基于跨层的认知无线网络传输性能增强研究

薛亚运，周刘蕾,3

(1.苏州大学电子信息学院，江苏苏州　215006;2.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西桂林　541004 3.苏州大学江苏省计算机信息处理技术重点实验室,江苏苏州　215006)



工程与应用

基于跨层的认知无线网络传输性能增强研究

薛亚运1,2，周刘蕾1,2,3

(1.苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006;2.桂林电子科技大学认知无线电与信息处理省部共建教育部重点实验室，广西桂林541004 3.苏州大学江苏省计算机信息处理技术重点实验室,江苏苏州215006)

认知无线网络与传统无线网络最大的区别在于频谱感知和信道切换功能。在认知网络中，认知用户需具备频谱感知的功能，当有授权用户接入时，可以实现动态频谱切换，从而不影响授权用户的通信。因此需要更改传统协议栈的传输层协议(TransmissionControlProtocol,TCP)使其适应网络的频谱感知和信道切换。通过TCP-MAC跨层可以消除由于频谱感知带来的超时重传问题，改进的TCP-improved算法可解决信道切换带来的信道利用率不高或网络拥塞的问题。实验结果显示在认知环境下TCP-improved能很好的缓解由于频谱感知和信道切换对传输层的影响，实现了认知用户的传输层性能增强。

认知网络；跨层；信道切换；等效带宽

TN92

A

1673-5692(2016)02-208-06

0　引　言

频谱是无线通信中最宝贵、最紧缺的资源之一，因此能实时感知频谱并接入空闲频谱的认知无线电(CognitiveRadio,CR)技术现已成为通信领域的研究热点[1]。为了不影响授权用户(PrimaryUser,PU)通信，认知用户(CognitiveUser,CU)须进行周期性的感知频谱活动，当授权用户接入时，认知用户切换到其它空闲频谱。但是传统的通信协议栈之间互相屏蔽每一层的实现细节的特性使得传输层无法获知认知用户周期性的频谱感知和信道切换等行为[2-3]。文献[4]给出了CRAdHoc网络中TCP性能的分析模型，分析了感知时间与吞吐量的关系，但未修改TCP协议以适应认知网络特点；文献[5]在传统TCP协议的基础上，提出了一种基于认知网络的改进TCP协议，此协议解决了认知用户传输层因频谱感知而频繁地慢启动，但并未考虑认知用户切换信道的情况；文献[6]中在TCP-Reno的基础上，提出了一种基于CR的自适应调整慢启动阈值的改进协议TCP-Cog，提高了认知网络中的数据传输速率，但是每次在信道切换时，都盲目地将拥塞窗口值设为1，降低了传输效率，更重要的是文中采用的带宽预测算法预测出的带宽值与真实的网络容量相比偏小。

针对上述问题，本文综合考虑认知用户的频谱感知和信道切换对传统TCP协议的影响，在TCP-Reno协议的基础上进行改进，并建立基于CR网络的跨层模型，最后分析其网络性能。

1　系统模型

为了不干扰授权用户活动以及获得空闲频谱，认知用户必须周期性的感知频谱。认知用户的时隙结构如图1所示，在一个时隙T内用于感知的时间为Ts秒，用于传输数据的时间为Tt秒。

图1　认知用户的时隙结构

认知用户的认知活动由以下四个模块组成[9]：频谱感知模块、频谱决策模块、频谱搬移模块和频谱共享模块，如图2所示。每个认知用户建立时，频谱感知模块先进行Ts秒的感知活动，对N个信道(授权频段)逐个感知，感知结束后，若未发现空闲信道，则等待下一个时隙的感知阶段继续感知。否则选择空闲信道i(1≤i≤N)进行数据传输。当传输Tt秒后，认知用户进入感知阶段，它优先感知信道i，再感知剩下的N-1个信道。感知结束后，若未发现空闲信道，则等待下一个时隙的感知阶段继续感知。否则将空闲信道集合M交由频谱决策模块，若频谱决策模块发现信道i∈M，则认知用户继续使用信道i传输数据；否则，认知用户在空闲信道集合M中选择信道j，交给频谱搬移模块，进行信道切换。信道切换结束后认知用户使用信道j进行数据传输。

图2　认知用户的认知活动

系统模型如图3所示，CUi(1≤i≤L)为认知节点，CU1为源节点，CUL为目的节点。设所有认知节点可同时进行频谱感知。当CU1与CUL之间建立连接时，各个中间节点须通过ACK信号携带其所用信道带宽信息反馈给认知源节点CU1的传输层[7]。若授权用户突然接入使得CUk必须切换信道，则CUk成功切换信道后，即CU1与CUL之间的通信恢复，CUk须通过ACK信号携带其切换后的信道带宽信息反馈给认知源节点CU1的传输层。这样认知源节点的传输层可以获取端到端通信链路上的最小信道带宽。

