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

Transcription

1 NEXTTV4ALL Mémoire de fin d études Master Informatique, option Systèmes et Réseaux Utilisation de la compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4G (LTE/SAE) Réalisé par : Sous la direction de : VU DINH Dau Loutfi NUAYMI TELECOM Bretagne Xavier LE BOURDON JCP-Consult CESSON-SÉVIGNÉ, FRANCE September, 2009

2 Table des matières Glossaire des Abréviations Introduction Contexte Problématique Intérêt personnel pour ce stage Objectifs de mes contributions Plan du document EPS/LTE évolution de l'umts Contexte de l'umts Évolution de UMTS Architecture de l'umts...15 a) Architecture générale de l'umts...15 b) Architecture protocolaire de l'umts Technologies concurrentes Évolution LTE Contexte et exigences Architecture de LTE Noeuds principaux Architecture protocolaire...25 a) Plan de contrôle...25 b) Plan utilisateur Interface radio La sous-couche PDCP Couche physique RoHC dans UMTS/LTE Description de RoHC RoHCv Motivation de proposition de RoHCv2 dans PDCP/LTE Améliorations et autres différences de RoHCv2 avec RoHCv Les profils de RoHCv Compresseur et décompresseur Recommandation de RoHC dans 3GPP Support de RoHC au terminal Procédure de déclenchement de RoHC RoHC et handover RoHC et MBMS MBMS RoHC et Broatcast/Multicast Évaluation de la performance de ROHCv Objectifs Scénarios Modèle d'évaluation de performance Choix de modèle de fautes Pre-tests Résultats

3 4.4.1 Taux de bande passante économisée Taux de paquets perdus Nombre maximal de paquets perdus successifs Comparaison avec RoHC de Thales et Al Conclusion et perspectives...51 Bibliographie...52 Annexe A...54 Annexe B

4 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. UMTS. Je voudrais remercier Eric Poilvet qui m'a donné des conseils sur l'architecture de 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. 4

5 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 souscouche 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. 5

6 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. 6

7 Glossaire des Abréviations AAL2 ATM Adaptation Layer 2 AAL5 ATM Adaptation Layer 5 AS Access Spectrum AuC Authentication Centre BM-SC Broadcast Multicast Service Centre BSC Base Station Controller BTS Base Transceiver Station CDMA Code Division Multiple Access CS Circuit Switched CSCF Call Session Control Function CSCF Call Session Control Function E-CSCF Emergency CSCF EDGE Enhanced Data rates for Global Evolution EPS Evolved Packet System EV-DO Evolution Data Optimized FDD Frequency Division Duplex FEC Forward Error Correction GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile communication GTP GPRS Tunnelling Protocol HLR Home Location Register HSDPA High Speed Downlink Packet Access HSPA High Speed Packet Access HSS Home Subscriber Server HSS Home Subscriber Server HSUPA High Speed Uplink Packet Access I-CSCF Interrogating CSCF IM Instant Messaging IMS IP Multimedia Subsystem IPTV Internet Protocol Television ISI Inter Symbol Interference LTE Long Term Evolution M3UA MTP3 User Adaptation Layer MAC Medium Access Control MBMS Multimedia Broadcast/Multicast Service MIMO Multiple Input Multiple Output MME Mobility Management Entity MRF Multimedia Resource Function MTP3 Message Transfer Part Layer 3 MTP3B Message Transfer Part level 3 broadband NAS Non Access Spectrum NGMN Next Generation Mobile Networks Alliance OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access P-CSCF Proxy CSCF P-GW Packet Data Network Gateway PAPR Peak-to-Average Power Ratio PCRF Policy Control and Charging Rules Function PDCP Packet Data Convergence Protocol PS Packet Switched PSTN Public Switched Telephone Network RANAP Radio Access Network Application Part RLC Radio Layer Control RNC Radio Network Control RoHC Robust Header Compression RRC Radio Ressource Control S-GW Serving Gateway SAE System Architecture Evolution Single Carrier - Frequency SC-FDMA Division Multiple Access SCCP Signalling Connection Control Part SFN Single Frequency Network SIGCOMP Signaling Compression SIP Session Initiation Protocol SRAN Satellite Radio Access Network TDD Time Division Duplex UDVM Universal Decompressor Virtual Machine UE User Equipment UMB Ultra Mobile Broadband UMTS Universal Mobile Telecommunications System 7

8 Index des illustrations Illustration 1: Le débit des évolutions différentes de l'umts (le bleu présente le débit en théorie, le vert présente le débit que l'on espère, source : [5])...14 Illustration 2: Architecture de l'umts (release 99)...16 Illustration 3: Architecture de l'umts (release 5)...17 Ilustration 4: L'architecture protocolaire de l'umts dans le plan de contrôle (domaine de PS, release 5)...17 Illustration 5: L'architecture protocolaire de l'umts dans le plan d'utilisateur (release 5)...19 llustration 6: L'architecture générale du réseau LTE...22 Illustration 7: La différence entre enodeb (LTE) et NodeB (HSPA) au plan utilisateur [15]. 24 Illustration 8: Plan contrôle en couches [16]...25 Illustration 9: Plan utilisateur...26 Illustration 10: La deuxième couche de l'interface radio au sens descendant [16]...27 Illustration 11: La fonction de la couche PDCP [17]...28 Illustration 12: Procédure pour configurer et déclencher RoHC dans l'interface radio...35 Illustration 13: Modèle d'évaluation de performance de RoHC...40 Illustration 14: Pre-tests, le nombre maximal de paquets perdus est très haut dans O-mode...42 Illustration 15: Bande passante économique dans U-mode et BER = 0.0 avec des flux différents...43 Illustration 16: Taux de bande passante économisée VoIP AMR 12,2 kbps...45 Illustration 17: Taux de bande passante économisée VoIP AMR 23 kbps...45 Illustration 18: Taux de bande passante économisée Video H264 haute qualité...45 Illustration 19: Taux de bande passante économisée Vidéo H264 moyenne qualité...45 Illustration 20: Taux de paquets perdus VoIP AMR 12,2 kbps...47 Illustration 21:Taux de paquets perdus VoIP AMR 23 kbps...47 Illustration 22: Taux de paquets perdus Video H264 haute qualité...47 Illustration 23: Taux de paquets perdus Vidéo H264 moyenne qualité...47 Illustration 24: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP AMR 12,2 kbps...48 Illustration 25: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP AMR 23 kbps...48 Illustration 26: Nombre maximal de paquets perdus successifs Video H264 haute qualité...48 Illustration 27: Nombre maximal de paquets perdus successifs Vidéo H264 moyenne qualité...48 Illustration 28: Taux de bande passante économisée VoIP 12,2kbps...50 Illustration 29: Taux de paquets perdus VoIP 12,2kbps...50 Illustration 30: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP 12,2kbps...50 Illustration 31: Pile protocolaire avec la compression...55 Illustration 32: SIGCOMP Architecture...56 Illustration 33: La mémoire d UDVM...58 Illustration 34: Format of a SIGCOMP message...58 Illustration 35: Compression SigComp...60 Index des tables Tableau 1: Les profils supportés par LTE [17]...33 Tableau 2: Les paramètres sont définis par la couche supérieure de PDCP[17]...34 Tableau 3: Les différents flux pour évaluer la performance de RoHC

9 Tableau 4: Des anomalies de performance de RoHC de JCP-Consult...42 Tableau 5: Instructions d UDVM et les valeurs de pseudo code...57 Tableau 6: Ratio de Compression pour les messages SIP [45] 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 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 9

10 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 10

11 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 11

12 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. 12

13 2 EPS/LTE évolution de l'umts 2.1 Contexte de l'umts Évolution de UMTS UMTS comporte des évolutions qui sont définies par les releases suivantes : La première, release 99, est publiée mi Cette version utilise une nouvelle interface radio qui se base sur CDMA (l'accès multiple à répartition en codes). Il y a deux types de réseau d'accès : FDD et TDD (TD-CDMA). Les interfaces radio des deux réseaux d'accès sont supportées par l'atm. Le débit maximal dans le sens descendant est, en théorie, de 2 Mbps, et dans le sens montant est de 768 kbps. Le réseau du cœur se base sur le réseau de transport du GSM et GPRS. La release 4 de l'umts est terminée en mars Cette version ajoute la deuxième interface radio de type TDD, TD-SCDMA. Cette interface utilise un débit «chip» inférieur (1,28 Mcps) par rapport au TD-CDMA (3,84 Mcps) afin de s adapter à la bande inférieure (donc 6MHz) que la bande traditionnelle de TDD. La release 4 apporte une évolution importante dans le réseau cœur qui sépare la signalisation de la transmission («call and bearer separation»). En conséquence, le MSC se divise entre le serveur de MSC pour assurer le contrôle d'appel, et CS-MGW pour assurer la transmission. Le GSMC se divise également entre le serveur de GSMC et CS-MGW.[2] La release 5 est terminée en mars 2002, et apporte des évolutions significatives. Cette version inclut deux évolutions dans le réseau UMTS : le support d IP au niveau du réseau coeur et HSDPA. Le protocole IP est considéré afin de remplacer l'atm dans la couche de transport. Le mécanisme de HSDPA se base sur le canal radio qui est partagé entre tous les utilisateurs dans le sens descendant, sur l'évaluation en temps réel du canal radio, et sur la retransmission rapide (HARQ) afin d'augmenter le débit descendant, en théorie, à 14,4 Mbps. De plus, la nouvelle architecture IMS (IP Multimedia Subsystem) apporte une évolution importante dans le réseau cœur afin de mieux supporter des applications IP telles que : partage audio/vidéo, «video streaming», VoIP,... Et le SIP (Session Initiated Protocol) est le protocole principal d'ims afin de contrôler les sessions établies.[3] La release 6 est terminée en mars Cette version apporte le mécanisme de HSUPA afin d'accroître le débit montant maximal, en théorie à 5.76 Mbps. Le HSUPA utilise des 13

14 techniques comme HSDPA telles que HARQ, mais des canaux radio partagés sont remplacés par des «dedicated channels». La combinaison de HSDPA et HSUPA s'appelle HSPA. De plus, les services de MBMS permettent de diffuser de contenu en mode broadcast et multicast. Cette diffusion est utilisée souvent par des applications telles que la télévision mobile.[4] Illustration 1: Le débit des évolutions différentes de l'umts (le bleu présente le débit en théorie, le vert présente le débit que l'on espère, source : [5]) La release 7 est terminée en juillet Cette version apporte des améliorations sous le nom de HSPA+ pour HSPA. En théorie, HSPA+ permet au débit descendant d'atteindre 42.2 Mbps, au débit montant d'atteindre 11.5 Mbps. Le troisième choix pour l'interface radio 14

