基于认知无线网络的TCP协议改进及性能分析

孙文胜，陈玛丽，江露琪，周　钰

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)



基于认知无线网络的TCP协议改进及性能分析

孙文胜，陈玛丽，江露琪，周钰

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018)

摘要：未改进TCP协议(如TCP-Vegas、TCP-Reno协议等)无法适应认知无线网络复杂的环境，严重影响网络的传输性能。基于TCP-Reno协议提出一种性能改进的TCP协议——TCP-CR。通过改进CTS/RTS帧，并结合TCP-MAC跨层交互信息，改善频谱探测和切换的频繁慢开始问题，及时适应切换后新信道。通过NS2工具仿真，仿真结果显示TCP-CR可以提高TCP传输吞吐量，降低重传率和丢失率，提高传输性能。

关键词：认知无线网络；MAC-TCP跨层；自适应ssthresh；CTS/RTS帧

0引言

认知无线(Cognitive Radio,CR)网络中，认知用户需间断性地进行频谱探测。认知用户的频谱探测与频谱转换会产生一定问题，导致链路往返时间RTT出现突变，促使TCP频繁启动慢开始以控制拥塞。目前投入大量研究改进传统TCP协议，文献[1]通过TCP层传输预判避免超时重传，频谱探测阶段引入RTT，导致RTT有较大的抖动。文献[2]通过RTS/CTS帧中添加传输启停标志并跨层通知TCP层，但并未根据切换前后信道变化调整TCP层相应的传输参数，不适应CR网络切换频繁的特性。为了改善此情况，基于TCP-Reno协议，本文提出性能改进协议——TCP-CR协议。TCP-CR协议的MAC-TCP跨层传递有用信息。通过改变传统的RTS-CTS协议帧，添加频谱探测阶段结束标记S，避免频谱感知阶段数据传输的丢包现象。添加认知用户切换前后信道变化标记C，以便对ssthresh进行自适应调整。

1CR网络中影响TCP协议相关因素

1.1　频谱感知

认知用户周期性地进行频谱探测，在频谱感知期间既不能传输数据，也不能接收确认信号，导致超时定时器超时[3]，数据重传，故及时获取感知时长，调整重传定时器很重要。

1.2　授权用户活动

认知用户必须定期探测授权用户，时刻准备着退让出频谱。授权用户来到时，如果没有空闲信道，则必须中止传输，导致引入一种新型的丢包因素—传输中断丢包。

1.3　频谱切换

认知用户进行不同信道间转换时会引入一定的切换时延。且切换成功后，新的频谱与原来频谱存在一定的差别，可能导致与认知用户传输的业务需求不匹配，引起TCP“拥塞控制周期”变化[4]。

1.4　高丢包率

由于有线网络的稳定性，丢包原因一般归为网络拥塞，TCP直接采取拥塞控制方法处理即可。而认知无线网路丢包原因相对复杂，如多个认知用户竞争信道时的碰撞丢包、认知用户进行路由重组时的丢包等。

2改进的TCP-CR协议

2.1　RTS/CTS协议

RTS/CTS协议可以协调多认知用户环境下互相竞争可用空闲信道的情况，避免发生认知用户之间冲突。防止过多的认知用户竞争同一空闲频段，增加频谱检测时延，影响TCP平均吞吐量。同时，RTS/CTS协议帧也可以方便携带接入信道相关信息，使用起来灵活方便。

2.2　TCP-CR协议改进

在TCP-Reno协议基础上，本文进行如下性能改进：

1)RTS/CTS帧的改进

改进RTS/CTS帧，添加频谱探测阶段结束标记S和切换前后信道变化标记C。RTS/CTS传输链路建立后，如果TCP频谱检测阶段结束，则将携带探测阶段结束标记S的协议帧传输到TCP层，告知TCP层接下来可以进行数据传送。切换前后信道变化标记C，用来告知TCP层切换后信道是否改变。如果信道切换后不是原信道，则需要根据新信道参数进行TCP相关参数调整。

2)MAC层与TCP层跨层的添加

目前大量研究主要通过协议低三层次之间跨层来提升认知用户频谱的探测和切换过程，达到提高上层性能的目的，并没有下层MAC层和上层TCP层直接进行信息共享的跨层[5-6]。本文提出的TCP-CR协议联合考虑MAC层频谱检测管理与TCP层传输控制，并利用改进的RTS/CTS协议组建跨层次的传输通道，实现信息共享。

