認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)下TCP協(xié)議性能分析

王精華，徐昌彪，鮮永菊，袁 偉，張 坤

(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引言

目前，認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的研究大都集中于物理層和MAC層的功能上，如頻譜感知技術(shù)、頻譜管理技術(shù)和頻譜共享技術(shù)。動(dòng)態(tài)頻譜接入是指次用戶可以使用無(wú)線通信系統(tǒng)中的授權(quán)頻段。鑒于次用戶有低的優(yōu)先權(quán)，要求避免對(duì)鄰近的主用戶產(chǎn)生干擾［1］。優(yōu)化的頻譜感知策略［2］被用來(lái)最大化吞吐量。由于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的次用戶比授權(quán)用戶有嚴(yán)格低的服務(wù)優(yōu)先權(quán)，因此不考慮認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的TCP，次用戶的TCP性能下降會(huì)阻礙認(rèn)知技術(shù)的成功，應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)的TCP優(yōu)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［3］，探索使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)速率來(lái)最大化TCP吞吐量［4］。

傳統(tǒng)的TCP協(xié)議是為有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境而設(shè)計(jì)的，因此TCP假定網(wǎng)絡(luò)擁塞是引起報(bào)文丟失的唯一原因，并相應(yīng)地采取擁塞控制機(jī)制。而在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線鏈路的高誤碼率和次用戶移動(dòng)所導(dǎo)致的切換，主用戶返回次用戶使用的信道，次用戶切換到空閑信道產(chǎn)生的延遲，以及帶寬變化，信道誤碼率的變化，也經(jīng)常引起報(bào)文丟失，而TCP仍然將這些報(bào)文丟失歸咎于網(wǎng)絡(luò)擁塞，這種錯(cuò)誤的推論最終導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中TCP性能的嚴(yán)重下降。由于TCP協(xié)議應(yīng)用的廣泛性，如何提高TCP在認(rèn)知無(wú)網(wǎng)絡(luò)中的性能成為大家普遍關(guān)注的問(wèn)題。

1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

集中控制式的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中有兩類用戶:主用戶(授權(quán)用戶)和次用戶(非授權(quán)用戶)。主用戶對(duì)信道具有絕對(duì)的使用權(quán)。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)基站為主次用戶服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻譜的準(zhǔn)確感知和分配。每當(dāng)有用戶接入或離開信道時(shí)，主次用戶都會(huì)與基站保持聯(lián)系，基站時(shí)時(shí)掌握主次用戶的活動(dòng)情況和所有信道的使用情況。如圖1所示，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有n條雙向信道，主次用戶信道的帶寬可以相同，也可以不同，有p個(gè)主用戶，p≤n，有s個(gè)次用戶，如圖1所示。

圖1 集中式認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)框架

當(dāng)次用戶想進(jìn)行通信時(shí)，基站會(huì)為其分配信道，次用戶隨后接入信道。當(dāng)次用戶已經(jīng)占用了信道時(shí)，主用戶要接入信道，基站為次用戶尋找另外的空閑，通知次用戶，次用戶的MAC負(fù)責(zé)切換到空閑信道。如果沒(méi)有空閑信道，則次用戶終止服務(wù)。如圖2所示，認(rèn)知用戶原來(lái)在信道n，主用戶出現(xiàn)后，認(rèn)知用戶想切換到信道2。

圖2 主次用戶的切換過(guò)程

主用戶占用信道的時(shí)間服從指數(shù)分布

式中:λ1是指數(shù)分布的期望，在本文中表示的物理意義是主用戶到達(dá)信道后占用信道的平均時(shí)間。

主用戶接入信道的次數(shù)服從泊松過(guò)程，具體為:

1)x(0)=0。

2)x(t)是獨(dú)立增量過(guò)程。

3)在任一長(zhǎng)度為t的區(qū)間中，時(shí)間A發(fā)生的次數(shù)服從參數(shù)1/λ＞0的泊松分布，即對(duì)任何s，t＞0有

式中:1/λ2表示單位時(shí)間內(nèi)時(shí)間A發(fā)生的平均個(gè)數(shù);λ2表示前后兩次時(shí)間發(fā)生的平均時(shí)間間隔，在本文中表示的物理意義是兩次主用戶到達(dá)信道的平均時(shí)間間隔。具體時(shí)刻是通過(guò)首先由指數(shù)分布的均值λ2產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)間間隔，再把時(shí)間間隔逐個(gè)累加，得到主用戶接入時(shí)刻，即

式中:n為接入次數(shù);i為第i次接入;Wn為n次接入的時(shí)刻;泊松過(guò)程對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔序列Ti是獨(dú)立同分布的均值為λ2的指數(shù)分布，一般說(shuō)來(lái)根據(jù)實(shí)際情況λ2＞λ1。認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)基站的控制速率是 1 bit/s，誤碼率(BER)是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)信道的誤比特率，B1是次用戶當(dāng)前信道帶寬，B2是切換到另外信道的帶寬。

2 仿真環(huán)境設(shè)置和內(nèi)容

2.1 認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的最佳TCP協(xié)議

在 λ1=100 s，λ2=50 s，BER=1 ×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s時(shí)，仿真時(shí)間800 s。TCP Newreno的擁塞窗口曲線如圖3所示。

圖3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的擁塞窗口曲線

TCP Newreno的吞吐量曲線如圖4所示。

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的吞吐量曲線

TCP Newreno認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中TCP Reno的平均吞吐量為0.89 Mbit/s。傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之中吞吐量為1.61 Mbit/s。當(dāng)主用戶接入時(shí)，次用戶要切換到其他信道產(chǎn)生延遲和帶寬的變化。此時(shí)無(wú)論是擁塞窗口還是吞吐量都會(huì)有所減小，呈折線型變化，而且擁塞窗口的變化取決于主用戶的活動(dòng)狀況。當(dāng)主用戶離開信道時(shí)，次用戶返回原來(lái)信道，由于當(dāng)前信道的通信性能較好(帶寬、損失特性)，所以吞吐量重新升高。TCP Newreno的吞吐量和擁塞窗口曲線與TCP Reno相似。TCPSack1，TCP Vegas等的平均吞吐量如表1所示。

