认知无线电网络传输层协议设计探讨

摘要：认知无线电是当前的研究热点，然而对认知无线电网络传输层协议的研究却很少。本文从认知无线电的概念出发，介绍了TCP在无线环境中存在的问题，以及改进无线TCP性能所需要考虑的因素，结合认知无线电自身特点，指出了进行认知无线电网络传输层协议设计的思路。

关键词：认知无线电；传输层协议；无线TCP；频谱切换

1 绪论

随着无线通信技术的飞速发展，频谱资源变得越来越紧张。尤其是随着无线局域网络（WLAN）技术、无线个域网络（WPAN）技术和无线城域网（WMAN）技术的高速发展，人们对宽带无线应用提出了更高的要求。而目前的频谱分配制度为固定频谱分配，将频谱分为2个部分：授权频段（LFB）和非授权频段（UFB）。大部分的频谱资源被用于授权频段，非授权频段的频谱资源要少得多，由于WLAN 、WPAN、 WMAN无线通信业务的迅猛发展，这些网络所工作的非授权频段已趋近饱和；而另一方面，相当数量的频谱资源的利用率却非常低。

为了解决上述问题，尽量提高现有频谱的利用率，就产生了认知无线电的概念，其基本出发点就是：在不影响授权频段的正常通信的基础上，具有认知功能的无线通信设备可以按照某种“机会方式”接入授权的频段内，并动态地利用频谱。这种在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被称为“频谱空穴”。认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空穴”并利用的能力。

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，这些方面的研究取得了重要的进展。但对于更高层，诸如网络层、传输层和应用层的技术，还没有深入地研究。本文则主要探讨认知无线电网络传输层协议可能遇到的问题以及设计思路。

2 无线网络TCP

2.1 TCP在无线环境中存在的问题

无线链路的高误码率、带宽有限、移动性等特性对网络传输层的影响可以归结为两个主要的方面，即分组丢失或损坏引起的问题和分组延迟引起的问题。此外，某些无线链路（如卫星链路）的不对称、大延迟带宽乘积对TCP的性能也有较大影响。

(1) 经常性的链路错误引起的问题

TCP发送方根据接收方返回的ACKs判断网络情况，它根据返回的ACKs、超时时钟或重复ACKs可以推断数据分组是否成功传输。然而这种方式缺乏判断误码原因的机制，只是简单地把每个分组的丢失归结为网络中发生了拥塞。显然，这种方式只适用于有线网络的情况。在无线链路情况下，常有因链路问题引起的丢包，如果简单地采用传统TCP的算法必然引起拥塞窗口的频繁调整、经常处于慢启动阶段，导致TCP连接吞吐量的急剧下降。

(2) 错误的丢包探测机制

标准TCP不能区分不同类型的错误(随机丢包、拥塞丢包等)，它把任何丢包都看作拥塞丢包并启动拥塞控制，而不管网络是否处于拥塞状态，因此而导致TCP性能有很大程度的下降。

(3) 较大的延迟或延迟抖动引起的问题

由于无线/有线混合网络中某些无线链路本身的延迟特性、切换和链路层重传机制都会导致端到端的较大延迟或延迟抖动。TCP重传时钟设置了RTT的上限。如果RTT突然增加，TCP段被严重延迟，RTO估计可能被超过，从而引起超时发生，相应数据被重传。如果数据仅仅被严重延迟而没有丢弃，是不必要重传的。此外，较大的延迟带宽乘积也会导致网络容量的低利用率。

(4) 带宽不对称引起的问题

TCP是利用接收方返回的确认信息调整发送方数据发送速率的传输层协议。在存在非对称信道的情况下，当传输确认信息的信道带宽远小于传输数据的信道带宽，确认信息的传输速率小于数据分组的传输速率时，TCP数据传输的吞吐量将受到确认信息返回速率的限制。

如果从接收端到发送端的带宽非常有限，那么一个应答数据可能要在接收端的传输点经历很长的排队时延，这会减慢TCP发送端的发送速率，降低吞吐量。因而在非对称的网络中，TCP连接的下行流就受到影响，尤其是在上行流已经占用了很大部分的带宽的情况下，几乎没有剩余的带宽供应答数据利用，从而更恶化了下行传输。

