La compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4G

By 18 July 2013

“…technologies pour réseaux mobiles (2G, HSPDA) et maintenant LTE offrent des débits de plus en plus importants atteignant jusqu’à 100Mbps. Ces débits permettent alors l’accès aux services multimédia sur téléphone mobile. Au-delà des technologies de transport, LTE est basé sur un architecture « plate et tout-IP ». Cette évolution simplifie l’intégration avec l’architecture IMS qui permet l’inter-fonctionnement entre tous types de réseaux (fixe, mobile, sans fil).

La taille des paquets dans les flux multimédias associés à la voix ou à la vidéo est petite (20 à 60 octets); l’encapsulation RTP/UDP/IP utilisée représente donc une part importante du paquet (40 octets pour IPv4 et 60 octet pour IPv6), la compression d’en-tête RoHC (RObust Header Compression, défini dans le RFC3095 de l’IETF) permet donc une augmentation très importante de la capacité du réseau dans le cas de flux multimédias interactifs… »

Institut de la Francophonie pour l’Informatique
Institut de la Francophonie pour l'InformatiqueTelecom Bretagneréseaux cellulaires de type 4G réseaux cellulaires de type 4G

NEXTTV4ALL

Mémoire de fin d’études
Intégration de RoHC dans l’architecture de LTE

Master Informatique, option Systèmes et Réseaux

Utilisation de la compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4G (LTE/SAE)

Réalisé par : VU DINH Dau Promotion 13, IFI

Sous la direction de :
Loutfi NUAYMI TELECOM Bretagne
Xavier LE BOURDON JCP-Consult

CESSON-SÉVIGNÉ, FRANCE September, 2009

Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Loutfi NUYAMI qui a suivi mon travail théorique concernant l’architecture des réseaux cellulaires, et la recherche dans la grande quantité de documents de 3GPP. Il m’a donné également des conseils sur la méthodologie de recherche.
Je souhaite également remercier Xavier LE BOURDON. Il a été à la fois mon ami qui m’a aidé à l’adaptation à la vie en France et mon superviseur qui m’a donné des conseils sur le travail pratique concernant les tests de performance de RoHC.
Je voudrais aussi remercier Ana Carolina MINABURO qui a sélectionné ma candidature de stage, et donné fréquemment des commentaires forts utiles sur mon travail.

Je voudrais remercier Eric Poilvet qui m’a donné des conseils sur l’architecture de UMTS.
Je voudrais remercier Michel BADET qui a travaillé en coopération avec moi pour localiser et corriger des anomalies de performance de RoHCv1. Je voudrais également remercier Thomas Lefort qui m’a aidé sur la partie concernant RoHCv2.
Je tiens à remercier Jean-Marie BONNIN et Stéphane ROLLAND qui m’ont donné des conseils sur le plan de travail.
Je voudrais remercier Jean-Charles Point qui a financé pour mon stage, et donné un environnement professionnel favorable à mon travail.

Enfin, je voudrais remercier mon professeur à l’Institut de la Francophonie d’Informatique (IFI) qui n’ont donné des cours de réseaux afin d’avoir les connaissances de base pour réaliser ce stage.

Résumé  :

LTE (Long Term Evolution) est la dernière évolution d’une série de technologies cellulaires sans-fil GSM/UMTS/HSPA, en compétition pour être la norme de la quatrième génération de réseau mobile (4G). Les innovations au niveau de l’interface radio et de l’architecture « plate et tout-IP » permettent de réduire le délai d’accès et d’enrichir des services multimédia comme les services de télévision sur IP à haut débit. La compression d’entêtes RoHC (Robust Header Compression) est une technologie présente dans LTE à l’interface radio où la bande passante est limitée et coûteuse. RoHC permet de réduire la taille des paquets IP des applications multimédia dans lesquels la taille de payload est souvent petite par rapport à la taille d’entête. La deuxième version de RoHC (RoHCv2) simplifie l’implémentation de RoHC et améliore la performance dans le cas de handover. Elle est prise en compte dans l’architecture de LTE.

