Utilisation de la compression des entêtes dans les réseaux cellulaires de type 4g (LTESAE)

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 :
VU DINH Dau

Promotion 13, IFI

Loutfi NUAYMI

TELECOM Bretagne

Sous la direction de :

Xavier LE BOURDON JCP-Consult

CESSON-SÉVIGNÉ, FRANCE

September, 2009


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

Table des matières

Glossaire des Abréviations..........................................................................................................
1 Introduction..............................................................................................................................
1.1
Contexte....................................................................................
1.2
Problématique.........................................................................
1.3
Intérêt personnel pour ce stage...............................................
1.4
Objectifs de mes contributions................................................
1.5
Plan du document...................................................................
2 EPS/LTE évolution de l'UMTS..............................................................................................
2.1
Contexte de l'UMTS................................................................
2.1.1
Évolution de UMTS.........
2.1.2
Architecture de l'UMTS...
a) Architecture générale d
b) Architecture protocolai
2.1.3
Technologies concurrente
2.2
Évolution LTE.........................................................................
2.2.1
Contexte et exigences.....
2.2.2
Architecture de LTE.........
2.2.2.1 Noeuds principaux...................................................

2.2.2.2 Architecture protocolaire .........................................
a) Plan de contrôle..........
b) Plan utilisateur.............
2.2.3
Interface radio..................
2.2.4
La sous-couche PDCP.....
2.2.5
Couche physique ............
3 RoHC dans UMTS/LTE.........................................................................................................
3.1
Description de RoHC.............................................................
3.2 RoHCv2..........................................................................................................................
3.2.1
Motivation de proposition
3.2.2
Améliorations et autres d
3.2.3
Les profils de RoHCv2....
3.2.4
Compresseur et décompre
3.3 Recommandation de RoHC dans 3GPP.........................................................................
3.4
Support de RoHC au terminal.................................................
3.5
Procédure de déclenchement de RoHC..................................
3.6
RoHC et handover...................................................................
3.7 RoHC et MBMS.............................................................................................................
3.7.1 MBMS....................................................................................................................

3.7.2
RoHC et Broatcast/Multic
4 Évaluation de la performance de ROHCv1............................................................................
4.1
Objectifs.................................................................................
4.2
Scénarios................................................................................
4.2.1
Modèle d'évaluation de pe
4.2.2
Choix de modèle de faute
4.3
Pre-tests..................................................................................
4.4
Résultats.................................................................................
2


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Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

VU DINH Dau
Promotion 13, IFI

4.4.1 Taux de bande passante économisée...................................................................... 43
4.4.2 Taux de paquets perdus................................................................................................. 46
4.4.3 Nombre maximal de paquets perdus successifs................................................. 46
4.4.4 Comparaison avec RoHC de Thales et Al.............................................................. 49
5 Conclusion et perspectives.............................................................................................................. 51
Bibliographie.............................................................................................................................................. 52

Annexe A..................................................................................................................................................... 54
Annexe B..................................................................................................................................................... 61

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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.

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

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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 sous-couche 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.

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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.

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

Glossaire des Abréviations
AAL2
AAL5
AS
AuC
BM-SC
BSC
BTS
CDMA
CS
CSCF
CSCF
E-CSCF
EDGE
EPS
EV-DO
FDD
FEC
GPRS
GSM
GTP
HLR

HSDPA
HSPA
HSS
HSS
HSUPA
I-CSCF
IM
IMS
IPTV
ISI
LTE
M3UA
MAC
MBMS
MIMO
MME

MRF
MTP3

Multimedia Resource Function
Message Transfer Part Layer 3
Message Transfer Part level 3
MTP3B
broadband
Non Access Spectrum
NAS
Next Generation Mobile
NGMN
Networks Alliance

Orthogonal Frequency Division
OFDMA
Multiple Access
P-CSCF Proxy CSCF
P-GW
Packet Data Network Gateway
PAPR
Peak-to-Average Power Ratio
Policy Control and Charging
PCRF
Rules Function
Packet Data Convergence
PDCP
Protocol
PS
Packet Switched
Public Switched Telephone
PSTN
Network
Radio
Access
Network
RANAP
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
Signalling Connection Control
SCCP
Part
SFN
Single Frequency Network
SIGCOMP Signaling Compression
SIP
Session Initiation Protocol
SRAN
Satellite Radio Access Network
TDD
Time Division Duplex
Universal Decompressor Virtual
UDVM
Machine
UE
User Equipment
UMB
Ultra Mobile Broadband
Universal Mobile
UMTS

Telecommunications System


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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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Promotion 13, IFI

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 ............................... 41
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Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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Promotion 13, IFI

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]........................................... 59

1 Introduction
1.1 Contexte
Mon stage de fin d'études s’est déroulé sur une période de 6 mois à JCPConsult, en coopération avec TELECOM Bretagne, dans le carde du projet
NextTV4All du 16 Mars au 15 Septembre 2009.
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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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. Audelà 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'interfonctionnement 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'entête 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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

2 EPS/LTE évolution de l'UMTS
2.1 Contexte de l'UMTS
2.1.1 Évolution de UMTS
UMTS comporte des évolutions qui sont définies par les releases suivantes :
La première, release 99, est publiée mi-1999. 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 2001. 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 2005. Cette version apporte le mécanisme de HSUPA
afin d'accroître le débit montant maximal, en théorie à 5.76 Mbps. Le HSUPA utilise des

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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 2007. 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

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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.

2.1.2 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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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 802.11, et SRAN
(Satellite Radio Access Network).
Rel 99
Uu

Iu
Iub
NodeB
NodeB

RNC

MSC/VLR

Iur

GMSC

PSDN

HLR

PS domain
NodeB

RNC

SGSN

Réseau d'accès

GGSN

Internet

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 CSMGW. 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

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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 23.228 [9].
Rel 5
Uu
Iub

NodeB

NodeB

NodeB

Réseau d'accès
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

RRC
RLC
MAC

PHY
UE

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

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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
ATM transport IP transport
PDCP

RLC

UDP/IP

UDP/IP

AAL5/ATM

LL

IuPS

MAC
PHY
UE

ATM transport IP transport
AAL2

RTP
UDP/IP

RLC
MAC
PHY

ATM

LL

Iu-CS

UE

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


Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE

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 802.16 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 802.20 qui ressemble à l'UMB, et Metro
Wi-Fi. IEEE 802.20 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
2.2.1 Contexte et exigences
Le développement rapide des services de partage audio/vidéo (Youtube, Flickr), media

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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'inter-fonctionner 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.

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Mémoire de fin d'études
Intégration de RoHC dans l'architecture de LTE
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.

2.2.2 Architecture de LTE

Réseaux
Non-3GPP
Wifi, Wimax

llustration 6: L'architecture générale du réseau LTE