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L’AAL2 dans l’UTRAN :

les résultats du projet RNRT Minicel Auteurs : Jean-Yves Cochennec, Olivier Roussel France Télécom/FTR&D/DAC - Lannion Rani Makké, Samir Tohmé ENST - Paris Sophie Pautonnier Mitsubishi Electric ITE - Rennes Résumé : Les réseaux UMTS sont actuellement en cours de spécification au 3GPP qui pour l’UTRAN a retenu le transport en ATM/AAL2. En conséquence, un projet RNRT (le projet Minicel) a été lancé en 1999 pour évaluer en détail les capacités de l’AAL2 dans le contexte de l’UTRAN. Ce papier rappelle les fonctionnalités de l’AAL2 ainsi que les spécificités de l’UTRAN, et fournit les premiers résultats des études de QoS dans l’UTRAN menées dans le cadre du projet. Abstract : UMTS networks are currently extensively investigated and specified in 3GPP, where AAL2 transport has been selected in UMTS release 3. As a result, a reseach project has been launched in 1999 with official government support (Minicel Project), aiming at evaluating AAL2 capacities to perform data transport in UTRAN. This paper first reminds about AAL2 basics and UTRAN specificities, and then provides first results from the Minicel Project about QoS in UTRAN.

1. Le contexte du projet RNRT Minicel 1.1. Pourquoi un projet sur l’AAL2 ?

L’AAL2 est un outil défini par l’UIT pour prendre en compte le transport en ATM des applications à très bas débit, à débit variable et à contraintes de temps réel. Jusqu’alors, le transport des très bas débits en ATM posait problème si le temps réel devait être respecté comme c’est le cas par exemple pour la parole. En effet, dans le cas où la parole téléphonique est codée de manière “classique” à 64 kbit/s, le temps de remplissage d’une cellule ATM est d’environ 6 ms. Toute réduction du débit augmente évidemment ce temps de remplissage, au point que pour les algorithmes de compression récents il devient rédhibitoire. Il faut alors éviter le transport habituel en AAL1, ainsi d’ailleurs qu’en AAL5 mal adaptée au temps réel. L’AAL2 résout le problème de manière simple : puisqu’une source met trop de temps à remplir sa cellule ATM, il suffit de multiplexer dans un même conduit ATM les flux de plusieurs sources. La méthode de multiplexage retenue consiste à véhiculer les paquets d’informations issus des sources dans des mini-cellules, elles-mêmes insérées de manière consécutive dans des cellules ATM. Le protocole vise les applications de parole compressée, mais il permet aussi le transport des données : il est en pratique bien adapté au transport des “petits paquets”. A vrai dire, l’AAL2 porte mal son nom : plus qu’une simple AAL, elle est en fait un nouveau protocole de transport de mini-cellules qui se superpose au transport de cellules ATM et aurait pu s’appeler l’ATM2. En fait, les fonctions d’adaptation habituelles se trouvent dans la partie supérieure du protocole nommée SSCS1 superposée à la CPS2 qui transporte les mini-cellules. L’AAL2 apparaît comme un outil universel qui élargit considérablement le champ d’application de l’ATM, car désormais la parole compressée est partout : dans les mobiles bien sûr, mais aussi dans le trunking et dans le transport sur xDSL. Début 1998, lorsque les contours de l’AAL2 sont devenus suffisamment précis en normalisation, une étude interne a été lancée à FTR&D pour savoir où l’utilisation de l’AAL2 apporterait les premiers bénéfices. Fin 1998, le 3GPP3 a émis un message clair : en raison de son aptitude au transport des paquets de taille réduite avec une garantie de qualité de service (QoS), l’AAL2 serait retenue dans la première version concernant l’UTRAN (release 99). Dès lors la décision a été prise de monter avec des partenaires un projet pour étudier en détail le transport en AAL2 dans l’UTRAN, car l’AAL2 avait alors fait l’objet de peu d’expérimentations pour qu’on puisse connaître ses possibilités réelles. 1 Service Specific Convergence Sublayer 2 Common Part Sublayer 3 3rd Generation Partnership Project