Dans ce document, nous analysons l’architecture de LTE afin de connaître l’intégration de RoHC dans ce système. Nos études montrent que RoHC prend place au niveau de la sous- couche PDCP, et que les profils de RoHCv1 et de RoHCv2 sont prévus. Nous étudions également le support de RoHC par LTE dans le cas de handover et dans les services de broadcast/multicast. Le deuxième axe de travail fut une campagne de tests sur l’implémentation de JCP-Consult. Elle montre que RoHC est très robuste contre des erreurs sur le lien radio, et peut réduire le taux de perte de paquets dans le cas de handover. RoHC permet d’économiser environ 40% de bande passante pour les applications audio et environ 10% de bande passante pour les applications vidéo. Cependant, RoHC introduit un phénomène de gigue au niveau applicatif.

Mots clés : réseau cellulaire, 4G, LTE, UMTS, PDCP, compression des entêtes RoHC, RoHCv2, IPTV.

Abstract  :

LTE (Long Term Evolution) is the latest evolution of GSM/UMTS/HSPA, the mobile broadband technology standards, toward the fourth generation of cellular wireless known as 4G. The innovations of LTE at the radio interface and the architecture “flat and all-IP” reduces the access delay and enrich the multimedia services such as the television over IP. Robust Header Compression (RoHC) is a solution of LTE at the radio interface to optimize the throughput of audio/video applications, where packets generally contain a large header in comparison with their payload. The second version of RoHC (RoHCv2) that simplifies the implementation of RoHC and improves the performance in handover is supported by LTE.

We analyze the architecture of LTE to integrate RoHC in this system. Our study shows that RoHC takes place at PDCP radio layer, profiles of both RoHCv1 and RoHCv2 are supported. We also studied the support of RoHC by LTE in handover and the services broadcast/multicast. The verification on the implementation of JCP-Consult proves that RoHC is very robust against errors in the radio link, and can reduce the loss rate in handover. It helps reduce about 40% bandwidth of VoIP flow and about 10% bandwidth of video flow. We, however, found RoHC introduces a little jitter to the multimedia flows.

Keywords: cellular network, 4G, LTE, UMTS, PDCP, header compression, RoHC, RoHCv2, IPTV.

1 Introduction
1.1 Contexte

Mon stage de fin d’études s’est déroulé sur une période de 6 mois à JCP-Consult, en coopération avec TELECOM Bretagne, dans le carde du projet NextTV4All du 16 Mars au 15 Septembre 2009.

Le projet NextTV4All (Next TV for all: télévision à venir pour tous) est un projet du Pôle Images & Réseaux, et s’inscrit dans le thème « télévision sur IP basé sur IMS » dans un environnement de convergence fixe-mobile. Le projet prend en compte les interactions entre les services audiovisuels interpersonnels et conversationnels et les services de IPTV[annexe du projet].

Les partenaires du projet sont: Alcatel Lucent, Devoteam, France Télécom, IRISA/Université de Rennes 1, JCP Consult, Le Télégramme, Neotilus, NEXCOM Systems, TELECOM Bretagne, Thomson Grass Valley, Thomson R&D France, Thomson Telecom.

JCP-Consult est une PME, située à Cesson-Sévigné, dans la périphérie de la ville de Rennes, dont le domaine d’activité se présente selon les deux axes suivants :

* Expertise, standardisation et montage de projets de Recherche et Développement, notamment concernant les projets de recherches européens ;
* Le développement de piles de protocole réseaux, notamment les protocoles de compression des entêtes RoHC.

Dans le projet NextTV4all, JCP-Consult participe à l’étude de la qualité de service « inter-couches », c’est-à-dire la corrélation entre métadonnées associées au contenu, signalisation, réservation de ressource et couche MAC. Cette entreprise participe également à l’étude des protocoles RoHCv1 et RoHCv2 au sein des architectures du projet (IMS, LTE). Enfin, elle implémente une pile RoHCv2 afin d’étudier les qualités et les défauts de ce protocole.

TELECOM Bretagne est une Grande École d’ingénieur généraliste et un centre de recherche international dans les sciences et technologies de l’information. Le département de recherche RSM (Réseau, Sécurité et Multimédia) de TELECOM Bretagne à Rennes est actif dans l’enseignement et la recherche sur les réseaux et en particulier sur la qualité de service et les nouvelles architectures.

