薛亞運(yùn)，周劉蕾,3

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州　215006;2.桂林電子科技大學(xué)認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林　541004 3.蘇州大學(xué)江蘇省計算機(jī)信息處理技術(shù)重點實驗室,江蘇蘇州　215006)

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工程與應(yīng)用

基于跨層的認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)傳輸性能增強(qiáng)研究

薛亞運(yùn)1,2，周劉蕾1,2,3

(1.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州215006;2.桂林電子科技大學(xué)認(rèn)知無線電與信息處理省部共建教育部重點實驗室，廣西桂林541004 3.蘇州大學(xué)江蘇省計算機(jī)信息處理技術(shù)重點實驗室,江蘇蘇州215006)

認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)最大的區(qū)別在于頻譜感知和信道切換功能。在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知用戶需具備頻譜感知的功能，當(dāng)有授權(quán)用戶接入時，可以實現(xiàn)動態(tài)頻譜切換，從而不影響授權(quán)用戶的通信。因此需要更改傳統(tǒng)協(xié)議棧的傳輸層協(xié)議(TransmissionControlProtocol,TCP)使其適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的頻譜感知和信道切換。通過TCP-MAC跨層可以消除由于頻譜感知帶來的超時重傳問題，改進(jìn)的TCP-improved算法可解決信道切換帶來的信道利用率不高或網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。實驗結(jié)果顯示在認(rèn)知環(huán)境下TCP-improved能很好的緩解由于頻譜感知和信道切換對傳輸層的影響，實現(xiàn)了認(rèn)知用戶的傳輸層性能增強(qiáng)。

認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；跨層；信道切換；等效帶寬

TN92

A

1673-5692(2016)02-208-06

0　引　言

頻譜是無線通信中最寶貴、最緊缺的資源之一，因此能實時感知頻譜并接入空閑頻譜的認(rèn)知無線電(CognitiveRadio,CR)技術(shù)現(xiàn)已成為通信領(lǐng)域的研究熱點[1]。為了不影響授權(quán)用戶(PrimaryUser,PU)通信，認(rèn)知用戶(CognitiveUser,CU)須進(jìn)行周期性的感知頻譜活動，當(dāng)授權(quán)用戶接入時，認(rèn)知用戶切換到其它空閑頻譜。但是傳統(tǒng)的通信協(xié)議棧之間互相屏蔽每一層的實現(xiàn)細(xì)節(jié)的特性使得傳輸層無法獲知認(rèn)知用戶周期性的頻譜感知和信道切換等行為[2-3]。文獻(xiàn)[4]給出了CRAdHoc網(wǎng)絡(luò)中TCP性能的分析模型，分析了感知時間與吞吐量的關(guān)系，但未修改TCP協(xié)議以適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)特點；文獻(xiàn)[5]在傳統(tǒng)TCP協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一種基于認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)TCP協(xié)議，此協(xié)議解決了認(rèn)知用戶傳輸層因頻譜感知而頻繁地慢啟動，但并未考慮認(rèn)知用戶切換信道的情況；文獻(xiàn)[6]中在TCP-Reno的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CR的自適應(yīng)調(diào)整慢啟動閾值的改進(jìn)協(xié)議TCP-Cog，提高了認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是每次在信道切換時，都盲目地將擁塞窗口值設(shè)為1，降低了傳輸效率，更重要的是文中采用的帶寬預(yù)測算法預(yù)測出的帶寬值與真實的網(wǎng)絡(luò)容量相比偏小。

針對上述問題，本文綜合考慮認(rèn)知用戶的頻譜感知和信道切換對傳統(tǒng)TCP協(xié)議的影響，在TCP-Reno協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并建立基于CR網(wǎng)絡(luò)的跨層模型，最后分析其網(wǎng)絡(luò)性能。

1　系統(tǒng)模型

為了不干擾授權(quán)用戶活動以及獲得空閑頻譜，認(rèn)知用戶必須周期性的感知頻譜。認(rèn)知用戶的時隙結(jié)構(gòu)如圖1所示，在一個時隙T內(nèi)用于感知的時間為Ts秒，用于傳輸數(shù)據(jù)的時間為Tt秒。

圖1　認(rèn)知用戶的時隙結(jié)構(gòu)