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1.2. Le projet RNRT Minicel

Le projet Minicel a été lancé en avril 1999 et a été labellisé par le RNRT en juillet 1999. Les partenaires du projet Minicel sont FTR&D, Mitsubishi Electric ITE et l’ENST. Minicel est découpé en deux sous-projets : - une étude détaillée des performances du protocole AAL2, de la commutation AAL2 et de la QoS

dans l’UTRAN - la réalisation d’un démonstrateur pour valider les résultats de l’étude par des expérimentations Les premiers résultats du projet sont présentés dans ce papier, le démonstrateur est présenté sur le stand France Télécom de l’exposition.

1.3. Le réseau d’accès terrestre UMTS : l’UTRAN

Le réseau d’accès UMTS est appelé UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network). La Figure 1 montre l’architecture de l’UTRAN constituée de RNC (Radio Network Controller) et de Node B (stations de base). Un UTRAN est composé de plusieurs RNS (Radio Network Subsystem), chacun d’entre eux étant constitué d’un unique RNC et de plusieurs Node B contrôlés par ce RNC. Un Node B peut gérer plusieurs cellules radio.

RNS

RNC

RNS

RNC

Réseau coeur

Node B Node B Node B Node B

Iu Iu

Iur

Iub IubIub Iub

Figure 1 : Architecture de l’UTRAN

Sur cette figure, trois interfaces apparaissent : - Iu : interface logique réalisant l’interconnexion entre le RNS et le réseau coeur pour un utilisateur

particulier (à un utilisateur donné correspond un unique point d’accès vers le réseau coeur). - Iur : interface logique entre deux RNC - Iub : interface logique entre un RNC et un Node B L’interface radio est basée sur la technologie W-CDMA, ce qui induit du soft handover pour fonctionner correctement. Le soft handover consiste à établir plusieurs liens montants et descendants pour un même utilisateur et donc à dupliquer l’information sur chacun de ces liens afin d’améliorer la qualité de la réception. Le cas peut se présenter où le mobile (User Equipment UE) est en soft handover avec des Node B dépendant de deux RNS différents (cas de la figure 2).

Réseaucoeur

ServingRNC

Drif t RNC

Iu

Iur

UE

Dans ce cas, le RNS qui possède le point d’accès vers le réseau cœur est appelé le “Serving RNS” (SRNS). Le second RNS est appelé “Drift RNS” (DRNS). Les flux de données reçus pour cet utilisateur en mobilité (UE) dans le Drift RNC sont retransmis au Serving RNC via l’Iur, pour être finalement recombinés avec les données arrivées directement au SRNC.

Figure 2 : Serving et Drift RNS

3

Sur les interfaces Iub et Iur, le protocole AAL2/ATM a été retenu par le 3GPP comme protocole de transport pour le plan utilisateur. Dans la configuration de handover décrite ci-dessus, il peut être envisagé d’introduire un commutateur AAL2 au niveau du DRNC afin de commuter les flux de données provenant de ses Nodes B vers le SRNC directement au niveau AAL2 sans reconstituer les AAL2-SDU4 qui dans le cas de l’UTRAN sont les FP-PDU5. C’est donc cette architecture de référence qui a été choisie dans Minicel pour l’étude des performances de l’AAL2 et de la commutation AAL2. Il est tout à fait envisageable d’introduire la commutation AAL2 à d’autres niveaux du réseau d’accès; cela permettrait par exemple, de faire du chaînage de Node Bs ou de la concentration dans le réseau.

