Etude de performance de TCP dans le système UMTS
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Etude de performance de TCP dans le système UMTS
MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Etude de performance de TCP dans le système UMTS-HSDPA Ravelomanantsoa N.L. 1, Andriamanohisoa H. Z.2, Randriamitantsoa P.A3 Ecole Doctorale Science et Technique de l’Ingénierie et de l’Innovation (ED –STII) Laboratoire de Télécommunication, Automatique, Signal et Images (L-TASI) Ecole Supérieure Polytechnique – Université d’Antananarivo 1 [email protected], [email protected], [email protected] Résumé Le système à haut débit HSDPA (High Speed Cet article présente un modèle pour TCP dans le Data Packet Access) a été proposé parmi les système UMTS/HSDPA. Le nombre moyen de perfectionnements à long terme de la norme retransmission de segment TCP est évalué car UMTS (Universal Mobile Telecommunication c’est un paramètre important dans la performance Service) dans le lien descendant. Néanmoins, les de TCP. protocoles de haut niveau utilisés par les applications Mots clés : TCP, congestion, fenêtre, scheduling, débit, timeout, acquittement, ont des mécanismes de retransmission. Particulièrement le protocole TCP retransmission, (Transport Control Protocol) qui est utilisé en qualité de service, UMTS, HSDPA. même temps que l’IP (Internet Protocol) peut Abstract avoir de sérieux impacts sur le débit. Le This paper presents a modelling of TCP over mécanisme de contrôle de congestion doit alors UMTS/HSDPA system. The mean number of TCP être étudié afin de fournir des moyens pour éviter segments retransmissions is evaluated as it is an ou au moins réduire les effets négatifs. important parameter to evaluate the performance 2. HSDPA of TCP. HSDPA nécessite la mise à jour du Node B et Keywords:TCP, congestion, window, scheduling, permet un débit théorique maximum de 14,4 rate, timeout, retransmission acknowledgement, Mb/s. Ll utilise le High-Speed DSCH (HS-DSCH) quality of service, UMTS, HSDPA qui est un canal large bande pour augmenter le 1. Introduction débit de données. Les systèmes et les réseaux sans fil ont Le concept HSDPA est une combinaison de graduellement évolué de la première génération plusieurs techniques dont : AMC (Adaptive qui était focalisée sur la voix, vers les systèmes Modulation and Coding) pour une liaison qui numériques offrant en plus des services de s’adapte aux variations de l’environnement radio, données bas débit non isochrone. FPS (Fast Packet Scheduling) pour les techniques de transmission/retransmission utilisant HARQ, et 81 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Fast Cell Selection (FCS) permet aux UE (User noter que pour N, le nombre maximum de code Equipment) de trouver parmi les Node B actives, HS-DSCH est de 15. Soit SIR= γ Rake pour un la cellule qui indique les meilleurs caractéristiques récepteur en râteau et k mcs est la probabilité de pour transmettre le paquet de donnée. sélection d’un schéma de modulation et de code 2.1 Impact HSDPA sur l’architecture UTRAN mcs. La probabilité de sélection de la combinaison L’impact de HSDPA sur l’architecture des donnée mcs peut s’exprimer en : Pour terminaux et du Nœud B est principalement au transmissions d’ordre supérieur niveau de leur couche physique. Cependant, le k mcs = Pr ob ( SIR ≥ γ mcs ) les (2) besoin de retransmettre des paquets, aussi Pour les autres transmissions