认知无线电环境下tcp性能分析毕业(设计)论文正文.doc

苏州大学本科生毕业设计（论文）
目录
摘要 1
Abstract 2
第一章 绪论 3
1.1 引言 3
1.2 认知无线电的简介 3
1.3 TCP 技术研究状况 3
1.4 认知无线网络中 TCP 研究状况 4
1.5 本文的研究意义 4
第二章 TCP协议简介 5
2.1 引言 5
2.2 TCP拥塞控制机制介绍 6
2.2.1 慢启动 6
2.2.2 拥塞避免 6
2.2.3 快速重传与快恢复......................................................... 7
2.3 不同TCP版本拥塞控制算法 7
2.4 TCP 协议与认知无线网络 9
2.5 本章小结 9
第三章 认知无线电环境下TCP性能分析 10
3.1 引言 10
3.2 认知无线电环境下影响TCP性能的主要因素 10
3.3 频谱感知对 TCP 性能的影响 10
3.4 主用户活动对 TCP 性能的影响 11
3.5 频谱切换对 TCP 性能的影响 11
3.6 TCP协议自身的瓶颈对 TCP 性能的影响 11
3.7 本章小结 12
第四章 仿真分析与结果 13
4.1 引言 13
4.2 NS2 简介 13
4.3 认知无线网络下TCP仿真平台的搭建 13
4.3.1 仿真场景 13
4.3.2 不同TCP版本的拥塞窗口分析 15
4.3.3 不同TCP版本的吞吐量分析 18
4.4 认知无线网络下影响TCP性能的主要因素分析 21
4.4.1 主用户数对各种TCP版本性能的影响 21
4.4.2 感知时间对各种TCP版本性能的影响 22
4.4.3 信道数对各种TCP版本性能的影响 24
第五章 结束语 26
5.1 全文总结 26
5.2 展望 26
参考文献 27
致谢 28

II

苏州大学本科生毕业设计（论文）
摘要
认知无线电（Cognitive Radio）是时下无线电领域中最热门新兴的研究课题，同时，以认知无线电为基础的认知无线网络也得到了众多关注。但是在传输层及以上协议的研究相对少，譬如传输层控制协议。其基本思想是认知网络本身具有自我学习能力，与周围网络环境可以进行信息交互，频谱感知和使用探测到的空闲频段，从而限制或减少网络冲突的发生。
首先，分析介绍了认知无线电环境下影响TCP（Transmission Control Protocol）性能的主要因素以及评价指标。并且在无线环境下的基础上通过NS2网络仿真器搭建认知平台，仿真场景建立为：当主用户（PU，Primary User）想要占次用户（SU，Secondary User）信道时，通过基站的频谱监测、频谱分配，分配次用户（SU）到其他空闲信道继续通信。其次，在该平台下仿真分析了不同版本TCP例如TCP Reno、TCP Newreno、TCP Sackl和TCP Vegas的性能状况，主要包括拥塞窗口（cwnd）、吞吐量（Throughput）。最后研究主用户数、感知时间和信道数对TCP吞吐量的影响。
关键词：传输控制协议；认知无线电；网络仿真器；吞吐量；拥塞窗口

28

苏州大学本科生毕业设计（论文）
Abstract

Cognitive Radio(CR) is one of the most popular and cutting-edge research field in wireless communications. At the same time, the cognitive radio networks based on cognitive radio is getting more and more attentions. However, Researches on the upper protocol are relatively rare, such as the Transmission Control Protocol (TCP). Its core idea is that CR has the ability to learn and can mutual information with the surrounding environment, in order to perceive and use of the available spectrum in the space, and limit and reduce the happening of the conflict.
First of all, the paper analyzes the key factors and the evaluation index influencing the performance of TCP in the cognitive radio environment. And in the wireless environment constructs cognitive platform on the basis of NS2 network simulator. Simulation scenario is as follows: When the primary user (PU) want to occupy the secondary user (SU) channel, secondary users through the frequency spectrum monitoring, spectrum allocation of the base station, and then was assigned to other idle channel to communication. Secondly, analyses the performance status of different versions of TCP protocol in this platform such as Reno, TCP Newreno ,TCP Sackl and TCP Vegas, including the Congestion Window (CWND) and Throughput . Finally, this paper analyses quantitatively the primary use activity, after switching channel bandwidth and channel bit error rate on the influence of the TCP throughput.
Key words: TCP；Cognitive Radio；NS2；Throughput；Congestion Window