2. L’AAL2 dans l’UTRAN : performances du protocole et QoS 2.1. Le protocole AAL2

L’AAL2 est un protocole complexe qui comporte deux sous-couches : la partie basse nommée CPS (ref.[3]) traite le niveau mini-cellule, et la SSCS supérieure qui traite les fonctions d’adaptation. Deux SSCS ont été définies : une SSCS de segmentation (ref.[4]) pour le transport des données calquée sur l’AAL5, et une SSCS dite “bande étroite” (ref.[5]) pour le transport des applications temps réel à l’instar de l’AAL1. La CPS est bien adaptée aux problèmes qu’elle doit traiter : - en multiplexant jusqu’à 248 sources sur un VC ATM, les problèmes de temps de remplissage

ATM sont résolus - grâce à une partie utile de longueur variable (jusqu’à 45 octets), la mini-cellule s’adapte facilement

à tous les algorithmes de compression connus et permet le transport du débit variable, particulièrement utile pour la parole compressée dans la mesure où certains algorithmes suppriment les temps de silence pour réduire le débit

- enfin, les aspects temps réel sont pris en charge par le VC sous-jacent dont il conviendra de choisir au mieux l’ATC (ref.[6]) et la classe de QoS (ref.[7]).

Concrètement le protocole de transport de la CPS est défini de la manière suivante : - les mini-cellules sont insérées dans les cellules ATM dont le premier octet contient

systématiquement un pointeur de repérage utile en cas de perte de cellule ATM car il permet de se recadrer en donnant le nombre d’octets compris entre l’octet de pointage et le premier début de mini-cellule

- les mini-cellules ayant une longueur quelconque, leur séquence n’est en général pas cadrée dans les cellules ATM. Pour améliorer le remplissage, l’overlapping a été retenu : une mini-cellule rangée en fin de cellule n peut déborder sur la cellule n+1

En-tête ATM bourragePSNPointeur

Figure 3 : format de la cellule ATM dans le cas d’un transport en AAL2

Afin de limiter le délai dans certains cas, une cellule ATM peut être transmise même si elle n’est pas totalement remplie. Elle est complétée dans ce cas par du bourrage après une temporisation nommée Timer-CU dont le rôle sera important dans la mise en œuvre du protocole en recherchant le meilleur compromis temps réel/ remplissage. La figure ci-dessous donne le format de la mini-cellule AAL2 :

L ICID UUI HEC CPS-INFO

Figure 4 : format de la mini-cellule AAL2

4 AAL2 Service Data Unit 5 Frame Protocol-Protocol Data Unit

4

Les trois octets d’en-tête de la minicellule comportent les champs suivants : • Le champ CID (Channel Identifier) contient sur 8 bits le numéro du canal AAL2 ; • Le champ LI (Length Indicator) code sur 6 bits la longueur de la mini-cellule courante (la longueur

maximale par défaut est de 45 octets) ; • Le champ UUI (User to User Indication, 5 bits) comporte 32 codepoints qui servent à transporter de

bout en bout des informations relatives à la SSCS supérieure ; • Le champ HEC (Header Error Control, 5 bits), sert à protéger l’en-tête de la mini-cellule. Le protocole AAL2 adopté pour l’UTRAN n’utilise que le transport de mini-cellules c’est à dire la CPS sans mettre en œuvre la SSCS bande étroite prévue pour les signaux de parole. En fait, outre sa complexité, les fonctions de cette dernière ont été jugées redondantes avec celles des trames radio à transporter (les FP-PDU). Dans le cas du transport des messages de données (trafic web, FTP, email etc), les messages peuvent être longs et dépassent les 45 octets dans le cas général : on utilise alors la partie basse de la SSCS de segmentation (la SS-SAR6) qui tronçonne les messages en blocs de 45 octets, la mini-cellule correspondant à la partie finale du message s’adaptant à la fin du message grâce à sa longueur variable .

2.2. La commutation AAL2

Comme on l’a vu, l’AAL2/CPS est en soi une couche de transport. Il est donc logique qu’une signalisation propre à l’AAL2 ait été définie (ref.[8]). Par ailleurs, dès que la découpe en mini-cellules a été retenue pour le protocole, l’idée de pouvoir commuter les mini-cellules a également été retenue : c’est la “commutation AAL2”. Les connexions AAL2 peuvent donc être commutées en mettant en œuvre une procédure de signalisation préalable. Un commutateur AAL2 est un équipement qui réalise les fonctions de terminaison des couches AAL2/CPS et les fonctions de commutation de minicellules (paquets CPS). Il est conforme au modèle de protocole suivant :

