)定使用空閑信道時，tcp0與tcp1的cwnd值交替變化，前者的cwnd值增大時后者必然減小，這種波動變化同時對應著吞吐量變化。在切換時，tcp0和tcp1的cwnd和吞吐量都處于遞減狀態(tài)。成功切換后又都處于遞增狀態(tài)。

圖7 sack下兩條TCP連接的cwnd變化

圖8 sack下兩條TCP連接的吞吐量變化

2.3 場景三

以場景一的網(wǎng)絡(luò)條件為基礎(chǔ)，取λ=1/7，μ=1/4，仿真時間300 s，采樣周期1 s。同時設(shè)定每條信道的帶寬都為5 Mbit/s，延遲10 s，僅以信道數(shù)為變化條件，觀察不同TCP版本的性能狀況。SU在通信時只建立1條TCP連接。

仿真結(jié)果解析:隨著信道數(shù)的增加，SU分別使用5個TCP版本所獲得的平均吞吐量都有所提高。直觀上來講，SU所獲得的平均吞吐量會一直隨著可接入信道數(shù)的增加而增大。但仿真結(jié)果顯示，當信道數(shù)為3時，5個協(xié)議版本的平均吞吐量達到最大值，之后吞吐量反而隨著可接入信道數(shù)的增加而減小。這是因為當可用信道增多之后，SU會獲得相對較多的時間在空閑頻譜上傳輸，從而提高TCP吞吐量，但與此同時，也增大了因PU出現(xiàn)而迫使SU進行退避切換的概率。由于現(xiàn)有TCP協(xié)議無法正確區(qū)分切換過程中丟失數(shù)據(jù)包的原因，就會像對待擁塞丟失一樣將cwnd減半，并進入不必要的擁塞避免階段，在短時間內(nèi)一旦出現(xiàn)多次切換就會促使cwnd多次減半，并使cwnd維持在一個較低水平，從而影響TCP性能。不同信道下SU的TCP平均吞吐量變化如圖9所示。

圖9 不同信道下SU的TCP平均吞吐量變化

3 小結(jié)

緊密結(jié)合認知無線電技術(shù)特點，從頻譜感知、切換、主用戶活動、TCP協(xié)議自身的瓶頸4個方面詳細分析討論了在認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下影響TCP協(xié)議的關(guān)鍵因素。并設(shè)置了不同的仿真場景，比較分析不同TCP版本協(xié)議在認知網(wǎng)絡(luò)中的性能表現(xiàn)。結(jié)果顯示，據(jù)有帶寬估計能力的Westwood對認知網(wǎng)絡(luò)的適應能力最好，而基于回路響應延時RTT估計的Vegas適應能力最差。本文仿真過程中雖然只設(shè)定了2個PU和1個SU，但是很容易擴展到多個PU和SU。接下來的工作中，會以本文分析結(jié)果為基礎(chǔ)，改進現(xiàn)有TCP協(xié)議的慢啟動算法，以使TCP協(xié)議更好地適應認知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

［1］LUO Changqing，YU F R，HONG J，et al.Cross－layer design for TCP performance improvement in cognitive radio networks［J］.IEEE Vehicular Technology Society，2010，59(5):2485－2495.

［2］LUO Changqing，YU F R，HONG J，et al.Optimal channel access for TCP performance improvement in cognitive radio networks:a cross－layer design approach［C］//Proc.IEEE Conferences Globecom.［S.l.］:IEEE Press，2009:1－6.

［3］SARKAR D，NARAYAN H.Transport layer protocols for cognitive networks［C］//Proc.INFOCOM IEEE Conference on Computer Communications Workshops.［S.l.］:IEEE Press，2010:15－19.

［4］CHOWDHURY K R，F(xiàn)ELICE M D，AKYILDIZ I F.TP－CRAHN:a transport protocol for cognitive radio ad － hoc networks［C］//Proc.INFOCOM 2009.［S.l.］:IEEE Press，2009:2482－2490.

［5］WANG Xiaowei，SUN Xuebin，ZHAO Chenglin，et al.TCP－CRENO－ －TCP enhancement using cross－layer for cognitive radio networks［C］//Proc.AIAI 2010.［S.l.］:IEEE Press，2010:23－25.

［6］SLINGERLAND A M R，PAWELCZAK P，PRASAD R V，et al，Performance of transport control protocol over dynamic spectrum access links［C］//Proc.2nd IEEE International Symposium on DySPAN.［S.l.］:IEEE Press，2007:17－20.

［7］CHENG Yuchun，WU E H，CHEN Genhuey.A new wireless TCP issue in cognitive radio networks［C］//Proc.2010 First International Conference on Networking and Computing(ICNC).［S.l.］:IEEE Press，2010:17－19.

［8］KUMAR A，SHIN K.G.Managing TCP connections in dynamic spectrum access based wireless LANs［C］//Proc.7th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor Mesh and Ad Hoc Communications and Networks(SECON).［S.l.］:IEEE Press，2010:21－25.

［9］徐昌彪，隆克平，楊士中.無線網(wǎng)絡(luò)中基于無碼丟包的TCP速率調(diào)節(jié)策略［J］.計算機學報，2002(4):438－444.

［10］董楠，陸元亮，董燦.一種WLAN中認知無線電MAC協(xié)議的改進［J］.電視技術(shù)，2011，35(7):85－87.

［11］D＇UTRA DA C，PAULO C.Collision probabilities for dynamic spectrum access with cognitive radios［C］//Proc.IMOC 2009.［S.l.］:IEEE Press，2009:272－276.

［12］ISSARIYAKUL T，PILLUTLA L S，KRISHNAMURTHY V.Tuning radio resource in an overlay cognitive radio network for TCP:greed isn’t good［J］.IEEE Communications Magazine，2009，47(7):57－63.

［13］YAO Yanjun，F(xiàn)ENG Zhiyong，MIAO Dan.Markov－based optimal access probability for dynamic spectrum access in cognitive radio networks［C］//Proc.Vehicular Technology Conference.［S.l.］:IEEE Press，2010:79－83.