第一章 绪论
1.1 引言
认知无线网络由2种用户组成--主用户（PU，Primary User）和认知用户（SU，Secondary User）。主用户具有绝对的优先权，当主用户所使用的频段和认知用户重叠时，认知用户必须无条件的避让；认知用户（SU）则必须先感知空闲频段，才可以利用该频段进行数据传输，当发现主用户有通信活动时就立即停止传输，然后再重新感知空闲频段，并切换到其他空闲频段。所以有必要提高认知无线网络的传输性能，这是一个艰巨的任务，而且TCP性能即是影响认知无线网络传输性能的关键因素。
1.2 认知无线电的简介
作为一种前沿的新兴的无线电频谱资源解决理念，认知无线电的基本指导原则是：
u 频谱感知：认知用户（Cognitive Radio User，CRU）也可以称作次用户（Secondary User, SU）利用自己的频谱感知能力，对四周的无线电频谱资源环境进行感知，从而得出周围环境中的空闲频段；
u 频谱管理：利用频谱管理统一管理这些“频谱空穴”资源；
u 频谱分配：通过频谱分配和频谱接入技术帮助次级用户（SU）使用“频谱空穴”；
u 频谱切换：当次级用户（SU）需要避让主用户（PU）时，再运用频谱切换技术转到其它空闲频段继续进行通信。
1.3 TCP 技术研究状况
最早的版本是TCP Tahoe。之后又出现了几个改进后的TCP版本，其中TCP Reno是如今使用最广泛的TCP版本，该版本在Tahoe版本的基础上加入了快速恢复算法（Fast Recovery）；而TCP NewReno则是在Reno的基础上，改进了其快速恢复算法，从而使得能够在应付大量网络丢包的情况，却不至于降低TCP的传输效率；TCP Sack是Reno的又一种衍生版本，Sack使TCP发送端可以收到接收端返回的关于哪些数据段已经收到、哪些数据段还没未收到的ACK确认信息，并根据这些信息，在一个RTT时间内，重传遗失的分组数据包。
1.4 认知无线网络中 TCP 研究状况
传统 TCP协议是针对有线网络而设计的协议。有线网络中TCP所面临的问题只有网络拥塞一个问题。
然而，对于认知无线网络而言，其网络状况是很复杂的，认知无线网络中TCP所面临的问题也是多种多样的。所以有必要对认知无线网络这种新兴网络形态下的 TCP技术进行研究。
眼下，认知无线电研究的着重点主要在物理层、链路层（MAC）和网络层，而对于传输层的研究少之又少，特别是传输层的最重要协议——TCP协议，其对于充分利用网络频谱资源起到决定性的作用。因此，研究认知无线网络中TCP性能是很有必要的。
1.5 本文的研究意义
随着计算机网络的迅猛发展，各式各样的新兴的无线通信技术不断得到应用，这让本就有限的频谱资源变得益发匮乏。基于动态频谱接入技术的认知无线电技术可以有效地提高频谱资源利用率，以缓和无线频谱资源欠缺的问题。当下，认知无线电技术研究重点主要在物理层和链路层，对上层协议研究屈指可数。
第二章 TCP协议简介
2.1 引言
TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是一种面向连接的，端到端的，基于字节流的通信控制协议。其流量控制与拥塞控制机制的功能，提供可靠的数据传输服务。每收到一个TCP数据包TCP接收端就会向发送端返回一个ACK（确认信息），以告知发送端此封包已经被接收到。与此同时，TCP发送端便通过ACK来判断数据包是否被接收端成功接收。TCP协议在控制数据传输过程中体现出的主要特点为：
①TCP是面向连接的传输层协议。
②面向字节流。
无线网络环境中影响TCP性能的因素有：
① 无线链路误码率较高，会增大数据包丢失概率。
② 线终端的可移动性可能引起数据传输超时(越区切换时)，甚至造成路由中断(特别是在Ad hoc网络中)。
③ 链路层时延变化大 ，造成RTT或RTO的估计不准。
④ 较低的无线信道带宽致使发送端超时概率增大。
在TCP协议中， TCP拥塞控制过程是拥塞窗口（cwnd）首先进入慢启动阶段，窗口值（cwnd）以指数方式增长，当在拥塞窗口（cwnd）大于慢启动门限值（ssthresh）时，再进入拥塞避免阶段，以线性方式增长，如果检测到了有分组的丢失，进入快恢复阶段。本章先介绍这四个基本过程，然后就每个版本阐述具体的工作原理。