Figure 5 : pile de protocoles de la commutation AAL2

Le commutateur AAL2 ne reconnaît que la couche CPS de l’AAL2 et il est transparent aux parties utiles des minicellules. Une terminaison AAL2 constitue l’extrémité d’un multiplex ATM dans lequel un ou plusieurs VC assurent le transport de connexions AAL2. Elle est bidirectionnelle et comprend donc une interface de réception et une interface d’émission. Ces multiplex transportant d’autres types de flux ATM, par exemple des données sur AAL5, un commutateur AAL2 doit également pouvoir assurer des fonctions de brassage, voire de commutation ATM classiques.

6 Service Specific - Segmentation And Reassembly

PHY

ATM

AAL2-CPS

PHY

ATM

AAL2-CPS

- Traductions des en-têtes ATM (VPI/VCI) et AAL2 (CID)- Aiguillage

Terminaison AAL2 : réception

- extractions des paquets CPS- décodage de l'octet STF- décodage des en-têtes CPS- traitements des erreurs

Terminaison AAL2 : émission

- codage de l'octet STF- codage des en-têtes CPS- gestion des Timer_CU- insertions des paquets CPS

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Les connexions AAL2 sont établies par un protocole de signalisation (ref.[8]) qui assure des fonctions de contrôles d’admission des appels (CAC7) et permet la gestion de trafics. Les paramètres des connexions sont enregistrés dans une mémoire de traduction et d’aiguillage. Très schématiquement, la commutation de minicellules consiste à établir un lien entre deux demi-connexions AAL2 bidirectionnelles.

Figure 6

Figure 7 Les VC de transport AAL2 sont caractérisés par un ATC8, des paramètres de trafic et de qualité de service. Dans l’hypothèse d’un ATC de type DBR9, les débits crêtes des sens entrants et sortants peuvent être différents. Les principes mis en œuvre sont décrits ci-dessous à travers l’exemple d’une matrice de commutation ayant cinq ports ATM/AAL2 (repérés A, B, E, F, G). Les paramètres d’aiguillage des connexions AAL2 cx1, cx2, cx3, cx4, cx5 et cx6 sont enregistrés dans une mémoire de traduction associée au commutateur. Dans la table ci-dessous on n’a pas fait apparaître les caractéristiques de trafics ou de priorité.

Figure 8 7 Connection Admission Control 8 ATM Transfer Capability 9 Deterministic Bit Rate, voir ref. 6

débit d1

cx 1 (cid=a)

cx 1 (cid=b)

débit d2

débit d1débit d2

port 1

port 2

VCx_out

VCy _out

port 1 (réception)

VCx_inAAL2

VCy _in

cx 1 (cid=a)

cx (b)

port 2 (réception)

port 1 (émission)

port 2 (émission)

cx 1 (cid=b)

cx 1 (cid=a)

cx 1 (cid=b)XAAL2

Une connexion AAL2 (cx1) est constituée de deux demi-connexions : celle dont la terminaison est le port physique 1 est identifiée par le (CIDa), celle dont la terminaison est le port 2 est identifiée par le (CIDb). Cette connexion est bidirectionnelle, les débits d1 et d2 peuvent être différents.

Sur la figure 7 ci-contre on a représenté les canaux ATM de transport des connexions AAL2. La demi-connexion (CID=a) est transportée par le VCx, la demi-connexion (CID=b) est portée par le VCy. Chaque sens d’un VC peut avoir des caractéristiques de trafic différentes

Port VPI VCI CID Port VPI VCI CIDcx 1 A 0 100 10 E 0 100 15cx 2 A 0 100 20 G 0 200 30cx 3 A 0 110 10 F 0 150 10cx 4 A 0 110 30 E 0 100 20cx 5 B 0 100 15 E 0 100 30cx 6 B 0 100 20 F 0 150 25

table de traduction

port A

port Bport E

port F

port G

6

Si on considère une seule connexion, par exemple cx2, l’interprétation de la table est la suivante : Les minicellules transportées dans le VC (0,100), identifiées par le CID 20 reçues sur le port A sont aiguillées vers le port G dans le VC(0,200) avec le CID 30. Réciproquement les minicellules transportées dans le VC (0,200), identifiées par le CID 30 reçues sur le port G sont aiguillées vers le port A dans le VC(0,100) avec le CID 20. Ce traitement met en œuvre des fonctions d’aiguillage et de traduction des en-têtes ATM (VPI,VCI) et AAL2 (CID).

