徐昌彪，張 坤，鮮永菊，王精華，鄭湘渝

(1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)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(yīng)用，這使得有限的頻譜資源日益緊缺?；趧?dòng)態(tài)頻譜接入(DSA)的認(rèn)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(rèn)知無線電技術(shù)研究的熱點(diǎn)主要集中在物理層和MAC層，如動(dòng)態(tài)頻譜感知、頻譜分配、頻譜預(yù)測(cè)等，然而對(duì)上層協(xié)議研究相對(duì)較少，如傳輸控制協(xié)議(TCP)。

在認(rèn)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(gè)重要指標(biāo)。文獻(xiàn)［1］中提出了一個(gè)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(jī)制以及數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)，以提高認(rèn)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(yīng)調(diào)整，選擇合適的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)，調(diào)制編碼方案及接入決策。多信道選擇接入問題，會(huì)直接影響到次用戶應(yīng)用。然而目前動(dòng)態(tài)頻譜接入研究中主要采用的是隨機(jī)接入方式，在Random方式下很難保證接入信道質(zhì)量。文獻(xiàn)［2］在文獻(xiàn)［1］提出的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入一個(gè)最優(yōu)多信道接入機(jī)制以增強(qiáng)TCP性能。文中用Restless Bandit System模擬認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中信道接入過程，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率、回報(bào)率、衰減因子等因素將信道用不同的優(yōu)劣指數(shù)標(biāo)記，從而控制選擇最優(yōu)信道接入以獲取相對(duì)最優(yōu)的TCP吞吐量。文獻(xiàn)［3］在認(rèn)知環(huán)境下提出了一種基于跨層設(shè)計(jì)的傳輸控制協(xié)議。文獻(xiàn)［4］中設(shè)計(jì)的適合認(rèn)知Ad－h(huán)oc網(wǎng)絡(luò)的傳輸控制協(xié)議，通過中間結(jié)點(diǎn)及目的結(jié)點(diǎn)的信息反饋，使傳輸層準(zhǔn)確識(shí)別鏈路變化信息，同時(shí)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(xiàn)［5］在基于跨層信息反饋的基礎(chǔ)上，改進(jìn)TCP－Reno協(xié)議以使其適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。文獻(xiàn)［6］中以感知接入過程中SU的漏檢與虛警行為，以及感知時(shí)間的選取為前提，分析了DSA對(duì)TCP協(xié)議的影響。文獻(xiàn)［7］提出了一個(gè)新的CR－Mac協(xié)議，以準(zhǔn)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(yù)測(cè)的擁塞避免機(jī)制，只有在當(dāng)前可用信道帶寬大于擁塞門限時(shí)才會(huì)觸發(fā)擁塞避免機(jī)制。文獻(xiàn)［8］提出了一個(gè)新的認(rèn)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(diǎn)執(zhí)行基于緩存管理與流量整形算法以減小動(dòng)態(tài)頻譜接入對(duì)TCP流的影響。

綜上分析，目前大多數(shù)文獻(xiàn)從不同的角度研究了認(rèn)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(rèn)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(rèn)知無線電特性，通過NS2仿真軟件搭建認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，仿真分析了不同TCP版本協(xié)議在認(rèn)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(rèn)知無線電技術(shù)的主線就是，通過頻譜感知掃描檢測(cè)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(diǎn)位置、可用帶寬、信道狀況以及傳輸時(shí)對(duì)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(shí)也要監(jiān)測(cè)主用戶的活動(dòng)，當(dāng)主用戶出現(xiàn)在這個(gè)頻段上時(shí)，次用戶依據(jù)頻譜移動(dòng)性管理退出該頻段，在有其他空閑頻段時(shí)切換過去繼續(xù)傳輸，如果暫時(shí)沒有空閑頻譜，就將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩存空間內(nèi)，倘若超過一定時(shí)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(dòng)，這也是認(rèn)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(huì)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(dòng)態(tài)使用過程。