15 de type TDD a le débit chip de 7,68 Mcps. La technique de CPC (Continuous Packet Connectivity, Connectivité permanente pour les utilisateurs des services paquets) est utilisée pour diminuer l'interférence causée par des canaux «dedicated physical control» lorsqu'il n y a aucun utilisateur sur ces canaux. Cela permet au terminal de s éteindre après une période d'inactivité de ces canaux, donc de diminuer sa consommation d'énergie.[6] La release 8 est en cours d achèvement. Cette version apporte des évolutions significatives d'umts sous le nom de LTE. La comparaison des évolutions de l'umts est disponible dans la figure 1. La release 8 est terminée avec des exigences de haute priorité et des caractéristiques essentielles. La release 9 développe les caractéristiques manquantes. La release 10 se concentre sur LTE-Advanced Architecture de l'umts a) Architecture générale de l'umts L'architecture générale du réseau UMTS se compose d'un réseau d'accès et d'un réseau cœur (figure 2). Le réseau d'accès (UTRAN) regroupe des fonctions permettant de transmettre des informations (trafic de données et trafic de signalisation) de l'utilisateur vers le réseau cœur. Il se compose des NodeB et des RNC (Radio Network Control) qui correspondent respectivement à la BTS et au BSC dans l'architecture GSM. Le RNC sert à la gestion de ressources radio, et du «soft handover» par exemple. Il contrôle un ou plusieurs NodeB via l'interface Iub. Un NodeB peut servir une ou plusieurs cellules. Le NodeB s'occupe de la transmission et de la réception du signal radio, de la modulation/démodulation, du codage de canal, l'adaptation du débit de transmission, élargissement/des-élargissement, et du contrôle de la puissance d émission, et de la synchronisation.[7] Le réseau cœur regroupe des fonctions permettant l'acheminement des données d'utilisateur vers la destination correspondante, la gestion d'appel, de la mobilité, de l authentification, de la sécurité des échanges et de la taxation. Dans le rôle d'acheminement, le réseau cœur se compose de serveurs et de passerelles qui se divisent entre deux domaines principaux: le domaine CS (domaine de commutation de circuits) et le domaine PS (domaine de commutation de paquets). L'autre domaine est le domaine de broadcast (BC) afin de 15

16 transmettre des messages de broadcast. Le domaine de CS comprend le MSC, VLR et GSMC servant à communiquer avec les réseaux de téléphonie donc PSTN, et PLMN. Le domaine PS comprend le SGSN et le GGSN servant à communiquer avec les réseaux tels que Internet. En communiquant avec les bases de données partagées telles que HLR, EIR, AuC, les composants réalisent également les fonctions de gestion des utilisateurs, de la taxation, et de la sécurité. Le réseau cœur n'est pas obligatoire reliée à l'utran, mais supporte aussi d'autres technologies d'accès radio telles que HIPERLAN 2, IEEE , et SRAN (Satellite Radio Access Network). Rel 99 Uu NodeB Iub RNC Iu MSC/VLR GMSC CS domain PSDN NodeB Iur HLR NodeB RNC SGSN GGSN PS domain Internet Réseau d'accès Réseau coeur Illustration 2: Architecture de l'umts (release 99) Depuis la release 4, le MSC/VLR se divise entre le serveur de MSC et CS-MGW. Le GSMC se divise également entre le serveur de GSMC et CS-MGW. Cette division a pour but dans le domaine CS de séparer le plan de contrôle et d'utilisateur. Cela permet à l'opérateur d'élargir la taille et d'optimiser la topologie du système. Dans release 5 (cf. figure 3)[8], le HSS (Home Subscriber Server) remplace le HLR et AuC, et le sous-système IMS (IP Multimedia Subsystem) est ajouté. L IMS est une architecture «overlay» servant à établir, modifier et contrôler des sessions établies avec les réseaux IP afin de mieux supporter des applications IP telles que : partage de audio/vidéo, «video streaming», VoIP,... L IMS utilise le domaine PS pour transmettre des messages de signalisation et des données multimédia. Il est indépendant du domaine CS, même s ils partagent quelques composants tels que HSS. Le protocole SIP (Session Initiated Protocol) est le protocole principal de signalisation IMS. L IMS se compose des entités fonctionnelles 16

17 principales CSCF(Call Session Control Function) (P/I/S/E-CSCF), AS, MRF, PCRF et différents SBC. L'architecture de référence et les fonctions d'entités IMS sont présentées dans TS [9]. Rel 5 Uu Iub Iu CS-MGW CS-MGW CS domain NodeB RNC MSC Server GMSC Server PSDN NodeB Iur HSS PS domain NodeB RNC SGSN GGSN IMS Internet Réseau d'accès Réseau coeur Illustration 3: Architecture de l'umts (release 5) b) Architecture protocolaire de l'umts Le modèle protocolaire de l'umts se compose d un ensemble de divisions verticales et horizontales. La division horizontale sépare l'interface en plusieurs des couches. La division verticale comprend le plan de contrôle et d'utilisateur. Le plan d'utilisateur transmet des données d'utilisateur. Le plan de contrôle transmet des messages de signalisation (source principale [10]). C-plane Uu Iu ATM transport IP transport RRC RRC RANAP RANAP M3UA MTP3B M3UA RLC MAC PHY RLC MAC PHY SCCP ATM or IP Transport PHY SCCP ATM or IP Transport PHY SCTP SCCF-NNI IP SSCOP AAL5/ATM SCTP IP LL UE UTRAN CN Ilustration 4: L'architecture protocolaire de l'umts dans le plan de contrôle (domaine de PS, release 5) Dans le plan de contrôle à l'interface Iu (cf. figure 4), le protocole RANAP (Radio Access Network Application Part) regroupe des fonctions nécessaires pour connecter le réseau d'accès avec le réseau cœur telles que : paging, allocation de ressources, gestion de la 17

18 mobilité,... la signalisation du protocole RANAP est transmise via la couche de transport via ATM ou IP. La couche de transport de type ATM est basée sur AAL5 (ATM Adaptation Layer 5) qui est un protocole simple et efficace de la famille des AAL. La couche de transport de type IP est basée sur le protocole SCTP/IP. Dans le plan d'utilisateur du domaine PS (cf. figure 5), les données sont transmises par un tunnel GTP. Le tunnel GTP est transmis via le protocole UDP/IP. A l'interface radio, 3GPP ajoute la sous-couche PDCP afin de compresser des entêtes, de chiffrer les paquets et de transmettre des paquets sans accusés de réception vers le nouveau SRNC pendant un processus de re-allocation de SRNC. Dans le domaine CS, des données d'utilisateur sont transmises directement via l'aal2 ou protocole RTP/UDP/IP à l'interface Iu. L'AAL2 donne des connexions qui assurent le délai minimale et permettent de transmettre au débit variable. AAL2 et RTP supportent des données multimédia [7]. U-plane Uu Iu-PS PDCP RLC MAC PHY PDCP RLC MAC PHY GTU-U ATM or IP Transport PHY GTU-U ATM or IP Transport PHY UE UTRAN SGSN ATM transport IP transport UDP/IP AAL5/ATM Iu- PS UDP/IP LL Uu Iu-CS ATM transport IP transport RLC MAC PHY RLC MAC PHY ATM or IP Transport PHY ATM or IP Transport PHY UE UTRAN SGSN AAL2 ATM RTP UDP/IP LL Iu-CS Illustration 5: L'architecture protocolaire de l'umts dans le plan d'utilisateur (release 5) Dans le release 99, la couche de transport via ATM (AAL2/AAL5) est un choix répandu et la couche de transport via IP est un choix optionnel. Mais depuis release 5, les deux ont la même priorité. Le protocole SCCP (Signalling Connection Control Part) est choisi pour supporter ces deux couches de transport. En général, dans le réseau SS7, SCCP utilise le protocole MTP3 ( Message Transfer Part Layer 3) afin de faire le routage. Les protocole M3UA et SCTP permettent au protocole SCCP de passer dans domaine de IP. 18

19 2.1.3 Technologies concurrentes En Juin 2008, 1xEV-DO, un successeur de CDMA-2000, a été déployé. En comparaison avec HSPA, EV-DO peut gagner une même efficacité spectrale[11]. La difficulté d'utilisation pour l'ensemble du service de voix des données limite le déploiement d EV-DO. 3GPP2 a introduit EV-DO RevB dont le débit sur une bande passant de 20MHz atteint 73,5Mbps et UMB qui se base sur OFDMA. Cependant, aucun opérateur ne qui proclame officiellement son support à EV-DO RevB et UMB. Le nombre d'abonnements à la famille CDMA2000 est faible par rapport à la famille GSM/UMTS. WiMax est considéré comme une technologie qui peut potentiellement remplacer la technologie cellulaire dans les réseaux sans fil dans les zones étendues. Cette technologie est ajoutée à l IMT-2000 (technologie de 3 G). Elle se base sur la norme IEEE qui peut être déployée sur un spectre libre(5mhz). WiMax comporte de nombreuses évolutions. En 2004, la norme a ajouté le support du multicast. Depuis 2005, elle supporte le handover inter- BTs, et inter-opérateurs. En théorie, la performance de WiMax est compétitive avec le HSPA+/LTE, avec les mêmes innovations à l'accès radio telles que OFDMA, MIMO. Mais, la performance de WiMax est diminuée dans une zone urbaine où se trouve un large nombre d'utilisateurs. De plus, WiMax est testée dans un nombre limité de zones, pas déployée globalement et peu d'opérateurs proclament officiellement son support à WiMax. Il existe d'autres alternatives telles que IEEE qui ressemble à l'umb, et Metro Wi-Fi. IEEE ne gagne pas beaucoup d'intérêt auprès des opérateurs. Metro Wi-Fi peut-être une technologie complémentaire qui fournit de l'accès à large bande en centre ville, cependant la technologie 3G fournit déjà de l'accès sur une zone plus vaste. Aujourd'hui, GSM/UMTS/HSPA est une série de technologies dominantes[5] avec des évolutions continuelles. LTE est la dernière évolution de cette série, en voie pour être la référence 4G. Au troisième trimestre 2008, NGMN (Next Generation Mobile Networks Alliance) a choisi LTE comme une technologie qui peut répondre à elle-seule aux exigences des réseaux mobiles de la prochaine génération [11]. 2.2 Évolution LTE Contexte et exigences Le développement rapide des services de partage audio/vidéo (Youtube, Flickr), media 19