2.3. Les problèmes de QoS

Dans les spécifications du 3GPP, quatre classes de trafic sont définies pour le réseau UMTS : - Conversational class : cette classe est utilisée surtout pour les applications interactives avec

contrainte de temps réel telle que la parole. Le délai et la gigue doivent être faibles. - Streaming class : elle est utilisée pour les applications temps réel unidirectionnelles (la diffusion

vidéo par exemple). La variation du délai (la gigue) est plus tolérante. - Interactive class : utilisée surtout pour les applications interactives sans contrainte de temps réel

tel que le Web Browsing. Cette classe est de type transactionnel et doit respecter un taux d’erreurs assez faible.

- Background class : cette classe est utilisée pour les applications n’ayant pas des contraintes de délai ni un comportement transactionnel. Elle est utilisée pour l’envoi des E-mails, le SMS (Short Message Service), le chargement des fichiers, etc, et doit respecter un taux d’erreurs faible.

La qualité de service (QoS) offerte de bout en bout dans le réseau UMTS repose sur l'utilisation de ces classes. L’AAL2, protocole de transport dans l’UTRAN, offre ses propres services qui seront utilisés par les couches supérieures pour établir une QoS de bout en bout. A son tour, le protocole AAL2 utilise les services offerts par la couche ATM sous-jacente. La sous-couche SS-SAR admet un seul SAP (Service Access Point) et par conséquent, le protocole AAL2 n’offre pas la possibilité de distinguer la QoS au niveau de ce seul SAP. Toutefois, la possibilité d’établir jusqu’à 248 connexions AAL2 par VC permet d’introduire une différenciation de services au niveau du VC au moment de l’établissement des connexions à l’aide de la signalisation AAL2. La QoS sera introduite de cette manière dans le sous-réseau AAL2. En tenant compte des classes définies pour les services supports de l’UMTS, on définit trois grandes classes de QoS au niveau de la couche AAL2 : 1. La classe AAL2-TC1 : elle garantit une bande passante, un délai et une gigue faibles. Quatre paramètres seront définis pour cette classe :

- Maximum BitRate (MBR) : débit maximal autorisé pour la connexion AAL2. - Limite supérieure de la MTD (Minicell Transfer Delay) : limite maximale fixée. - Limite supérieure de la MDV (Minicell Delay Variation) : limite maximale fixée. - Minicell Loss Ratio (MLR) : limite maximale fixée.

2. La classe AAL2-TC2 : elle garantit une bande passante et un faible taux d’erreurs, mais elle est

tolérante sur le délai de transfert et la gigue. Les cinq paramètres définis pour cette classe seront :

- Maximum BitRate (MBR) : débit maximal autorisé - Sustainable Minicell Rate (SMR) : c’est le débit soutenable (garanti) pour la connexion AAL2. - Limite supérieure de la MTD : tolérante. - Minicell Loss Ratio (MLR) : faible. - Maximum Minicell Burst Size (MMBS) : limite maximale fixée.

3. La classe AAL2-TC3 : elle assure un faible taux d’erreurs sans garantie de débit ni de délai. Le

seul paramètre défini pour cette classe est le MLR (Minicell Loss Ratio). Pour compléter l’architecture de la qualité de service dans l’UTRAN, il faut faire une correspondance entre les différentes classes définies pour l’UMTS et les classes de l’AAL2, puis choisir le meilleur ATC au niveau ATM pour chaque classe AAL2. • Les deux classes Conversational et Streaming peuvent être supportées par l’AAL2-TC1. • La classe Interactive peut être supportée par l’AAL2-TC2.