表1 4種協(xié)議的平均吞吐量

由表1可見，TCP Vegas平均吞吐量為1.71 Mbit/s和1.31 Mbit/s，擁塞窗口和吞吐量曲線如圖5、圖6所示。所以在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中其他條件相同的情況下，TCP Vegas的吞吐量最大。

圖5 TCP Vegas的擁塞窗口曲線

圖6 TCP Vegas的吞吐量曲線

2.2 誤比特率對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中TCP吞吐量的影響

在 λ1=100 s，λ2=50 s，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s時(shí)，接收方都采用TCPSink協(xié)議。當(dāng)誤比特率為1×10－5時(shí)，平均吞吐量為1.31 Mbit/s;當(dāng)誤比特率為3×10－5時(shí)，平均吞吐量為1.30 Mbit/s;當(dāng)誤比特率為6×10－5時(shí)，平均吞吐量為0.97 Mbit/s。如圖7所示，由于誤比特率的不同，誤比特率高的吞吐量下降明顯而且波動(dòng)幅度很大。初步得出結(jié)論誤比特率越大，平均吞吐量越小。在主用戶沒(méi)有接入信道時(shí)，3種誤比特率下的吞吐量變化不大，而主用戶接入信道，TCP Vegas的瞬時(shí)吞吐量主要取決于主用戶的活躍程度和誤比特率反映吞吐量的整體性能。

圖7 3種不同誤比特率下吞吐量曲線

2.3 不同切換帶寬對(duì)Vegas吞吐量的影響

λ1=100 s，λ2=50 s，BER=1 ×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s，平均吞吐量為 1.31 Mbit/s;當(dāng) B2取值為3.5 Mbit/s，平均吞吐量為 1.41 Mbit/s;B2為 4.5 Mbit/s，平均吞吐量為1.56 Mbit/s，如圖8所示。說(shuō)明切換后的帶寬越大，平均吞吐量越大。而且，與其他兩個(gè)帶寬相比，4.5 Mbit/s帶寬的吞吐量變化相對(duì)平穩(wěn)。帶寬為3.5 Mbit/s時(shí)吞吐量有一次明顯的變化，帶寬為4.5 Mbit/s時(shí)吞吐量又有一次明顯的變化。

圖8 3種不同切換帶寬下吞吐量曲線

2.4 主用戶的活躍程度對(duì)吞吐量的影響

主用戶的活躍程度用λ1和λ2來(lái)衡量。在BER=1×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s 時(shí)，接收方都采用TCPSink協(xié)議。λ2=100 s，λ1=50 s時(shí)，平均吞吐量的值為1.31 Mbit/s。λ2=200 s，λ1=50 s 時(shí)，平均吞吐量為1.49 Mbit/s。λ2=100 s，λ1=10 s 時(shí)，平均吞吐量為 1.55 Mbit/s，如圖9所示。

圖9 3種不同主用戶活躍程度下吞吐量曲線

分析仿真結(jié)果在λ2均為100 s，即主用戶接入信道的平均間隔時(shí)間都為100 s，λ1不同，即主用戶占用信道的平均時(shí)間間隔不同時(shí)，λ1為10 s時(shí)的吞吐量高于λ1為50 s時(shí)的吞吐量，主用戶占用信道的平均時(shí)間短，次用戶的平均吞吐量高;在λ1相同時(shí)，即主用戶每次接入占用信道的平均時(shí)間相同時(shí)都為50 s，接入的平均時(shí)間間隔200 s高于100 s時(shí)的吞吐量。在800 s的仿真時(shí)間內(nèi)，前者主用戶接入的次數(shù)少于后者。得出結(jié)論:其他條件相同的情況下，吞吐量與λ1成反比，與λ2成正比。

3 小結(jié)

本文首先對(duì)當(dāng)前認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，集中于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的研究較少。然后對(duì)經(jīng)典TCP協(xié)議進(jìn)行分析比較。在無(wú)線局域網(wǎng)的條件下搭建認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。基站負(fù)責(zé)頻譜感知頻譜分配?；就瓿芍鞔斡脩舻耐ㄐ耪?qǐng)求和次用戶占用信道后，主用戶出現(xiàn)，為次用戶再次分配空閑信道的功能。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)分析下影響TCP性能的因素，主要包括服務(wù)中斷干擾。由于主用戶返回信道，次用戶切換到另一條信道，導(dǎo)致RTO超時(shí)，以及帶來(lái)的切換延遲、信道帶寬、信道誤碼率的變化和認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)本身的主用戶活躍程度等因素，造成端到端TCP吞吐量的下降。并通過(guò)NS2系統(tǒng)仿真，定量分析各個(gè)因素對(duì)吞吐量的影響。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展的今天，改進(jìn)現(xiàn)有的TCP源端協(xié)議，優(yōu)化認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的TCP性能，是目前迫切需要研究的問(wèn)題之一。因此，對(duì)于認(rèn)知無(wú)線電網(wǎng)絡(luò)下TCP吞吐量的研究具有極其重要的意義。需要一種新的協(xié)議適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的特性。需要采用跨層的方法改進(jìn)TCP性能，利用底層發(fā)現(xiàn)信道切換，感知信道是否空閑，反饋給傳輸層，采用合適的處理機(jī)制，最終優(yōu)化TCP性能。

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