2.2 TCP拥塞控制机制介绍
拥塞控制其实就是通过一系列调控措施防止流入网络的数据量超过网络可以承载的能力。调控措施主要包括：慢启动、拥塞控制、快恢复、快重传和超时重传，TCP拥塞控制过程如图2.1所示。

图2.1 整个TCP拥塞控制过程

2.2.1 慢启动（Slow Start）
慢启动算法（slow start）是当TCP开始在一个网络中传输数据时，首先对网路实际流量进行试探性探测，防止因发送了过量的数据而造成网络拥塞。
当建立新的TCP连接时，拥塞窗口被初始化为一个报文段大小，慢开始算法的拥塞窗口（cwnd）初始值被设为1。发送端每发送一个封包后就停下来等待确认，每收到一个ACK确认信息，拥塞窗口（cwnd）值就加1，窗口值以指数形式增长，直至等于设定的慢启动门限值。
2.2.2 拥塞避免(Congestion Avoidance)
当拥塞窗口cwnd大于慢开始门限（ssthresh）时，慢开始算法结束，改为拥塞避免算法。该算法要求发送端每收到一个ACK确认时cwnd就增加1。其拥塞窗口cwnd值按照线性规律“加性增长(additive increase)”。
TCP利用ACK检测网络拥塞状况，在调整发送端的传送速度时，以ssthresh和cwnd的值来区分慢开始或拥塞避免，如式（2.1）所示

（式2.1）
2.2.3 快速重传与快恢复(Fast Retransmission and Fast Recovery)
当发现超时或收到三个重复ACK时，就认为出现了网络拥塞。就进入快重传阶段，“乘性减小”。慢启动门限值（ssthresh）被设置为出现网络拥塞时拥塞窗口（cwnd）的1/2。
快恢复算法与之前的算法不同的地方在于：
（1）与慢启动算法不同之处是拥塞窗口cwnd起始值不设为1，而是设为慢开始门限；
（2）若发送端收到的重复ACK确认为n（n>3），则将窗口值cwnd起始值设为慢开始门限；
2.3 不同TCP版本拥塞控制算法

图2.2 TCP版本演进图

① TCP Tahoe：
TCP Tahoe 主要有3个机制去控制数据流大小和拥塞窗口（cwnd）：slow start，congestion avoidance，and fast retransmission。慢开始机制（slow start）：当TCP连接建立时，把拥塞窗口（cwnd）的大小初始化，设为1，把慢开始门限（ssthresh）设定好。
拥塞避免机制：为了在发生拥塞的情形下控制流量，TCP Tahoe 使用AIMD，只要有一个包丢失就认为网络发生拥塞，Tahoe会把ssthresh 设为当前cwnd的1/2。并且回到慢开始的状态，之后， 拥塞窗口（cwnd）继续以指数增长；当再次达到ssthresh 时，cwnd会以线性增长来避免拥塞（即拥塞避免算法）。
快重传机制：当收到三个重复的ACK时，不用等到RTO（Retransmit Timeout），即超时重传定时器溢出，会认为出现包丢失，并马上重传丢失的封包。

