Etude de l'impact du protocole TCP Sur les performances et Capacites du systeme UMTS -HSDPA

MÉMOIRE

Présenté à la FST pour obtenir :

Le Diplôme des Études Supérieures Approfondies (DESA)

UFR : Télécommunications instrumentations et micro électroniques

Référence : P06/03

Étude de l'impact du protocole TCP sur la capacité et performance du système UMTS-HSDPA

Par :

Abdessamad Darim

(Licence : Electronique)

Soutenu le : /03/08 devant la commission d'examen :

Président  : Abdel jalil El Kari PES FST

Encadrant : Rajaa El Assali PA ENSA

Examinateurs  : Brahim Essaid PES FSSM

Nourdine Idboufker PA ENSA

À ma femme

À mes parents

À mes soeurs et frères

À mes amis

Et à tous ceux que j'aime

« Pour faire de grandes choses, il ne faut pas être

Un si grand génie, il ne faut pas être au-dessus des

Hommes, il faut être avec eux»

Montesquieu

REMERCIEMENTS

Je tiens tout d'abord à remercier Madame El Assali professeur `a l'ENSA de Marrakech, de m'avoir accueilli au sein de la composante INSA de Marrakech et d'avoir accepté de diriger mon projet de fin d'étude DESA TER

Mes remerciements vont également à tous mes professeurs et collègues qui ont assuré ma formation durant deux années de DESA,

Et enfin je tiens à remercier Messieurs les professeurs, membres de jury d'avoir accepté de juger et d'évaluer ce travail.

