认知无线电环境下TCP性能增强技术研究

• 作 者: 张坤
• 机 构: 重庆邮电大学
• 出 处: 重庆邮电大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 认知无线电 TCP协议性能 慢启动门限值 跨层反馈 垂直切换 ATSS算法

随着无线通信技术的蓬勃发展，对无线频谱资源的需求日益增大，所以当前无线频谱资源十份紧张。认知无线电是一种新兴的动态利用频谱资源的无线电技术，它的出现可以有效地解决频谱资源利用率不高的问题。认知无线电技术(Cognitive Radio，CR)的主要特点为能动态地与周围无线环境交互信息。首先CR利用频谱感知分析周围频谱使用情况找出频谱空洞，其次利用频谱管理统一管理这些可用资源，然后通过频谱分配和频谱接入技术帮助次用户(SU)使用空闲频谱，当SU需要避让主用户(PU)时，再利用频谱切换技术转到其它空闲频段继续通信。在CR环境中底层工作环境的不断变化，是影响TCP协议的主要原因，其根源在于TCP协议无法掌握这些动态变化信息。因此，这是本文研究的基本出发点。　　
本文首先讨论分析了认知无线电环境下影响TCP性能的关键因素，并通过NS2仿真软件搭建认知网络环境，仿真分析了典型TCP版本协议在认知网络环境下的性能状况，包括reno、newreno、westwood、vegas、sack。仿真结果表明，在认知网络环境下westwood性能最好。　　
其次，认知无线电网络中SU完成垂直切换前后，传输信道质量不同是影响TCP协议性能的重要原因。为了克服此问题，本文设计了一个基于跨层反馈的TCP控制方案，取名TCP-CR。TCP-CR主要包括拥塞窗口调整、TCP报文段大小选择、慢启动门限值更新三部分内容。并令TCP-CR*为TCP-CR的简化版，其只含有TCP-CR中的报文段大小选择模块。以TCP-newreno协议为版本实现TCP-CR与TCP-CR*。仿真结果显示，采用TCP-CR或TCP-CR*的协议性能都明显优于原TCP协议，同时TCP-CR的性能略高于TCP-CR*。这表明报文段大小的合理选择是影响认知网络中TCP协议性能的关键因素。　　
最后，总结了当前慢启动算法的主要缺点，并结合CR的动态特性设计了一种自适应慢启动算法ATSS。ATSS继承了TCP-CR的慢启动门限值更新部分，同时当SU切换后也会根据TCP-CR选择的报文大小更新初始拥塞窗口值。此外，ATSS算法具有慢启动前期根据不同网络状况加速传输以及后期平稳增速的特点。通过仿真验证，ATSS算法性能优于标准慢启动算法，能更好的促进CR网络环境下TCP协议性能改善。