rapidement que possible, a mené à doter le Nœud B de plus d’«intelligence » en créant une nouvelle k mcs = Pr ob(γ mcs ≤ SIR < γ mcs +1 ) entité Où de niveau 2 : MAC-hs. Le fait d’avoir privilégié le Nœud B au RNC pour effectuer ces (3) γ mcs est le SIR cible de la modulation et du code mcs et tâches diminue les éventuels retards survenus dans P (γ mcs ≤ SIR < γ mcs +1 ) = P ( SIR ≤ γ mcs +1 ) − P ( SIR ≤ γ mcs ) l’interface Iub. 2.4 Scheduling 2.2 HARQ Il y a quatre algorithmes de scheduling qui sont Le nombre moyen de transmission Ns dû au les plus utilisés. HARQ peut être évalué en utilisant la formule 2.4.1 Round Robin suivante : L’approche Round Robin suggère d’allouer les 1 + Pe − Pe Ps Ns = 1 − Pe Ps Où ressources de manière séquentielle, ce qui s’avère (1) plus équitable mais par forcément plus efficace Pe est le taux d’erreur sur les blocs ou BLER car les conditions du canal ne sont pas prises en (Block Error Rate), Ps est la probabilité d’erreur compte. après la combinaison de Dans le RR (Round robin), le canal est partagé deux transmissions équitablement entre les utilisateurs. Si Nu est le erronées successives. nombre d’utilisateurs dans la cellule, et que la 2.3 AMC probabilité qu’un TTI soit alloué à un utilisateur Pour suivre la variation des conditions du canal, donné soit 1/ Nu, alors la valeur moyenne de taux l’AMC est utilisé dans le HSDPA où un MCS (un binaire d’un utilisateur i est : ordre de modulation M, une vitesse de codage τ , Ri = et un nombre de codes HS-DSCH N) est sélectionné sur une base dynamique selon la = valeur du SIR (Signal to Interference Ratio). A 82 R m k m ,i 1 Nu ∑ 1 Nu ∑k m N s ,i m W ( N log 2( M )τ ) m ,i SF N s ,i (4) MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Rm est le taux de transmission de m pendant TTI, Ri = pr (i)∑ m N s ,i est le nombre moyen de transmission de Rm k m , i N s ,i = pr (i)∑ k m paquet d’un utilisateur i dû au HARQ, W est la vitesse de chip, SF est le facteur d’étalement, k m ,i W ( N log 2( M )τ ) m,i SF N s ,i (7) Le débit de la cellule est dans ce cas: varie selon la position du mobile. ⎛ Nu ⎞ th = E ⎜⎜ ∑ Ri ⎟⎟ ⎝ i =1 ⎠ Le débit de la cellule est dans ce cas donné par la formule : (8) 3. Transport Control Protocol ⎛ Nu ⎞ th = E ⎜⎜ ∑ Ri ⎟⎟ ⎝ i =1 ⎠ Définition 1.01 : (5) Contrôle de flux : l'émetteur adapte le nombre de 2.4.2. Maximum C/I paquets envoyés à la taille du buffer de réception. La technique « max C/I », reprend l’idée de la Définition 1.02 : transmission adaptative à débit variable afin d’allouer le HS-DSCH au débit le plus haut Contrôle de congestion : l’émetteur adapte le débit possible, aux utilisateurs dont les conditions de des données envoyées à la bande passante propagation sont les plus favorables pendant un instantanée du réseau. TTI. Définition 1.03 : En scheduling par Max C/I, un canal est alloué sur Fenêtre de réception : nombre maximal de paquet chaque TTI à des utilisateurs ayant le meilleur que le récepteur est capable de recevoir en un SIR. certain moment. Ce procédé de scheduling maximise la capacité de cellule mais ne garantit pas la qualité Définition 1.04 : de service. Les utilisateurs à la limite de la cellule Fenêtre de congestion (cwnd): nombre maximale ont toujours des mauvaises conditions de canal à de paquet que l'émetteur peut envoyer sans cause des atténuations, des absences de contrôle recevoir aucun accusé. de puissance rapide, et ils expérimentent un faible taux binaire. Définition 1.05 : Si Nu est le nombre d’utilisateurs dans la cellule, Seuil de démarrage lent (ssthresh) : estimation de et que la probabilité qu’un TTI soit alloué à un la bande passante disponible utilisateur donné soit : Définition 1.06 : pr (i ) = Pr ob ( SIR > SIR j pour j = 1 ..N u et j ≠ i ) Accusé de réception (ACK) : du récepteur vers (6) l'émetteur, c'est le numéro du premier octet On a : attendu par le récepteur. 