認(rèn)知用戶的認(rèn)知活動由以下四個模塊組成[9]：頻譜感知模塊、頻譜決策模塊、頻譜搬移模塊和頻譜共享模塊，如圖2所示。每個認(rèn)知用戶建立時，頻譜感知模塊先進(jìn)行Ts秒的感知活動，對N個信道(授權(quán)頻段)逐個感知，感知結(jié)束后，若未發(fā)現(xiàn)空閑信道，則等待下一個時隙的感知階段繼續(xù)感知。否則選擇空閑信道i(1≤i≤N)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)傳輸Tt秒后，認(rèn)知用戶進(jìn)入感知階段，它優(yōu)先感知信道i，再感知剩下的N-1個信道。感知結(jié)束后，若未發(fā)現(xiàn)空閑信道，則等待下一個時隙的感知階段繼續(xù)感知。否則將空閑信道集合M交由頻譜決策模塊，若頻譜決策模塊發(fā)現(xiàn)信道i∈M，則認(rèn)知用戶繼續(xù)使用信道i傳輸數(shù)據(jù)；否則，認(rèn)知用戶在空閑信道集合M中選擇信道j，交給頻譜搬移模塊，進(jìn)行信道切換。信道切換結(jié)束后認(rèn)知用戶使用信道j進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖2　認(rèn)知用戶的認(rèn)知活動

系統(tǒng)模型如圖3所示，CUi(1≤i≤L)為認(rèn)知節(jié)點，CU1為源節(jié)點，CUL為目的節(jié)點。設(shè)所有認(rèn)知節(jié)點可同時進(jìn)行頻譜感知。當(dāng)CU1與CUL之間建立連接時，各個中間節(jié)點須通過ACK信號攜帶其所用信道帶寬信息反饋給認(rèn)知源節(jié)點CU1的傳輸層[7]。若授權(quán)用戶突然接入使得CUk必須切換信道，則CUk成功切換信道后，即CU1與CUL之間的通信恢復(fù)，CUk須通過ACK信號攜帶其切換后的信道帶寬信息反饋給認(rèn)知源節(jié)點CU1的傳輸層。這樣認(rèn)知源節(jié)點的傳輸層可以獲取端到端通信鏈路上的最小信道帶寬。

圖3　系統(tǒng)模型

2　TCP協(xié)議改進(jìn)

本文將在認(rèn)知節(jié)點頻譜感知以及信道切換時對TCP-Reno協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，以使TCP-Reno適應(yīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的特點。

2.1頻譜感知階段改進(jìn)

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知節(jié)點必須進(jìn)行周期性的感知活動，而在感知期間，端到端的通信是斷開的，傳輸層若在此期間產(chǎn)生超時，將擁塞窗口值設(shè)為1并開始慢啟動，此舉完全是不必要的，因為網(wǎng)絡(luò)并未發(fā)生擁塞。因而在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，必須區(qū)別對待網(wǎng)絡(luò)擁塞和頻譜感知引發(fā)的超時重傳。須運(yùn)用跨層設(shè)計的思想[10-11]：在媒體訪問控制層(MediaAccessControl,MAC)和傳輸層之間實現(xiàn)必要的信息交換[12-13]。設(shè)MAC層在時刻t開始感知，此時MAC層將時刻t和感知時間Ts通知傳輸層，若傳輸層重傳定時器在時間段[t,t+Ts]內(nèi)發(fā)生超時，則用感知時間Ts重置該重傳定時器。將上述頻譜感知階段的改進(jìn)算法稱為TCP-sense。

2.2信道切換階段改進(jìn)

在認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中，認(rèn)知節(jié)點除了周期性的感知頻譜，當(dāng)授權(quán)用戶接入時，還需要進(jìn)行信道切換。當(dāng)認(rèn)知節(jié)點切換到的信道帶寬與之前所用信道帶寬不同時，需更改傳輸層參數(shù)以適應(yīng)切換后的信道。

文獻(xiàn)[8]介紹了一種預(yù)測帶寬算法，發(fā)送端通過記錄收到ACK的時間以及相鄰ACK之間傳送的數(shù)據(jù)量，采用ABSE(AdaptiveBandwidthShareEstimation)濾波機(jī)制計算當(dāng)前帶寬，算法如下：

(1)

(2)

