認知網絡下TCP協議性能分析

王精華，徐昌彪，鮮永菊，袁 偉，張 坤

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065)

0 引言

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。動態頻譜接入是指次用戶可以使用無線通信系統中的授權頻段。鑒于次用戶有低的優先權，要求避免對鄰近的主用戶產生干擾［1］。優化的頻譜感知策略［2］被用來最大化吞吐量。由于認知網絡中的次用戶比授權用戶有嚴格低的服務優先權，因此不考慮認知網絡中的TCP，次用戶的TCP性能下降會阻礙認知技術的成功，應該用標準的TCP優化無線網絡［3］，探索使用蜂窩網絡的適應速率來最大化TCP吞吐量［4］。

傳統的TCP協議是為有線網絡環境而設計的，因此TCP假定網絡擁塞是引起報文丟失的唯一原因，并相應地采取擁塞控制機制。而在認知網絡中，無線鏈路的高誤碼率和次用戶移動所導致的切換，主用戶返回次用戶使用的信道，次用戶切換到空閑信道產生的延遲，以及帶寬變化，信道誤碼率的變化，也經常引起報文丟失，而TCP仍然將這些報文丟失歸咎于網絡擁塞，這種錯誤的推論最終導致無線網絡中TCP性能的嚴重下降。由于TCP協議應用的廣泛性，如何提高TCP在認知無網絡中的性能成為大家普遍關注的問題。

1 認知網絡平臺

集中控制式的認知網絡中有兩類用戶:主用戶(授權用戶)和次用戶(非授權用戶)。主用戶對信道具有絕對的使用權。認知網絡中有一個基站為主次用戶服務，實現對頻譜的準確感知和分配。每當有用戶接入或離開信道時，主次用戶都會與基站保持聯系，基站時時掌握主次用戶的活動情況和所有信道的使用情況。如圖1所示，在這個網絡中有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個主用戶，p≤n，有s個次用戶，如圖1所示。

圖1 集中式認知網絡框架

當次用戶想進行通信時，基站會為其分配信道，次用戶隨后接入信道。當次用戶已經占用了信道時，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負責切換到空閑信道。如果沒有空閑信道，則次用戶終止服務。如圖2所示，認知用戶原來在信道n，主用戶出現后，認知用戶想切換到信道2。

圖2 主次用戶的切換過程

主用戶占用信道的時間服從指數分布

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

主用戶接入信道的次數服從泊松過程，具體為:

1)x(0)=0。

2)x(t)是獨立增量過程。

3)在任一長度為t的區間中，時間A發生的次數服從參數1/λ＞0的泊松分布，即對任何s，t＞0有

式中:1/λ2表示單位時間內時間A發生的平均個數;λ2表示前后兩次時間發生的平均時間間隔，在本文中表示的物理意義是兩次主用戶到達信道的平均時間間隔。具體時刻是通過首先由指數分布的均值λ2產生隨機時間間隔，再把時間間隔逐個累加，得到主用戶接入時刻，即

式中:n為接入次數;i為第i次接入;Wn為n次接入的時刻;泊松過程對應的時間間隔序列Ti是獨立同分布的均值為λ2的指數分布，一般說來根據實際情況λ2＞λ1。認知網絡基站的控制速率是 1 bit/s，誤碼率(BER)是認知網絡信道的誤比特率，B1是次用戶當前信道帶寬，B2是切換到另外信道的帶寬。

2 仿真環境設置和內容

2.1 認知網絡中的最佳TCP協議

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

圖3 無線網絡和認知網絡的擁塞窗口曲線

TCP Newreno的吞吐量曲線如圖4所示。

圖4 無線網絡和認知網絡的吞吐量曲線

TCP Newreno認知網絡中TCP Reno的平均吞吐量為0.89 Mbit/s。傳統無線網絡之中吞吐量為1.61 Mbit/s。當主用戶接入時，次用戶要切換到其他信道產生延遲和帶寬的變化。此時無論是擁塞窗口還是吞吐量都會有所減小，呈折線型變化，而且擁塞窗口的變化取決于主用戶的活動狀況。當主用戶離開信道時，次用戶返回原來信道，由于當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。所以在認知網絡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 誤比特率對認知網絡中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，接收方都采用TCPSink協議。當誤比特率為1×10－5時，平均吞吐量為1.31 Mbit/s;當誤比特率為3×10－5時，平均吞吐量為1.30 Mbit/s;當誤比特率為6×10－5時，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幅度很大。初步得出結論誤比特率越大，平均吞吐量越小。在主用戶沒有接入信道時，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 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。說明切換后的帶寬越大，平均吞吐量越大。而且，與其他兩個帶寬相比，4.5 Mbit/s帶寬的吞吐量變化相對平穩。帶寬為3.5 Mbit/s時吞吐量有一次明顯的變化，帶寬為4.5 Mbit/s時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吞吐量的影響

主用戶的活躍程度用λ1和λ2來衡量。在BER=1×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s 時，接收方都采用TCPSink協議。λ2=100 s，λ1=50 s時，平均吞吐量的值為1.31 Mbit/s。λ2=200 s，λ1=50 s 時，平均吞吐量為1.49 Mbit/s。λ2=100 s，λ1=10 s 時，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

分析仿真結果在λ2均為100 s，即主用戶接入信道的平均間隔時間都為100 s，λ1不同，即主用戶占用信道的平均時間間隔不同時，λ1為10 s時的吞吐量高于λ1為50 s時的吞吐量，主用戶占用信道的平均時間短，次用戶的平均吞吐量高;在λ1相同時，即主用戶每次接入占用信道的平均時間相同時都為50 s，接入的平均時間間隔200 s高于100 s時的吞吐量。在800 s的仿真時間內，前者主用戶接入的次數少于后者。得出結論: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

本文首先對當前認知無線電網絡的研究現狀進行了分析，集中于物理層和數據鏈路層，對網絡層、傳輸層的研究較少。然后對經典TCP協議進行分析比較。在無線局域網的條件下搭建認知網絡?；矩撠燁l譜感知頻譜分配。基站完成主次用戶的通信請求和次用戶占用信道后，主用戶出現，為次用戶再次分配空閑信道的功能。在認知網絡分析下影響TCP性能的因素，主要包括服務中斷干擾。由于主用戶返回信道，次用戶切換到另一條信道，導致RTO超時，以及帶來的切換延遲、信道帶寬、信道誤碼率的變化和認知網絡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NS2系統仿真，定量分析各個因素對吞吐量的影響。在網絡技術迅速發展的今天，改進現有的TCP源端協議，優化認知網絡環境下的TCP性能，是目前迫切需要研究的問題之一。因此，對于認知無線電網絡下TCP吞吐量的研究具有極其重要的意義。需要一種新的協議適應無線網絡的特性。需要采用跨層的方法改進TCP性能，利用底層發現信道切換，感知信道是否空閑，反饋給傳輸層，采用合適的處理機制，最終優化TCP性能。

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