认知网络下TCP协议性能分析

王精华，徐昌彪，鲜永菊，袁 伟，张 坤

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065)

0 引言

目前，认知无线电技术的研究大都集中于物理层和MAC层的功能上，如频谱感知技术、频谱管理技术和频谱共享技术。动态频谱接入是指次用户可以使用无线通信系统中的授权频段。鉴于次用户有低的优先权，要求避免对邻近的主用户产生干扰［1］。优化的频谱感知策略［2］被用来最大化吞吐量。由于认知网络中的次用户比授权用户有严格低的服务优先权，因此不考虑认知网络中的TCP，次用户的TCP性能下降会阻碍认知技术的成功，应该用标准的TCP优化无线网络［3］，探索使用蜂窝网络的适应速率来最大化TCP吞吐量［4］。

传统的TCP协议是为有线网络环境而设计的，因此TCP假定网络拥塞是引起报文丢失的唯一原因，并相应地采取拥塞控制机制。而在认知网络中，无线链路的高误码率和次用户移动所导致的切换，主用户返回次用户使用的信道，次用户切换到空闲信道产生的延迟，以及带宽变化，信道误码率的变化，也经常引起报文丢失，而TCP仍然将这些报文丢失归咎于网络拥塞，这种错误的推论最终导致无线网络中TCP性能的严重下降。由于TCP协议应用的广泛性，如何提高TCP在认知无网络中的性能成为大家普遍关注的问题。

1 认知网络平台

集中控制式的认知网络中有两类用户:主用户(授权用户)和次用户(非授权用户)。主用户对信道具有绝对的使用权。认知网络中有一个基站为主次用户服务，实现对频谱的准确感知和分配。每当有用户接入或离开信道时，主次用户都会与基站保持联系，基站时时掌握主次用户的活动情况和所有信道的使用情况。如图1所示，在这个网络中有n条双向信道，主次用户信道的带宽可以相同，也可以不同，有p个主用户，p≤n，有s个次用户，如图1所示。

图1 集中式认知网络框架

当次用户想进行通信时，基站会为其分配信道，次用户随后接入信道。当次用户已经占用了信道时，主用户要接入信道，基站为次用户寻找另外的空闲，通知次用户，次用户的MAC负责切换到空闲信道。如果没有空闲信道，则次用户终止服务。如图2所示，认知用户原来在信道n，主用户出现后，认知用户想切换到信道2。

图2 主次用户的切换过程

主用户占用信道的时间服从指数分布

式中:λ1是指数分布的期望，在本文中表示的物理意义是主用户到达信道后占用信道的平均时间。

主用户接入信道的次数服从泊松过程，具体为:

1)x(0)=0。

2)x(t)是独立增量过程。

3)在任一长度为t的区间中，时间A发生的次数服从参数1/λ＞0的泊松分布，即对任何s，t＞0有

式中:1/λ2表示单位时间内时间A发生的平均个数;λ2表示前后两次时间发生的平均时间间隔，在本文中表示的物理意义是两次主用户到达信道的平均时间间隔。具体时刻是通过首先由指数分布的均值λ2产生随机时间间隔，再把时间间隔逐个累加，得到主用户接入时刻，即

式中:n为接入次数;i为第i次接入;Wn为n次接入的时刻;泊松过程对应的时间间隔序列Ti是独立同分布的均值为λ2的指数分布，一般说来根据实际情况λ2＞λ1。认知网络基站的控制速率是 1 bit/s，误码率(BER)是认知网络信道的误比特率，B1是次用户当前信道带宽，B2是切换到另外信道的带宽。

2 仿真环境设置和内容

2.1 认知网络中的最佳TCP协议

在 λ1=100 s，λ2=50 s，BER=1 ×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s时，仿真时间800 s。TCP Newreno的拥塞窗口曲线如图3所示。

图3 无线网络和认知网络的拥塞窗口曲线

TCP Newreno的吞吐量曲线如图4所示。

图4 无线网络和认知网络的吞吐量曲线

TCP Newreno认知网络中TCP Reno的平均吞吐量为0.89 Mbit/s。传统无线网络之中吞吐量为1.61 Mbit/s。当主用户接入时，次用户要切换到其他信道产生延迟和带宽的变化。此时无论是拥塞窗口还是吞吐量都会有所减小，呈折线型变化，而且拥塞窗口的变化取决于主用户的活动状况。当主用户离开信道时，次用户返回原来信道，由于当前信道的通信性能较好(带宽、损失特性)，所以吞吐量重新升高。TCP Newreno的吞吐量和拥塞窗口曲线与TCP Reno相似。TCPSack1，TCP Vegas等的平均吞吐量如表1所示。