7

• La classe Background peut être aussi supportée par l’AAL2-TC2 ou l’AAL2-TC3. Les classes de l’AAL2 seront supportées par les ATC de l’ATM sous-jacent. Si au niveau de la couche ATM un seul ATC est utilisé, on aura besoin de différencier les services au niveau AAL2. Dans ce cas, toutes les applications AAL2 seront supportées sur le même ATC et des mécanismes d’ordonnancement seront nécessaires au niveau AAL2. Plusieurs politiques d’ordonnancement sont envisagées : le mécanisme classique FIFO (First In First Out), le mécanisme de priorité, le mécanisme EDF (Earliest Deadline First), le mécanisme cyclique RR (Round Robin), et le mécanisme WRR (Weighted Round Robin). Dans le cas où plusieurs ATC sont disponibles au niveau ATM, l’AAL2 va en hériter naturellement, ce qui simplifie le contrôle de la QoS au niveau AAL2. Dans ce cas :

- La classe AAL2-TC1 sera supportée par l’ATC DBR avec ou sans re-négociation de la bande passante.

- Les deux classes AAL2-TC2 et AAL2-TC3 peuvent être supportées par l’ATC DBR, ou encore l’ABT/DT, le SBR ou l’ABR10.

Au niveau AAL2, l’allocation des ressources se fait suivant des critères dépendants de la classe de QoS. L’allocation de bande se fait suivant le débit crête (MBR) pour la classe AAL2-TC1. Pour l’AAL2-TC2, l’allocation est basée sur le débit soutenu (SMR) et la taille maximale des rafales des mini-cellules (MMBS). Pour la classe AAL2-TC3, il n’y a pas de contrôle d’admission, tous les flux de cette classe seront multiplexés sur une même connexion ATM allouée à la classe 3 de l’AAL2.

3. Le démonstrateur de Minicel Le démonstrateur Minicel met en œuvre les différents sous-ensembles permettant de tester le protocole AAL2 ainsi que la commutation de mini-cellules dans un environnement UTRAN. Il est constitué d’un simulateur de mobilité (MSIM) émulant l’environnement UTRAN et gérant les ressources en bande passante de la radio et des interfaces Iub et Iur, de générateurs de trafic AAL2/ATM (AAL2 Traffic Generator ATG) et d’un commutateur AAL2 (SWAAL2).

XAAL2

ATG (1)- Génération traf ic- Protocoles L2/3- Protocole AAL2- Driver ATM

- Gestion desconnexions- IHM

UNI

ASM

MSIM

- Simulat ion de la mobilité- Gestion des ressources et appels- Sauv egarde des statistiques

LAN

réalisé par Mitsubishi ITE

réalisé par FTR&D

SWAAL2

ATG (2)