② TCP Reno：
  Reno 是时下使用最为广泛的TCP版本。 Reno另增加了一个机制： 快恢复（Fast Recovery）；快恢复机制：当超过了RTO却未收到某个数据报的ACK或是收到3个重复的ACK确认，Reno 就认为出现包丢失了，并认定网络发生拥塞。这时Reno就会将慢开始门限（ssthresh）设置为当前拥塞窗口（cwnd）的1/2，但并不会像Tahoe回到慢开始状态，而是设定cwnd为此时的门限值（ssthresh），之后，拥塞窗口（cwnd）则维持线性增长。

③ TCP New Reno：
TCP NewReno是在Reno的基础上修改了TCP Reno的快速恢复算法，即发送端按照接收到的应答包，判定该怎样调整拥塞窗口（cwnd）的大小。
TCP NewReno通过一个叫Partial ACK（“部分确认”）包在快恢复阶段促使封包的重传。当在数据传输过程中有多个封包丢失后，Newreno在快恢复阶段每隔一个RTT重传1个丢失的封包，直到拥塞窗口（cwnd）的所有丢失的封包都被重传，才退出快恢复状态。

④ TCP SACK：
由上面介绍可知TCP Newreno可以解决大量封包丢失的问题，但是NewReno在每一个RTT（往返时间）时间内只能更正一个封包丢失。
TCP SACK是Reno的另外一个改进版本。在该版本中，加入了SACK（selective acknowledgement，选择性应答）选项，允许接收端在回传重复确认（duplicate ACK）时，将已收到的数据区段回传给发送端。由这些信息，发送端就知道哪些是已经收到的，哪些是该重传的，所以SACK的发送端能够在一个RTT时间内重传一个及以上的分组。

⑤TCP Vegas：
Vegas改进了重送机制，以便能尽早的检测出是否有封包丢失并立即重送丢失的封包。当收到一个重复的ACK时，Vegas就会注意RTT是否大于超时的值，已检查是否有超时发生；若是，则不必等三个重复的ACK，直接重送封包。TCP Vegas通过观察RTT的变化来控制cwnd的大小。其拥塞控制算法公式如下：
（式4.1）

（式4.2）

（式4.3）

Vegas是通过对比预期传送率和实际传送率来控制cwnd的大小。当Diff的值大于β值时，则说明传输太快，应减少cwnd以减缓传送速率；反之，当Diff的值小于α时，则应该增加cwnd值以提高传送速率。当α<Diff<β时，则保持cwnd值不变。
α的默认值是1，β的默认值是3。

2.4 TCP 协议与认知无线网络
认知无线网络是以认知无线电为基础的一种网络，该网络既具有认知无线电的特点，又有无线网络的特点。
认知无线电的最大特点是频谱的频繁变化，频谱的频繁变化必然导致传输的
中断或者路由的频繁分割和重组。
无线网络的特点则是信道的不稳定性，还有高误码率，是一种很不稳定、
很不可靠的网络。由于外界对无线信道的干扰，导致无线信道具有很高的误码率、
传输延迟变化大，进而引起路由频繁中断重组或者频繁分割，最终导致传输层频繁超时、频繁重传、频繁减小发送窗口值大小，严重影响了TCP 协议的性能。
总之，认知无线网络中的 TCP 需要考虑的影响因素比较复杂，不再单单是网络拥塞这样一个单一的因素，这些因素将是我们研究的重中之重。
2.5 本章小结
本章首先对TCP拥塞控制机制基本原理做了简介；其次，介绍了不同TCP协议及TCP协议的版本演变过程；最后，了解了认知无线网络的一些特性。
第三章 认知无线电环境下TCP性能分析
3.1 引言
认知无线网络不同于传统网络，有许多不同于传统网络的独有特征，同时也就面临众多新问题。
认知无线网络是以认知无线电技术为基础的网络，认知无线电技术的特有属
性影响着认知无线网络的特性。认知无线网络既有无线网络的特征，还有认知无线电的特性。总而言之，认知无线网络的特征可以归纳为：信道的不稳定、传输延迟大、频谱变化频繁和高丢包率。
目前，对于认知无线网络环境下TCP协议的研究还比较少，而且研究重点主要集中于物理层，MAC层和网络层。本章主要是分析认知无线网络环境下TCP协议性能，深入分析影响TCP性能的关键因素。
3.2 认知无线电环境下影响TCP性能的主要因素
认知无线网络中次用户（SU）的通信质量很大程度上依赖于主用户的活动，这也就之前所讲的认知无线网络区别于传统无线网络的本质。主用户对频谱的占用就得迫使相关次用户做出相应的调整，图3.1描述了主用户和次用户共享频谱资源的动态接入过程。

