基于跨層的認知無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能增強研究

薛亞運，周劉蕾,3

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州　215006;2.桂林電子科技大學(xué)認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林　541004 3.蘇州大學(xué)江蘇省計算機信息處理技術(shù)重點實驗室,江蘇蘇州　215006)

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工程與應(yīng)用

基于跨層的認知無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能增強研究

薛亞運1,2，周劉蕾1,2,3

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州215006;2.桂林電子科技大學(xué)認知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林541004 3.蘇州大學(xué)江蘇省計算機信息處理技術(shù)重點實驗室,江蘇蘇州215006)

認知無線網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于頻譜感知和信道切換功能。在認知網(wǎng)絡(luò)中，認知用戶需具備頻譜感知的功能，當有授權(quán)用戶接入時，可以實現(xiàn)動態(tài)頻譜切換，從而不影響授權(quán)用戶的通信。因此需要更改傳統(tǒng)協(xié)議棧的傳輸層協(xié)議(TransmissionControlProtocol,TCP)使其適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知和信道切換。通過TCP-MAC跨層可以消除由于頻譜感知帶來的超時重傳問題，改進的TCP-improved算法可解決信道切換帶來的信道利用率不高或網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。實驗結(jié)果顯示在認知環(huán)境下TCP-improved能很好的緩解由于頻譜感知和信道切換對傳輸層的影響，實現(xiàn)了認知用戶的傳輸層性能增強。

認知網(wǎng)絡(luò)；跨層；信道切換；等效帶寬

TN92

A

1673-5692(2016)02-208-06

0　引　言

頻譜是無線通信中最寶貴、最緊缺的資源之一，因此能實時感知頻譜并接入空閑頻譜的認知無線電(CognitiveRadio,CR)技術(shù)現(xiàn)已成為通信領(lǐng)域的研究熱點[1]。為了不影響授權(quán)用戶(PrimaryUser,PU)通信，認知用戶(CognitiveUser,CU)須進行周期性的感知頻譜活動，當授權(quán)用戶接入時，認知用戶切換到其它空閑頻譜。但是傳統(tǒng)的通信協(xié)議棧之間互相屏蔽每一層的實現(xiàn)細節(jié)的特性使得傳輸層無法獲知認知用戶周期性的頻譜感知和信道切換等行為[2-3]。文獻[4]給出了CRAdHoc網(wǎng)絡(luò)中TCP性能的分析模型，分析了感知時間與吞吐量的關(guān)系，但未修改TCP協(xié)議以適應(yīng)認知網(wǎng)絡(luò)特點；文獻[5]在傳統(tǒng)TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種基于認知網(wǎng)絡(luò)的改進TCP協(xié)議，此協(xié)議解決了認知用戶傳輸層因頻譜感知而頻繁地慢啟動，但并未考慮認知用戶切換信道的情況；文獻[6]中在TCP-Reno的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CR的自適應(yīng)調(diào)整慢啟動閾值的改進協(xié)議TCP-Cog，提高了認知網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是每次在信道切換時，都盲目地將擁塞窗口值設(shè)為1，降低了傳輸效率，更重要的是文中采用的帶寬預(yù)測算法預(yù)測出的帶寬值與真實的網(wǎng)絡(luò)容量相比偏小。

針對上述問題，本文綜合考慮認知用戶的頻譜感知和信道切換對傳統(tǒng)TCP協(xié)議的影響，在TCP-Reno協(xié)議的基礎(chǔ)上進行改進，并建立基于CR網(wǎng)絡(luò)的跨層模型，最后分析其網(wǎng)絡(luò)性能。

1　系統(tǒng)模型

為了不干擾授權(quán)用戶活動以及獲得空閑頻譜，認知用戶必須周期性的感知頻譜。認知用戶的時隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一個時隙T內(nèi)用于感知的時間為Ts秒，用于傳輸數(shù)據(jù)的時間為Tt秒。

圖1　認知用戶的時隙結(jié)構(gòu)