Représ. graph. del'utilisation desressources de SWAAL2

PC VISU

UNI - Extraction- Commutation- Insert ion

Figure 9 : Architecture du démonstrateur

10 ATM Block Transfer/ Delayed Transmission, Statistical Bit Rate, Available Bit Rate, voir ref.[6]

8

Les interfaces physiques entre les ATG et le commutateur sont des interfaces UNI à 155 Mbit/s sur lesquelles plusieurs VC ATM sont utilisés. Pour transporter le trafic sur les interfaces Iub et Iur, on ouvre des VC DBR à 2 Mbit/s. Pour le trafic entre d’une part les Node B et les RNC et d’autre part l’unité de recombinaison du RNC simulé, les VC établis se partagent la bande passante restante. Leur nombre n’est pas fixé, il croît en fonction du nombre de connexions AAL2 (248 au maximum par VC). Quant aux interfaces entre le MSIM, les ATGs et le commutateur AAL2, un lien Ethernet permet les échanges d’informations entre les équipements. Le MSIM simule la mobilité des utilisateurs, qui passent en soft handover selon un modèle mathématique défini pour les besoins du démonstrateur. Le MSIM agit donc au niveau de l’appel et au niveau de la connexion AAL2. En effet, à chaque fois que le mobile est en soft handover avec plusieurs Node B, une connexion AAL2 est établie sur le VC correspondant à l’Iub de ce Node B ou à l’Iur en cas de Drift RNC. Le MSIM est également responsable de la CAC réalisée en fonction des ressources disponibles sur l’interface radio et les interfaces Iub et Iur. Le trafic sur les interfaces Iub et Iur est transmis sur des VC DBR à 2 Mbit/s. Deux types de trafic ont été implémentés : un trafic voix (suivant un codage AMR11) et un trafic Web. Les modèles utilisés sont décrits dans ref. [1]. Ces deux types de trafic peuvent être émis sur le même VC ATM. Pour les utilisateurs données (trafic Web), il n’y a pas de soft handover mais seulement du hard handover. Cela signifie que le mobile peut changer de cellule radio mais au plus un lien radio est établi entre le mobile et le réseau d’accès. Le MSIM contrôle donc les ATGs et le commutateur AAL2 vers lesquels il envoie les commandes de génération de trafics et les ordres d’établissement et de libération des connexions AAL2.. L’ATG est responsable de la génération de trafic AAL2. Pour ce faire, il était important de simuler, même de manière simplifiée, les couches 2 et 3 de l’UTRAN qui vont avoir un impact sur les modèles de trafic décrits dans ref. [1]. Le trafic de données est tout d’abord segmenté dans la couche RLC (Radio Link Control). La couche MAC (Medium Access Control) partage la ressource d’un utilisateur entre ses différents services. Dans le cas du démonstrateur, on ne fait pas de multiplexage de services pour un même utilisateur. La couche MAC est donc réduite à la fonction de transfert d’un certain nombre de RLC-PDU qui seront ensuite assemblés pour former un FP-PDU (Frame Protocol PDU). Celui-ci constituera le SDU de la couche AAL2. Seule la partie SS-SAR de la sous-couche AAL2-SSCS et la sous-couche AAL2-CPS sont mises en oeuvre : la SS-SAR segmente et réassemble les messages ayant une taille supérieure à 45 octets et la CPS multiplexe les mini-cellules AAL2 dans les cellules ATM. Le commutateur AAL2 du démonstrateur Minicel est constitué d’un module de gestion appelé ASM (AAL2 Switch Management) et d’un module de commutation de mini-cellules appelé XAAL2, tous deux installés dans un PC qui fonctionne sous environnement Windows. Le module XAAL2 comprend deux cartes à composants de type ATMizer2+. Chacune des cartes possède des fonctions spécifiques, l’une traite toute la partie réception d’une terminaison AAL2, l’autre la partie émission en conformité avec les diagrammes LDS de la CPS AAL2 (voir ref. [3]).

11 Adaptive Multi Rate. Cet algorithme de compression de parole retenu par le 3GPP pour l’UMTS présente 8 débits possibles de 4,75 kbit/s à 12,2 kbit/s.

9

Figure 10 : le commutateur AAL2 du démonstrateur Minicel

XAAL2 est une matrice 2 x 2 dont la capacité de commutation de mini-cellules est de 20 Mb/s, avec des temps de traversée de quelques dizaines de µs dans des conditions de charge moyenne. Les VC sont paramétrables : débit crête, durées des temporisations Timer-CU. Le module ASM joue plusieurs rôles : - Il gère un protocole de signalisation simplifié sous le contrôle du module MSIM. - Il assure la mise à jour de la mémoire de traduction des connexions ATM et AAL2 implantée dans

le module XAAL2. - Il gère des compteurs de statistiques et d’erreurs - Il est piloté manuellement par une IHM qui affiche les états des compteurs et les graphes de

charges des différentes ressources du commutateur et qui permet également une gestion manuelle des connexions dans XAAL2.

Un PC séparé connecté par une liaison Ethernet affiche en temps réel sous forme de textes le journal des messages de signalisation échangés avec le module MSIM, et sous forme graphique l’utilisation des ressources et les marquages des connexions AAL2 établies pour chaque VC.