图3.1 动态频谱接入过程

3.3 频谱感知对 TCP 性能的影响
认知无线电的另外一大特性就是：认知用户为了避免对主用户造成有害的干扰，必须周期性地探测频谱，在频谱探测阶段，认知用户是不能发送任何信息的，那么这样就造成了一定时间的传输中断，TCP在这个阶段是不能发送分组的。所以周期性的频谱探测必然导致周期性的TCP传输中断，这同样会引发TCP的重传超时器超时，引发TCP进行不必要的拥塞控制，降低了TCP的频谱利用率，降低其有效吞吐量。
3.4 主用户活动对 TCP 性能的影响
认知网络中主用户（PU）对授权频段具有绝对的优先权，而次用户则很可能在占用空闲频谱过程中，因为主用户的出现而退让出频谱。认知网络中次用户（SU）为避免干扰主用户（PU）而动态使用频谱空洞会产生一种新的数据丢失原因——服务中断包丢失。这种新的丢包原因取决于主用户（PU）的活动频率，所以主用户（PU）活动越是频繁，则次用户（SU）传输数据的时间就变得越少。问题在于当服务中断包丢失出现时，现有的无线TCP协议同样无法识别，会像对待网络拥塞丢失一样，进行拥塞控制。

3.5 频谱切换对 TCP 性能的影响
在认知无线网络中，次用户（SU）在进行频谱切换时会产生一定的切换延时。当可用频谱空穴较多时次用户切换比较容易，产生的切换时延也相对较小，然而在主用户活动较频繁时，次用户（SU）可获得的频谱空穴较少，切换延时也相对较长，且切换时次用户间因竞争频谱空穴造成冲突的机率也对应增大。
实现可靠TCP协议的关键因素是超时重传机制，即参数超时重传时间（RTO）。RTO又是根据RTT（往返时间，即传输伦次）来设置的，而RTT与用户使用的频段密切相关。当次用户（SU）所用信道带宽较大时，传输速率较快，RTT的值自然就较小。当信道带宽较小时，RTT的值也就较大。即会让RTO过大，从而对传输层协议造成不利影响。
3.6 TCP协议自身的瓶颈对 TCP 性能的影响
慢启动：在TCP连接刚建立时，为了避免立即把大量数据注入到网络中而引起网络拥塞，将拥塞窗口（cwnd）值初始化为1。每收到一个ACK，拥塞窗口（cwnd）的值就被加1，直至设定的慢开始门限值。由慢开始算法可以看出，拥塞窗口（cwnd）在该阶段是以指数方式增长，但在慢启动过程的持续期间内，TCP实体的整体数据传送能力较低。
快恢复：在收到某一报文段的3次重复ACK时，发送端TCP立即重传丢失的报文段，并将慢开始门限（ssthresh）减为当前窗口值的1/2，把拥塞窗口（cwnd）减半，然后继续以线性方式增加拥塞窗口（cwnd）。在认知网络环境下，盲目的减小拥塞窗口（cwnd）值同样会降低次用户（SU）对信道可用带宽的利用率。
3.7 本章小结
本章分别从四个不同方面分析了认知网络下影响TCP性能的主要因素：
（1）频谱感知对 TCP 性能的影响；
（2）主用户活动对 TCP 性能的影响；
（3）频谱切换对 TCP 性能的影响；
（4）TCP协议自身的瓶颈对 TCP 性能的影响。
第四章 仿真分析与结果
4.1 引言
Ø 仿真平台：基于NS2网络仿真器
仿真的基本条件：
Ø 硬件条件：普通个人计算机一台；
Ø 操作系统：LINUX 操作系统 Fedoral 14;
Ø 仿真软件：NS-2.31；
Ø 辅助软件：GNUPLOT，NAM。
4.2 NS2 简介
NS2 是指Network Simulator version 2，NS是一种运用于网络技术的源代码开放、免费的网络仿真软件。发展至今，它所包含的模块已经涉及到网络技术的各个方面。所以，NS也就成为了当下最为广泛使用的网络模拟仿真软件。
目前NS2已经实现的模块主要有：
Ø 网络传输协议：TCP和UDP；
Ø 业务源流量产生器：CBR 、FTP、Telnet、Web和VBR；
Ø 路由队列管理机制： Droptail、RED和CBQ；
Ø 路由算法以及无线网络（WLAN）和卫星通信网络等模块。
4.3 认知无线网络下TCP仿真平台的搭建
搭建认知无线网络中的TCP仿真平台的主要目的：模拟认知无线网络场景，模拟认知无线网络的独有特征。
搭建认知无线网络中的TCP仿真平台的主要方法：主要是利用NS2的组织调度机制、OTCL语言、TCL脚本语言。
4.3.1 仿真场景
采用NS2仿真工具，在认知无线网络环境下进行仿真，网络仿真场景如图4.1所示。