83 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Définitions 1.07 : l'interface radio. Ce qui augmente le RTT et le DupACK : un accusé identique au précédent, si le RTO de TCP. paquet N arrive au récepteur avant N-1, son 3.1.2 Probabilité d’un RTO dû à l’interface radio accusé est identique à l'accusé du N-2. La probabilité d’un RTO dû à l’interface radio Définitions 1.08 : est : RTT (Round Trip Time) : temps entre l'envoi d'un Num ⎞ ⎛ q = Q⎜ ⎟ ⎝ Den1.Den2 ⎠ paquet et la réception de son accusé. (10) où Définitions 1.09 : To − RTTwired − RTO (Retransmission Timeout): à chaque envoi Num= d'un paquet, une horloge propre est lancée. Si l'horloge expire le paquet et retransmis. Den1= 3.1 Modélisation de TCP sur le système UMTSHSDPA ∑ m km 1 + Pe − Pe Ps Tj 1 − Pe Ps W ( N log 2( M )τ )m ,i TTI SF 12000 Pe ( 1 − Pe + Pe Ps )T j Le débit de donnée de la couche TCP est calculée 1 − Pe Ps Den2= en divisant la taille des données par la valeur où To est la durée moyenne du premier timeout moyenne du temps de latence E(T) ; on suppose dans une partie où il y a un ou plusieurs timeouts pour cela un processus markovien. successifs. La valeur moyenne du temps de latence E(T) est composé du Tss, le temps de latence de la phase de RTTwired est le RTT moyen de la partie filaire du slow-start ; Tloss, correspondant au temps de réseau. reprise et le coût du RTO ; et Tca, qui représente Pe le temps de latence de la phase de fonctionnement combinaison de deux transmissions successives stabilisée. Le débit de données est : d’un même bloc d’information. R= data E( Tss ) + E( Tloss ) + E( Tca ) est la probabilité d’erreur après une km est la probabilité de sélection d’un MCS (modulation and coding scheme) m. Un MCS est (9) une combinaison d’une modulation d’ordre M, un taux de codage canal τ , un nombre N de code 3.1.1 Timeout TCP détecte la perte de paquet de deux manières: canal parallèle HS-DSCH. RTOs et le triple dupACKs. Les RTOs de TCP Le TTI (transmit time interval), qui correspond à peuvent être causés par une congestion dans un la durée de transmission d'un bloc dans la couche réseau internet ou par un retard dû à un débit MAC, est de 2ms. binaire limité ou de multiple retransmission Le SF (Spreading Factor) est 16. généré par les techniques ARQ au niveau de 84 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg W est le débit des éléments ou chip rate (3,84 Où γ est le débit de l'augmentation exponentiel de Mchips/sec). la taille de la fenêtre pendant le slow-start. Tj est le temps de transmission d’un segment dans E( Wss ) est donné par : l’interface radio. E( Wss ) = 3.1.3 Slow Start Dans la phase de slow-start, la taille de la fenêtre E( d ss )( γ − 1 ) γ + W1 γ (13) 3.1.4 Temps de reprise de la première perte cwnd est limitée par une valeur maximum Wmax La probabilité de perte dans un fichier de d imposée par l'émetteur ou les limitations du buffer segments TCP: du récepteur. Pour déterminer E(Tss), le nombre loss = 