Les protocoles de liaison de données Protocole RLC de l UMTS. Robert Bestak Philippe Godlewski

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1 Les protocoles de liaison de données Protocole RLC de l UMTS Robert Bestak Philippe Godlewski

2 Plan Architecture de l UMTS ARQ Rappel sur des couches OSI Protocole RLC de l UMTS Architecture Entités en différents modes Types de PDU Comparaison de protocoles HDLC, RLC, TCP Exercices TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

3 Rappel les fonctions du protocole de liaison de données 1. Formatage de PDU 2. Control de flux, control d erreur protocole à fenêtre 3. Numérotation de PDU (de SDU) cf. N(S), SN 4. Polling demandé un rapport au récepteur 5. Piggybacking un PDU de données porte aussi une Ack pour les données dans le sens opposé 6. Établissement et libération d une connexion TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

4 Architecture de l UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) L architecture de l UMTS Radio Access Network (RAN) est dérivée de l architecture de GSM interface radio UE (MS) NodeB (BS) RNC (BSC) Core Network UTRAN UTRAN: UMTS Terrestrial RAN UE: User Equipment, RNC: Radio Network Controller TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

5 Pile protocolaire d interface radio de l UMTS L3 control Plan de contrôle Radio Resource Control PDCP Plan usager BMC L2 Radio Link Control (RLC) Canaux logiques L1 Medium Access Control (MAC) Physical Layer (PHY) Canaux de transport Packet Data Convergence Protocol (PDCP) Broadcast/Multicats Control Protocol (BMC) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

6 RLC dans une interface radio Le protocole RLC (Radio Link Control) est utilisé sur l interface radio pour fiabiliser la transmission de données en mode paquet. Il est couplé avec la sous couche MAC (Medium Access Control). Un protocole de niveau 2 de type RLC peut être utilisé conjointement avec des mécanismes similaires à d autres niveaux : TCP pour fiabiliser la liaison de bout en bout (au niveau 4), LLC (cf. GPRS), MAC-hs (cf. HSDPA in UMTS, High Speed Downlink Packet Access) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

7 Mécanismes de retransmission (ARQ) en cellulaire TCP LLC RLC MAC-hs RAN (BSC) SGSN GGSN Internet FTP HTTP FTP HTTP Quatre niveaux de retransmission dans un système radio mobile TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

8 Automatic Repeat request (ARQ) Trois mécanismes classiques de ARQ : Stop and Wait : acquittement pour chaque bloc Go-Back-N : reprise de N blocs si l acquittement est négatif Selective Repeat : seuls les blocs perdus ou erronés sont retransmis par l émetteur. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

9 La fenêtre d anticipation Les protocoles de liaisons de données utilisant la fenêtre d anticipation numérotent les trames (ex. HDLC le numéro N(S), RLC ou TCP le numéro SN). Les trames sont numérotées de 0 à 2 n 1 où n est le nombre de bits réservés pour la numérotation de trames (ex. HDLC 3 bits, RLC 12 bits, TCP 16 bits). Protocole Stop and Wait Go-Back-N Selective Repeat Taille de la fenêtre d émission 1 2 n n / 2 TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

10 Analyse pour ARQ: Selective Repeat La probabilité que la trame reçue soit erronée : p = 1 - ( 1 - p b ) L (1) p b est la probabilité d erreur par bit L = L d + L c la taille d une trame (données + contrôle) Le nombre moyen le récepteur : E(n) = 1 / ( 1 p ) (2) Le débit moyen reçu par le récepteur : C est le débit d un canal D = C (1 p) (L d / L ) (3) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

11 Rappel sur des couches OSI (1) Un couche protocolaire reçoit un Service Data Unit (SDU) d une couche supérieure, y ajoute un en-tête et forme un ou plusieurs Protocol Data Unit (PDU). Deux fonctions principale de chaque couche : segmentation: un long SDU est divisé en plusieurs PDUs, concaténation: plusieurs SDUs courts sont concaténés dans un même PDU. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