3)频谱感知阶段的改进

TCP-CR协议在MAC层添加两计时器，分别为频谱探测计时器和数据传送计时器。认知用户进入频谱探测阶段时，任何通信方传送的数据均无法接收。此时开启频谱探测计时器，让MAC层暂时中止数据传送计时器，把频谱探测开始信号跨层告知TCP层。TCP-CR协议的TCP层接收到该信号后，利用CTS/RTS握手协议与周边可用信道交互，根据CTS帧中携带的信息，分别采取3种措施进行处理。

(1)MAC层分析CTS帧中C标记信息。如果标记显示仍为当前信道，则跨层告知TCP继续在原来的信道上传送数据。同时MAC层开启数据传送计时器，网络恢复数据传送；

(2)分析CTS帧中的C标记信息。如果为当前信道已被授权用户抢占，但网络中存在可以使用的其他空闲信道，则跨层告知TCP将在新的信道上传送数据，此时也开启数据传送计时器，表明恢复数据传送；

(3)如果结果为当前信道被授权用户抢占，同时周边无可用空闲信道，则立即将超时重传定时器增加一个感知时长，暂时中止数据传送，避免感知阶段的超时重传。同时存储TCP中RTT、cwnd和ssthresh等相关参数，以供信道切换后的传输使用。

频谱感知阶段改进过程如图1所示。

图1　频谱感知阶段过程改进

认知用户进入频谱探测阶段，传统TCP协议并不存储上层应用数据包，而TCP-CR协议在收到MAC层频谱探测开始信号后，将上层持续下传的数据包缓存于队列中。当与新的可用信道接续完毕后，如果队列的缓存中存在数据，则依照入队缓存时的序号逐一发送。如此可有效缓解频谱探测阶段数据包超过缓存容量的丢包问题。

4)信道带宽和ssthresh的自适应调整

认知用户切换不同信道后会带来一定的问题。TCP-CR协议根据标记C状态，判断认知用户切换前后信道是否变化。如果信道不变，则使用之前保留下来的参数继续未完的数据传送。如果信道发生变化，则TCP-CR协议将拥塞窗口cwnd设置为1，并根据文献[7]提出的带宽预测法预测切换信道带宽，根据带宽值调整新信道数据传送的慢开始门限值，以便适应新信道特性。发送方TCP记录确认信号收到的时刻值及两相邻ACK时间间隔内的数据传送总量,采用自适应带宽共享估计算法计算当前带宽。具体算法如下：

(1)

(2)

式中，RTTmin为当前切换后信道的链路往返时间最小值。Seg为发送的数据报文段大小。

认知用户切换信道后，可以根据新信道调整的慢开始门限值重新开始慢开始，以适应切换后新信道，既可以防止拥塞加重，又可以充分利用带宽资源，提高认知用户对可用带宽的利用率。

3性能仿真与结果分析

本文采用NS2.31软件进行系统仿真，采用如图2所示的网络模型。授权用户和认知用户均采用文件传输协议FTP连接。

图2　仿真网络模型

3.1　信道竞争影响

假设每个链路带宽均为1 Mb/s，时延为15 ms。TCP报文段长度为1 500 byte，拥塞窗口上限cwnd=6 000 byte，最初超时时间为2 s。采用RTS/CTS协议竞争接入信道。不同信道数和不同认知用户数(N取值为1，2，3)下，多认知用户竞争相同信道的TCP吞吐量影响如图3所示。随着认知用户数增加，竞争同一信道的碰撞概率增大，导致TCP吞吐量均降低。对于认知用户数一定条件下，随着总信道数增加，认知用户检测到新信道的概率增大，认知用户之间竞争信道的冲突减小，故TCP吞吐量反而增加。

图3　信道和认知用户数对平均TCP吞吐量影响

3.2　频谱探测时长影响

假设网络中只存在两条链路，两个授权用户及一个认知用户，认知用户探测可用链路接入。且链路1频带宽度为22 Mb/s，时延为30 ms；链路2频带宽度为8 Mb/s，时延为20 ms。整个频谱探测周期为1 s(包括数据传送时长)。频谱探测时长对TCP吞吐量影响如图4所示。图4中，TCP-Vegas和TCP-Reno协议较敏感，当探测时长逐渐增大，吞吐量下降明显。而提出的TCP-CR协议，在MAC层增加相应的定时器，在CTS/RTS协议中增加S和C标志，MAC层可跨层传递探测信号给TCP层进行相应参数调整，改进频谱探测过程。相比前两协议，TCP-Reno所受影响小，吞吐量下降最小。

