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
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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)
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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
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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
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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 :
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(18)
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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.
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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
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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
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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
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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
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Wireless Communications»,
Academic
Press: 2007
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Mobile Communications», John Wiley &
Sons: 2006
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Auerbach Publications: 2007
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Harris,
H.Sirisena,
«Simulation-Based Performance Analysis
of HSDPA for UMTS Networks
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J.Zhou, A.Lo, Z.Liu, I.Niemegeers, « TCP
Performance Evaluation Over Multi-hop
Cellular Network: HSDPA and IEEE
802.11»
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protocole
TCP»,
master
SRM,
Montbéliard :2007
90

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