12 Rappel sur des couches OSI (2) couche supérieure couche RLC En-tête SDU m SDU m SDU m+1 Bourrage En-tête SDU m B En-tête SDUm SDU m+1 B couche supérieure SDU m SDU m+1 couche RLC En-tête bsdu m En-tête fsdu m En-tête esdum SDU m+1 B PDU(SN i ) PDU(SN i+1 ) PDU(SN i+2 ) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

13 Protocole RLC de l UMTS TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

14 RLC dans une interface radio (1) Historique de RLC n existe pas dans GSM (différent du LADm ou du RLP GSM) introduit dans GPRS (spécification informelle dans les standard GPRS) complémenté par le LLC (Logical Link Control) protocoles similaires dans CDMA 2000 : RLP (Radio Link Protocol) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

15 RLC dans une interface radio (2) But fiabiliser une liaison UE - RNC par un mécanisme ARQ, Avec un formatage des PDU adapté au contexte radio. Spécificités PDU = bloc courts délais interactions fortes avec la sous couche MAC TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

16 RLC dans une interface radio (3) Une entité RLC par un canal logique - QoS gérable au niveau RLC/MAC, priorité Des tailles/durées de PDUs (ou blocs) variables - Transmission Time Interval (TTI) = 10, 20, 40, 80 ms Spécification plus formelle que dans GPRS, pas de LLC TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

17 Modes RLC Une entité RLC peut travailler en trois modes : Mode transparent (Transparent mode) Mode non acquitté (Unacknowledged mode) Mode acquitté (Acknowledged mode) La couche RLC peut gérer au maximum 32 entités 32 connections logiques TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

18 Architecture de la couche RLC TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

19 PDUs de RLC (1) Deux types de PDU : Data et Control Data, PDUs de Données 1. TrD PDU (Transparent Mode Data PDU) 2. UMD PDU (Unacknowledged Mode Data PDU) 3. AMD PDU (Acknowledged Mode Data PDU) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

20 PDUs de RLC (2) En plus des Data PDUs, il faut considérer en mode acquitté Control, PDU de contrôle 1. STATUS PDU et Piggybacked STATUS PDU. Ils sont utilisés par le récepteur pour informer l émetteur des PDUs manquants (nécessairement, des AMD PDU), de la taille de la fenêtre d émission permise (cf. contrôle de flux), l émetteur pour demander au récepteur de déplacer la fenêtre de réception (MRW, Move Receiving Window) 2. RESET PDU et RESET ACK PDU : pour la remise à zéro générale re-synchroniser les deux entités. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

21 Mode transparent (Tr) Une entité Tr RLC pour la transmission et une entité pour la réception L entité Tr RLC n ajoute aucun en-tête à un SDU Un SDU long peut être segmenté en plusieurs PDUs comment effectuer la segmentation est décidé pendant la configuration de l entité pour chaque TTI, la couche MAC décide combien de PDU va être transmis pendant le TTI Services : voix, vidéo-téléphone TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

22 PDU de données en mode transparent (TrD PDU) Entité en Tr mode n ajoute aucun entête à un SDU La taille d un PDU n est pas nécessairement de multiple de un octet Payload Unit (PU) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

23 Entité en mode transparent Radio Interface Tr-SAP Tr-SAP Transm. Tr-Entity Segmentation Receiving Tr-Entity Reassembly Transmission buffer Receiver buffer TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

24 Mode non acquitté (UM) Une entité UM RLC pour la transmission et une entité pour la réception Une entité UM RLC ajoute l entête à un SDU (un ou plusieurs octets) Fonctions : segmentation/reassambly, concaténation, chiffrement Un ou plusieurs PDUs sont transmis pendant le même TTI pour chaque TTI, MAC décide combien de PDU va être transmis pendant le TTI Services : cell braodcast service, voie par IP, procédures de signalisation TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

25 PDU de données en mode non acquitté (TrD PDU) (1) La taille d un PDU est multiple d octet L entête : Sequence Number (SN) indique le numéro de séquence du PDU [7 bits] Extension bit (E) indique la signification du prochain octet [1 bit] 0 : le prochain octet data 1 : le prochain octet LI et E Sequence Number (SN) E Ce PDU contient un fragment de SDU Payload Unit (PU) (SDU fragment) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