在信道切換后，源端傳輸層須根據(jù)切換后的信道帶寬來調(diào)整擁塞窗口值和慢啟動閾值以達(dá)到充分利用信道帶寬或防止網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。具體調(diào)整方法解釋如下：

若W′=W，端到端的最小帶寬未發(fā)生變化，則傳輸層保持原來的參數(shù)恢復(fù)傳輸。

(3)

cwnd′=SSThresh′

(4)

TCP-Cog算法在每次成功切換信道后，將擁塞窗口值cwnd′盲目地設(shè)為1，降低了傳輸效率。本文用式(4)來設(shè)置信道切換成功后的擁塞窗口值cwnd′。根據(jù)上述帶寬預(yù)測算法計算的SSThresh′值與真實的網(wǎng)絡(luò)容量相比偏小，但在切換到帶寬較小的信道后，偏小的帶寬估計有助于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定。

若W′>W，即切換到帶寬較大的信道，TCP-Cog算法不能充分利用信道帶寬，因此需要新的算法來適當(dāng)?shù)卦黾訐砣翱?，將更多的?shù)據(jù)包發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。

設(shè)圖3中認(rèn)知節(jié)點CUi與CUi+1之間的信道帶寬為Wi，tother為端到端除了傳輸時延的其它延時：排隊時延、處理時延和傳播時延。則信道切換前認(rèn)知節(jié)點CU1與CUL之間的等效帶寬Weq應(yīng)滿足式(5)，

(5)

式中PS為認(rèn)知節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小。

(6)

式(6)減式(5)可得，

(7)

(8)

由式(9)和(10)得到切換后的分別為，

(9)

SSThresh′=cwnd′

(10)

本文將頻譜感知和信道切換兩個階段改進(jìn)后的算法稱為TCP-improved。

3　仿真結(jié)果與分析

3.1仿真場景和參數(shù)選擇

為了驗證TCP-improved的性能，仿真對NS2進(jìn)行了擴(kuò)展，使其支持認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。性能評估參數(shù)選取擁塞窗口(cwnd,congestionwindow)和吞吐量(throughput)。仿真系統(tǒng)場景如圖4所示，本文選取4條信道：Ch1、Ch2、Ch3、Ch4，3個次用戶：CU1、CU2、CU3，3個授權(quán)用戶：PU1、PU2、PU3。3個授權(quán)用戶分別隨機(jī)地占用這4條信道。認(rèn)知用戶之間建立TCP/FTP連接進(jìn)行通信，認(rèn)知用戶感知并占用其中的空閑信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4　仿真系統(tǒng)場景

仿真對TCP-improved、TCP-sense、TCP-Cog[6]和傳統(tǒng)的TCP-Reno算法進(jìn)行擁塞窗口和吞吐量的比較，考慮認(rèn)知用戶在通信過程中不需要切換信道情況下TCP-sense和TCP-Reno算法的比較以及在通信過程中需要切換信道情況下TCP-improved和TCP-Cog算法的比較。仿真都采用TCP/FTP連接方式，具體參數(shù)見表1。

表1　仿真參數(shù)環(huán)境

3.2仿真結(jié)果與分析

認(rèn)知節(jié)點通信期間未出現(xiàn)信道切換時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜偷绤?shù)如圖5所示，認(rèn)知節(jié)點從0.2s開始發(fā)送FTP數(shù)據(jù)流。程序運(yùn)行期間，在認(rèn)知用戶的通信范圍內(nèi)無授權(quán)用戶接入。

圖5　無授權(quán)用戶的仿真場景

圖6　TCP-sense、TCP-Reno擁塞窗口隨時間變化

從圖6可看出，傳統(tǒng)TCP-Reno的擁塞窗口呈周期性變化，這是由認(rèn)知用戶周期性頻譜感知引起的。處于頻譜感知階段的認(rèn)知用戶是不能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的，本該在此期間到達(dá)源節(jié)點的ACK信號卻未能被源節(jié)點接收到。因而待感知時間結(jié)束后引起TCP層重傳定時器超時并進(jìn)入慢啟動，然而認(rèn)知用戶數(shù)據(jù)傳輸時間結(jié)束后，下一個時隙的頻譜感知開始了，TCP層不得不再次進(jìn)入慢啟動，如此周而復(fù)始。以致于TCP-Reno的擁塞窗口值處于一個很低的階段波動。而引入跨層思想的TCP-sense算法，在認(rèn)知用戶感知期間，本該到達(dá)源節(jié)點的ACK信號所對應(yīng)的定時器的時間被延長了一個感知時間Ts秒，因而在頻譜感知結(jié)束后，TCP層重傳定時器未超時，不需要進(jìn)入慢啟動，從而TCP-sense算法擁塞窗口值明顯高于TCP-Reno。從圖7看出，TCP-sense的平均吞吐量明顯高于TCP-Reno的值，這是因為TCP-sense的擁塞窗口值較大，在單位時間內(nèi)，能發(fā)出更多的數(shù)據(jù)包。

