Tuning Radio Resource in an Overlay Cognitive Radio Network for TCP: Greed Isn’t Good

好吧，这是09年七月发布在IEEE Communications Magazine的一篇文章。

核心二个词：overlay cognitive radio network,tcp

讲的是，在认知无线网中TCP协议性能受影响的问题：为什么受影响，受到怎么样的影响，到什么程度。然后用NS2模拟，给出了一些结论。

总归的一些结论是：tcp在dsa网路中性能受影响的因素比传统网络多了一个，叫service interupption。其实就是由于Primer User的介入而导致的Second User的通信中断，最后导致tcp整体的吞吐量的下降。

正如文中提到的，tcp本来是设计用于有线网络的，可以控制网络拥塞，来提供可靠地、非实时地数据传输服务；后来用到无线网中，做了些优化调整；现在，到了Dsa网络中，也需要做些优化。至于怎么优化，肯定就要先了解是哪方面受到了哪些影响。然后可以对症下药。

好了，文章都讲了些什么呢？

首先是CR网络的发展演变史，就是本来无线频段稀少，后来FCC的报告提出注册的无线频谱段利用率低，可以利用。然后就扯出了软件自定义无线电（SDR）、米勒教授的认知无线电（CR）。因为涉及到对已注册频段的”侵入“/使用，这个频段是属于已注册人的财产，进入就有了相关法律法规的讨论，美国的个人财产权利什么的。

其次是CR的体系架构、技术之类的。就介入方式而言（access technique），可以是overlay的或是underlay的。overlay是寻找频谱空洞、伺机利用。underlay则是可以利用所有的频谱，但是是以低于Primer User的噪声阈值为代价的。文中后面的研究都是基于overlay的。至于架构，是可以中心化或者分布式的，分布式就类似于Ad hoc网络了。文中后面的研究也都是基于分布式的。

再然后就是说明了CR网与传统网路中TCP面临的不同问题，阐述研究的必要性。对TCP性能有影响的关键有几点：1、网络拥塞、缓冲区溢出，且被认为是相关的。这在传统网络中是最常见的。2、信道错误。主要在无线网中，跟信道特点有关，比如终端移动的快慢、信道本身的性能等等。也可以被认为是相关的或独立的。3、是多用户间的碰撞冲突，跟MAC机制有关（CSMA/CA,802.11x系列采用的介质访问策略）。这些在有线及一般的无线网中都是常见的，且都被充分研究过了。然后，对于CR网络，多了一个：PU的介入导致的SU通信的中断。这是对CR网络中TCP性能影响的新的重要因素，也是后面研究的原因。

最后就是NS2的模拟了，主要的几个变量是PU的个数、SU的个数、信道的数量、PU的load factor （A）、TCP的整体吞吐量

首先是实验的model

控制变量、得出了几组结果

1.在没有PU的情况下，SU可用的信道越多（Ls），TCP整体的吞吐量越大，也符合Ad hoc网络的情形。

2.在存在PU的情形下，并不是SU可用的信道越多，TCP整体的吞吐量越大，这就是对应了论文题目中的（Greed Isn't Good）

3.load factor(A)可以理解为PU出来捣乱的概率大小。PU越大，SU受到的service interupption越多，其TCP性能就会降低

4.在二中我们看到会有一个最优的Ls存在，这里就是探究load factor(A)对Ls的影响。

最后再总结一句呢，DSA网络中的TCP性能受到PU介入引起的service interruption的影响，导致性能下降；同时存在一个SU要使用的最优的信道个数。正如题目所言，Greed Isn't Good。

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update.2013.11.05

论文中对DSA的模拟是这样的。总共有X个信道，其中SU至多占有Y个，（X>Y），即，始终有X-Y个信道是对PU可用的。那么当PU选择信道时，如果预留信道有空闲，那么就选取一个预留信道；如果预留信道全部已被其他PU占有，那么其选取一个空闲的Y个信道中的一个；如果Y个信道全部被占用，那么其就强迫一个SU停止传输数据，并使用其信道（这就涉及到，每个信道都要标记当前使用者是PU，还是SU，是可以被识别）。

但是这种模型，应该是很不符合实际场景的。DSA的核心就是：在不打扰PU的情形下，SU伺机占有空闲信道；一旦SU检测到PU的信号，便空出信道，转到其他可用信道。所以，这其中：

1.PU是不需要做任何事情的，PU只需要保持当前的策略使用即可。不需要在协议、体系上做任何修改。

2.不存在预留信道的问题。不管PU之间是否有竞争，SU的存在对其都应该是不可见的。信道对其都应该是可用的。

问题的关键在SU：

1.如何判断信道空闲。

2.如何判断PU的出现。

3.如何区分PU和其他SU？

4.SU之间的共享。

还不清楚的是：PU多个信道的选择，PU之间的竞争。

猜测应该是：PU在任一个信道上传输，是采用CSMA/CA协议，因而多个PU之间的竞争是介质共享的。至于信道的选择，就只取决于自身的策略。

对于SU之间的共享，论文中其实是每个SU单独占有一个信道。这样，就不用考虑共享的问题了。如果忽略共享，要模拟一个典型的DSA网络，应该具有以下特点：

1.多个（授权频段）信道，（单个授权频段应该会有多个信道。另外，非授权频段始终对SU可用，可以用来传递控制信息）

2.每个信道，PU随机接入的模拟。

3.SU周期性嗅探和发送数据。嗅探时，维护空闲信道列表（既没有被PU、也没有被SU占用的信道）。发送时，从维护的信道列表中选取一个信道发送数据。发送数据时，如果检测到PU（HOW?单从模拟实现上，信道状态设为ON OFF两个，然后在发送的时候，检测信道状态，如果ON，则重新进入嗅探周期；否则发送。），迅速停止发送，马上进入嗅探周期。没有检测到PU，发送周期结束，同样进入嗅探周期，循环。