Le département est actuellement impliqué dans plusieurs projets portant entre autres sur la QoS et les NGN (Next Generation Network), est membre du réseau d’excellence EuroFGI et participe à la standardisation de l’Internet à l’IETF. Dans le projet, une des contributions de TELECOM Bretagne est de réaliser des études sur la standardisation de RoHCv2.

Mon stage fut encadré en partenariat avec ces deux entreprises :
* Loutfi Nuyami, maître de conférences de TELECOM Bretagne, a suivi le travail théorique concernant des normes de 3GPP, en particulier, l’architecture de LTE.
* Xavier Le Bourdon, ingénieur de recherche de JCP-Consult, a suivi le travail pratique concernant les tests de la performance de RoHC.

1.2 Problématique

L’évolution des technologies pour réseaux mobiles (2G, HSPDA) et maintenant LTE offrent des débits de plus en plus importants atteignant jusqu’à 100Mbps. Ces débits permettent alors l’accès aux services multimédia sur téléphone mobile. Au-delà des technologies de transport, LTE est basé sur un architecture « plate et tout-IP ». Cette évolution simplifie l’intégration avec l’architecture IMS qui permet l’inter-fonctionnement entre tous types de réseaux (fixe, mobile, sans fil).

La taille des paquets dans les flux multimédias associés à la voix ou à la vidéo est petite (20 à 60 octets); l’encapsulation RTP/UDP/IP utilisée représente donc une part importante du paquet (40 octets pour IPv4 et 60 octet pour IPv6), la compression d’en-tête RoHC (RObust Header Compression, défini dans le RFC3095 de l’IETF) permet donc une augmentation très importante de la capacité du réseau dans le cas de flux multimédias interactifs. De plus RoHC a été adopté dans la release 5 de l’UMTS.

La première version, RoHCv1 (RFC 3095), est d’ores et déjà incluse dans les systèmes de téléphonie en cours de déploiement. Une seconde version de RoHCv2 (RFC 5225) est actuellement en phase de conception. Elle prend en compte des déséquencements de paquets entre compresseur et décompresseur, par exemple pour compresser les tunnels IP dans le cadre de la mobilité. Elle apportent également des simplifications pour RoHCv1. 3GPP a prévu d’intégrer cette version dans les futures architectures LTE.

Le projet NextTV4All a pour objectif de préparer les futurs services multimédia des réseaux IMS[1], à partir de l’analyse et du développement des différents services unitaires et des équipements. Le projet se terminera alors par une phase d’intégration des équipements et des services développés, permettant de vérifier la validité des choix techniques. Une des contributions de JCP-Consult est d’étudier et d’intégrer la compression des entêtes dans les réseaux. Les études visent à répondre à deux questions :

* Comment intégrer RoHC dans l’architecture de LTE ?
* Quel sera impact de RoHC sur les services de LTE tels que des applications audiovisuelles, et vice-versa celui du réseau tels que la mobilité et la diffusion broadcast/multicast sur la performance de RoHC ?

1.3 Intérêt personnel pour ce stage

* LTE est la dernière évolution dans une série de technologies de GSM/UMTS/HSPA dominantes, un candidat à la future 4G. Cependant, les réseaux mobiles actuels au Vietnam sont considérés à la génération 2,5G, et avec une évolution proche prévue vers 3G. De plus, 3GPP se composent la grande quantité de documents avec des évolutions continuelles sont la terre fertile pour faire des recherches et des développements.

* Je souhaite devenir un ingénieur de recherche, donc, une expérience dans un entreprise de Recherche & Développement comme JCP-Consult fut très formateur.

1.4 Objectifs de mes contributions

L’objectif principal de mon stage était de contribuer à l’état de l’art d’intégration de RoHC dans l’architecture de LTE. C’est une base de travail pour JCP-Consult dans le cadre du projet NextTV4All. Mes contributions sont donc :

* Dans le cadre du projet NextTV4All

Mon travail fut de contribuer à un état de l’art d’intégration de RoHC dans l’architecture de LTE qui étudie complètement des aspects de RoHC dans les réseaux LTE. Des études de documents indiquent l’endroit de la compression/décompression, les profils supportés, les paramètres et procédures définis dans la norme 3GPP. De plus, la recherche prend en compte la performance de RoHC dans le cas de handover et broadcast/multicast. Cela permet d’implémenter RoHC, d’envisager les impacts de RoHC avec la qualité de services, et de vérifier le choix de technologique.