20 streaming (VoIP, IPTV), réseaux sociaux (Facebook, MySpace) dans le domaine filaire... génère de grandes quantités de données. Par ailleurs, un large nombre d équipements qui permet d accéder aux services sont disponibles aux utilisateurs tels que : ordinateur portable, PDA, smartphone, "notebook enabled modem"... L utilisateur a donc besoin d utiliser ces services avec la même expérience sur le domaine sans-fil, en particulier sur les réseaux cellulaires qui permettent à l utilisateur d être connecté accéder n'importe quand, n'importe où. Ces données vont produire un débit élevé sur ces réseaux qui, jusqu'alors, s'intéressent principalement au service de voix, pas aux services de données. Les services de données sont différents des services de voix par: le débit très variable, la QoS différente pour chaque utilisateur/service, l'utilisation fréquente de connexion IP. Les équipements ont donc tendance à utiliser des connexions natives IP sans traduction et filtrage pour supporter efficacement ces services. L évolution du cœur des réseaux téléphonies arrive à une architecture tout IP qui supporte plus efficacement les connexions IP et un réseau entièrement par commutation des paquets facilite les mécanismes de QoS et l utilisation plus efficace des ressources. En général, LTE a pour but d'offrir un haut débit dans le sens montant et descendant, de réduire le délai d'accès, d'utiliser une bande passante de manière flexible, et d'interfonctionner avec les réseaux existants (3GPP et non-3gpp). Cela permet à l'opérateur de fournir des services tels que VoIP, vidéo-conférence, jeux vidéo en ligne, IPTV, et l'autre service des données interactifs. Les caractéristiques principales de LTE sont (source principale [12]) : Amélioration de l interface radio afin d augmenter le débit montant/descendant, et la capacité, ainsi que la performance en bordure de cellule. LTE utilise l OFDMA pour le sens descendant et SC-FDMA pour le sens montant, en combinaison avec de nouvelles technologies d antenne telles que MIMO et «beaming form». Il est prévu d'obtenir un débit descendant de 100 Mbps; et un débit montant maximal de 50 Mbps sur une bande passante de 20MHz. Mais en théorie, le débit descendant peut atteindre 326.4Mbps with 4x4 MIMO, et le débit montant peut atteindre 86.4 Mbps sur la bande passante de 20 MHz [13]. Une cellule peut supporter au moins 200 d utilisateurs à la bande de 5MHz, et 400 d'utilisateurs à la bande plus large que 5MHz [14]. Réduction du délai d'accès : le délai d'aller-retour est inférieur à moins de 10ms et d'initialisation est inférieur à 100 ms afin de supporter des services interactifs et temps réel. 20

21 Mobilité : la performance de LTE est optimisée dans le cas où la vitesse est inférieur à que 15km/h. LTE supporte la vitesse de 120 à 350 km/h (voire 500 km/h, selon la bande utilisée) Flexibilité du spectre radio : LTE peut-être déployé dans des bandes allant de 1,25 MHz à 20 Mhz, et la bande appariée et non appariée de la 3G. Cela permet à l'opérateur de déployer LTE sur la bande existante, de ne pas demander le permis de nouvelle bande. LTE supporte FDD et TDD. Architecture «tout IP», il y a une partie significative du travail de 3GPP pour convertir l'architecture réseau du cœur vers une architecture tout IP qui est envisagée pour simplifier l'inter-fonctionnement avec les réseaux filaires et les réseaux sans fils non-3gpp. Architecture simplifiée permet d'améliorer l'extensibilité du réseaux. Compatibilité avec les réseaux 3G existants. Il faut que LTE supporte le handover avec les réseaux existants tels que UMTS/HSPA et GSM/GPRS/EDGE. De plus, il faut supporter le handover inter-domaines entre sessions de commutation de paquets et de circuits Architecture de LTE IMS Réseaux PSTN Réseaux Non-3GPP Wifi, Wimax P-GW S-GW Réseau coeur MME HSS Réseaux IP GSM/UMTS réseau coeur Plan utilisateur Plan contrôle GERAN UTRAN S1 enodeb X2 enodeb Réseau d'accès Téléphone portable 'dual mode' llustration 6: L'architecture générale du réseau LTE 21

22 La figure 6 présente l'architecture générale d'un réseau LTE qui se compose d'un réseau d'accès et d'un réseau cœur et d'autres blocs qui permettent aux réseaux LTE de se connecter avec les réseaux 3GPP existants, les réseaux IP, réseaux téléphoniques commutés (PSTN) et les réseaux non 3GPP tels que WiFi, Wimax. Le téléphone portable «dual mode» fournit l'accès au réseau LTE et aussi aux réseaux 3GPP existants. En comparaison avec l'architecture de UMTS et GSM, le réseau LTE a moins de nœuds afin de réduire le délai et d'augmenter la performance du système [14] Noeuds principaux L'architecture de réseau cœur est basée sur le protocole TCP/IP. Cela permet de simplifier l'interfonctionnement avec les réseaux fixes et non-3gpp. En comparaison avec le cœur GPRS du réseau UMTS, le réseau cœur a moins de nœuds, mais chaque nœud s'occupe de plus fonctions. Il y a trois nœuds principaux : MME au plan contrôle, S-GW et P-GW au plan utilisateur. (source principale [15]) S-GW (Serving Gateway) achemine des paquets de l'enodeb vers le réseau cœur et vice-versa. Il est comme une ancre locale qui sert pour la mobilité inter-enodebs et vers les réseaux 3GPP (interconnexions de LTE avec les autres 3GPP). Les paquets transmis interenodebs (et inter-réseaux 3GPP) sont en transit via cette ancre. P-GW (Packet Data Network Gateway) fournit des connexions entre réseau LTE et d'autres réseaux IP, PSTN, non-3gpp. L'allocation d adresse IP pour l'ue, filtrage des paquets pour chaque utilisateur (Policy Enforcement Point), et le support de la tarification d'une session sont des autres fonctions du P-GW. P-GW peut se connecter avec les réseaux PSTN et réseaux IP grâce à l IMS, une architecture «overlay» par rapport au LTE, servant à établir, modifier et contrôler des sessions. MME (Mobility Management Entity) se compose des fonctions principales dans le plan de contrôle. Il sert à gérer des sessions : signalisation, et négociation des qualités de service, à fournir des procédures de sécurité telles que : initiation, et négociation de chiffrement/protection d'intégrité, et à mettre à jour la position de l'ue. HSS (Home Subscriber Server) est une base de données qui remplace le rôle de HLR et AuC qui étaient déjà introduits dans les réseaux 2G et 3G. Le standard ne précise pas l'architecture physique de réseau du cœur. On peut séparer MME S-GW afin diminuer les interférences entre la signalisation du plan de contrôle et flux 22

23 de données élevés du plan utilisateur. On peut séparer P-GW avec MME et S-GW afin d'isoler les paquets internes (du réseau cœur) avec des paquets externes (des autres réseaux IP). L'isolation facilite les opérations de sécurité. Le réseau d'accès est réduit dans l'enodeb qui joue le rôle du NodeB et du RNC (Radio Network Control) dans les réseaux UMTS. Cela permet de réduire le délai d'accès et de simplifier la fonction d'opération et de maintenance du réseau [14]. Illustration 7: La différence entre enodeb (LTE) et NodeB (HSPA) au plan utilisateur [15] Dans le rôle du NodeB, l'enodeb s'occupe de : la modulation/démodulation, le codage/ décodage des informations transmises sur l'interface radio. Dans le rôle du RNC, l'enodeb s'occupe : du contrôle de ressources, du contrôle de la mobilité, de la compression des entêtes IP, et du chiffrement des données (voir 3GPPP TS , chapitre 4.1) L'architecture traditionnelle de l'umts réserve la complexité et les nombreux calculs au RNC, et permet ainsi au NodeB de rester simple. Le RNC gère donc de nombreux (même des centaines [15]) de NodeBs et se coordonne avec les autres RNC pour contrôler la macrodiversité (afin de réduire l'interférence dans le réseau UTRAN basée sur la couche physique 23

24 de CDMA). Les enodeb peuvent se connecter directement avec le réseau cœur pour répartir le travail de RNC par l'interface S1. De plus, le mécanisme de retransmission qui est entièrement implémenté dans l'enodeb diminue le délai. En effet, l'umts/hsdpa sépare physiquement la retransmission entre NodeB (mécanisme de HARQ) et RNC (mécanisme de ARQ). La séparation conduit à l'utilisation de deux tampons dans le NodeB et dans le RNC, ce qui augmente le délai d'attente. Par d'ailleurs, le changement de NodeB cause la perte de paquets dans le tampon de ce NodeB. La retransmission par la couche TCP du RNC (troisième couche) coûte donc plus cher. Les enodeb peuvent se connecter par l'interface X2 pour transmettre des paquets aux tampons, à la couche inférieure (deuxième couche), la retransmission coûte donc moins cher Architecture protocolaire Comme le modèle d'interface d UMTS, le modèle de LTE se compose d'un ensemble de couches verticales et horizontales. Les couches horizontales sont basées sur le modèle OSI. Les couches verticales divisent l'interface entre le plan de contrôle et le plan utilisateur. La division verticale correspond à la façon de séparer les flux de données. Les données du plan de contrôle sont transmises avec des contraints de sécurité, de fiabilité plus importantes. Celles du plan utilisateur sont transmises par des protocoles plus simple. a) Plan de contrôle Le plan de contrôle transmet des messages de signalisation telles que la signalisation de gestion de ressource radio, de gestion de mobilité, des services NAS (Non Access Stratum), des autres procédures entre mobile et réseau cœur. UE enb MME NAS NAS RRC PDCP RLC MAC PHY RRC PDCP RLC MAC PHY Illustration 8: Plan contrôle en couches [16] La pile protocolaire à l'interface radio est presque la même que celle du plan utilisateur. Mais les paquets du plan contrôle sont transmis avec la priorité supérieure et une protection 24

25 radio supérieure grâce à la couche MAC qui transmet des canaux logiques vers les canaux de transport correspondants. b) Plan utilisateur Le plan utilisateur regroupe l'ensemble des données d'usager et des signalisations au niveau application. La figure 9 présente l'architecture protocolaire du plan utilisateur. La couche d'application n'est présente qu à l UE et qu au serveur d'application basé sur le protocole IP. Les données du plan utilisateur sont transparentes pour le cœur de réseaux. App App IP IP IP PDCP PDCP GTP-U GTP-U Tunnel GTP-U RLC RLC UDP UDP MAC MAC PHY UE PHY enodeb S-GW P-GW Serveur d'application Illustration 9: Plan utilisateur Les données sont transmises par un tunnel GTP-U. GTP-U est une partie du protocole GTP, l'autre partie est GTP-C liée au plan contrôle. Autre la fonction d'établir une connexion de bout en bout entre le mobile et le serveur d'application, le protocole GTP s'occupe d'acheminer les paquets vers l'enodeb correspondant pendant un déplacement de l'utilisateur. Le protocole GTP est transmis via UDP/IP. La pile du protocole GTP/UDP/IP ajoute donc 36 octets d'entête (20 octets d IPv4, 8 octets d UDP, et 8 octets de GTP) Interface radio Cette interface fournit des connexions entre UEs et enodeb. La pile protocolaire est donc spécifique par rapport aux autres interfaces car liée aux liens sans fils. Elle se compose de trois couches : la première couche (physique), la deuxième couche qui ressemble de la couche de liaison du modèle OSI, et la troisième couche (RRC). La fonction principale de RRC est la gestion de la signalisation établie entre UE et enodebs. La couche RRC supporte les fonctions de : transfert de la signalisation du NAS, allocation et libération de ressources radio, diffusion de l information du système, paging, handover, transfert du contexte utilisateur entre enodeb pendant le handover, mesure et gestion d énergie. RRC (RRC Connection Reconfiguration Messages/procedures) se compose 25