26 PDU de données en mode non acquitté (UMD PDU) (2) Length Indicator (LI) indique le nombre d octets entre le dernier bit E et le dernier bit du segment SDU dans le PDU [7 bits or 15 bits] Sequence Number (SN) E=1 Length Indicator (LI) E=0 Payload Unit (PU), fsdu m Exemple de PDU pour les données en mode non acquitté contenant : - une fin de SDU m, - le début SDU m+1. Payload Unit (PU), dsdu m+1 TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

27 PDU de données en mode non acquitté (UMD PDU) (3) Sequence Number (SN) E=1 Length Indicator (LI) E=1 Length Indicator (LI) E=1 LI [ ] (Padding) E=0 Payload Unit (PU), fsdu m Payload Unit (PU), SDU m+1 Exemple de PDU pour les données en mode non acquitté contenant : - une fin de SDU m, - le SDU m+1 (entier), - du padding. Padding TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

28 Entité en mode non acquitté Radio Interface UM-SAP UM-SAP Transmission buffer Transm. UM-Entity Receiver UM-Entity Reassembly Segmentation & Concatenation Remove RLC header Add RLC header Receiver buffer Ciphering Deciphering TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

29 Mode acquitté (AM) Une entité AM RLC combinée pour la transmission et la réception L entité AM RLC ajoute l entête à un SDU (deux ou plusieurs octets) Fonctions : segmentation/reassambly, concaténation, chiffrement, control de flux, contrôle d erreur (ARQ), détection de duplicatives PDUs, livraison PDUs à couche haute en ordre Un ou plusieurs PDUs sont transmis pendant le même TTI chaque TTI, MAC décide combien de PDU va être transmis pendant le TTI Services : downloading, Internet browsing TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

30 PDU de données en mode acquitté (AMD PDU) (1) D/C Sequence Number (SN) P HE=00 Payload Unit (PU) (SDU fragment) Ce PDU contient un fragment de SDU Data/Control (D/C) indique le contenu du PDU [1 bit] 0 : PDU de control (Status PDU) 1 : PDU de donnes Polling bit (P) est utilisé pour demander un report au récepteur [1 bit] 0 : le report n est pas demandé 1 : le report est demandé Header extension Type (HE) indique la signification du prochain octet [2 bit] 00 : le prochain octet data 01 : le prochain octet LI et E 10,11 : resserve TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

31 PDU pour les données en mode acquitté (AMD PDU) (2) D/C SN SN P HE=01 Length Indicator (LI) E=1 Length Indicator (LI) E=1 LI [ ] (Pig.Status) E=0 Payload Unit (PU), fsdu m Payload Unit (PU), SDU m+1 Piggybacked Status PDU Padding NO MORE Exemple de PDU pour les données en mode acquitté (AMD PDU) contenant : - une fin de SDU m, - le SDU m+1 (entier), - un PigB. Status PDU, -du padding. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

32 Entité en mode acquitté AM-SAP AM-Entity Segmentation/Concatenation RLC Control Unit Add RLC header MUX Transmission buffer Retransmission buffer & management Piggybacked status Optional Received acknowledgements Acknowledgements Reassembly Remove RLC header & Extract Piggybacked information Receiver buffer & Retransmission management Deciphering Set fields in RLC Header (e.g. set poll bits). Ciphering(only for AMD PDU) Demux/Routing Transmitting Side Receiving Side TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

33 Status PDU, Piggybacked Status PDU D/C PDU Type SUFI SUFI k Padding SUFI 1 Status PDU D/C Pigg. Status PDU R Reserved, R = 0 [1 bit] PDU Type indique de type de PDU Status [3 bits] 000 : STATUS 001 : RESET 010 : RESET ACK : réserve Super Field (SUFI) est utilisé par le récepteur pour informer l émetteur des PDUs manquants ou pour demande à l émetteur de changer de la taille de la fenêtre d émission. L émetteur utilise ce champ pour demander au récepteur de déplacer la fenêtre de réception. [taille variable] TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