图4.1 认知网络仿真场景

仿真采用TCP/FTP连接方式，性能评估参数主要是拥塞窗口（cwnd）和平均吞吐量（Average Throughput）。表4.1是仿真参数环境的设置，仿真时间为25s，采样间隔为0.01s。

参数名
参数值
信道类型
WirelessChannel
Mac类型
Mac/802_11
传播模型
TwoRayGround
路由协议
AODV
节点个数
2
数据包大小
512字节
传输范围
500
仿真时间
25s
采样间隔
0.01s
表4.1 仿真参数环境

基本仿真参数：
l 2个认知用户（SU），感知时间为0.1s，传输时间为1s；
l 主用户（PU）信息为2对主用户节点，主用户到达时间为=2s，退出时间为=10s，传输范围是500；
l 认知网络信息：11个无线信道，每条信道的带宽为2Mbit/s，信道传输延迟为0.02s；
4.3.2 不同TCP版本的拥塞窗口分析：
SU在传输过程只建立一条TCP连接，数据源为FTP，仿真时间为25s。每隔0.01s记录一次TCP窗口值（cwnd）和吞吐量（throughput）。第二章已经介绍了不同TCP版本的区别，以及TCP版本发展过程。这里主要研究TCP Reno、Newreno、Sack1、Vegas四种版本的窗口值变化和吞吐量变化。

仿真结果分析：
由图4.2可知，认知无线网络下，TCP Reno的拥塞窗口变化，在刚建立TCP连接时，cwnd由初始值1开始增长，以指数方式进行慢开始算法阶段，达到慢开始门限值后，改为拥塞避免算法，cwnd以线性增长，当收到3个重复的ACK或超时，则认为出现网络拥塞，将ssthresh设为出现拥塞是cwnd的一半，重新进行慢开始阶段和拥塞避免，之后将窗口值上限设为新的ssthresh，进行正常数据传输。
如图4.3和图4.4所示，TCP Newreno和TCP Sack1的拥塞窗口变化。同样的，在刚开始阶段，都要进行一次流量监测，cwnd增长到出现网络拥塞，再把窗口值减半，设置新的ssthresh，保持稳定的窗口变化来传输数据。
如图4.5所示，TCP Vegas的拥塞窗口变化。其窗口变化与其他3种TCP有较大的不同，主要是因为其他TCP是通过增加cwnd值来探测可用的频宽，而Vegas是通过比较预期的效果和实际效果来控制拥塞窗口的值。
如图4.6所示，是4种版本的TCP的拥塞窗口变化放在同一张图对比，从对比可以看出，TCP Newreno和TCP Sack1在该仿真环境下的性能最好。