26 des informations de la configuration des Radio Bearers qui contient des paramètres de la couche inférieure telles que la configuration pour la compression des entêtes de la couche PDCP[Annexe : PDCP Info]. La fonction principale de la deuxième couche est de donner un transport fiable entre deux équipements du réseau. A côté de MAC et RLC, deux sous-couches de la couche de liaison traditionnelles, 3GPP ajoute une sous-couche PDCP (cf. figure 10). Radio Bearers PDCP ROHC ROHC ROHC ROHC Security Security Security Security RLC Segm. ARQ etc... Segm. ARQ etc Segm. ARQ etc... Segm. ARQ etc CCCH BCCH PCCH Logical Channels Scheduling / Priority Handling MAC Multiplexing UE 1 Multiplexing UE n HARQ Transport Channels HARQ Illustration 10: La deuxième couche de l'interface radio au sens descendant [16] La sous-couche MAC regroupe des fonctions qui résolvent des problèmes spécifiques liés à la couche physique pour assurer le couplage entre la couche de liaison et la couche physique, telles que : multiplexage des canaux logiques vers canaux de transport correspondants (selon la pré-configuration), ordonnancement selon la priorité («priority handling»), et correction d'erreurs sur le mécanisme de HARQ qui est héritée de 3G HSDPA. La sous-couche RLC regroupe des fonctions indépendantes de la couche physique, telles que : remise en ordre des paquets, détection de perte, et demande de retransmission (Auto Repeat Request). Il y a trois modes de fonctionnement: TM (Transparent Mode), UM (Unacknowledged Mode), et AM (Acknowledged Mode). RLC n'ajoute rien au paquet original dans le mode TM. La couche peut détecter des pertes et remettre en ordre des paquets dans le mode UM. Enfin, dans le mode d AM, l'entité RLC peut demander à l'autre bout de retransmettre le paquet. 26

27 2.2.4 La sous-couche PDCP La sous-couche PDCP se compose des entités PDCP. Chaque entité est rattachée à une entité de la couche supérieure (Data Radio Bearer), et une ou deux entités de la couche RLC. La figure ci-dessous représente les fonctions d une entité PDCP (source principale [17]) : Utiliser RoHC pour compresser/décompresser des entêtes de paquets. Mettre en ordre des paquets de la couche RLC. Garantir de l'intégrité des messages de signalisation du plan de contrôle. Chiffrement et déchiffrement des messages de signalisation du plan utilisateur. Ajouter/enlever un entête PDCP Ne pas traiter les messages de signalisation de contrôle broadcast et de paging. Illustration 11: La fonction de la couche PDCP [17] Dans le cas de handover, et dans le sens montant, l'entité PDCP va rétablir la compression des entêtes (recréer la contexte de RoHC), ensuite tous les paquets qui ne sont pas acquittées par la couche inférieure sont retransmises jusqu'à ce que tout le tampon de HARQ soit vide. Dans le sens descendant, l'enodeb va transmettre tous les paquets qui ne sont pas acquittés par la couche inférieure vers le nouveau enodeb par l'interface X2, ensuite rétablir la compression des entêtes. S'il n'y a pas d'interface X2 entre deux enodeb, la couche supérieure va s'occuper de retransmettre les paquets. Le protocole RTP/UDP n'a pas de 27

28 mécanisme de retransmission et ne peut donc pas rattraper les pertes éventuelles dans les services VoIP et IPTV [18] Couche physique Les deux techniques qui apportent des évolutions de LTE dans le réseau d'accès sont OFDMA et MIMO. OFDMA est une combinaison de technique de modulation et de technique d'accès multiple. OFDMA répartit la bande passante en N multiples sous-porteuses orthogonales qui sont partagées par de plusieurs utilisateurs. Chaque sous-porteuse est modulée indépendamment en utilisant des modulations numériques : QPSK, QAM-16, QAM-64. le récepteur les retrouve en appliquant des IFFT. OFDMA réduit le problème d'isi (Inter Symbol Interference) qui est causé par des trajets multiples et enlève l'utilisation de l'égalisation. En comparaison avec CDMA, OFDM a la même efficacité spectrale mais fonctionne mieux que la bande passante supérieure à 10MHz. L'affectation nombre de sous-porteuses pour un utilisateur est dynamique, cela permet à la couche supérieure (MAC) de planifier plus flexiblement l'utilisation des ressources [19]. OFDMA est bien adapté aux services broadcast/multicast car OFDM permet au mobile de combiner le signal de multiples émetteurs. Dans le sens montant, le mécanisme de SC-FDMA est basé sur le même principe qu OFDMA, mais il a été choisi car son taux de PAPR «Peak-to-Average Power Ratio», est inférieur à celui de l OFDMA. Plus ce taux est haut, plus le prix et la consommation d énergie du terminal augmentent [20]. En comparaison avec les techniques d'antennes traditionnelles qui améliorent la qualité d'un canal, MIMO est une technologie antenne avancée, qui permet de multiples transmissions en parallèle (canaux orthogonaux) par l'utilisation de plusieurs antennes au niveau du récepteur et de l'émetteur. L'augmentation de la qualité est proportionnel au nombre d'antennes. MIMO est également une technique de diversité spatiale qui augmente la capacité du système et le débit d'utilisateur sans énergie de transmission et ni de bande passante supplémentaires. En comparaison avec 1x1 antenne, 2x2 MIMO peut augmenter 80% de débit[5]. MIMO fonctionne mieux dans une région urbaine où il y a un large nombre d'utilisateurs mobiles (haut ratio de SNR et assez de diffusion «rich scattering») [14]). 28

29 3 RoHC dans UMTS/LTE 3.1 Description de RoHC La taille des paquets dans les flux multimédias associés à la voix ou 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 4 de l'umts. Le mécanisme pour la compression des en-têtes RoHC intègre des fonctionnalités de robustesse permettent de supporter des réseaux bruités. L architecture du mécanisme de Compression RoHC est complexe, mais permet de s adapter aux caractéristiques du lien et au flux de données. Offrant une grande flexibilité dans le mécanisme à travers les différents profils et modes d opération. La norme 3GPP pour RoHC (TS25.323) rend obligatoire les profils 0, 1, 2 et 3[17]. Le principe à la base de la compression des en-têtes est la réduction de la redondance de l'information contenue dans un en-tête, mais aussi de la redondance entre plusieurs en-têtes consécutifs. Ainsi l'information qui ne change pas est envoyée au début de la session ou à un faible rythme; pour les autres champs, un mécanisme de prédiction ou de dépendance permet de réduire encore l'information transmise. Le principe de RoHC est d envoyer l information minimale pour que le décompresseur puisse reformer l en-tête. L élément clé est le CRC, calculé avant la compression. Il donne au décompresseur une information sur la validité de l information qu il possède, puisque l information transmise est susceptible d être modifié suite à des erreurs de transmission. La norme RoHC a laissé ouverts de nombreux choix de mise en œuvre, entre autres : la décision du passage dans le décompresseur pour travailler dans le mode optimiste ou fiable, les valeurs des différents paramètres qui sont utilisés pour la compression. L'étude approfondie des spécifications de RoHC, d'ipv6 et de la 3G a permis de relever quelques incohérences dans les documents, en particulier pour le protocole IPv6. Ceci a conduit à des nouveaux travaux au sein de l'ietf qui ont débouché sur une nouvelle version du protocole RoHC (RoHCv2) qui se différencie de la précédente version du protocole RoHC (ROHCv2). Elle se différencie de la précédente pour les formats de paquets qui sont utilisés. 29

30 3.2 RoHCv2 Tandis que RoHCv1 est spécifié principalement par la RFC 3095, RoHCv2 est défini par trois documents : La RFC 4995 décrit le framework commun à v1 et v2 pour la plus grande part. La RFC 4997 définit RoHC-FN, une notation formelle pour définir des profils RoHC et les méthodes de compression associées. à l'aide de RoHC-FN. La RFC 5225 définit les profils RoHCv2 proprement dits, décrits en grande partie Motivation de proposition de RoHCv2 dans PDCP/LTE RoHCv2 est proposée par Ericsson[21]. La proposition est basée sur trois axes principaux: la robustesse, l'efficacité, et la facilité d'implémentation. Dans la même condition de fonction, le RoHCv2 a la même efficacité de compression. RoHCv2 supporte le déséquencement de paquets entre compresseur et décompresseur qui n'est pas supporté pas RoHCv1. Cela permet à la couche PDCP de mettre en ordre paquets dans le cas de handover inter-enodeb. Le profil de TCP/IP qui est déjà supporté par RoHC à la couche PDCP apportent des améliorations et des simplifications pour RFC Les simplifications sont utilisées pour développer le RoHCv Améliorations et autres différences de RoHCv2 avec RoHCv1 Les formats de compression v2 sont au moins aussi performants, tant en termes de taux de compression que de robustesse, que les formats v1. De plus, comparé à RoHCv1 : RoHCv2, supporte le déséquencement de paquets entre compresseur et décompresseur. Le mécanisme utilisé permet en outre une meilleure tolérance au déséquencement avant le compresseur. RoHCv2 utilise les mêmes formats de compression dans ses deux modes de fonctionnement : unidirectionnel et bidirectionnel. Sa logique opérationnelle est plus simple et plus homogène que celle de RoHCv1. RoHCv2 traite les extensions IP comme les autres protocoles compressés, au lieu d'utiliser une liste compressée. Cela implique que si la liste des extensions change, le flux compressé sera affecté à un nouveau contexte. RoHCv2 n'utilise pas de format IR-DYN (Initialization & Refresh / Dynamic 30

31 fields) ; seul le format IR peut changer le profil associé à un contexte. En revanche, elle utilise un format co_repair qui transmet tous les champs dynamiques, protégés par un CRC 7 bits, en cas de besoin (contexte décompresseur abîmé). La segmentation RoHC est incompatible avec les formats v2 lorsque RoHC ne peut garantir une transmission sans réordonnancement entre compresseur et décompresseur. Cela est dû au fait que le protocole de segmentation n'utilise pas de numéro de séquence, mais un simple bit pour distinguer le dernier segment. Un point commun important avec RoHCv1 : RoHCv2 compte sur les couches basses pour donner la longueur des paquets compressés, et ne transmet donc pas dans ces paquets la taille de la charge utile Les profils de RoHCv2 RoHCv2 définit (RFC 5225) les profils suivants : 0x0101 rtp (IP / UDP / RTP) 0x0102 udp (IP / UDP / non RTP) 0x0103 esp (IP / ESP) 0x0104 ip (IP / autre) 0x0107 udplite_rtp (IP / UDPlite / RTP) (n'est pas utilisée dans LTE) 0x0108 udplite (IP / UDPlite / non RTP) (n'est pas utilisée dans LTE) N.B. IP s'entend v4 ou v6 ; les deux versions peuvent être utilisées dans un même entête. Les bits de poids fort en 0x01 permettent de distinguer les profils v2 des profils v1 (0x00). Pour chaque profil, RoHCv2 sait compresser les protocoles suivants en tant qu'extensions IP : ip_dest_opt (IPv6 Destination Option) ip_hop_opt (IPv6 Hop-by-hop Option) ip_rout_opt (IPv6 Routing Header) gre (Generic Routing Encapsulation) mine (Minimal Encapsulation within IP) ah (IP Authentication Header) 31