1 − ( 1 − e ) d de segments de données que l'émetteur peut envoyer avant la perte d'un segment est utile. (14) La perte entre deux segments est considérée E( Wss ) est la fenêtre attendu à la fin du slow ' comme indépendante. Soit Q ( e , w ) la probabilité start. qu'une perte qui apparaît soit un RTO. Soit cong Soit e la probabilité de retransmission (congestion et Wirel respectivement, les probabilités qu’il y ait + RTO). La probabilité e peut être évaluée en une perte par congestion dans la transmission d’un utilisant l’équation suivante : fichier et qu’il y a un RTO dû aux conditions de e=p+q-pq l’interface radio. ⎛ d −1 ⎞ k d E (d ss ) = ⎜ ∑ (1 − e ) e.k ⎟ + (1 − e ) .d ⎝ k =0 ⎠ cong = 1 − ( 1 − p ) d (15) Wirel = 1 − ( 1 − q ) d (16) (1 − (1 − e) )(1 − e) = d e (11) La probabilité qu'un émetteur en congestion où d est le nombre de segment dans le fichier avoidance détecte une perte de paquet par un RTO ⎧ ⎡ 1 ⎞⎤ ⎛ W max E( d ss ) ⎟⎥ +1+ ⎜ ⎪ ⎢ W max ⎟⎥ ⎪ RTT ⎢log ⎜ W1 γ ⎜ ⎟⎥ ⎪ ⎢ γW max − W1 ⎟⎟⎥ ⎜⎜ − ⎪ ⎢ γ −1 ⎠⎦ ⎝ ⎪ ⎣ E( T ss ) = ⎨ quand E ( W ) W > ss max ⎪ ⎪ ⎛ E( d ss )(γ − 1) ⎞ ⎪ RTT . log γ ⎜⎜ + 1 ⎟⎟ W1 ⎪ ⎝ ⎠ ⎪ quand E( W ss ) ≤ W max ⎩ est: ⎛ ( 1 + ( 1 − p ) 3 ( 1 − ( 1 − p ) w − 3 )) ⎞ ⎟ F ( p ,W ) = min ⎜⎜ 1, w 3 ⎟ ⎝ ( 1 − ( 1 − p ) ) /( 1 − ( 1 − p ) ) ⎠ (17) La probabilité de RTO est obtenu par : (12) RTO = cong .F ( p ,W ) + Wirel − Wirel .cong .F ( p ,W ) ' Donc, la probabilité Q ( e , w ) est : 85 (18) MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Q' ( e, w ) = cong.F ( p ,W ) + Wirel − Wirel.cong.F ( p ,W ) 1 − ( 1 − e )d ⎧ ⎪ 1− e W( e ) ⎪ + + Q ' ( e ,W ( e )) ⎪ e 2 ⎪ ' b ⎪ RTT ⎛⎜ W ( e ) + 1⎞⎟ + Q ( e ,W ( e ))G( e )To ⎪ 1− e ⎝2 ⎠ ⎪ =⎨ quand W ( e ) < W max ⎪ 1 − e W max ⎪ + + Q' ( e ,W max ) e 2 ⎪ ⎪ ⎛b 1 − e ⎞ Q' ( e ,W max )G( e )To ⎪ RTT ⎜⎜ W max + 2 + ⎟+ eWmax ⎟⎠ 1− e ⎪ ⎝8 ⎪ quand W ( e ) ≥ W max ⎩ (1.17) (19) La probabilité de perte via une triple dupACKs est loss( 1 − Q ' ( e , w )) . On suppose que le fast recovery pour une dupACKs prend un RTT. Toutefois, cela prend plus de temps pour un RTO. E ( z To ) = 1 + e + 2 e 2 + 4 e 3 + 8 e 4 + 16 e 5 + 32 e6 To 1− e (20) où b est le nombre de segments TCP accusés par W( e ) = La valeur moyenne de temps de reprise à la fin du un seul ACK et slow-start initial est : 2+b 8( 1 − e ) ⎛ 2 + b ⎞ + +⎜ ⎟ 3b 3be ⎝ 3b ⎠ 2 (1.18) E( Tloss ) = loss( Q ( e , w )E( z ) ' To 3.1.6 Nombre moyen de retransmissions de + ( 1 − Q' ( e, w ))RTT ) (21) segment TCP 3.1.5 Phase de fonctionnement stabilisé Le nombre moyen de retransmissions de segment Le volume des données restantes après le slow TCP N TCP peut être évalué en utilisant la start ainsi que d'éventuelles reprises après pertes probabilité de transmissions de n segments avant est approximativement une réception correcte. E( d ca ) = d − E( d ss ) Ce volume est (22) transféré avec un La probabilité qu'un segment soit transmis seulement une fois est (1-e). Un segment TCP sera débit transmis deux fois avec la probabilité de e(e-1). R( e , RTT ,To ,Wmax ) . Le temps de latence est : Dans le cas où la retransmission est causée par un E( d ca ) E( Tca ) = R( e , RTT ,To ,Wmax ) RTO, la durée de timeout est T0. Cette durée sera à chaque fois doublée, si on a une retransmission (23) infructueuse, jusqu'à la valeur 64T0. Dans le cas Où R( e , RTT ,To ,Wmax ) d'un triple dupACKs, le timeout restera T0. La probabilité d'un RTO à cause de l'interface radio apparaît est q. 86 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Les probabilités q2, q4, ....., q64 sont définies selon le nombre de retransmissions, en remplaçant T0 par 2T0, 4T0 ....... 