Sommaire

1

Introduction Generale 13

Chapitre 1 : Réseau UMTS 14

Introduction 15

1. 1 Technique d'accès radio 15

1.1. 1 Techniques de base 17

1.1. 2 Technique d'étalement 18

1. 2 Présentation du système UMTS 18

1.2 1 Principes de base 19

1.2 2 Service UMTS 19

1. 3 Architecture globale de l'UMTS 22

1.3 1 Domaine Equipement utilisateur 23

1.3 2 UTRAN ( Universal terestrial Radio Network Acces ) 23

1.3 3 Node B 25

1.3 4 Réseau Coeur 25

1. 4 Les interfaces logiques dans l`UTRAN 25

1.4 1 L'interface Uu 26

1.4 2 Canaux UMTS 27

1.4.2. 1 Canaux logiques : 27

1.4.2. 2 Canaux de transport 28

1.4.2. 3 Canaux physiques 29

1.4 3 Couche physique 31

1.4 4 Couche liaison : 36

1.4.4 1 Couche MAC 36

1.4.4 2 MAC Architecture 37

1.4.4 3 La couche RLC (Radio Link Control ) 39

1.4.4 4 La couche PDCP (Packet Data Convergence Protocol) 42

1.4.4 5 La couche RRC (Radio Ressource Control) 42

1.4.4 6 Protocole ARQ (Automatic Repeat Request Protocol) 42

1.4.4.6 1 Protocole Stop Wait 44

1.4.4.6 2 Protocole Glissement de fenêtre « Sliding Window « 44

1.4 5 Power control 45

1. 5 Modélisation de la capacité cellulaire 46

1.5. 1 Capacité du sens descendant 46

CONCLUSION : 47

Chapitre 2  :  Technique HSDPA 73

Introduction 49

2.1 Présentation générale du HSDPA 49

2.2 Structure HSDPA 50

2.3 Architecture de Protocole 52

2 .4 Canaux HSDPA 53

2.5 Mécanisme de retransmission hybride HARQ 57

2.5.1 Protocole HARQ 58

2.6 Modulation et codage adaptatifs 59

2.7 Fonctionnement de la couche physique 61

2.8 FCSS (Fast Cell Site Selection) 63

2.9 Interval de temps de transmission (TTI) 63

2.10 Modélisation du HSDPA et Sortie de Cellule 64

2.10.1 HARQ 64

2.10.2 AMC 64

2.10.3 Ordonnancement rapide (Fast Scheduling) 65

2.10.3.1 Méthode de Round Robin (RR) 66

2.10.3.2 Méthode FFTH (Fast Fair Throughput) 67

2.10.3.3 Méthode du Maximum C/I (Signal sur Interférence) 68

2.10.3.4 Méthode du Proportionnel Fair 69

Résultats 71

Conclusion : 72

Chapitre 3 :  TCP au dessus des réseaux sans fils 73

Introduction 73

3.1 Facteurs d'environnement sans fils 73

3.1.1 Limitation de largeur de Bande et Durée RTT 73

3.1.2 Taux de perte élevé 75

3.1.3 Mobilité 76

3.1.4 Asymétrie de la largeur de bande 76

3.2 Performance TCP 77

3.2.1 Présentation des procédés 77

3.2.1.1 Solutions niveau liaison 78

3.2.1.2 Split Solutions 78

3.2.3 End-to-End Solutions 79

Chapitre 4 :  TCP au dessus des réseaux sans fils 80

Introduction 80

4.1 Performance TCP 81

4.2 Architecture de la connexion TCP au dessus UMTS-HSDPA 81

4.3 Comparaison entre RLC, MAC-hs, et TCP 84

4.3.1 Fiabilité 84

4.3.2 Contrôle de flux et Glissement de fenêtre 85

4.3.3 Segmentation 85

4.4 Modélisation du TCP au dessus UMTS-HSDPA 86

La variation du débit binaire TCP au-dessus de l'interface radio est due à deux raisons : diminution de la taille de fenêtre TCP, et retransmissions des segments TCP. 86

4.4.1 Timeout 86

4.4.1.1 Proposition 87

4.4.1.2 Preuve 87

4.4.2 Démarrage lent ( Slow Start ) 88

4.4.3 Temps de rétablissement du premier perte 89

4.4.4 Etat de stabilité 90

4.5 Effet du TCP sur les réseaux sans fils a canal partage 93

CONCLUSION 95

Perspective : Erreur ! Signet non défini.

Liste des figures

Figure 1.1 Technique d'accès Parmi les méthodes d'accès de base : 17

Figure 1.2- Architecture générale du réseau UMTS 23

Figure 1.3 - Éléments du réseau d'accès UTRAN 24

Figure 1.4 Architecture générique des interfaces de l`UTRAN 26

Figure 1.5 Couches de protocoles de l'interface radio Uu 27

Figure 1.6 - Fonctions de la couche physique dans la chaîne de transmission UTRA/FDD 31

Figure 1.7- Exemple d'une chaîne d'émission utilisant la modulation QPSK 35

Figure 1.8 : Architecture Générale du MAC du UMTS cote UE 38

Figure 1.9 Format du MAC PDU 39

Figure 1.10 Format d`un paquet RLC-PDU en mode de UM 40

Figure 1.11 Format d`un RLC-PDU en m ode AM 41

Figure 1.12 Architecture de la couche PDCP 42

Figure 1.13 probability en fonction du nombre d'utilisateur dans le sens Descendant 47

Figure 2.1 - Architecture système avec le HSDPA 50

Figure 2.2 Architecture Protocolaire de l'interface Radio du système hsdpa 51

Figure 2.3 Architecture Protocolaire de l'interface Radio du système HSDPA 51

Figure 2.4 Les entités fonctionnelles incluses dans la MAC-hs 53

Figure 2.5 - Exemple de multiplexage de code avec deux usagers actifs 54

Figure 2.6 - Relation du timing entre le canal HS-SCCH et le HS-DSCH 55

Figure 2.7 - Structure du canal HS-DPCCH 56

Figure 2.8 - Technique HARQ dans la chaîne de codage du canal HS-DSCH 58

Figure 2.9 - Principe de fonctionnement de l'HARQ 58

Figure 2.10 - Constellations de la modulation 16-QAM et QPSK 60

Figure 2.11 - Fonctionnement de la couche physique du HSDPA 63

Figure 2.12 Debit de sortie de la cellule HSDPA pour différent algorithme 70

Figure 2.13 Débit de sortie de la cellule HSDPA pour différent algorithme 70

Figure 4.1 Structure protocolaire de la connexion TCP au dessus du système UMTS 83

Figure 4.2 Structure protocolaire de la connexion TCP au dessus du système UMTS 83