图4.2 认知网络下，TCP Reno的拥塞窗口变化

图4.3 认知网络下，TCP Newreno的拥塞窗口变化

图4.4 认知网络下，TCP Sack1的拥塞窗口变化

图4.5 认知网络下，TCP Vegas的拥塞窗口变化

图4.6 认知网络下，4种不同TCP的拥塞窗口变化对照图
4.3.3 不同TCP版本的吞吐量分析：
评价TCP性能状况的又一个重要指标是吞吐量，吞吐量（Throughput）描述的是单位时间内允许传输的比特数，单位为Mbit/s，是信道传输能力的体现。
仿真结果分析：
由图4.7，图4.8，图4.9，图4.10可知，4种TCP版本的吞吐量都不一样，TCP Reno的吞吐量最小，TCP Newreno和TCP Sack1吞吐量最高，其中TCP Sack1的吞吐量变化图性能最强。从图中可以看出，在吞吐量为0的情况是出现主用户及SU中断通信的时间段，从吞吐量主要集中的范围可知各种版本的TCP平均吞吐量的大小。
图4.11是四种TCP的吞吐量对比图，从中可以更明显的看出不同TCP的性能状况。

图4.7 认知网络下，TCP Reno吞吐量的变化

图4.8 认知网络下，TCP Newreno吞吐量的变化

图4.9 认知网络下，TCP Sack1吞吐量的变化

图4.10 认知网络下，TCP Vegas吞吐量的变化

图4.11 认知网络下，4种不同TCP吞吐量变化对照图
4.4 认知无线网络下影响TCP性能的主要因素分析：
在第三章已经分析了认知无线网络下影响TCP性能的主要因素，主要有主用户活动、频谱感知、频谱切换和TCP协议自身的瓶颈等。在本章主要从主用户数、认知用户感知时间及信道数分析，通过对比平均吞吐量研究TCP性能状况。
4.4.1 主用户数对各种TCP版本性能的影响：
在基本仿真参数不变的情况下，只改变主用户数（nnPU），观察不同TCP性能状况。将主用户数设为2、3、4、5，比较TCP吞吐量的变化。

仿真结果分析：
由表4.2可以看出，随着主用户数的增加，TCP吞吐量均先减小，之后保持不变。其中，TCP Newreno的变化最大，TCP Vegas变化最小。由图4.12可知，当主用户数为4时，TCP吞吐量保持一定的值，再增加主用户数，吞吐量也不会再减小了。在认知无线网络下，认知用户（SU）需要避让主用户（PU），当主用户（PU）出现在认知用户（SU）所使用的频段时，SU必须无条件的让出信道，因为主用户具有绝对的优先权，SU通过频谱感知和频谱切换探测出频谱空穴，切换到空闲频段继续通信。所以主用户数增加，SU检测到主用户出现的概率增加，因此导致SU的TCP吞吐量减少。又因为主用户增加，同时也减少了SU频谱感知的时间，所以也在一定程度上增加了SU的传输时间，提高TCP吞吐量。

主用户个数
TCP版本
PU=2
PU=3
PU=4
PU=5
Reno
1352.8
1232.8
1068.0
1068.0
Newreno
1732.0
1340.0
1429.6
1429.6
Sack1
1732.0
1596.8
1352.0
1352.0
Vegas
1621.6
1540.0
1288.8
1288.8
表4.2 不同TCP版本在只改变主用户数的情况下平均吞吐量(kbps)的变化

图4.12 不同TCP版本在只改变主用户数的情况下平均吞吐量(kbps)的变化
4.4.2 感知时间对各种TCP版本性能的影响：
在认知无线网络中，频谱感知是个很重要的概念，是认知用户探测空闲频段的第一步。感知时间越短，认知用户的传输时间则越长，相对来说发送效率也就越高。

仿真结果分析：
由表4.3可以得出，在感知时间为0.1s时，TCP Reno的吞吐量最低，TCP Newreno和TCP Sack1的吞吐量一样，而在感知时间为0.3s时，TCP Vegas的吞吐量最低，TCP Reno次之，TCP Newreno的吞吐量最高。且由图4.13可以很明显地看出，感知时间的变化对TCP Vegas的影响最大，对TCP Reno的影响最不明显，从总体来讲，TCP Newreno和TCP Sack1的性能要比其他两种TCP版本好，能很好地适应变化中的感知时间。