表1 4种协议的平均吞吐量

由表1可见，TCP Vegas平均吞吐量为1.71 Mbit/s和1.31 Mbit/s，拥塞窗口和吞吐量曲线如图5、图6所示。所以在认知网络中其他条件相同的情况下，TCP Vegas的吞吐量最大。

图5 TCP Vegas的拥塞窗口曲线

图6 TCP Vegas的吞吐量曲线

2.2 误比特率对认知网络中TCP吞吐量的影响

在 λ1=100 s，λ2=50 s，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s时，接收方都采用TCPSink协议。当误比特率为1×10－5时，平均吞吐量为1.31 Mbit/s;当误比特率为3×10－5时，平均吞吐量为1.30 Mbit/s;当误比特率为6×10－5时，平均吞吐量为0.97 Mbit/s。如图7所示，由于误比特率的不同，误比特率高的吞吐量下降明显而且波动幅度很大。初步得出结论误比特率越大，平均吞吐量越小。在主用户没有接入信道时，3种误比特率下的吞吐量变化不大，而主用户接入信道，TCP Vegas的瞬时吞吐量主要取决于主用户的活跃程度和误比特率反映吞吐量的整体性能。

图7 3种不同误比特率下吞吐量曲线

2.3 不同切换带宽对Vegas吞吐量的影响

λ1=100 s，λ2=50 s，BER=1 ×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s，平均吞吐量为 1.31 Mbit/s;当 B2取值为3.5 Mbit/s，平均吞吐量为 1.41 Mbit/s;B2为 4.5 Mbit/s，平均吞吐量为1.56 Mbit/s，如图8所示。说明切换后的带宽越大，平均吞吐量越大。而且，与其他两个带宽相比，4.5 Mbit/s带宽的吞吐量变化相对平稳。带宽为3.5 Mbit/s时吞吐量有一次明显的变化，带宽为4.5 Mbit/s时吞吐量又有一次明显的变化。

图8 3种不同切换带宽下吞吐量曲线

2.4 主用户的活跃程度对吞吐量的影响

主用户的活跃程度用λ1和λ2来衡量。在BER=1×10－5，B1=5.5 Mbit/s，B2=1.5 Mbit/s 时，接收方都采用TCPSink协议。λ2=100 s，λ1=50 s时，平均吞吐量的值为1.31 Mbit/s。λ2=200 s，λ1=50 s 时，平均吞吐量为1.49 Mbit/s。λ2=100 s，λ1=10 s 时，平均吞吐量为 1.55 Mbit/s，如图9所示。

图9 3种不同主用户活跃程度下吞吐量曲线

分析仿真结果在λ2均为100 s，即主用户接入信道的平均间隔时间都为100 s，λ1不同，即主用户占用信道的平均时间间隔不同时，λ1为10 s时的吞吐量高于λ1为50 s时的吞吐量，主用户占用信道的平均时间短，次用户的平均吞吐量高;在λ1相同时，即主用户每次接入占用信道的平均时间相同时都为50 s，接入的平均时间间隔200 s高于100 s时的吞吐量。在800 s的仿真时间内，前者主用户接入的次数少于后者。得出结论:其他条件相同的情况下，吞吐量与λ1成反比，与λ2成正比。

3 小结

本文首先对当前认知无线电网络的研究现状进行了分析，集中于物理层和数据链路层，对网络层、传输层的研究较少。然后对经典TCP协议进行分析比较。在无线局域网的条件下搭建认知网络。基站负责频谱感知频谱分配。基站完成主次用户的通信请求和次用户占用信道后，主用户出现，为次用户再次分配空闲信道的功能。在认知网络分析下影响TCP性能的因素，主要包括服务中断干扰。由于主用户返回信道，次用户切换到另一条信道，导致RTO超时，以及带来的切换延迟、信道带宽、信道误码率的变化和认知网络本身的主用户活跃程度等因素，造成端到端TCP吞吐量的下降。并通过NS2系统仿真，定量分析各个因素对吞吐量的影响。在网络技术迅速发展的今天，改进现有的TCP源端协议，优化认知网络环境下的TCP性能，是目前迫切需要研究的问题之一。因此，对于认知无线电网络下TCP吞吐量的研究具有极其重要的意义。需要一种新的协议适应无线网络的特性。需要采用跨层的方法改进TCP性能，利用底层发现信道切换，感知信道是否空闲，反馈给传输层，采用合适的处理机制，最终优化TCP性能。

［1］ZHAO Q，SADLER B M.A survey of dynamic spectrum access［J］.IEEE Signal Process，2007，24(3):79－89.

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