34 Super Fields SUFI peut contenir les champs suivants : ACK, LIST, BITMAP,RLIST : indiquent le type d acquittement NO MORE : indique la fin d un Status PDU WINDOW : indique la taille de la fenêtre d émission MRW (Move Receiving Window) : ce type de super field envoie le récepteur à l émetteur pour lui demander d avancer la fenêtre d émission MRW ACK : à l aide de ce type de super field l émetteur acquitte au récepteur le super field MRW TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

35 Gestion des acquittements (mode acquitté) (1) Deux types de mécanisme L émetteur demande au récepteur (via le Polling bit P) d envoyer un rapport (un ou plusieurs STATUS PDUs) concernant la bonne (ou mauvaise) réception des AMD PDUs. Le récepteur répond. Le récepteur transmet de lui même un rapport à l émetteur, pour mentionner les PDUs qui sont bien reçus ou manquants. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

36 Gestion des acquittements (mode acquitté) (2) Il y a plusieurs options quand l émetteur demande au récepteur acquittement (cf. bit P). Par exemple si Le PDU à émettre est le dernier dans le tampon de l émetteur (PDU peut être frais ou correspondre à une retransmission) Le paramètre VT(PDU) = Poll_PDU (cf. suite) La fenêtre d émission est remplit à x% Le temporisateur Timer_Poll_Periodic expire - utilisé quand l émetteur demande des Acks périodiquement TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

37 Gestion des acquittements (mode acquitté) (3) VT(PDU) compte les PDU émit par émetteur (le PDU peut être frai ou correspondre à une retransmission) Tout les N PDU (VT(PDU) = Poll_PDU) l émetteur positionne le P bit, VT(PDU) est remis à 0 La valeur de Poll_PDU (Poll_SDU) est donnée par la couche RRC Le même mécanisme pour le paramètre VT(SDU) Exemple : Poll_PDU = 3 VT(PDU)=0 SN=0, P=0 VT(PDU)=1 SN=1, P=0 VT(PDU)=2 SN=2, P=0 VT(PDU)=Poll_PDU=3 SN=3, P=1 VT(PDU)=0 VT(PDU)=1 SN=4, P=0 SN=5, P=0 Ack : TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

38 SUFI NO_MORE : No more data Ce Super field indique la fin de Status PDU C est toujours le dernier SUFI dans Status PDU Toutes les données suivantes ce SUFI sont considérées comme bourrage TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

39 SUFI WINDOW : Window Size Le récepteur peut changer de la taille de la fenêtre d émission pendant la communication les valeurs min. et max. de fenêtre sont données par la couche RRC la taille de la fenêtre de réception ne change pas Les valeurs initiales des fenêtres d émission et de réception sont données par la couche RRC TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

40 SUFI MRW: Move Receiving Window L émetteur envoie au récepteur ce super field pour lui demander d avancer la fenêtre de réception en deux cas - paramètre qui compte le nombre de retransmission d un PDU, VT(DAT), atteint la valeur du protocole paramètre MaxDat - le temps réservé pour transmettre correctement un SDU par la la liaison radio expire (Timer_Discard) Le récepteur acquitte le super field MRW par le super filed MRW_ACK - chaque retransmission de super field MRW, le paramètre VT(MRW) est augmenté - quand VT(MRW) = MaxMRW, le procédure reset est initialisé TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

41 Comparaison de protocoles HDLC, RLC de l UMTS, TCP TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

42 HDLC (1) Le protocole gère une trame. La trame est délimiter par les fanions. Types de trame: I (trame de données), S (trame de supervision), U (trame non numérotée). Le protocole numérote des trames I, chaque trame I porte le numéro de la trame N(S). Adressage: le champ adresse contient le numéro TEI qui précis le terminal adressé est l identificateur du point d accès SAPI (Service Access Point). TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

43 HDLC (2) Contrôle de flux: trame S (RR, RNR, REJ). Contrôle d erreur: Go-Back-N, le numéro N(R) indique le numéro de la prochaine trame attendue Piggybacking: trames I permettent d acquitter des trames échangées dans le sens inverse grâce au numéro N(R). Le protocole utilise pour établir/libérer une connexion les trames U Établissement connexion Tx SABM UA Rx SABM: Set Asynchronous Balanced Mode UA: Unnumbered Acknowledgment DISC: Disconnect DISC Libération connexion UA TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