32 3.2.4 Compresseur et décompresseur RoHCv2 utilise deux modes de fonctionnement : unidirectionnel : les compresseur envoie les paquets avec une approche optimiste. Cela consiste à répéter chaque changement de champ transmis en espérant que le décompresseur recevra au moins un des changements. Pour que cette approche fonctionne bien, il faut ajuster le facteur de répétition aux caractéristiques du lien (taux d'erreurs bit, taux de déséquencement) en visant un compromis robustesse / efficacité. bidirectionnel : le décompresseur peut, s'il existe un lien dans cette direction, envoyer du feedback au compresseur. Une fois que le compresseur reçoit du feedback pour un contexte donné, il passe définitivement en mode bidirectionnel pour ce contexte. Le trafic de feedback est constitué en majeure partie d'acquittements positifs et négatifs ainsi que d'options diverses. Le feedback guide ainsi le compresseur en indiquant les formats compressés que le décompresseur est capable de traiter. La synchronisation se fait par un numéro de séquence interne à RoHC (Master Sequence Number). 3.3 Recommandation de RoHC dans 3GPP Profile Identifier Usage Reference RoHC version 0x0000 No compression RFC 4995 Commun à v1 et v2 0x0001 RTP/UDP/IP RFC 3095, RFC 4815 v1 0x0002 UDP/IP RFC 3095, RFC 4815 v1 0x0003 ESP/IP RFC 3095, RFC 4815 v1 0x0004 IP RFC 3843, RFC 4815 v1 0x0006 TCP/IP RFC 4996 v1 0x0101 RTP/UDP/IP RFC 5225 v2 0x0102 UDP/IP RFC 5225 v2 0x0103 ESP/IP RFC 5225 v2 0x0104 IP RFC 5225 v2 Tableau 1: Les profils supportés par LTE [17] Historiquement, dans release 99, la couche de PDCP ne supporte que «IP compression header». ROHCv1 est supporté à partir de release 4. Les tests de la performance de RoHC sont ajoutées dans release 5. Dans release 6, l'utilisation de RoHC dans les services MBMS 32

33 est prise en compte, mais n'est pas obligatoire. Dans release 8, PDCP n utilise que RoHC pour compresser/décompresser des entêtes pour les paquets au plan utilisateur. Les profils supportés se composent des profils définis dans ROHCv1 et ROHCv2 (cf. tableau 1). L utilisation de la compression des entêtes peut être configurée par la couche supérieure. RRC contient des informations pour la configuration de PDCP (voir 3.5). Les paramètres obligatoires de la configuration sont définis par RFC Mais il y a des paramètres qui ne sont pas utilisés par PDCP de cette release. Paramètre Obligatoire Description MAX_CID Oui Le nombre maximal de CID (Contexte Identifier) est utilisé. Il faut réserver au moins un contexte pour les flux non-compressés. C est-à-dire, il faut que MAX_CID < «Maximum Number of RoHC Context Sessions» LARGE_CIDS Oui Elle est déduite du paramètre MAX_CID par la règle : If MAX_CID > 15 then LARGE_CIDS = TRUE else LARGE_CIDS = FALSE. PROFILES Oui Les profils sont utilisés par l UE. Les profils autorisés sont disponibles dans le tableau 1. FEEDBACK_FOR Non utilise Le canal de «feedback» MRRU Non utilise L utilisation de segmentation Tableau 2: Les paramètres sont définis par la couche supérieure de PDCP[17] 3.4 Support de RoHC au terminal Les UE qui supportent RoHC doivent supporter le profil non-compression, 0x0000. Pour les UE qui sont capables de supporter le service de voix via IMS ('IMS capable UEs supporting voice'), il faut supporter les profile suivants de RoHC 0x0000, 0x0001, 0x0002, 0x0004.[22] (annexe Support de RoHC dans l'ue (3GPP TS V8.3.0)). C'est-à-dire les profils de ROHCv1 ont la priorité sur ceux de RoHCv2. Le support de RoHC pour UE noncapable de IMS est optionnel [23]. L'eNodeB peut recevoir des profils de RoHC que l'ue supportent par l'interrogation de l'ue, ou par la réception du message de «Initial Context Setup Request» de MME. Il sauvegarde les informations afin d'établir les connexions radio avec l'ue. Pour interroger l'ue, l'enodeb envoie le message RRC de «UECapabilityEnquiry» qui force l'ue à transmette le message de «UECapacityInformation» qui contient les profils 33

34 supportées par l'ue (annexe UE-EUTRA-Capability). Pour plus de détails, on peut consulter le chapitre de [24]. Le message de «UECapacityInformation» contient les autres informations de la capacité radio que l'ue supportent. Après la réception de l'ue, l'enodeb va transmettre ce message à MME. Le MME sauvegarde les informations jusqu'à ce que l'ue lance la procédure d'attacher ou de détacher le réseau (chapitre de [25]). Le MME va transmettre les informations au nouveau enodeb pendant le handover, afin de réduire l'overhead, car la taille de message «UECapacityInformation» peut atteindre 510 octets. 3.5 Procédure de déclenchement de RoHC Cette partie décrit des étapes pour établir un service au plan de contrôle, dans lesquels le déclenchement de RoHC est montré (source principale [24]). En résumé, le RoHC est déclenché dans la procédure d'établissement de connexion de données DRB (Data Radio Bearer). Cette procédure est réalisé après l'établissement de connexion de signalisation SRB (Signalling Radio Bearer) et la procédure d'authentification. RoHC sera déactivé après la suppression des connexions DRB. Ci-dessous, les étapes sont développées en détails. Réseau coeur UE enodeb Serveur d'ip RRCConnectionRequest RRCConnectionSetup RRCConnectionComplete Authentification and others NAS Procedures RRCConnectionReconfugation (PCDP-config) RoHC configured RRCConnectionReconfigurationCompete User data transmission (IP packets) RRCConnectionRelease Illustration 12: Procédure pour configurer et déclencher RoHC dans l'interface radio Premièrement, la connexion de signalisation SRB qui sert à transmettre des messages RRC entre UE et E-UTRAN est établie par la procédure de «RRC Connextion 34

35 Etablisement». Cette procédure est déclenchée par la couche supérieure de l'ue, lorsque l'ue veut répondre un appel de paging, faire un appel, ou transmettre des messages de NAS (qui sont «piggybacked» dans les messages de RRC). L'UE envoie un message de «RRCConnectionRequest» vers enodeb. La connexion SRB est établie lorsque l'ue reçoit un message de «RRCConnectionSetup» d'enodeb. L'entité PDCP sera établie, en observant la configuration courante de sécurité. Ici, il n'y a pas de compression. Ensuite, tous les messages d'authentification et de NAS transmis sont protégés (intégrité/chiffrement) par PDCP. Si l'e-tran est surchargé, il peut refuser la requête de l'ue par le message «RRCConnectionReject» qui contient le temps d'attente. Deuxièmement, ce sont la procédure d'authentification et d'autres procédures de NAS qui ne sont pas précisées dans le cas de ce document. Troisièmement, la procédure de re-configuration sera lancée afin de contrôler le handover, de transmettre des messages NAS d'enodeb vers l'ue, ou d'établir/modifier la connexion de données DRB au plan d'utilisateur. Pour le dernier but, le message de «RRCConnectionReconfiguration» contient des informations pour configurer la sous-couche PDCP, PDCP-config (qui s'appelle PDCP-info dans la release précédante de release 8, annexe PDCP-info ). En conséquence, l'instance de RoHC est établie. Tous les entêtes de paquets IP au plan d'utilisateur sont compressés par RoHC. L'UE répond à l'e-utran par le message de «RRCConnectionReconfigurationComplete ". PDCP-config se compose des paramètres qui définissent l'utilisation/non-utilisation de RoHC, le nombre maximal de contexte utilisé (MAX_CID), les profils supportés. Si les deux profils supportés ont en commun les 8 bits de pois faible, celui dont la valeur est la plus élevée est sélectionné. RoHCv2 est donc privilégié par rapport à RoHCv1. De plus, dans les releases précédentes de la releases 8, la configuration de PDCP regroupe d'autre paramètre telle que la «Target Mode», qui décide le mode de RoHC (annexe PDCP-info ). Si l'ue ne peut pas appliquer une partie de la configuration dans le message de «RRCConnectionReconfiguration», il lancera la procédure de re-établissement. Il envoie un message de «RCC Connection Reestablisement» qui indique le refus par la configuration, ou par le handover, mais n'indique pas des paramètres qui causent ce refus. L'idée principale est de réduire la complexité d'enodeb. L'entité PDCP est ré-établie selon la configuration précédente. Enfin, le message de «RRCConnectionRelease» va supprimer toutes les connexions de 35

36 SRB et de DRB établies si l'ue est inactif pendant longtemps ou passe à un autre enodeb. L'entité de PDCP, et l'instance de RoHC sera alors libérée. -- ASN1START PDCP-Config ::= SEQUENCE { discardtimer ENUMERATED { ms50, ms100, ms150, ms300, ms500, ms750, ms1500, infinity } OPTIONAL, -- Cond Setup rlc-am SEQUENCE { statusreportrequired BOOLEAN } OPTIONAL, -- Cond Rlc-AM rlc-um SEQUENCE { pdcp-sn-size ENUMERATED {len7bits, len12bits} } OPTIONAL, -- Cond Rlc-UM headercompression CHOICE { notused NULL, rohc SEQUENCE { maxcid INTEGER ( ) DEFAULT 15, profiles SEQUENCE { profile0x0001 BOOLEAN, profile0x0002 BOOLEAN, profile0x0003 BOOLEAN, profile0x0004 BOOLEAN, profile0x0006 BOOLEAN, profile0x0101 BOOLEAN, profile0x0102 BOOLEAN, profile0x0103 BOOLEAN, } },... } },... profile0x RoHC et handover BOOLEAN Texte 1: PDCP-Config information element [24] Selon les études dans de la couche PDCP (cf ), on remarque LTE utilise «hard handover». Il y une court interruption de services quand le réseaux exécute le handover. S'il y a pas l'interface X2 entre l'enodeb de source et de destination. Le handover cause un taux de perte de paquets. L'utilisation de RoHC causse une perte de la capacité de très peu d'importance, en comparaison avec l'effet de la mobilité. A la vitesse de 120 km/h, la mobilité causse 63% de perte, et le «typical RoHC» causse 3% de perte. Cependant, n'utilisant pas de RoHC cause une perte de 66% à la vitesse de 30 km/h[26]. Discussions: Transfert (relocation) de contexte de RoHC dans le cas de handover. Le transfert de contexte de RoHC est un mécanisme de transmettre le contexte de RoHC de source à destination. A destination, le RoHC va re-construire le contexte. Cela permet RoHC 36