圖1 動(dòng)態(tài)頻譜接入過程

與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)相比，認(rèn)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(dòng)、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(gè)SU在數(shù)據(jù)鏈路層都會(huì)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(dāng)SU找到一個(gè)合適的頻譜空洞后，接下來在信道接入階段(CA)，SU就會(huì)將存儲(chǔ)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(dāng)前的To時(shí)間，在下一個(gè)周期的掃描階段重新尋求一個(gè)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(shí)間T0必須選取一個(gè)合適的值，如果感知時(shí)間越長(zhǎng)，SU就會(huì)花更多的時(shí)間去檢測(cè)而不是傳送數(shù)據(jù)，同時(shí)短的感知時(shí)間會(huì)增大干擾主用戶活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。在掃描階段，SU所檢測(cè)到的信道狀態(tài)不一定是準(zhǔn)確的，可能存在誤判行為。這種誤判行為主要包括兩種:1)錯(cuò)誤地將處于空閑狀態(tài)的頻點(diǎn)判斷為PU正在使用(虛警)。2)錯(cuò)誤地將PU正在使用的頻點(diǎn)判為空閑頻譜(漏檢)。前者會(huì)降低SU的頻譜利用效率，后者會(huì)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(huì)停止數(shù)據(jù)發(fā)送與接收通信對(duì)端回送的ACK，而現(xiàn)有無線TCP協(xié)議無法識(shí)別底層的行為，仍然會(huì)繼續(xù)向底層輸送TCP數(shù)據(jù)報(bào)文段，從而會(huì)引起SU發(fā)送端口緩存數(shù)據(jù)溢出。同時(shí)，已成功發(fā)送出的數(shù)據(jù)包由于得不到及時(shí)確認(rèn)，也會(huì)因此而導(dǎo)致計(jì)時(shí)器超時(shí)，觸發(fā)傳輸層不必要的超時(shí)重傳，同時(shí)削減擁塞窗口(cwnd)，促使TCP性能衰退。

1.2 主用戶活動(dòng)

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，PU對(duì)授權(quán)頻段有絕對(duì)的優(yōu)先使用權(quán)，SU在使用空閑頻譜過程中，會(huì)因?yàn)橹饔脩舻某霈F(xiàn)而隨時(shí)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(cuò)丟失和數(shù)據(jù)沖突丟失，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中SU為避免干擾PU而動(dòng)態(tài)使用頻譜空洞，會(huì)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(dòng)頻率和一些外部因素(地理位置及不同的時(shí)段)，那么PU活動(dòng)越頻繁，則SU傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)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(dāng)服務(wù)中斷丟失出現(xiàn)時(shí)，現(xiàn)有無線TCP協(xié)議同樣無法識(shí)別，會(huì)像對(duì)待擁塞丟失一樣，進(jìn)行擁塞調(diào)控。

1.3 頻譜切換

在CRN中，SU進(jìn)行頻譜切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的切換延遲。當(dāng)可用頻譜空洞較多時(shí)，SU切換很容易，產(chǎn)生的切換時(shí)延也相對(duì)較小;但在主用戶活動(dòng)頻繁時(shí)，SU可獲得的頻譜空洞較少，切換時(shí)延也相對(duì)較長(zhǎng)，而且切換時(shí)次用戶之間競(jìng)爭(zhēng)頻譜空洞導(dǎo)致沖突的概率也相應(yīng)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?yàn)椴煌l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(shí)間相關(guān)信息，如RTT或延遲時(shí)間。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包經(jīng)過帶寬變化的鏈路，會(huì)使相關(guān)時(shí)間信息在測(cè)量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況時(shí)不太可靠。從而無法保障TCP協(xié)議的可靠性。超時(shí)重傳機(jī)制是實(shí)現(xiàn)可靠TCP協(xié)議的關(guān)鍵因素，其中最重要的一個(gè)參數(shù)就是超時(shí)重傳時(shí)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(dāng)SU所用信道帶寬較大時(shí)，傳輸率較快，RTT值相對(duì)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(dāng)信道帶寬較小時(shí)，RTT值也會(huì)較大。當(dāng)SU的頻譜分配情況發(fā)成變化時(shí)，根據(jù)原來的RTT來計(jì)算RTO，就會(huì)使RTO過大或者過小，從而對(duì)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(dòng):一條連接建立的時(shí)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(jìn)而引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，TCP實(shí)體初始化cwnd=1，試探性地傳輸一個(gè)報(bào)文段，等待得到確認(rèn)之后再傳輸?shù)?個(gè)報(bào)文段。每收到一個(gè)確認(rèn)，cwnd的值就被加1，一直到某個(gè)最大值為止。但是在認(rèn)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(huì)因?yàn)镻U的出現(xiàn)而喪失對(duì)頻譜的使用權(quán)［4］。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這樣的慢啟動(dòng)算法極大地降低了SU對(duì)頻譜資源的利用效率。

快速恢復(fù):當(dāng)TCP實(shí)體在第3次重復(fù)收到針對(duì)某一報(bào)文段的ACK時(shí)，源端TCP立即重傳丟失的報(bào)文段，并把cwnd減半，然后繼續(xù)以線性規(guī)律增加cwnd。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中盲目地減小cwnd值同樣會(huì)降低SU對(duì)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(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并假設(shè)系統(tǒng)中只有兩個(gè)主用戶(PU)和一個(gè)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(dá)和離開分別服從參數(shù)為λ和μ的泊松分布。接下來會(huì)在不同仿真場(chǎng)景下分析TCP協(xié)議在認(rèn)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(chǎng)景一