認知用戶的認知活動由以下四個模塊組成[9]：頻譜感知模塊、頻譜決策模塊、頻譜搬移模塊和頻譜共享模塊，如圖2所示。每個認知用戶建立時，頻譜感知模塊先進行Ts秒的感知活動，對N個信道(授權(quán)頻段)逐個感知，感知結(jié)束后，若未發(fā)現(xiàn)空閑信道，則等待下一個時隙的感知階段繼續(xù)感知。否則選擇空閑信道i(1≤i≤N)進行數(shù)據(jù)傳輸。當傳輸Tt秒后，認知用戶進入感知階段，它優(yōu)先感知信道i，再感知剩下的N-1個信道。感知結(jié)束后，若未發(fā)現(xiàn)空閑信道，則等待下一個時隙的感知階段繼續(xù)感知。否則將空閑信道集合M交由頻譜決策模塊，若頻譜決策模塊發(fā)現(xiàn)信道i∈M，則認知用戶繼續(xù)使用信道i傳輸數(shù)據(jù)；否則，認知用戶在空閑信道集合M中選擇信道j，交給頻譜搬移模塊，進行信道切換。信道切換結(jié)束后認知用戶使用信道j進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　認知用戶的認知活動

系統(tǒng)模型如圖3所示，CUi(1≤i≤L)為認知節(jié)點，CU1為源節(jié)點，CUL為目的節(jié)點。設(shè)所有認知節(jié)點可同時進行頻譜感知。當CU1與CUL之間建立連接時，各個中間節(jié)點須通過ACK信號攜帶其所用信道帶寬信息反饋給認知源節(jié)點CU1的傳輸層[7]。若授權(quán)用戶突然接入使得CUk必須切換信道，則CUk成功切換信道后，即CU1與CUL之間的通信恢復(fù)，CUk須通過ACK信號攜帶其切換后的信道帶寬信息反饋給認知源節(jié)點CU1的傳輸層。這樣認知源節(jié)點的傳輸層可以獲取端到端通信鏈路上的最小信道帶寬。

圖3　系統(tǒng)模型

2　TCP協(xié)議改進

本文將在認知節(jié)點頻譜感知以及信道切換時對TCP-Reno協(xié)議進行改進，以使TCP-Reno適應(yīng)認知網(wǎng)絡(luò)的特點。

2.1頻譜感知階段改進

在認知網(wǎng)絡(luò)中，認知節(jié)點必須進行周期性的感知活動，而在感知期間，端到端的通信是斷開的，傳輸層若在此期間產(chǎn)生超時，將擁塞窗口值設(shè)為1并開始慢啟動，此舉完全是不必要的，因為網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞。因而在認知網(wǎng)絡(luò)中，必須區(qū)別對待網(wǎng)絡(luò)擁塞和頻譜感知引發(fā)的超時重傳。須運用跨層設(shè)計的思想[10-11]：在媒體訪問控制層(MediaAccessControl,MAC)和傳輸層之間實現(xiàn)必要的信息交換[12-13]。設(shè)MAC層在時刻t開始感知，此時MAC層將時刻t和感知時間Ts通知傳輸層，若傳輸層重傳定時器在時間段[t,t+Ts]內(nèi)發(fā)生超時，則用感知時間Ts重置該重傳定時器。將上述頻譜感知階段的改進算法稱為TCP-sense。

2.2信道切換階段改進

在認知網(wǎng)絡(luò)中，認知節(jié)點除了周期性的感知頻譜，當授權(quán)用戶接入時，還需要進行信道切換。當認知節(jié)點切換到的信道帶寬與之前所用信道帶寬不同時，需更改傳輸層參數(shù)以適應(yīng)切換后的信道。

文獻[8]介紹了一種預(yù)測帶寬算法，發(fā)送端通過記錄收到ACK的時間以及相鄰ACK之間傳送的數(shù)據(jù)量，采用ABSE(AdaptiveBandwidthShareEstimation)濾波機制計算當前帶寬，算法如下：

(1)

(2)

在信道切換后，源端傳輸層須根據(jù)切換后的信道帶寬來調(diào)整擁塞窗口值和慢啟動閾值以達到充分利用信道帶寬或防止網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。具體調(diào)整方法解釋如下：

若W′=W，端到端的最小帶寬未發(fā)生變化，則傳輸層保持原來的參數(shù)恢復(fù)傳輸。

(3)

cwnd′=SSThresh′

(4)

TCP-Cog算法在每次成功切換信道后，將擁塞窗口值cwnd′盲目地設(shè)為1，降低了傳輸效率。本文用式(4)來設(shè)置信道切換成功后的擁塞窗口值cwnd′。根據(jù)上述帶寬預(yù)測算法計算的SSThresh′值與真實的網(wǎng)絡(luò)容量相比偏小，但在切換到帶寬較小的信道后，偏小的帶寬估計有助于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