(5) 链路和路由中断引起的问题

蜂窝网络中，移动节点在小区切换时会有一个信号消失的阶段，在这个阶段，移动节点不能够接收到任何发送端的数据，这会造成发送端超时，TCP发送端会重传丢失的包并且启动拥塞控制，导致TCP性能下降。路由中断通常会发生在Ad hoc网络中，节点的移动会导致本次连接使用的路由中断，在重新计算路由的过程中，所有的数据包和确认包都会被丢弃，这将导致TCP发送端超时并启动拥塞控制。

2.2 改进无线TCP性能需要考虑的因素

现有的解决方案中有的或者失去了端对端的语义，或者存在公平性方面的问题，或者链路层的重传与TCP层的重传存在冲突。因此要想得到一个提升无线TCP性能的解决方案则需要能够区分出网络拥塞丢包和误码丢包；并且要能够适应复杂的无线环境；当然同时还需要考虑维护TCP的端到端的语义，保证数据分组可以可靠地传输到目的地以及能和现存网络TCP机制并存，并仅仅要求局部修改；还需考虑带宽共享的公平性等其他一些重要因素。

3 认知无线电网络传输层协议设计中需要考虑的因素

除了上述无线环境中TCP所面临的问题，认知无线电网络会因为自身的特点，而使传输层面临一些新的问题。

无线链路错误和链路延迟不仅仅跟接入技术有关，而且跟使用的频率、干扰的级别和可用带宽有关。在认知无线电网络中，由于认知设备会寻找空闲频谱并接入，所以认知设备会工作在频率、带宽、干扰都不同的信道上，进而导致丢包率和链路往返时间都不同。因此，为现有的无线接入技术而设计的无线TCP和UDP协议就不能用于基于动态频谱分配的认知无线电网络。

新的频段上信道繁忙程度可能会有所不同，也可能会采用新的MAC协议，这会导致链路接入延迟与之前的链路层延迟差别很大，从而影响到TCP连接的RTT。另一方面，新的频段上无线链路的误码率可能会更高，链路层可能会采用本地重传机制来恢复丢失的数据，以便给传输层提供较好的链路特性；然而链路层的本地重传所带来的附加延时会引起TCP伪重传超时问题，使得链路层和传输层的差错恢复相互冲突，进而引起吞吐量降低。另外，切换到新的频段时，带宽也可能会发生很大的变化，可能大幅度降低，也可能大幅度增加，网络资源能否得到充分利用也是需要考虑的问题。因此需要设计出能够动态适应这些变化的传输层协议。

认知无线电设备改变工作频率的过程称为频谱切换，在新的频率可用之前会有一定程度的延迟，这种延迟被称为频谱切换延迟，它会使RTT显著增加，进而导致重传超时RTO。对于传统TCP而言，此时TCP会认为有数据包丢失，然后启动拥塞控制机制，这将会导致吞吐量的下降。因此，为减少频谱切换的不利影响，需要设计出对频谱切换透明的传输层协议；另外，认知无线电网络中移动性管理也是一个非常重要的问题。这些问题的解决可能需要链路层和传输层合作的跨层设计方案。

4 结束语

由于认知无线电设备可能在通信过程中使用多个信道的特性，导致通信中RTT可能发生较大的变化；由频谱切换引入的频谱切换延迟也会对RTT产生影响，这些因素都会引起TCP超时重传，从而造成端到端的吞吐量下降。可见，认知无线电网络与其他无线网络在传输层遇到的问题既有共性，同时认知无线电又有其自身特点。

目前对无线TCP的研究日趋成熟，因此在进行认知无线电网络传输层协议设计时，可以在已有成果的基础上，结合认知无线电自身特点进行设计，例如在传输过程中遇到频谱切换时，可以对RTO冻结，使其不产生超时重传，待切换完毕再继续发送数据；另外，把可用带宽估计考虑进去，尽可能充分利用网络资源，进一步提高吞吐量；或者将链路层与传输层结合起来进行跨层设计等等。

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作者简介：胡晗（1970.6-），男，通信与信息系统硕士研究生，现襄樊学院物电系讲师，主要研究方向：智能网络控制与管理。