37 de continuer fonctionner avec le contexte actuelle, de ne pas envoyer des packets IR pour construire un nouveau contexte, et réduire la perte cassée par l'interruption de contexte. On peut donc économiser la bande passante de 1.9% quand la fréquence de handover est haute, et de 0.5 quand la fréquence de handover est base [R ]. Le transfert de contexte est donc supportée par UMTS. Mais, LTE ne supporte pas le transfert. Pour implémentation de transfert de contexte, il faut modifier l'interface X2 pour gérer les informations de contexte, et modifier significativement le protocole RoHC. Cependant, l'idée principale de LTE est de mettre moins complexité. De plus, si le transfert de contexte est supporté, l'implémentation de différentes fournisseurs de RoHC peut ne pas traiter le même lors qu'il y a le problème de déconséquence ou la perte de paquets. 3.7 RoHC et MBMS L'avantage de Broadcast/Multicast par rapport à l'unicast est que les données sont transmises une fois sur un lien pour plusieurs destinataires. Cet avantage est plus important sur l'interface radio quand nous avons un large nombre d'utilisateurs. Il ne bloque pas cette interface pour de multiples transmissions des mêmes données MBMS Les services MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service) permettent aux opérateurs 3G de fournir plus efficacement les applications média en concurrence avec DVB- H. Ils diminuent le débit dans réseaux coeur et utilisent efficacement des ressources radio au réseau d accès. Ils ont deux modes de fonctionnement : mode broadcast et multicast. Ces deux modes utilisent une transmission unidirectionnelle [27]. Le mode broadcast permet de diffuser des données média d un nœud (un opérateur) vers multiples nœuds (multiples utilisateurs) dans la zone de services. Dans le mode multicast, le réseau n'envoie des données qu'aux cellules où il y a des abonnées (un groupe). Le mode multicast ressemble au mode broadcast, à cela près qu'il propose des mécanismes d abonnement (subscripstion) et rejoindre/disjoindre du groupe [28]. Le mode multicast de 3GPP est différent du multicast IP d IETF. Il prend en compte l utilisation efficace des ressources radio. Cependant, il peut être compatible avec le multicast IP. Depuis le release 7, 3GPP apporte une nouvelle notion de SFN (Single Frequency Network). SFN permet aux transmissions de plusieurs cellules d'être synchronisées pour 37

38 transmettre un même contenu. Le protocole SYNC et un serveur de MBMS-GW (e-mbms Gateway) sont utilisés pour diffuser le même contenu vers les enodebs. Une entité de MCE (MBMS Coordination Entity) coordonne les allocations de ressources radio aux couches RLC/MAC de ces enodebs. Dans la suite, 3GPP a décidé de compléter l'architecture de MBMS dans release 9 [29] RoHC et Broatcast/Multicast Dans les releases précédentes, la compression des entêtes est réalisée soit au RNC, soit BM-SC, et soit aux les deux (la compression au RNC remplace la compression a BM-SC). A la couche PDCP, RoHCv1 (RFC 3095) U-mode est utilisé [28]. La performance de RoHC est meilleur si le canal de feedback est utilisé. Mais le service de MBMS diffuse le contenu de point aux multiple utilisateurs, c'est difficile ou impossible de traiter tous les feedback [30]. Le taux d'erreur de lien radio est plus élevé. La perte de feedback pousse le compresseur à passer à un bas niveau de compression, même au niveau de non-compression. De plus, lorsqu'il y a un utilisateur disjoint le groupe de multicast, le RoHC doit passer à l'état IR. Les paquets d'envoyer aux d'autres utilisateurs ne sont pas compressés. Cela diminue donc notablement l'efficacité de RoHC. Selon la release 9, BM-SC supporte la compression des entêtes dans le mode broadcast. C'est une solution plus simple. Mais il y a une duplication de RoHC dans le réseaux du coeur (une au BM-SC, et l'autre à l'enodeb). L'autre solution qui ne met que la compression à la couche PDCP de l'enodeb est plus complequée, car la difficulté de synchronisation de contenu. L'implémentation de RoHC de fournisseurs différents n'est pas identique, et ne traite pas la même façon dans le cas de perte, et de déséquencement de paquets [31]. 38

39 4 Évaluation de la performance de ROHCv1 4.1 Objectifs La performance de RoHC est évaluée de manière théorique par plusieurs travaux:[32], [33], [34], [35], et [36]. Dans cette partie, nous nous intéressons à la performance de RoHC en utilisant l'implémentation de JCP-Consult afin de trouver le taux de bande passante économisée, et d'évaluer la robustesse de RoHC. 4.2 Scénarios Modèle d'évaluation de performance Générateur de paquets IP Compresseur RoHC comparateur Nombre de paquets erronés Nombre de paquets perdus Taille des entêtes compressés Paquets décompressés Décompresseur RoHC Modèle des fautes Illustration 13: Modèle d'évaluation de performance de RoHC Le modèle d'évaluation de performance se compose des blocs principaux suivants: générateur des paquets IP, compresseur/décompresseur RoHC, comparateur et modèle de fautes. Nous utilisons «VLC player» pour générer des paquets multimédia en flux selon le protocole RTP. Ensuite, nous les passons au compresseur RoHC. Des fautes sont ajoutées aux paquets compressés afin de simuler des fautes dans le lien radio. La simulation donne un rapport statistique sur le nombre de paquets erronés, sur le nombre de paquets perdus, et sur la taille d'entêtes compressés. Transmission des paquets compressés Nous évaluons avec des flux audio et vidéo différentes, selon le tableau 3. 39

40 Codec Bitrate (kbps) Packet size (bytes) Description Narrow band audio AMR NB octes/packet Wide band audio AMR WB octes/packet Standard video H variable High quality video H Variable Tableau 3: Les différents flux pour évaluer la performance de RoHC Choix de modèle de fautes Frame size 176x144, 10 fps Frame size 176x144, 15 fps Pour évaluer la performance de RoHC on peut simuler les erreurs de lien radio soit par perte de bits(ber) soit par perte de paquets. L'avantage du modèle bit perdu est qu'il peut montrer la robustesse de RoHC avec des erreurs imprévisibles. Nous utilisons le modèle d'aléatoire (Uniform) avec BER de 10 6 à10 3. En théorie, BER de 10 3 peut causer 28% paquets perdus (la probabilité d'avoir un bit d'erronés dans 40 octets de l'entêtes: =28% ). Or, un taux de perte de plus de 10% n'est pas acceptable pour les application multimédia. Nous ne nous intéressons pas à un BER supérieur à LTE utilise les mécanismes robustes tels que ARQ à la couche RLC, HARQ à la couche MAC, et FEC/Turbo coding à la couche PHY. Le taux de blocs erronés à la couche supérieur de MAC est de 10 4 à 10 3 [37]. La plupart de bits erronés sont corrigés. Il n'y a que des bits erronés en rafale qui engendrent des paquets erronés. Ces paquets sont considérés perdus. En plus, dans le cas de handover de LTE, il y a souvent un taux de perte s'il n'y pas d'interface X2 entre des enodebs. Donc le taux de perte est considéré dans le test de performance de RoHC. En général, la distribution d'erreurs dans le lien radio est le suivant : il y a des segments erronés où tous les paquets successifs sont erronés et des segments corrects où tous les paquets successifs sont correctes. La taille moyenne de segment correct est de 10 3, la taille moyenne de segment erroné est de 10 à 100 [38]. On utilise souvent le modèle de Gilbert simple (2 states Markov) et Gilber-Ellibott pour présenter la distribution de fautes. Le modèle de Gilbert simple est préféré car il y a moins de paramètres d'entrée (deux paramètres par rapport à 4 paramètres du modèle Gilber-Ellibott). Nous fixons la taille moyenne de segments corrects à 1000 paquets, et varions la taille moyenne de segments erronés de 10 à 100 paquets, ce qui correspond à un taux de paquets erronés de 10 3 à

41 4.3 Pre-tests Illustration 14: Pre-tests, le nombre maximal de paquets perdus est très haut dans O-mode JCP-Consult a développé un outil de test qui s'appelle «synthetic tester» pour que les ingénieurs puissent valider le fonctionnement de RoHC. Il permet de générer automatiquement des paquets, les passer vers RoHC, de valider les sorties de test, et donne des statistiques de tests. L'outil gérère ses propes paquets et n'est pas capable de tester des paquets «live» qui sont capturés à partir du réseau. De plus, il est incapable de simuler : erreurs, perte de paquets, délai, et déséquencement dans lien radio. Number of Packets RoHC mode Profile BER Average packet loss Burst packet loss Bandwidt h reduction Input file 5830 O amr23k01.pcap 5830 O amr23k01.pcap 5830 O amr23k01.pcap 5766 R hightrate3gp01.pcap 5766 R hightrate3gp01.pcap 5766 R hightrate3gp01.pcap Tableau 4: Des anomalies de performance de RoHC de JCP-Consult Lors des premiers tests j'ai remarqué des anomalies, et une performance est moyenne mauvaise. Le nombre de paquet perdus successivement en mode optimiste est très haut jusqu'à 700 paquets successifs, figure 14, c'est à dire en pire cas l'application doit attendre 700*20ms=14s pour recevoir le paquet suivant. J'ai étudié le fonctionnement de RoHC et des 41

42 évaluations de performance de manière théorique pour comprendre les résultats. Ces résultats ne correspondent pas à la théorie. Les discussions avec les ingénieurs à JCP-Consult ont permis de corriger les bugs dans l'implémentation. A fin de mon stage, les résultats de tests sont raisonnables et observent des résultats à manière théorique. 4.4 Résultats Dans les résultats suivants, nous choisissons le profil IP/UDP/RTP qui correspond aux applications multimédia telles que celles prévues dans le projet-nexttv4all Taux de bande passante économisée Illustration 15: Bande passante économique dans U-mode et BER = 0.0 avec des flux différents Le taux de bande passante économisée présente l'efficacité et l'intérêt de RoHC. Le taux de différents flux est disponible dans la figure 15. A gauche, ce sont des résultats de test avec des paquets IPv4, et a droit, ce sont celles du paquets IPv6. Chaque colonne qui a le couleur différent présente un type de flot. On trouve que dans le même type de flot, l'efficacité de compression de paquets IPv6 est plus élevée par rapport à celle de paquets IPv4. De plus, dans la même version de protocole IP, le plus «payload» est gros, le mois RoHC est intéressant. L'efficacité de RoHC 42

43 est proportionnelle à la taille des entêtes et inverse proportionnelle à la taille de payload. Les résultats dans le figure 15 ne prends pas en compte des erreurs dans le lien radio qui causent désynchronisation entre le compresseur et le décompresseur. Dans les figures 16 à 19, nous évaluons l'efficacité de RoHC avec les taux de bits erronés différents (BER). On trouve que si le BER augmente, le taux de bande passante économisée diminue. Le niveau de diminution est moins de 1%. Le RoHC bidirectionnel (O-mode et R-mode) est plus efficace par rapport à RoHC unidirectionnel lors que le BER est moins de 10 3,5. Si le taux d'erronés est petite, O-mode économise le plus de bande passante, mais quand le BER est supérieur à 10 3, R-mode est le meilleur. Dans le mode unidirectionnel, le compresseur revient périodiquement aux niveaux inférieurs où il doit envoyer des paquets plus grands. De plus, il n'a pas de feedback, le niveau de compression est donc constante. Cependant, dans le mode bidirectionnel, il ne revient que aux niveaux inférieurs soit il reçoit des NACKs. La performance du mode bidirectionnel est meilleure que celle du mode unidirectionnel, lors que le BER est petite. Si le BER augmente, le compresseur reçoit plus de paquets NACKs, il est forcé à revenir au niveau inférieur. L'efficacité est donc diminuée. Quand l erreur est petite, le mode optimiste est meilleur que le mode fiable parce que la liaison de retour est moins utilisée. Quand l'erreur est assez grand R-mode et O-mode doivent revenir aux niveaux inférieurs plus fréquemment. Mais le contexte de R-mode peut monter au niveau supérieur toute suite après recevoir un ACK, cependant le O-mode doit envoyer L paquets (niveau de confiance) avant de passer au niveau supérieur. 43