44 RLC (1) Le protocole gère un PDU ou un block. La taille de PDU est déterminé pendant la configuration d une entité RLC. Types de PDU: PDU de donné, PDU de contrôle. Le protocole numérote des PDUs. Chaque PDU de donnée contiens le numéro de séquence SN. Adressage: il n y a pas aucun champ réservé pour l adresse. Types de mode: Mode transparent, Mode non acquitte, Mode acquitte. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

45 RLC (2) Contrôle de flux: les taille initiale de fenêtres d émission et de réception sont données par la couche RRC. Contrôle d erreur: Selective Repeat. Polling: est utiliser par l émetteur pour demander un rapport au récepteur. Il y a plusieurs options comment le récepteur peut acquitter les PDU reçus. Piggybacking: PDU de données permettent d acquitter des PDU échangées dans le sens inverse grâce au Piggybacked Status PDU. Une entité RLC est créé/terminer sur la demande de la couche haute. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

46 TCP (1) Le protocole gère des segments TCP. La taille d un segment est marque dans l en-tête de chaque segment TCP. Le protocole numérote les octets. Chaque en-tête de segment TCP contient le numéro de séquence du premier octet de données dans le champ de donnée. Il n y a qu un seul type de segment TCP. Adressage: l en-tête de segment TCP contient le numéro du port de source et du port de destination. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

47 TCP (2) Contrôle de flux: la taille de la fenêtre d émission courante est donnée comme le minimum de la fenêtre de réception et la fenêtre de congestion. Contrôle d erreur: Go-Back-N Piggybacking: l en-tête de segment TCP port l Ack pour le segment échangé dans le sens inverse. L ouverture d une connexion TCP s effectue en trois phases (three way handshake). TCP libère la connexion en quatre phases. Établissement connexion SYN SYN,ACK Libération connexion FIN ACK ACK FIN ACK TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

48 Exercices TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

49 Exercice 1 La station A communique avec la station B en utilisant le protocole Stop and Wait. Le canal offre un débit égal à 50 kbit/s. Le Round Trip Time est 500 ms et la taille PDU 1000 bits. Quel est le pourcentage d utilisation (ou efficacité) du canal? (le temps de traitement de PDUs par le récepteur est 0) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

50 Exercice 2 Cette fois ci la station A communique avec la station B en utilisant le protocole avec la fenêtre d anticipation (elle peut émettre plusieurs PDU avant recevoir un Ack). Considérer les mêmes paramètres comme dans l exercice 1 (50 kbit/s, RTT=500 ms, PDU=1000 bits). Quelle est la taille minimale de la fenêtre d anticipation W qui maximise l efficacité du canal? (en l absence d erreurs) TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

51 Exercice 3 La station A communique avec la station B en utilisant le protocole Selective Repeat. Le canal offre un débit égal à 64 kbit/s. La probabilité d erreur binaire sur le canal est La taille de trame est 144 bits (128 bits pour données, 16 bits pour la contrôle). Trouvez le nombre moyen d émission nécessaire pour transmettre effectivement une trame et le débit de données moyen reçu par le récepteur. TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

52 Questions Définir ce qu est la segmentation, le piggybacking, le polling? Pourquoi on numérote les PDUs? Quel est le principe des protocoles Stop and Wait, Go-Back-N, Selective Repeat? Modes du protocole RLC de l UMTS? Types de PDU? Quelle est la taille max. de la fenêtre d émission pour une entité RLC en mode acquitté? Donner des différences entre RLC de l UMTS (ou HDLC) d une part et TCP d autre part? TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,

53 Bibliographie [1] Harri Holma, Antti Toskala, "WCDMA for UMTS, Radio Access for Third Generation Mobile Communications," Aug [2] Mischa Schwartz, Telecommunication Networks: Protocols, Modeling and Analysis" 1987 [3] 3G TS ; MAC protocol specification (Release 5), 3GPP, September [4] 3G TS ; RLC protocol specification (Release 5), 3GPP, September [5] 3G TS ; Radio Resource Control (RRC) (Release 5), 3GPP, September TELECOM PARIS - InfRes - R. Bestak & P. Godlewski 19 Novembre,