图3　系统模型

2　TCP协议改进

本文将在认知节点频谱感知以及信道切换时对TCP-Reno协议进行改进，以使TCP-Reno适应认知网络的特点。

2.1频谱感知阶段改进

在认知网络中，认知节点必须进行周期性的感知活动，而在感知期间，端到端的通信是断开的，传输层若在此期间产生超时，将拥塞窗口值设为1并开始慢启动，此举完全是不必要的，因为网络并未发生拥塞。因而在认知网络中，必须区别对待网络拥塞和频谱感知引发的超时重传。须运用跨层设计的思想[10-11]：在媒体访问控制层(MediaAccessControl,MAC)和传输层之间实现必要的信息交换[12-13]。设MAC层在时刻t开始感知，此时MAC层将时刻t和感知时间Ts通知传输层，若传输层重传定时器在时间段[t,t+Ts]内发生超时，则用感知时间Ts重置该重传定时器。将上述频谱感知阶段的改进算法称为TCP-sense。

2.2信道切换阶段改进

在认知网络中，认知节点除了周期性的感知频谱，当授权用户接入时，还需要进行信道切换。当认知节点切换到的信道带宽与之前所用信道带宽不同时，需更改传输层参数以适应切换后的信道。

文献[8]介绍了一种预测带宽算法，发送端通过记录收到ACK的时间以及相邻ACK之间传送的数据量，采用ABSE(AdaptiveBandwidthShareEstimation)滤波机制计算当前带宽，算法如下：

(1)

(2)

在信道切换后，源端传输层须根据切换后的信道带宽来调整拥塞窗口值和慢启动阈值以达到充分利用信道带宽或防止网络拥塞的目的。具体调整方法解释如下：

若W′=W，端到端的最小带宽未发生变化，则传输层保持原来的参数恢复传输。

(3)

cwnd′=SSThresh′

(4)

TCP-Cog算法在每次成功切换信道后，将拥塞窗口值cwnd′盲目地设为1，降低了传输效率。本文用式(4)来设置信道切换成功后的拥塞窗口值cwnd′。根据上述带宽预测算法计算的SSThresh′值与真实的网络容量相比偏小，但在切换到带宽较小的信道后，偏小的带宽估计有助于网络稳定。

若W′>W，即切换到带宽较大的信道，TCP-Cog算法不能充分利用信道带宽，因此需要新的算法来适当地增加拥塞窗口，将更多的数据包发到网络中。

设图3中认知节点CUi与CUi+1之间的信道带宽为Wi，tother为端到端除了传输时延的其它延时：排队时延、处理时延和传播时延。则信道切换前认知节点CU1与CUL之间的等效带宽Weq应满足式(5)，

(5)

式中PS为认知节点发送的数据包大小。

(6)

式(6)减式(5)可得，

(7)

(8)

由式(9)和(10)得到切换后的分别为，

(9)

SSThresh′=cwnd′

(10)

本文将频谱感知和信道切换两个阶段改进后的算法称为TCP-improved。

3　仿真结果与分析

3.1仿真场景和参数选择

为了验证TCP-improved的性能，仿真对NS2进行了扩展，使其支持认知网络。性能评估参数选取拥塞窗口(cwnd,congestionwindow)和吞吐量(throughput)。仿真系统场景如图4所示，本文选取4条信道：Ch1、Ch2、Ch3、Ch4，3个次用户：CU1、CU2、CU3，3个授权用户：PU1、PU2、PU3。3个授权用户分别随机地占用这4条信道。认知用户之间建立TCP/FTP连接进行通信，认知用户感知并占用其中的空闲信道进行数据传输。

图4　仿真系统场景

仿真对TCP-improved、TCP-sense、TCP-Cog[6]和传统的TCP-Reno算法进行拥塞窗口和吞吐量的比较，考虑认知用户在通信过程中不需要切换信道情况下TCP-sense和TCP-Reno算法的比较以及在通信过程中需要切换信道情况下TCP-improved和TCP-Cog算法的比较。仿真都采用TCP/FTP连接方式，具体参数见表1。

表1　仿真参数环境

3.2仿真结果与分析

认知节点通信期间未出现信道切换时，网络拓扑和道参数如图5所示，认知节点从0.2s开始发送FTP数据流。程序运行期间，在认知用户的通信范围内无授权用户接入。

图5　无授权用户的仿真场景

图6　TCP-sense、TCP-Reno拥塞窗口随时间变化

从图6可看出，传统TCP-Reno的拥塞窗口呈周期性变化，这是由认知用户周期性频谱感知引起的。处于频谱感知阶段的认知用户是不能接收和发送数据的，本该在此期间到达源节点的ACK信号却未能被源节点接收到。因而待感知时间结束后引起TCP层重传定时器超时并进入慢启动，然而认知用户数据传输时间结束后，下一个时隙的频谱感知开始了，TCP层不得不再次进入慢启动，如此周而复始。以致于TCP-Reno的拥塞窗口值处于一个很低的阶段波动。而引入跨层思想的TCP-sense算法，在认知用户感知期间，本该到达源节点的ACK信号所对应的定时器的时间被延长了一个感知时间Ts秒，因而在频谱感知结束后，TCP层重传定时器未超时，不需要进入慢启动，从而TCP-sense算法拥塞窗口值明显高于TCP-Reno。从图7看出，TCP-sense的平均吞吐量明显高于TCP-Reno的值，这是因为TCP-sense的拥塞窗口值较大，在单位时间内，能发出更多的数据包。