TCP版本
感知时间
Reno
Newreno
Sack1
Vegas
0.1s
1352.8 kbps
1732.0 kbps
1732.0 kbps
1621.6 kbps
0.3s
1323.2 kbps
1396.0 kbps
1378.4 kbps
1082.4 kbps
表4.3 不同TCP版本在只改变感知时间的情况下平均吞吐量(kbps)的变化

图4.13 不同TCP版本在只改变感知时间的情况下平均吞吐量(kbps)的变化
认知用户的感知时间为0.1s时，TCP Newreno吞吐量变化：

图4.14 感知时间为0.1s时，Newreno吞吐量变化情况

认知用户的感知时间为0.3s时，TCP Newreno吞吐量变化：

图4.15 感知时间为0.3s时，Newreno吞吐量变化情况

图4.14和图4.15是选取一种TCP版本TCP Newreno，运用GNUPLOT工具将其在不同感知时间吞吐量的实时变化展现出来。从这两个图的比较中可以看出，增加了认知用户（SU）的感知时间，TCP吞吐量明显降低。而且从图中也可以看出感知时间的增加，即吞吐量为0时，次用户因主用户出现而感知频谱的时间段。
4.4.3 信道数对各种TCP版本性能的影响：
以基本仿真参数为基础，仅以信道数为变化条件，观察不同TCP的性能状况。
将信道数分别设为2、4、6、8、10，比较TCP吞吐量的变化情况。
仿真结果分析：
由表4.4可以看出，随着信道数的增加，4种版本的TCP的平均吞吐量都有增加。而且我们都会认为信道数越大，则平均吞吐量就一定是越大的。但是仿真结果告诉我们并不是这样的，由图4.16可以很形象地看出，在信道数为6时，4个版本的TCP平均吞吐量达到了最大值，之后再增加信道数，平均吞吐量反而会降低。究其原因，在刚开始，增加信道数，使得SU能获得更多时间在空闲频段上传输，从而提高TCP传输速率，即吞吐量提高；而在增加到一定的信道数，也会因为PU的出现而增加SU退避切换频谱的概率，从而降低吞吐量。

channel
TCP
2
4
6
8
10
Reno
1024.3
1380.1
1411.2
1387.2
1352.8
Newreno
1425.2
1742.3
1780.8
1745.0
1732.0
Sack1
1424.3
1740.0
1782.4
1741.4
1732.0
Vegas
1336.0
1643.5
1694.4
1650.3
1621.6
表4.4 不同信道数对TCP平均吞吐量的影响

图4.16 不同信道数TCP平均吞吐量变化

第五章 结束语
5.1 全文总结
针对认知无线网络的几大典型特征：信道占用、频谱感知、频谱切换、频谱变化频繁、高丢包率。 传统TCP在认知无线网络中会盲目地进行不必要的拥塞控制，从而导致TCP性能骤降。
认知无线网络中高丢包率是因为认知无线网络导致丢包的原因多且复杂。所以研究TCP的传输性能，必须根据认知无线网络的不同丢包原因，制定不同的解决方案。有针对性地进行重传，才能最大程度地提高重传的效率，提高TCP传输效率。
本文通过NS2网络仿真器完成了对认知无线网络中TCP仿真平台的搭建。仿真平台能够模拟认知网络的各种典型的网络场景。通过不同仿真场景的模拟，实现了TCP性能的分析，比较真实地再现了认知无线网络的真实状况。
5.2 展望
未来的研究方向可以从以下方面进行：
1、本文只是从三个角度研究认知网络的TCP性能，还可以从信道延迟、传输时间、次用户数的变化来模拟认知环境。
2、还有就是本文采用的研究性能的评估指标仅限于拥塞窗口和吞吐量，之后可以从端到端延迟、丢包率等方面研究性能。
3、TCP协议在认知环境下的研究还是比较少的，可以尝试对于TCP的跨层设计。
参考文献
[1] WANGXiaowei,SUNXuebin,ZHAOC