Figure 4.3 Effet du TCP sur la performance d'une application de 32 kbps 92

Figure 4.4 Effet du TCP sur la performance d'une application de 64 kbps 92

Figure 4.5 Effet du TCP sur la performance d'une application de 128 kbps 92

Figure 4.6 Effet du TCP sur la capacite d'une cellule HSDPA 95

Liste des tableaux

tableau 3.1 Classes de services de l'UMTS 21

tableau 3.2 Comparaison du canal HS-DSCH avec les autres canaux du lien descendant 54

tableau 3.3 - Schémas de modulation et de codage MCS sur le lien DL 61

tableau 3.4- Catégories de terminaux supportant la technologie HSDPA 61

Abbreviations

3GPP Third Generation Partnership Project

Ack Acknowledgement

AM Acknowledge Mode

AMC Adaptive Modulation and Coding

ARQ Automatic Repeat reQuest

BER Bit Error Rate

BlER Block Error Rate

BMC Broadcast/Multicast Control Protocol

CDMA Code Division Multiple Access

CN Core Network

DupAck Duplicated Acknowledgement

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

FDD Frequency Division Duplex

FEC Forward Error Correction

FTP File Transfer Protocol

GGSN Gateway GPRS Support Node

GMSC Gateway Mobile Switching Centre

GSM Global System for Mobile communication

GPRS General Packet Radio Service

HARQ Hybrid Automatic Repeat reQuest

HLR Home Location Register

HS High Speed

HSCSD High Speed Circuit Switched Data

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HS-DShCH High Speed Downlink Shared Channel

HS-PDShCH High Speed Physical Downlink Shared Channel

HS-ShCCH High Speed Shared Control Channel

IP Internet Protocol

ITU International Telecommunication Union

Iu Interface UTRAN - Core Network

Iub Interface Node B - RNC

Iur Interface RNC - RNC

MAC Medium Access Control

MAC-b MAC-broadcast

MAC-d MAC-dedicated

MAC-c/sh MAC-common/shared

MAC-hs MAC-high speed

MCS Modulation and Coding Scheme

MinInter-TTI Minimum Inter-TTI

MSC Mobile Switching Centre

MSS Maximum Segment Size

NAck Negative Acknowledgment

OSI Open System Interconnection

Phy Physical Layer

PDCP Packet Data Convergence Pro tocol

PDU Protocol Data Unit

PLMN Public Land Mobile Network

PU Payload Unit

QoS Quality of Services

RLC Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RNS Radio Network Sub-system

RTO Retransmission Time-Out

RTP Real-Time Transport Protocol

RTT Round Trip Time

RRC Radio Resource Control

SACK Selective Acknowledgment

SDU Service Data Unit

Abbreviations 109

SDL Specification and Description Language

SGSN Serving General Packet Radio Service Support Node

SMS Short Message Service

SRF Simulated Radio Frame

SS7 Common Channel Signaling System No. 7

Status PDU Status information control Protocol Data Unit

SuFi Super Field

TCP Transmission Control Protocol

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

T-slot Three slots

TM Transparent Mode

TTI Transmission Time Interval

UDP User Datagram Protocol

UE User Equipment

UM Unacknowledged Mode

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

Uu Interface UE - Node B

VLR Visitor Location Register

WCDMA Wideband Code Division Multiple

Contexte & Problématique

Un modèle analytique pour évaluer l'effet du protocole TCP sur la capacité d'UMTS-HSDPA est présenté. On propose également une méthode pour réduire au minimum l'effet du TCP sur les réseaux sans fil à l'aide des canaux partagés. HSDPA (accès à grande vitesse de paquet de Downlink) réalise des débits binaires globaux plus élevés par l'introduction de la modulation et du codage adaptatifs, l'hybride ARQ, les algorithmes d`ordonnancement rapide, la sélection rapide de cellules. Le modèle proposé est utilise pour évaluer l'effet du protocole de TCP relatif au débit binaire de divers services de données (à 64 et à 128kbps). Comme été prévu le flux du débit binaire diminue fortement si la congestion dans le réseau câble augmente. Cependant, la capacité réalisée par HSDPA n'est pas affectée par TCP.

Mot cle : UMTS , HSDPA , ARQ, AMC ,TCP

Abstract

An analytical model to evaluate the impact of TCP on the UMTS-HSDPA capacity is presented. A method to minimize the effect of TCP on wireless networks using shared channels is also proposed. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) achieves higher aggregate bit rates through the introduction of adaptive modulation and coding, Hybrid ARQ, fast scheduling, fast cell selection. The proposed model is used to evaluate the effect of the TCP protocol on the bit rate of various data services (at 64 and 128kbps). As expected the bit rate per flow decreases strongly if congestion in the wired network increases. However, the capacity achieved by HSDPA is not as affected by TCP.

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