認知無線電網絡傳輸層協(xié)議設計探討

摘要：認知無線電是當前的研究熱點，然而對認知無線電網絡傳輸層協(xié)議的研究卻很少。本文從認知無線電的概念出發(fā)，介紹了TCP在無線環(huán)境中存在的問題，以及改進無線TCP性能所需要考慮的因素，結合認知無線電自身特點，指出了進行認知無線電網絡傳輸層協(xié)議設計的思路。

關鍵詞：認知無線電；傳輸層協(xié)議；無線TCP；頻譜切換

1 緒論

隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊張。尤其是隨著無線局域網絡（WLAN）技術、無線個域網絡（WPAN）技術和無線城域網（WMAN）技術的高速發(fā)展，人們對寬帶無線應用提出了更高的要求。而目前的頻譜分配制度為固定頻譜分配，將頻譜分為2個部分：授權頻段（LFB）和非授權頻段（UFB）。大部分的頻譜資源被用于授權頻段，非授權頻段的頻譜資源要少得多，由于WLAN 、WPAN、 WMAN無線通信業(yè)務的迅猛發(fā)展，這些網絡所工作的非授權頻段已趨近飽和；而另一方面，相當數(shù)量的頻譜資源的利用率卻非常低。

為了解決上述問題，盡量提高現(xiàn)有頻譜的利用率，就產生了認知無線電的概念，其基本出發(fā)點就是：在不影響授權頻段的正常通信的基礎上，具有認知功能的無線通信設備可以按照某種“機會方式”接入授權的頻段內，并動態(tài)地利用頻譜。這種在空域、時域和頻域中出現(xiàn)的可以被利用的頻譜資源被稱為“頻譜空穴”。認知無線電的核心思想就是使無線通信設備具有發(fā)現(xiàn)“頻譜空穴”并利用的能力。

目前，認知無線電技術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、頻譜管理技術和頻譜共享技術，這些方面的研究取得了重要的進展。但對于更高層，諸如網絡層、傳輸層和應用層的技術，還沒有深入地研究。本文則主要探討認知無線電網絡傳輸層協(xié)議可能遇到的問題以及設計思路。

2 無線網絡TCP

2.1 TCP在無線環(huán)境中存在的問題

無線鏈路的高誤碼率、帶寬有限、移動性等特性對網絡傳輸層的影響可以歸結為兩個主要的方面，即分組丟失或損壞引起的問題和分組延遲引起的問題。此外，某些無線鏈路（如衛(wèi)星鏈路）的不對稱、大延遲帶寬乘積對TCP的性能也有較大影響。

(1) 經常性的鏈路錯誤引起的問題

TCP發(fā)送方根據(jù)接收方返回的ACKs判斷網絡情況，它根據(jù)返回的ACKs、超時時鐘或重復ACKs可以推斷數(shù)據(jù)分組是否成功傳輸。然而這種方式缺乏判斷誤碼原因的機制，只是簡單地把每個分組的丟失歸結為網絡中發(fā)生了擁塞。顯然，這種方式只適用于有線網絡的情況。在無線鏈路情況下，常有因鏈路問題引起的丟包，如果簡單地采用傳統(tǒng)TCP的算法必然引起擁塞窗口的頻繁調整、經常處于慢啟動階段，導致TCP連接吞吐量的急劇下降。

(2) 錯誤的丟包探測機制

標準TCP不能區(qū)分不同類型的錯誤(隨機丟包、擁塞丟包等)，它把任何丟包都看作擁塞丟包并啟動擁塞控制，而不管網絡是否處于擁塞狀態(tài)，因此而導致TCP性能有很大程度的下降。

(3) 較大的延遲或延遲抖動引起的問題

由于無線/有線混合網絡中某些無線鏈路本身的延遲特性、切換和鏈路層重傳機制都會導致端到端的較大延遲或延遲抖動。TCP重傳時鐘設置了RTT的上限。如果RTT突然增加，TCP段被嚴重延遲，RTO估計可能被超過，從而引起超時發(fā)生，相應數(shù)據(jù)被重傳。如果數(shù)據(jù)僅僅被嚴重延遲而沒有丟棄，是不必要重傳的。此外，較大的延遲帶寬乘積也會導致網絡容量的低利用率。

(4) 帶寬不對稱引起的問題

TCP是利用接收方返回的確認信息調整發(fā)送方數(shù)據(jù)發(fā)送速率的傳輸層協(xié)議。在存在非對稱信道的情況下，當傳輸確認信息的信道帶寬遠小于傳輸數(shù)據(jù)的信道帶寬，確認信息的傳輸速率小于數(shù)據(jù)分組的傳輸速率時，TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝繉⑹艿酱_認信息返回速率的限制。

如果從接收端到發(fā)送端的帶寬非常有限，那么一個應答數(shù)據(jù)可能要在接收端的傳輸點經歷很長的排隊時延，這會減慢TCP發(fā)送端的發(fā)送速率，降低吞吐量。因而在非對稱的網絡中，TCP連接的下行流就受到影響，尤其是在上行流已經占用了很大部分的帶寬的情況下，幾乎沒有剩余的帶寬供應答數(shù)據(jù)利用，從而更惡化了下行傳輸。