44 Illustration 16: Taux de bande passante économisée VoIP AMR 12,2 kbps Illustration 17: Taux de bande passante économisée VoIP AMR 23 kbps Illustration 18: Taux de bande passante économisée Video H264 haute qualité Illustration 19: Taux de bande passante économisée Vidéo H264 moyenne qualité

45 4.4.2 Taux de paquets perdus L'utilisation de RoHC permet de diminuer la taille d'entête, donc, la perte qui est causé par l'entête erroné diminue. Mais dans RoHC, un paquet perdu peut casser la cohérence entre les machines d'états au compresseur et au décompresseur. Nous testons donc la robustesse du mécanisme de re-synchronisation de RoHC. Les figures de 20 à 23 présentent le taux moyen de perte en fonction de BER. Sur les courbes on remarque que l'utilisation de RoHC peut diminuer la perte de paquets. Le U-mode peut réduire à 50% de perte, et à 80% pour le R-mode. Le R-mode présente son avantage par rapport au U-mode et au O-mode. Dans ce mode d opération seules les paquets avec un CRC de 7 ou 8 bits peuvent actualiser le contexte et être utilisés comme référence pour les décompressions subséquentes. L intégrité du contexte est donc mieux protégée[34]. De plus, le compresseur ne passe au niveau supérieur que lorsqu'il reçoit un ACK. La perte du R-mode est donc moins importante par rapport à O-mode Nombre maximal de paquets perdus successifs La désynchronisation cause également une perte de paquets successifs. Les paquets perdus causent une gigue au niveau applicatif. Nous avons réalisé des tests pour évaluer la gigue. Les figures de 24 à 27 présentent nombre maximal de paquets perdus successifs en fonction du taux de paquets perdus. Quand le taux de perte est petit, le nombre est près égale à celui de la non-utilisation de RoHC. Quand le taux de perte est supérieur de 10 2,3 = On trouve que le RoHC augmente un peu ce nombre, en particulier, le U-mode. Le mode unidirectionnel n'a pas de feedback. Le décompresseur doit atteindre le paquet initial envoyé périodiquement pour se re-synchroniser avec le compresseur. Dans le mode bidirectionnel, le décompresseur peut envoyer le NACK pour forcer le compresseur à envoyer un paquet qui a plus d'informations (IR-Dynamic ou IR paquet) pour se re-synchroniser. 45

46 Illustration 20: Taux de paquets perdus VoIP AMR 12,2 kbps Illustration 21:Taux de paquets perdus VoIP AMR 23 kbps Illustration 22: Taux de paquets perdus Video H264 haute qualité 46 Illustration 23: Taux de paquets perdus Vidéo H264 moyenne qualité

47 Illustration 24: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP AMR 12,2 kbps Illustration 25: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP AMR 23 kbps Illustration 26: Nombre maximal de paquets perdus successifs Video H264 haute qualité Illustration 27: Nombre maximal de paquets perdus successifs Vidéo H264 moyenne qualité

48 4.4.4 Comparaison avec RoHC de Thales et Al. Nous comparons la performance de RoHC de l'implémentation de JCP-Consult avec celle de l'implémentation de Centre national d études spatiales(cnes), Thales Systèmes aéroportés, et Viveris Technologies. Cette implémentation est sous licence de GPL et fut publiée au cours de mon stage, en Août A l'heure actuelle, le RoHC libre ne peut compresser des paquets qu'en profil IP/UDP, dans le mode unidirectionnel ou optimiste. Nos tests sont donc basés sur le profil IP/UDP. Sur les courbes de la figure 28, on remarque que la compression du RoHC libre est plus efficace. La perte moyenne de paquet du mode optimiste de JCP-Consult est meilleure, figure 29, mais celle du mode unidirectionnel est inférieure par rapport celles de RoHC libre. Le niveau de paquets perdu successifs de JCP-Consult est meilleur, figure 30, par rapport à celui de RoHC libre. 48

49 Illustration 28: Taux de bande passante économisée VoIP 12,2kbps Illustration 29: Taux de paquets perdus VoIP 12,2kbps Illustration 30: Nombre maximal de paquets perdus successifs VoIP 12,2kbps

50 5 Conclusion et perspectives Le contexte de ce stage était le projet de recherche européen NextTV4All, à JCP- Consult, en coopération avec TELECOM Bretagne. Dans ce stage, nous nous sommes intéressés à faire un état de l'art d'intégration de RoHC dans l'architecture de LTE. Premièrement, nous avons présenté des innovations, et l'architecture de LTE. On remarque que des évolutions dans la technique d'accès OFDMA, MIMO et la simplification d'architecture basée sur le protocole IP facilitent des services multimédia comme IPTV. Deuxièmement, nous avons présenté RoHC dans LTE. RoHC fonctionne au niveau de la sous-couche PDCP, les profils de RoHCv1 et RoHCv2 sont supportés. On constate que RoHC peut réduire la perte de paquets pendant le handover. RoHC est supporté dans les services de broadcast/multicast (MBMS). RoHCv2 améliore la performance dans certains cas tel que le handover. RoHCv2 apporte également des simplifications d'implémentation. Troisièmement, nous avons effectué des tests sur l'implémentation de JCP-Consult de RoHCv1. RoHC est très robuste contre des erreurs sur le lien radio, et peut réduire le taux de perte de paquets. 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. Nous avons 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 selon différentes distributions : Uniform, Gilbert simple, et Gilbert-Ellibott. Les premiers résultats de test ont permit aux ingénieurs à JCP-Consult de corriger des bugs de type chaotique. Nous avons également réalisé une comparaison de la performance de RoHCv1 de JCP-Consult avec une implémentation compétitive. Cette comparaison a montré qu'il était encore possible d'optimiser l'implémentation de RoHCv1. Une étude intéressante serait la comparaison avec RoHCv2, qui est en cours de développement au sein de l'entreprise JCP-Consult et TELECOM Bretagne. Une autre étude intéressante concerne l'impact de RoHC sur la qualité de service (QoS) des réseaux multimédia. En effet, nous avons vu les problèmes de gigue générés par RoHC, mais d'autres effets sont également à prévoir, comme l'attente de synchronisation de RoHC. Je compte d'ailleurs rester en contact avec JCP-Consult et TELECOM Bretagne pour participer à ces études. 50

51 Bibliographie [1] Rémi HOUDAILLE, "Annexe technique du projet NextTV4All", v2.3, 05/2008 [2] 3GPP, "Overview of 3GPP Release 4", v1.1.0, 2004 [3] 3GPP, "Overview of 3GPP Release 5", 09/2003 [4] 3GPP, "Overview of 3GPP Release 6", v.tsg #33, 09/2006 [5] 3G Americas, "EDGE, HSPA and LTE broadband innovation", 09/2008 [6] 3GPP, "Overview of 3GPP Release 7", V0.9.5, 04/2009 [7] IEC, "UMTS Protocols et Protocol testing", 2003 [8] 3GPP TS , "UMTS; Network architecture ", v5.6.0, 12/2002 [9] 3GPP TS , " IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2", v8.8.0, 03/2009 [10] 3GPP TS , " UMTS; Core network Nb nata transport and transport signalling", v5.1.0, 12/2006 [11] 3G Americas, "Mobile Broadband Evolution : 3GPP release 8 and beyond HSPA+, SAE/LTE and LTE-Advanced", 02/2009 [12] 3GPP, "Overview of 3GPP Release 8", 04/2009 [13] 3GPP TSG RAN WG1 Meeting #49 R , "LS on LTE performance verification work ", 05/2007 [14] Qualcomm, "3GPP Evolution LTE", 02/2008 [15] P. Lescuyer, T. Lucidarme,, "Evoled Packet System: The LTE and SAE evolution of 3G UMTS", John Wiley &Son, 2008 [16] 3GPP TS , "LTE Overall description stage 2", v8.8.0, 04/2009 [17] 3GPP TS , "Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification", v8.5.0, 04/2009 [18] H. Holma, A. Toskala, "LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access", John Wiley &Son, 2009 [19] IEC, "OFDM for Mobile Data Communications", 12/2008 [20] Ericsson, "Long Term Evolution (LTE): an introduction", 10/ : Ericsson, 3GPP TSG-RAN WG2 Meeting #59 R , Support for RoHC Profiles in LTE PDCP, 08/2007 [22] 3GPP TS , "User Equipment (UE) radio access capabilities", v8.3.0, 04/2009 [23] Qualcomm Europe, 3GPP TSG-RAN WG2 #60bis R , "RoHC rate capability",, 02/2008 [24] 3GPP TS , "Radio Resource Control (RRC); Protocol specification", v8.5.0, 04/2009 [25] 3GPP TS , "General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access ", v8.6.0, 06/2009 [26] Henttonen T.,Aschan K., Puttonen J., Kolehmainen N., Kela P., Moisio M., Ojala J., "Performance of VoIP with Mobility in UTRA Long Term Evolution", Vehicular Technology Conference, IEEE VTC Spring, 2008 [27] 3GPP TS , "Introduction of the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN); Stage 2", v8.3.0, 04/2009 [28] 3GPP TS , "Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description", v8.3.0, 03/2009 [29] 3GPP TSG SA WG2 Meeting #71 S , "Removal of embms Architecture Principles from Rel-8", 02/2009 [30] MARTINEZ FERNANDEZ E.G., Compression des en-têtes intra-couches pour les flux 51

52 multimédia multicast sur des réseaux sans fils, Thèse de doctorat, ENST Telecom Bretagne, 12/2007 [31] Nokia, Siemens Networks, 3GPP TSG-RAN WG2#57bis R , "Header Compression in MBMS for E-UTRAN", 03/2007 [32] Alain Couvreur, Louis-Marie Le Ny, Ana Minaburo, Gerardo Rubino, Bruno Sericola and Laurent Toutain, "Performance analysis of an Header Compression Protocol: The RoHC unidirectionnel mode", Springer Telecommunication Systems, 2006 [33] B. Wang, H.P. Schwefel, K.C. Chua, R.Kutka and C.Schmidt, "On Implementation and Improvement of Robust Header Compression in UMTS, IEEE Personal, Indoor and Mobile Radio Communications", 2002 [34] Minaburo A., Compression des en-têtes sur les réseaux bas-débit, Thèse de doctorat,, 2003 [35] EL HENI Neila, BADARD Benoit, DIASCORN Vincent, NUAYMI Loutfi, "Performance of RAB mapping and ROHC for the support of VoIP over UMTS", PIMRC'07, Athens, Greece, 2007 [36] NUAYMI Loutfi, BOUIDA Nabil, LAHBIL Nabil, GODLEWSKI Philippe, "Headers overhead estimation, header suppression and header compression of WiMAX", 3rd IEEE international conference on wireless and mobile computing, networking and communications, 8-10 october, New York, USA, 2007 [37] Anna Larmo, Magnus Lindström, Michael Meyer, Ghyslain Pelletier, Johan Torsner,and Henning Wiemann, "The LTE Link-Layer Design", Ericsson Research, 2009 [38] W. Karner, P. Svoboda, and M. Rupp, "A UMTS DL DCH Error Model Based on Measurements in Live Networks ", Proc. 12th Int. Conf. Telecomm. (ICT), Capetown, South Africa, 05/2005 [39] Price, R., Bormann, C., Christoffersson, J., Hannu, H., Liu, Z., Rosenberg, J., "Signaling Compression (SigComp)", 02/2003 [40] Price, R., Rosenberg, J., Bormann, C., Hannu, H., Liu, Z., "Universal Decompression Virtual Machine (UDVM)", working progress draft-ietf-rohc-sigcomp-udvm-00.txt, 02/2002 [41] Hannu, H., "Signaling Compression (SigComp) Requirements and Assumptions", 02/2003 [42] M. West, et.al., "IP Header and Signaling Compression for 3G Systems", IEEE 3rd. International Conference in 3G Mobile Communication Technologies, 05/2005 [43] H. Jin, et.al., "Using SigComp to Compress SIP/SDP Messages ", IEEE International Conference on Communications, ICC 2005, 05/2005 [44] M. Nordberg, et.al., "Improving SigComp performance through Extended Operations", IEEE 58th Vehicular Technology Conference, 10/2003 [45] Rawat, P., et. Al., "Signaling Compression Mechanism analysis and deployment", Algotel,