那我的一个问题是：发送的时候，如何检测到PU的到来,又怎么区分SU、PU？

但其实，实际的DSA分为基站式的，Ad-hoc网络的。

在Ad-hoc网络中，实际的问题还包括：

1.两个节点发送数据时，上一个节点要和下一个节点协商使用哪个信道，要有一个协商过程，然后才能开始传输。如何设计这个过程，以及信息的涉及、包的设计。

2.多个节点路由时，中间节点既要和上一个节点协商使用哪个信道，又要和下一个节点协商使用哪个信道。一个节点可以同时使用不同信道，还是其他方式，这是如何实现的？

3.路由呢，路由协议使用哪个信道通信呢（非授权频段的信道？）？建立完路由后，在实际数据传输的时候相邻节点之间再协商具体使用哪个信道？

如果使用非授权频段信道建立路由，但在数据传输的时候，根本没有可用的授权频段用来传输数据，那该怎么办？

基站式呢，（待补充。）

另外，上面考虑的是单个信道只有一个SU的情况，如果是共享呢，会不会带来更大的复杂性（比如信道占用者身份的区分，SU？PU？以便做出是否空出信道的决策），还是说不会有很大策略上的变化。

最后，如果我只是单纯的模拟信道切换对传输层带来的变化。我是不是可以这样简化模拟的模型：

1.一对节点相互通信（忽略掉路由设计），多个授权频段信道。每个信道施加数学模型，模拟ON、OFF两种状态。发送节点维持嗅探、发送周期（引申出的另外的问题：接受节点需要嗅探么？Ad-hoc中每个节点都要嗅探？因为既作为发送节点，又作为接受节点，根本因为每个节点都是是路由节点、中间节点。基站式呢？）。全局维持一个变量，记录发送节点选择的信道。再维持一个列表，记录每个信道的ON、OFF状态。发送节点在每次发送时，检测列表中选定信道的占用状态，如果空，则发送；否则，则进入嗅探期，更新可用信道列表（或者直接查询全局信道列表），选择一个空闲信道，更新全局变量。然后在嗅探期结束后，在新信道发送数据。接受节点在每次接受时，查询全局变量，，在全局变量指定的信道接受数据。

这样，模拟了频谱的动态切换，可以用来测量频谱切换对传输层性能的影响。（这里面，频谱切换本身的时间是忽略不计了的，只有嗅探周期带来的开销。此时链路层简单的drop包（维持一个时钟，时钟范围内，drop包），因而上层TCP会自然的会做出反馈）

2.如果是多对节点通信呢。在1的基础上拓展的话，再实现一个全局列表，记录当前信道是否被占用（第二个信道列表，第一个只记录PU产生的占用信息），如果占有，被哪个节点占有的信息（0为没有占有，大于0的数代表占用的节点）。在脚本构建拓扑的时候，对接收节点，指定发送节点是谁，并记录到节点的一个变量。

这样，在发送时，由发送节点选择信道，（考虑全局信道列表的占用，如果空，再考虑第二个全局信道列表的占用，如果也空，即没被另外的SU占用，则可以选择。）

在接收时，根据记录的发送节点，查询第二全局信道列表，查到使用的信道，然后在此信道接收。

3.如果使用包策略，让节点通信，交流信道选择信息呢，如何实现？设想如下：

嗅探期，发送者嗅探信道，选择空闲信道，然后向下一跳节点发送packet，包含有以选择的包信息；接收方在接收到包后，根据自身的无线环境进行决策，决定是否接受发送方的发包要求。如果接受，则发送反馈信息给发送方，并做好接包准备（在一段时期内不进行其他传输？实际情况是怎么样的呢？）；如果不接受，同样发送反馈信息给发送方。

发送方在接收到反馈信息后，如果接收方接受，则等待嗅探期结束后，开始发包；如果发送方不接受，则重新选择，再发送请求；如果没有空闲信道，则等待。（此时链路逻辑断开）

（或者在发送方向接收方发送所选择的信道时，可以发送一个可选信道的列表而不是一个信道，这样接收方选择的范围更大，接受的可能性更大，建立连接的可能性更大。）

问题：实际当中，多个SU是如何避免碰撞的。相互之间是如何合作的。

当然，模拟的时候，可以不考虑那么多，只采用包策略来传输信道选择信息。就能满足我们的需求了（信道切换对传输层性能的影响）。

最后，总而言之，我们可以用最后提到的模拟方案，来模拟我们的实验。至于关于DSA更多外延的问题，比如上面红字提到的，对PU的检测、PU/SU的分辨、路由的设计与信道选择，是实际真是网络环境下需要考虑的问题。可以慢慢再去了解。