圖7　TCP-sense、TCP-Reno平均吞吐量隨時間變化

認(rèn)知用戶通信期間出現(xiàn)信道切換時，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托诺绤?shù)如圖4所示，認(rèn)知用戶從0.2s開始發(fā)送FTP數(shù)據(jù)流。

程序運(yùn)行期間，在認(rèn)知用戶CU2的通信范圍內(nèi)多次出現(xiàn)授權(quán)用戶接入的情況，致使CU2切換信道：在10.0～10.2s的感知階段感知到有授權(quán)用戶接入，因此待感知結(jié)束后，從Ch2切換到了Ch3，信道帶寬有所增加。之后又探測到有授權(quán)用戶接入，分別切換到了Ch2和Ch4。

圖8　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense擁塞窗口隨時間變化

從圖8可看出，TCP-sense算法在每次信道切換后會進(jìn)入慢啟動。這主要是因為TCP-sense算法在信道切換階段并未做任何改進(jìn)。CU2在10.2s切換到帶寬較大的信道Ch3時，慢啟動閾值卻因定時器超時而減半，使得擁塞窗口增長緩慢，降低了信道利用率。TCP-Cog協(xié)議在每次信道切換后都將擁塞窗口值設(shè)為1，在信道帶寬有所增加時，雖然及時更新了慢啟動閾值，但是預(yù)測帶寬偏小，在10.2s時根據(jù)預(yù)測帶寬得出的慢啟動閾值卻低于信道切換前的擁塞窗口值，使其信道帶寬利用率降低。TCP-improved算法在切換到帶寬較大的信道后能保持較大的擁塞窗口值，這主要是因為在10.2s時，傳輸層獲知端到端的等效帶寬增大，根據(jù)TCP-improved算法適當(dāng)?shù)靥岣邠砣翱谥?，把更多的?shù)據(jù)包送到網(wǎng)絡(luò)中。圖9可明顯看出在10.2s后TCP-improved的平均吞吐量高于TCP-sense、TCP-Cog。

圖9　TCP-improved、TCP-Cog、TCP-sense平均吞吐量隨時間變化

4　結(jié)　語

上述研究分析了認(rèn)知無線網(wǎng)絡(luò)中的頻譜感知和信道切換對傳輸層的影響，運(yùn)用跨層思想和等效帶寬的概念，對傳統(tǒng)TCP協(xié)議進(jìn)行了修改。仿真結(jié)果表明，TCP-sense算法避免了傳輸層頻繁地慢啟動，一直保持較大的擁塞窗口，提高了傳輸效率；TCP-improved算法解決了因信道切換帶來的信道利用率不高或網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題，在切換到帶寬較大的信道后，能合理增大擁塞窗口值，將更多的數(shù)據(jù)包送到網(wǎng)絡(luò)中，提高信道利用率；在切換到帶寬較小的信道后，能適當(dāng)?shù)販p少擁塞窗口值，防止網(wǎng)絡(luò)擁塞。總體來說，TCP-improved算法增大了端到端的吞吐量，改善了TCP在認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中的性能。

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薛亞運(yùn)(1990—)，女，江蘇省宿遷人，碩士，主要研究方向為認(rèn)知無線電；

E-mail:xueyayun1990@163.com

周劉蕾(1982—)，女，江蘇省南通人，博士, 主要研究方向為通信信號處理、協(xié)作通信、認(rèn)知無線電技術(shù)。

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

國家自然科學(xué)青年基金項目(No.61201215&61172056); “認(rèn)知無線電與信息處理”省部共建教育部重點實驗室開放基金(No. 2013KF05);蘇州大學(xué)江蘇省計算機(jī)信息處理技術(shù)重點實驗室”開放課題