64T0. Soit x2= (1-q) (1-q2) et on définit x4,....., x64 de la même façon. Dans ce cas, le nombre de paquets arrivant à la node B décroit, et plus il y a de TTI disponible Figure 01 : Scénario d’étude. dans le canal partagé. N TCP = 1 + e − 2e 2 + 3ex2( pF ( p ,W ) Modèle de propagation utilisé est le modèle + q − pF ( p ,W )q ) + 3e( 1 − e ) p( 1 − F ( p ,W )) Pedestrian A défini par le 3GPP. La puissance de transmission du Noeud B est de 38dBm et le gain + 4e 2 ( 1 − x 2 )s4 de l'antenne est de 17dBi. + 5e 2 ( 1 − x 2 )( 1 − x4 )x8 Entre le RNC et le SGSN, la bande passante est de + 6 e 2 ( 1 − x 2 )( 1 − x4 )( 1 − x8 )x16 + e 2 ( 1 − x 2 )( 1 − x4 )( 1 − x8 )( 1 − x16 ) ( 1 + 7 x16 ) x16 622Mbit avec un retard de 0,4ms. Entre le SGSN et le GGSN, la bande passante est (24) de 622Mbit avec un retard de 10ms. 4. Scenario d’étude Le NODE1 et NODE2 sont les nœuds fixes. Notre scenario se base sur 10 utilisateurs Entre le GGSN et le NODE1, la bande passante distribués de façon uniforme sur la cellule. est de 10Mbit et le retard est de 15ms. Entre le Le premier est à 100m de la BS, le second est à NODE1 et le NODE2, la bande passante est de 200m, le troisième est à 300m, et ainsi de suite 10Mbit et le retard est de 35ms. La source jusqu’au dixième utilisateur qui est situé à 1000m NODE2 de la BS. utilise des trafics FTP pour les simulations. Le TTI est de 2ms. La durée de On suppose que les utilisateurs se déplacent en session de la simulation est de 190s. orbite par rapport au Nœud B avec une vitesse de La phase de prétraitement se divise en deux 3km/h. parties : Génération de trace SNR Génération de courbe BLER/SNR correspondant La courbe BLER/SNR est basée sur les statistiques. La probabilité qu’un bloc soit reçu correctement dépend du SNR, le CQI du bloc. 87 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg Chaque CQI a une relation spécifique entre le utilisateurs, et ne prend pas en compte les SNR et le BLER. conditions de canal de chaque utilisateur. La formule ci-dessous donne le SNR en fonction La du BLER et du CQI : instantanés des différents utilisateurs pour le SNR = ( 3 − log 10 (CQI )) / 2 log 10 (( BLER −0, 7 ) − 1) figure suivante représente les débits scheduler Maximum C/I. + 1,03CQI − 17,3 (25) Où SNR est le rapport signal sur bruit, CQI est le paramètre CQI de l’UE, BLER est le taux d’erreur du bloc. 4.1 Débit instantané d’un utilisateur La figure suivante représente les débits instantanés des différents utilisateurs pour le scheduler Round Robin. Figure 03 : Débit instantané par utilisateur Max C/I Le Maximum C/I favorise les utilisateurs qui présentent de meilleures conditions de canal. Les utilisateurs à la périphérie de la cellule ne sont presque pas ordonnancés. Figure 02 : Débit instantané par utilisateur- C’est le cas d’UE10 qui est situé à 1000 m de la Round Robin BS. Toutefois, l’UE1, ayant des conditions de canal favorables, a un débit instantané plus élevé On remarque qu’avec le scheduler Round Robin, qu’avec le Round Robin. les débits sont équilibrés et que les utilisateurs éloignés du Nœud B arrivent à avoir des pics 4.2 Comparaison entre Maximum C/I et Round assez élevés. Robin En effet, ce scheduler a une Les méthode traces suivantes montrent les retards d’ordonnancement assez équitable. Il essaie de instantanés des paquets venant de l’émetteur vers diviser la capacité à parts égales entre les l’utilisateur UE1 situé à 100m de la BS pour le scheduler Maximum C/I et Round Robin. 