图7　TCP-sense、TCP-Reno平均吞吐量随时间变化

认知用户通信期间出现信道切换时，网络拓扑和信道参数如图4所示，认知用户从0.2s开始发送FTP数据流。

程序运行期间，在认知用户CU2的通信范围内多次出现授权用户接入的情况，致使CU2切换信道：在10.0～10.2s的感知阶段感知到有授权用户接入，因此待感知结束后，从Ch2切换到了Ch3，信道带宽有所增加。之后又探测到有授权用户接入，分别切换到了Ch2和Ch4。

图8　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense拥塞窗口随时间变化

从图8可看出，TCP-sense算法在每次信道切换后会进入慢启动。这主要是因为TCP-sense算法在信道切换阶段并未做任何改进。CU2在10.2s切换到带宽较大的信道Ch3时，慢启动阈值却因定时器超时而减半，使得拥塞窗口增长缓慢，降低了信道利用率。TCP-Cog协议在每次信道切换后都将拥塞窗口值设为1，在信道带宽有所增加时，虽然及时更新了慢启动阈值，但是预测带宽偏小，在10.2s时根据预测带宽得出的慢启动阈值却低于信道切换前的拥塞窗口值，使其信道带宽利用率降低。TCP-improved算法在切换到带宽较大的信道后能保持较大的拥塞窗口值，这主要是因为在10.2s时，传输层获知端到端的等效带宽增大，根据TCP-improved算法适当地提高拥塞窗口值，把更多的数据包送到网络中。图9可明显看出在10.2s后TCP-improved的平均吞吐量高于TCP-sense、TCP-Cog。

图9　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense平均吞吐量随时间变化

4　结　语

上述研究分析了认知无线网络中的频谱感知和信道切换对传输层的影响，运用跨层思想和等效带宽的概念，对传统TCP协议进行了修改。仿真结果表明，TCP-sense算法避免了传输层频繁地慢启动，一直保持较大的拥塞窗口，提高了传输效率；TCP-improved算法解决了因信道切换带来的信道利用率不高或网络拥塞的问题，在切换到带宽较大的信道后，能合理增大拥塞窗口值，将更多的数据包送到网络中，提高信道利用率；在切换到带宽较小的信道后，能适当地减少拥塞窗口值，防止网络拥塞。总体来说，TCP-improved算法增大了端到端的吞吐量，改善了TCP在认知无线电网络中的性能。

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薛亚运(1990—)，女，江苏省宿迁人，硕士，主要研究方向为认知无线电；

E-mail:xueyayun1990@163.com

周刘蕾(1982—)，女，江苏省南通人，博士, 主要研究方向为通信信号处理、协作通信、认知无线电技术。

Research on TCP Enhancement in Cognitive Network Based on Cross-layer Designing

XUEYa-yun1,2,ZHOULiu-lei1,2,3

(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,SoochowUniversity,SuzhouJiangsu215006;2.KeyLaboratoryforCognitiveRadioandInformationProcessing,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004;3.ProvincialKeyLaboratoryforComputerInformationProcessingTechnology,SoochowUniversity,SuzhouJiangsu215006)

Thedifferencebetweencognitivewirelessnetworkandtraditionalwirelessnetworkliesinthefunctionofspectrumsensingandchannelswitching.Incognitivenetworks,whentheprimaryusersaccess,cognitiveusersmustsensethespectrumandthenswitchtoanotherchannelinordertoavoidtheinterferencetotheprimaryusers.Therefore,itisnecessarytoimprovethetraditionalTCPprotocolstacktomakeitadapttothespectrumsensingandchannelswitchingincognitivenetwork.Thecross-layerdesigningbetweenTCPandMAClayercaneliminateretransmissionproblemscausedbythespectrumsensing,andtheproposed“TCP-improvedalgorithm”cansolvetheproblemsoflowutilizationrateofbandwidthornetworkcongestionwhencognitiveuserswitchitschannel.Theexperimentalresultsshowthatthe“TCP-improvedalgorithm”hasthebestperformanceincognitivenetwork.

CognitiveNetwork;CrossLayer;ChannelSwitching;EffectiveBandwidth

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.017

2015-12-26

2016-02-15

国家自然科学青年基金项目(No.61201215&61172056); “认知无线电与信息处理”省部共建教育部重点实验室开放基金(No. 2013KF05);苏州大学江苏省计算机信息处理技术重点实验室”开放课题