图4　频谱探测时长对TCP吞吐量影响

频谱探测时长对包丢失率影响如图5所示。图5中，TCP-Vegas协议受探测时长的影响最大，探测时长增加，包丢失量增加明显。TCP-Reno协议相对变化小些。而提出的TCP-CR协议包丢失率变化非常缓和。因为TCP-CR协议增加了队列缓存，防止频谱探测阶段包丢失。且改进的MAC层增加了频谱感知功能，可以将频谱探测信号提前告知TCP层，TCP及时调整发送速率和各窗口值，避免频谱探测阶段不必要的包丢失。故采用TCP-CR协议，包丢失率随频谱探测时长增加变化缓慢，几乎不受影响。

图5　频谱探测时长对包丢失率影响

重新传送的数据包与所有传送的数据包的比值为包重传率。频谱探测时长对包重传率影响如图6所示。图6中，使用TCP-Reno与TCP-Vegas协议，包重传率随着探测时长增加，包重传曲线上升明显。而改进的TCP-CR协议因为增加了队列缓存，当进入频谱感知阶段时，队列会缓存数据包。感知结束时，原先的数据包会按序逐一传送，无需重传。故包重传率随频谱探测时长增加几乎变化不大，缓解了频谱探测的影响。

4结束语

本文研究分析了认知无线网路中对TCP协议影响的因素，结合CTS/RTS协议改进和MAC-TCP跨层思想，提出性能改进协议TCP-CR。改进协议缓解了认知无线网路中由于认知用户频谱探测和切换产生的TCP传输性能下降问题。与未改进协议TCP-Reno、TCP-Vegas相比，提高了传输吞吐量，降低了包重传率和丢失率。

参考文献

[1]李志高，周音，孙学斌，等.认知无线电网络中一种改进的传输层协议[J].无线电工程，2011，41(10):13-16．

[2]黄昌平，赵利.MAC与TCP跨层的认知无线网络传输性能增强[J].计算机系统应用，2012，21(9):236-239．

[3]Wang D，Cosman P C，Milstein L B.Cross Layer Resource Allocation Design for Uplink Video OFDMA Wireless Systems[C]//Global Telecommunications Conference(GLOBECOM 2011),2011 IEEE.IEEE，2011：1-6．

[4]Tang J，Zhang X.Cross-Layer-Model Based Adaptive Resource Allocation for Statistical QoS Guarantees in Mobile Wireless Networks[J].Wireless Communications，IEEE Transactions on，2008，7(6):2318-2328．

[5]Luo C，Yu F R，Ji H，et al.Optimal channel access for TCP performance improvement in cognitive radio networks[J].Wireless Networks，2011，17(2):479-492．

[6]Luo Q，Zhao J，Chen M.Research of TCP/IP protocol stack based on embedded system[C]//2011 3rd International Conference on Computer Research and Development.2011，3:412-415．

[7]Mascolo S，Casetti C，Gerla M,et al.TCP Westwood:Bandwidth estimation for enhanced transport over wireless links[C]//Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking.ACM，2001：287-297．

The Improvement and Performance Analysis of TCP Protocol

Based on Cognitive Radio Network

Sun Wensheng，Chen Mali，Jiang Luqi，Zhou Yu

(SchoolofCommunicationEngineering，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract:Traditional TCP protocol can’t adapt to the complex environment of cognitive wireless networks，which is greatly reducing the transmission performance of the network.In this paper，based on the TCP-Reno protocol，an improved transport layer protocol is proposed，named as TCP-CR.It improved the CTS/RTS frame，and combined with TCP-MAC cross-layer information exchange to improve the spectrum sensing and switching slow startup problem，and quickly adapt to a new channel.The simulation results show that TCP-CR can improve the TCP transmission throughput，reduce retransmission rate and improve transmission performance．

Key words:cognitive radio networks；MAC-TCP cross layer；adaptive ssthresh；CTS/RTS frame

中图分类号：TN915

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)05-0018-05

作者简介：孙文胜(1966-)，男，安徽巢湖人，副教授，嵌入式系统与无线通信系统．

收稿日期：2014-12-16

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.05.004