若W′>W，即切換到帶寬較大的信道，TCP-Cog算法不能充分利用信道帶寬，因此需要新的算法來適當?shù)卦黾訐砣翱?，將更多的?shù)據(jù)包發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。

設(shè)圖3中認知節(jié)點CUi與CUi+1之間的信道帶寬為Wi，tother為端到端除了傳輸時延的其它延時：排隊時延、處理時延和傳播時延。則信道切換前認知節(jié)點CU1與CUL之間的等效帶寬Weq應(yīng)滿足式(5)，

(5)

式中PS為認知節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小。

(6)

式(6)減式(5)可得，

(7)

(8)

由式(9)和(10)得到切換后的分別為，

(9)

SSThresh′=cwnd′

(10)

本文將頻譜感知和信道切換兩個階段改進后的算法稱為TCP-improved。

3　仿真結(jié)果與分析

3.1仿真場景和參數(shù)選擇

為了驗證TCP-improved的性能，仿真對NS2進行了擴展，使其支持認知網(wǎng)絡(luò)。性能評估參數(shù)選取擁塞窗口(cwnd,congestionwindow)和吞吐量(throughput)。仿真系統(tǒng)場景如圖4所示，本文選取4條信道：Ch1、Ch2、Ch3、Ch4，3個次用戶：CU1、CU2、CU3，3個授權(quán)用戶：PU1、PU2、PU3。3個授權(quán)用戶分別隨機地占用這4條信道。認知用戶之間建立TCP/FTP連接進行通信，認知用戶感知并占用其中的空閑信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4　仿真系統(tǒng)場景

仿真對TCP-improved、TCP-sense、TCP-Cog[6]和傳統(tǒng)的TCP-Reno算法進行擁塞窗口和吞吐量的比較，考慮認知用戶在通信過程中不需要切換信道情況下TCP-sense和TCP-Reno算法的比較以及在通信過程中需要切換信道情況下TCP-improved和TCP-Cog算法的比較。仿真都采用TCP/FTP連接方式，具體參數(shù)見表1。

表1　仿真參數(shù)環(huán)境

3.2仿真結(jié)果與分析

認知節(jié)點通信期間未出現(xiàn)信道切換時，網(wǎng)絡(luò)拓撲和道參數(shù)如圖5所示，認知節(jié)點從0.2s開始發(fā)送FTP數(shù)據(jù)流。程序運行期間，在認知用戶的通信范圍內(nèi)無授權(quán)用戶接入。

圖5　無授權(quán)用戶的仿真場景

圖6　TCP-sense、TCP-Reno擁塞窗口隨時間變化

從圖6可看出，傳統(tǒng)TCP-Reno的擁塞窗口呈周期性變化，這是由認知用戶周期性頻譜感知引起的。處于頻譜感知階段的認知用戶是不能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的，本該在此期間到達源節(jié)點的ACK信號卻未能被源節(jié)點接收到。因而待感知時間結(jié)束后引起TCP層重傳定時器超時并進入慢啟動，然而認知用戶數(shù)據(jù)傳輸時間結(jié)束后，下一個時隙的頻譜感知開始了，TCP層不得不再次進入慢啟動，如此周而復(fù)始。以致于TCP-Reno的擁塞窗口值處于一個很低的階段波動。而引入跨層思想的TCP-sense算法，在認知用戶感知期間，本該到達源節(jié)點的ACK信號所對應(yīng)的定時器的時間被延長了一個感知時間Ts秒，因而在頻譜感知結(jié)束后，TCP層重傳定時器未超時，不需要進入慢啟動，從而TCP-sense算法擁塞窗口值明顯高于TCP-Reno。從圖7看出，TCP-sense的平均吞吐量明顯高于TCP-Reno的值，這是因為TCP-sense的擁塞窗口值較大，在單位時間內(nèi)，能發(fā)出更多的數(shù)據(jù)包。

圖7　TCP-sense、TCP-Reno平均吞吐量隨時間變化

認知用戶通信期間出現(xiàn)信道切換時，網(wǎng)絡(luò)拓撲和信道參數(shù)如圖4所示，認知用戶從0.2s開始發(fā)送FTP數(shù)據(jù)流。