假定模擬的認(rèn)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(dá)的時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間分別服從參數(shù)為1/λ和1/μ的指數(shù)分布，平均到達(dá)時(shí)間間隔和服務(wù)時(shí)間分別為E［T1］=1/λ，E［T2］=1/μ。由此可得主用戶對(duì)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(chǎng)景中，以SU的TCP平均吞吐量為指標(biāo)，對(duì)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(shí)只建立一條TCP連接，數(shù)據(jù)源為FTP，仿真時(shí)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(duì)授權(quán)信道占用率的增大，SU獲得的頻譜空穴越少，同時(shí)也會(huì)增加SU通信時(shí)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(duì)應(yīng)的平均吞吐量最高;Vegas最低;Reno，Newreno和Sack對(duì)應(yīng)的平均吞吐量比較接近。這就說明，具有對(duì)信道帶寬估計(jì)功能的Westwood協(xié)議對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)力最好，基于回路響應(yīng)延時(shí)RTT估計(jì)的Vegas適應(yīng)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(shí)5個(gè)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(dòng)變化是相同的，曲線中各個(gè)波動(dòng)最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)著SU因PU出現(xiàn)而退讓出信道被迫進(jìn)行切換時(shí)的性能狀況。成功切換后，SU將重新開始慢啟動(dòng)過程，這就導(dǎo)致cwnd和吞吐量在一段時(shí)間內(nèi)處于相對(duì)較低的水平。兩個(gè)圖中Vegas對(duì)應(yīng)的曲線與其他4個(gè)協(xié)議版本有明顯差距，而其他4個(gè)協(xié)議版本中Westwood以微弱優(yōu)勢(shì)突出。

2.2 場(chǎng)景二

以場(chǎng)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(shí)間300 s，采樣間隔1 s。SU通信時(shí)建立兩條TCP連接(采用相同TCP版本，用tcp0和tcp1標(biāo)記區(qū)分)，以公平指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來衡量?jī)蓷lTCP連接對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)狀況。其中公平指數(shù)定義為［13］

圖5 λ=1/4，μ=1/2時(shí)5個(gè)TCP版本的窗口變化

圖6 λ=1/4，μ=1/2時(shí)5個(gè)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(dāng)T0和T1的差距變小時(shí)，公平指數(shù)也就越接近于1，那么tcp0和tcp1對(duì)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(duì)網(wǎng)絡(luò)資源競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)時(shí)tcp0對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài)。當(dāng)SU穩(wěn)定使用空閑信道時(shí)，tcp0與tcp1的cwnd值交替變化，前者的cwnd值增大時(shí)后者必然減小，這種波動(dòng)變化同時(shí)對(duì)應(yīng)著吞吐量變化。在切換時(shí)，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(chǎng)景三

以場(chǎng)景一的網(wǎng)絡(luò)條件為基礎(chǔ)，取λ=1/7，μ=1/4，仿真時(shí)間300 s，采樣周期1 s。同時(shí)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(shí)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(gè)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(huì)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(dāng)信道數(shù)為3時(shí)，5個(gè)協(xié)議版本的平均吞吐量達(dá)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?yàn)楫?dāng)可用信道增多之后，SU會(huì)獲得相對(duì)較多的時(shí)間在空閑頻譜上傳輸，從而提高TCP吞吐量，但與此同時(shí)，也增大了因PU出現(xiàn)而迫使SU進(jìn)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(huì)像對(duì)待擁塞丟失一樣將cwnd減半，并進(jìn)入不必要的擁塞避免階段，在短時(shí)間內(nèi)一旦出現(xiàn)多次切換就會(huì)促使cwnd多次減半，并使cwnd維持在一個(gè)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(rèn)知無線電技術(shù)特點(diǎn)，從頻譜感知、切換、主用戶活動(dòng)、TCP協(xié)議自身的瓶頸4個(gè)方面詳細(xì)分析討論了在認(rèn)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(chǎng)景，比較分析不同TCP版本協(xié)議在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的性能表現(xiàn)。結(jié)果顯示，據(jù)有帶寬估計(jì)能力的Westwood對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力最好，而基于回路響應(yīng)延時(shí)RTT估計(jì)的Vegas適應(yīng)能力最差。本文仿真過程中雖然只設(shè)定了2個(gè)PU和1個(gè)SU，但是很容易擴(kuò)展到多個(gè)PU和SU。接下來的工作中，會(huì)以本文分析結(jié)果為基礎(chǔ)，改進(jìn)現(xiàn)有TCP協(xié)議的慢啟動(dòng)算法，以使TCP協(xié)議更好地適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

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