53 Annexe A SIGCOMP qui fonctionne entre la couche d'application et la couche de transport peut réduire jusqu'à 93.8% de taille des messages SIP. SIGCOMP est contribué par Ana Carolina MINABURO, TELECOM Bretagne, dans «l'état de l'art de l'utilisation des entêtes dans l'architecture du LTE», de projet NextTV4All. SIGCOMP Introduction Le développement des services interactifs comme l IM (Instant Messaging), la présence et des services multimédia comme la vidéo conférence ou la TV dans le réseau 3G exige une importante bande passante. A partir de la Release 5 de l UMTS, le protocole SIP (Session Initiation Protocol, RFC IETF 3261) est choisi pour envoyer la signalisation des communications de voix et autres sessions multimédia. Mais SIP est un protocole basé sur le texte (comme http) et il génère des paquets entre 200 et 1500 octets qui sont envoyés plusieurs fois ce qui est inefficace et augmente le délai pour l établissement d un appel. Le groupe de travail RoHC à l IETF a travaillé sur la conception d un mécanisme de compression pour les messages de signalisation SIP et pour réduire la répétition des envois. Le résultat est SigComp (Signaling Compression) [39][40]. La compression de données SigComp [39][40] permet de réduire l augmentation de débit générée par la signalisation SIP lors de la création d une session pour les services tels que IP-TV, VoD, Présence, IM, etc. dans les réseaux d accès sans fil comme l UMTS ou le LTE. L utilisation de SigComp permet d augmenter le débit utile et réduire le délai dans la transmission de données. La compression de SIP réduit l utilisation de ressources radio et permet d allouer un plus grand nombre d utilisateurs. Le groupe de travail RoHC à l IETF, chargé de développer SigComp, a considéré que les terminaux de téléphonie cellulaire n ont pas beaucoup de ressource mémoire ni un processeur assez puissante pour traiter des algorithmes très complexes [40][41]. SigComp doit donc tenir compte du fait que le terminal doit appliquer un grand nombre d algorithmes déjà déployés dans un réseau. SigComp négocie la quantité de mémoire disponible pour la compression et n utilise qu un nombre réduit d opérations pour augmenter le temps de traitement. Architecture de SIGCOMP SigComp est un mécanisme de compression de données qui travaille entre la couche applicative et la couche transport (cf.. figure 31), pour compresser les messages de signalisation SIP (qui sont de messages texte donc sont compressés comme des données). Ces messages SIP ont une taille qui peut atteindre 500kb et ils sont répétés plusieurs fois pour assurer la fiabilité de la session. La Compression et Décompression SigComp sont faites par les entités paires qui envoient à travers des régulateurs de paquets les messages vers la couche applicative et la couche transport. 53

54 Illustration 31: Pile protocolaire avec la compression. L Architecture SigComp a trois éléments principaux (cf. figure 32) : Le Compresseur (C), le Décompresseur (D) et le gestionnaire d état (State Handler). De plus, le protocole SigComp utilise des régulateurs de paquets pour envoyer et recevoir les messages. Le compresseur peut utiliser une algorithme connu (Deflate, LZW, etc) ou un algorithme spécifique (EPIC, TCCP, etc). Chaque message est compressé indépendamment mais les messages d un flux donné sont compressés avec le même algorithme. Les algorithmes plus connus feront une meilleure performance puisque le pseudo-code binaire (le pseudo code est le produit d un compilateur pour traduire le code source en langage machine, pour SigComp le pseudo code permet un usage multi-plateformes des logiciels développés qui sont exploitables par la machine virtuelle du décompresseur) nécessaire pour décompresser les données n est pas envoyé au décompresseur. Les algorithmes de compression de texte peuvent être basés sur : Un Dictionnaire : LZ, LZ77, TCCB Une Transformée : Huffman, codes arithmétiques, Burrow-Wheeler (BWT), EPIC Un Modèle : Prédiction avec une corrélation partielle (PPM) Le choix de l algorithme reste un paramètre sélectionné manuellement pour SigComp. Le compresseur réduit les messages avec l algorithme choisi et ajoute le pseudo code binaire si nécessaire, le régulateur de paquets envoie le message compressé avec la mise à jour du pseudo code binaire pour l algorithme de décompression qui sera utilisé par la machine virtuelle UDVM (Universal Decompressor Virtual Machine) du décompresseur. Le compresseur doit s assurer que le décompresseur a toute l information nécessaire pour faire la décompression. Pendant un handover le nouveau décompresseur doit recevoir l information nécessaire pour décompresser les messages. Les messages compressés sont envoyés avec une combinaison des instructions d UDVM qui permettent sa décompression. Le gestionnaire d états stocke les pseudo codes binaires et les dictionnaires, il peut être contacté par un décompresseur pour connaître cette information. Sa pleine efficacité est atteinte après un nombre de messages compressés, le premier message donne l information de l état de l algorithme utilisé. Le dictionnaire peut être : Statique, Dynamique ou personnalisé. Si le dictionnaire est Statique, il peut être chargé hors ligne dans le gestionnaire pour 54

55 incrémenter la performance ou il peut être envoyer avec le message compressé. Le dictionnaire statique est une collection de caractères bien connus qui sont utilisés dans la plupart de messages SIP/SDP. Application Application message & Compartment identifier Decompressed message Compartment identifier Compressor dispatcher SIGCOMP Decompressor dispatcher Compressor 1 Compressor 2 State 1 State Handler State 2 Decompressor (UDVM) SIGCOMP message SIGCOMP message Transport Layer Illustration 32: SIGCOMP Architecture Le décompresseur utilise une machine virtuelle similaire à une machine virtuelle Java, elle s appelle UDVM (Universal Decompressor Virtual Machine) et elle est le noyau de SigComp. Les messages SigComp sont la combinaison de données compressées avec les instructions d UDVM. UDVM est optimisée pour supporter différents algorithmes de compression, elle est flexible et travaille avec le pseudo code envoyé par le Compresseur. Un avantage de cette solution est l interopérabilité entre différentes implémentations. UDVM a un ensemble de 36 instructions (cf. tableau 5) pour manipuler les différents algorithmes de compression : Mathématiques, de Gestion de Mémoire, de Gestion de Programme et de Entrée/Sortie (I/O). La taille du pseudo code varie entre 200 et 300 octets. UDVM n ajoute pas un délai supplémentaire au traitement des données et n utilise pas plus de mémoire que si on définissait un seul algorithme de décompression. UDVM envoie les données décompressées comme un flux de données. Le gestionnaire de messages envoie et reçoit les messages entre SigComp et la couche applicative. Instruction DECOMPRESSION FAILURE AND 1 OR 2 NOT 3 LSHIFT 4 RSHIFT 5 ADD 6 Valeur pseudo code 0 Instruction SUBTRACT 7 MULTIPLY 8 DIVIDE 9 REMAINDER 10 SORT ASCENDING 11 SORT DESCENDING 12 SHA 1 13 Valeur pseudo code 55

56 Instruction LOAD 14 Valeur pseudo code Instruction MULTILOAD 15 Valeur pseudo code 56

57 Instruction PUSH 16 POP 17 COPY 18 COPY LITERAL 19 COPY OFFSET 20 MEMSET 21 JUMP 22 COMPARE 23 CALL 24 RETURN 25 SWITCH 26 Valeur pseudo code Instruction CRC 27 INPUT BYTES 28 INPUT BITS 29 INPUT HUFFMAN 30 STATE ACCESS 31 STATE CREATE 32 STATE FREE 33 OUTPUT 34 END MESSAGE 35 Valeur pseudo code Tableau 5: Instructions d UDVM et les valeurs de pseudo code. UDVM est divisé en deux parties : la mémoire et le traitement du pseudo code. Il a deux interfaces pour communiquer dans l architecture, une avec le régulateur de paquets pour envoyer/recevoir les données compressés/décompressés, et l autre avec le gestionnaire d état qui lui permet de demander la création d un état et d accéder a un état déjà créé. L information des acquittements est envoyée au gestionnaire d état si le niveau transport est bidirectionnel. La mémoire dans UDVM (cf.. figure 33) a une taille par dfault de 2kilo-octets. Avec des implémentations [42][43][44] on remarque que pour un usage minimaliste, 1kilo- octet est possible pour des algorithmes connus tandis que pour avoir une performance optimale entre 4 à 8 k octets sont nécessaires pour sauvegarder toute l information. Les premiers 64 octets sont utilisés pour les variables de décompression comme : la taille de mémoire, les cycles, la version, la longueur de l état et le paquet à décompresser. Ensuite il utilise 64 octets pour les variables de la compression comme : la localisation des états, l ordre d entrée de bits. Après le pseudo code UDVM occupe 128 octets qui sont les instructions UDVM, ensuite entre 256 octets pour le(s) dictionnaire(s) qui sont les différents pseudo codes des algorithmes de compression et le reste il peut stocker des paquets (figure 33) précédents ou les dictionnaires dynamiques ou personnalisés. La mémoire entre 64 octets et 512 octets est sauvegardée après la décompression pour améliorer l indice de compression. 57

58 Illustration 33: La mémoire d UDVM Format de Message SIGCOMP. Les messages SigComp doivent indiquer l algorithme de compression utilisé et toute l information nécessaire pour la décompression. Cette information peut faire partie du message SigComp ou elle peut être connue comme dans les états d items disponibles dans la mémoire. Les deux types des messages (cf. figure 34) sont différenciés par le premier octet T len returned feedback item partial state identifier T 0 returned feedback item code_len remaining SIGCOMP message code_len destination uploaded UDVM bytecode remaining SIGCOMP message Illustration 34: Format of a SIGCOMP message Les paramètres SigComp Afin d avoir une complète interaction entre les différentes implémentations, une série de paramètres est utilisée pour modifier les comportements de la compression quand les capacités des paires sont très différentes : Taille de mémoire de décompression (Decompression_memory_size) : donne la taille de mémoire disponible pour la décompression de messages SigComp. Etat de la taille de mémoire (State_memory_size) : Donne le nombre d octets pour la création d un état, Zero si la configuration est sans état. 58