(5) 鏈路和路由中斷引起的問題

蜂窩網絡中，移動節(jié)點在小區(qū)切換時會有一個信號消失的階段，在這個階段，移動節(jié)點不能夠接收到任何發(fā)送端的數(shù)據(jù)，這會造成發(fā)送端超時，TCP發(fā)送端會重傳丟失的包并且啟動擁塞控制，導致TCP性能下降。路由中斷通常會發(fā)生在Ad hoc網絡中，節(jié)點的移動會導致本次連接使用的路由中斷，在重新計算路由的過程中，所有的數(shù)據(jù)包和確認包都會被丟棄，這將導致TCP發(fā)送端超時并啟動擁塞控制。

2.2 改進無線TCP性能需要考慮的因素

現(xiàn)有的解決方案中有的或者失去了端對端的語義，或者存在公平性方面的問題，或者鏈路層的重傳與TCP層的重傳存在沖突。因此要想得到一個提升無線TCP性能的解決方案則需要能夠區(qū)分出網絡擁塞丟包和誤碼丟包；并且要能夠適應復雜的無線環(huán)境；當然同時還需要考慮維護TCP的端到端的語義，保證數(shù)據(jù)分組可以可靠地傳輸?shù)侥康牡匾约澳芎同F(xiàn)存網絡TCP機制并存，并僅僅要求局部修改；還需考慮帶寬共享的公平性等其他一些重要因素。

3 認知無線電網絡傳輸層協(xié)議設計中需要考慮的因素

除了上述無線環(huán)境中TCP所面臨的問題，認知無線電網絡會因為自身的特點，而使傳輸層面臨一些新的問題。

無線鏈路錯誤和鏈路延遲不僅僅跟接入技術有關，而且跟使用的頻率、干擾的級別和可用帶寬有關。在認知無線電網絡中，由于認知設備會尋找空閑頻譜并接入，所以認知設備會工作在頻率、帶寬、干擾都不同的信道上，進而導致丟包率和鏈路往返時間都不同。因此，為現(xiàn)有的無線接入技術而設計的無線TCP和UDP協(xié)議就不能用于基于動態(tài)頻譜分配的認知無線電網絡。

新的頻段上信道繁忙程度可能會有所不同，也可能會采用新的MAC協(xié)議，這會導致鏈路接入延遲與之前的鏈路層延遲差別很大，從而影響到TCP連接的RTT。另一方面，新的頻段上無線鏈路的誤碼率可能會更高，鏈路層可能會采用本地重傳機制來恢復丟失的數(shù)據(jù)，以便給傳輸層提供較好的鏈路特性；然而鏈路層的本地重傳所帶來的附加延時會引起TCP偽重傳超時問題，使得鏈路層和傳輸層的差錯恢復相互沖突，進而引起吞吐量降低。另外，切換到新的頻段時，帶寬也可能會發(fā)生很大的變化，可能大幅度降低，也可能大幅度增加，網絡資源能否得到充分利用也是需要考慮的問題。因此需要設計出能夠動態(tài)適應這些變化的傳輸層協(xié)議。

認知無線電設備改變工作頻率的過程稱為頻譜切換，在新的頻率可用之前會有一定程度的延遲，這種延遲被稱為頻譜切換延遲，它會使RTT顯著增加，進而導致重傳超時RTO。對于傳統(tǒng)TCP而言，此時TCP會認為有數(shù)據(jù)包丟失，然后啟動擁塞控制機制，這將會導致吞吐量的下降。因此，為減少頻譜切換的不利影響，需要設計出對頻譜切換透明的傳輸層協(xié)議；另外，認知無線電網絡中移動性管理也是一個非常重要的問題。這些問題的解決可能需要鏈路層和傳輸層合作的跨層設計方案。

4 結束語

由于認知無線電設備可能在通信過程中使用多個信道的特性，導致通信中RTT可能發(fā)生較大的變化；由頻譜切換引入的頻譜切換延遲也會對RTT產生影響，這些因素都會引起TCP超時重傳，從而造成端到端的吞吐量下降。可見，認知無線電網絡與其他無線網絡在傳輸層遇到的問題既有共性，同時認知無線電又有其自身特點。

目前對無線TCP的研究日趨成熟，因此在進行認知無線電網絡傳輸層協(xié)議設計時，可以在已有成果的基礎上，結合認知無線電自身特點進行設計，例如在傳輸過程中遇到頻譜切換時，可以對RTO凍結，使其不產生超時重傳，待切換完畢再繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；另外，把可用帶寬估計考慮進去，盡可能充分利用網絡資源，進一步提高吞吐量；或者將鏈路層與傳輸層結合起來進行跨層設計等等。

————————————

作者簡介：胡晗（1970.6-），男，通信與信息系統(tǒng)碩士研究生，現(xiàn)襄樊學院物電系講師，主要研究方向：智能網絡控制與管理。