程序運行期間，在認知用戶CU2的通信范圍內(nèi)多次出現(xiàn)授權(quán)用戶接入的情況，致使CU2切換信道：在10.0～10.2s的感知階段感知到有授權(quán)用戶接入，因此待感知結(jié)束后，從Ch2切換到了Ch3，信道帶寬有所增加。之后又探測到有授權(quán)用戶接入，分別切換到了Ch2和Ch4。

圖8　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense擁塞窗口隨時間變化

從圖8可看出，TCP-sense算法在每次信道切換后會進入慢啟動。這主要是因為TCP-sense算法在信道切換階段并未做任何改進。CU2在10.2s切換到帶寬較大的信道Ch3時，慢啟動閾值卻因定時器超時而減半，使得擁塞窗口增長緩慢，降低了信道利用率。TCP-Cog協(xié)議在每次信道切換后都將擁塞窗口值設(shè)為1，在信道帶寬有所增加時，雖然及時更新了慢啟動閾值，但是預(yù)測帶寬偏小，在10.2s時根據(jù)預(yù)測帶寬得出的慢啟動閾值卻低于信道切換前的擁塞窗口值，使其信道帶寬利用率降低。TCP-improved算法在切換到帶寬較大的信道后能保持較大的擁塞窗口值，這主要是因為在10.2s時，傳輸層獲知端到端的等效帶寬增大，根據(jù)TCP-improved算法適當?shù)靥岣邠砣翱谥担迅嗟臄?shù)據(jù)包送到網(wǎng)絡(luò)中。圖9可明顯看出在10.2s后TCP-improved的平均吞吐量高于TCP-sense、TCP-Cog。

圖9　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense平均吞吐量隨時間變化

4　結(jié)　語

上述研究分析了認知無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知和信道切換對傳輸層的影響，運用跨層思想和等效帶寬的概念，對傳統(tǒng)TCP協(xié)議進行了修改。仿真結(jié)果表明，TCP-sense算法避免了傳輸層頻繁地慢啟動，一直保持較大的擁塞窗口，提高了傳輸效率；TCP-improved算法解決了因信道切換帶來的信道利用率不高或網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題，在切換到帶寬較大的信道后，能合理增大擁塞窗口值，將更多的數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)絡(luò)中，提高信道利用率；在切換到帶寬較小的信道后，能適當?shù)販p少擁塞窗口值，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞。總體來說，TCP-improved算法增大了端到端的吞吐量，改善了TCP在認知無線電網(wǎng)絡(luò)中的性能。

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薛亞運(1990—)，女，江蘇省宿遷人，碩士，主要研究方向為認知無線電；

E-mail:xueyayun1990@163.com

周劉蕾(1982—)，女，江蘇省南通人，博士, 主要研究方向為通信信號處理、協(xié)作通信、認知無線電技術(shù)。

Research on TCP Enhancement in Cognitive Network Based on Cross-layer Designing

XUEYa-yun1,2,ZHOULiu-lei1,2,3

(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,SoochowUniversity,SuzhouJiangsu215006;2.KeyLaboratoryforCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004;3.ProvincialKeyLaboratoryforComputerInformationProcessingTechnology,SoochowUniversity,SuzhouJiangsu215006)

Thedifferencebetweencognitivewirelessnetworkandtraditionalwirelessnetworkliesinthefunctionofspectrumsensingandchannelswitching.Incognitivenetworks,whentheprimaryusersaccess,cognitiveusersmustsensethespectrumandthenswitchtoanotherchannelinordertoavoidtheinterferencetotheprimaryusers.Therefore,itisnecessarytoimprovethetraditionalTCPprotocolstacktomakeitadapttothespectrumsensingandchannelswitchingincognitivenetwork.Thecross-layerdesigningbetweenTCPandMAClayercaneliminateretransmissionproblemscausedbythespectrumsensing,andtheproposed“TCP-improvedalgorithm”cansolvetheproblemsoflowutilizationrateofbandwidthornetworkcongestionwhencognitiveuserswitchitschannel.Theexperimentalresultsshowthatthe“TCP-improvedalgorithm”hasthebestperformanceincognitivenetwork.

CognitiveNetwork;CrossLayer;ChannelSwitching;EffectiveBandwidth

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.017

2015-12-26

2016-02-15

國家自然科學(xué)青年基金項目(No.61201215&61172056); “認知無線電與信息處理”省部共建教育部重點實驗室開放基金(No. 2013KF05);蘇州大學(xué)江蘇省計算機信息處理技術(shù)重點實驗室”開放課題