* En interne pour l’entreprise JCP-Consult

J’ai développé un simulateur de fautes au niveau du lien radio, et un outil d’évaluation de la performance de RoHC. Le simulateur est capable de simuler des bits erronés, et des pertes de paquets. Les fautes peuvent être générées selon les différents distributions de Uniform, Gilbert simple (ou 2-states Markov), et Gilbert-Ellibott. Le simulateur permet dans la suite de simuler l’autre caractéristique telle que le problème de délai et déséquencement du lien radio. L’outil de test permet d’évaluer la performance de RoHC à partir des paquets « live » qui sont capturés du réseau.

Lors de mes tests de la performance de RoHCv1, j’ai trouvé des anomalies par rapport des évaluations de performance de manière théorique. Les discussions avec les ingénieurs à JCP-Consult ont permis de corriger des bugs dans l’implémentation. A la fin de mon stage, les résultats de tests sont raisonnables et correspondent aux attentes théoriques. De plus, j’ai comparé la performance de RoHCv1 de JCP-Consult avec une autre implémentation afin d’améliorer implémentation de JCP-Consult à l’avenir. Tout cela permet de refaire des tests avec l’implémentation de RoHCv2 qui est en train d’être développée.

1.5 Plan du document

La suite de ce rapport est organisée de la façon suivante. Le deuxième chapitre présente la série d’évolutions de technologies de 3GPP, des innovations, des caractéristiques principales de LTE afin d’indiquer ses interactions avec des services dont IPTV. Cette partie se concentre sur l’architecture de LTE qui permet de localiser la place RoHC dans la partie suivante. Le troisième chapitre 3 présente le protocole RoHC et les supports de RoHC dans LTE, la recommandation RoHCv2 et ses caractéristiques. Tous les aspects de RoHC envisagés par 3GPP release 8 sont étudiés tels que les paramètres de configuration, les profils, le processus de déclenchement, et la recommandation de RoHC dans le cas de handover et dans les services de broadcast/multicast. Le quatrième chapitre présente les résultats d’évaluation de performance de RoHC et les impacts sur la qualité de services. Les tests de performance sont réalisés à partir de l’implémentation de JCP-Consult. Enfin, une solution d’optimisation de transmission au niveau d’application par SIGCOMP est étudiée.

Table des matières  :
1 Introduction
2 EPS/LTE évolution de l’UMTS
2.1 Contexte de l’UMTS
2.1.1 Évolution de UMTS
2.1.2 Architecture de l’UMTS
2.1.3 Technologies concurrentes
2.2 Évolution LTE
2.2.1 Contexte et exigences
2.2.2 Architecture de LTE
2.2.3 Interface radio
2.2.4 La sous-couche PDCP
2.2.5 Couche physique
3 RoHC dans UMTS/LTE
3.1 Description de RoHC
3.2 RoHCv2
3.2.1 Motivation de proposition de RoHCv2 dans PDCP/LTE
3.2.2 Améliorations et autres différences de RoHCv2 avec RoHCv1
3.2.3 Les profils de RoHCv2
3.2.4 Compresseur et décompresseur
3.3 Recommandation de RoHC dans 3GPP
3.4 Support de RoHC au terminal
3.5 Procédure de déclenchement de RoHC
3.6 RoHC et handover
3.7 RoHC et MBMS
3.7.1 MBMS
3.7.2 RoHC et Broatcast/Multicast
4 Évaluation de la performance de ROHCv1
4.1 Objectifs
4.2 Scénarios
4.2.1 Modèle d’évaluation de performance
4.2.2 Choix de modèle de fautes
4.3 Pre-tests
4.4 Résultats
4.4.1 Taux de bande passante économisée
4.4.2 Taux de paquets perdus
4.4.3 Nombre maximal de paquets perdus successifs
4.4.4 Comparaison avec RoHC de Thales et Al
5 Conclusion et perspectives