88 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg qu’il est le plus utilisé au niveau transport dans le monde Internet. Pour TCP, la perte est un indicateur de congestion. Lors d'une perte, la fenêtre de congestion de TCP est réduite, ce qui diminue le débit du TCP surtout dans les liens où les pertes sont causées par d'autres raisons que la congestion, comme le cas des liens sans fil. Ceci freine la convergence vers les réseaux sans fil et l'intégration des services multimédia dans les réseaux mobiles. Figure 04 : Retard de l’UE1 en Max C/I et en Round Robin Nous avons étudié les améliorations apportées par On peut voir que le scheduler Round Robin la technologie HSDPA sur le lien descendant du présente des retards de paquet plus élevés qu’en réseau UMTS. Ces améliorations sont possibles Maximum C/I. grâce aux différentes techniques d'AMC, de HARQ et partage de canal et des algorithmes Les traces suivantes nous présentent les débits d’attribution de ressources. Ainsi le HSDPA offre moyens d’un utilisateur par rapport à la distance des avantages par rapport à l'UMTS comme de la BS pour un algorithme d’ordonnancement l'augmentation de débit dans la voie descendante, choisi. un délai court de la transmission des données et La figure suivante montre le débit total de la l'augmentation de la capacité de transmission sans cellule pour chaque scheduler utilisé avoir besoin de fréquences supplémentaires. La modélisation de l’effet du TCP sur HSDPA demande l’estimation de temps de latence de la phase slow-start, la perte au moment de reprise et la phase d’évitement de congestion. La diminution de débit binaire de TCP à travers l’interface radio est causée par : la diminution de la taille de la fenêtre de TCP, et les retransmissions des segments TCP. Ce débit dépend aussi du type de scheduler utilisé pour l’attribution de ressources. Parmi les schedulers, le Maximum C/I offre le Figure 05 : Comparaison débit totale débit de cellule le plus élevé. Par contre, il est 5. Conclusion et perspectives impartial par le fait qu’il ne favorise que les La simplicité, la fiabilité et le contrôle de utilisateurs présentant les meilleures conditions congestion que présente le protocole TCP ont fait 89 MADA-ETI, ISSN 2220-0673, Vol.1, 2014, www.madarevues.gov.mg radio. De ce fait le scheduler Maximum C/I est plus adapté pour les pico-cellules. Le HSDPA concerne seulement l’amélioration du lien descendant, pour le lien montant la technologie HSUPA ou High Speed Uplink Packet Access a été mise en œuvre. 6. Références [1] Abu-Rgheff A. ,« Introduction to CDMA Wireless Communications», Academic Press: 2007 [2] H.Holma,A.Toskala, «HSDPA/HSUPA for UMTS: High Speed Radio Access for Mobile Communications», John Wiley & Sons: 2006 [3] A.Mohamad, Djamal, «TCP Performance over UMTS-HSDPA Systems- Zeghlache», Auerbach Publications: 2007 [4] A.Haider, R. Harris, H.Sirisena, «Simulation-Based Performance Analysis of HSDPA for UMTS Networks [5] J.Zhou, A.Lo, Z.Liu, I.Niemegeers, « TCP Performance Evaluation Over Multi-hop Cellular Network: HSDPA and IEEE 802.11» [6] E.Dedu, «Contrôle de congestion dans le protocole TCP», master SRM, Montbéliard :2007 90