4. Les premiers résultats des études de QoS Les premières études de QoS ont été focalisées sur les performances du protocole AAL2 dans le cas d’un VC ATM mono-service. Des flux de voix sont transportés dans un VC d’ATC DBR. Plusieurs problèmes ont été examinés tel que le problème de la valeur optimale du Timer-CU et le problème des mécanismes d’ordonnancement au niveau AAL2. Le Timer-CU a une grande influence sur les délais de transfert des paquets de voix dans le cas d’un VC faiblement chargé. En fait, pour une valeur infinie du Timer-CU, un paquet de voix qui arrive dans la sous-couche CPS et qui ne remplit pas la payload de la cellule ATM doit attendre l’arrivée d’un autre paquet pour remplir la cellule ATM qui pourra alors être transmise à la couche ATM. Dans le cas d’un VC faiblement chargé, ce temps d’attente peut être élevé, ce qui dégrade la qualité de service. Une valeur du Timer-CU bien choisie peut diminuer ce délai d’attente en envoyant la cellule ATM dès l’expiration de la temporisation sans qu’elle soit pleine. Des octets de bourrage seront alors insérés dans la cellule ATM et on aura une perte d’efficacité de la bande passante. La valeur du Timer-CU doit être choisie en trouvant le bon compromis entre délai et efficacité de bande passante.

16 VC

EthernetMSIM VISU

IHM

jusqu'à 248 connexions AAL2

table de traduction

call control

gestion localestatistiquescourbes

XAAL2

multiplex ATMà 155 Mb/s (f o multimode)

10

Sur une interface Iub, on a considéré un VC de 2 Mbit/s d’ATC DBR. Pour différentes valeurs du Timer-CU, on a mesuré par simulation les délais de transfert des paquets ainsi que le taux de remplissage des cellules ATM en fonction du nombre des communications simultanées. Pour le modèle d’une source de voix, on a utilisé le modèle ON/OFF décrit dans ref. [1]. Pour les durées des périodes ON et OFF, on a utilisé deux modèles :

• Le modèle ON/OFF 352ms/650ms. • Le modèle ON/OFF 3s/3s.

Pour les mécanismes d’ordonnancement au niveau AAL2, on peut faire le choix entre la politique classique FIFO et RR (Round Robin). En fait, on est dans le cas d’un trafic mono-classe homogène parce que tous les flux de voix entrant dans le VC ont les mêmes contraintes de temps et par suite le même niveau de priorité. Dans une publication ultérieure, nous analyserons d’autres mécanismes d’ordonnancement basés sur la priorité afin de différencier les services temps réel des services de données. Les graphes de la figure 11 représentent le 95 percentile délai et le taux de remplissage pour les deux modèles utilisés.

95 percentile délaimodèle 352ms/650ms

0

1

2

3

4

5

6

30 60 90 120 150 180 210 240

nombre des communications simultanées

95 p

erce

ntile

dél

ai (m

s)

Taux de remplissagemodèle 352ms/650ms

767880828486889092949698

100102

30 60 90 120 150 180 210 240nombre des communications simultanées

taux

de

rem

plis

sage

(%)

Timer-CU =0 Timer-CU =100us Timer-CU =200us Timer-CU =300us Timer-CU =1ms Timer-CU =5ms Timer-CU =25ms Timer-CU =inf

95 percentile délai modèle 3s/3s

00,25

0,50,75

11,25

1,51,75

22,25

2,52,75

33,25

3,5

10 30 50 70 90 110

130

nombre des communications simultanées

95 p

erce

ntile

dél

ai(m

s)

Taux de remplissagemodèle 3s/3s

6065707580859095

100105

10 30 50 70 90 110

130

nombre des communications simultanées

taux

de

rem

plis

sage

(%)

Timer-CU =0 Timer-CU =100us Timer-CU =200us Timer-CU =1ms Timer-CU =3ms Timer-CU =inf

Figure 11 : Impact du Timer-CU Une valeur du Timer-CU autour de 1ms est une valeur optimale pour avoir un compromis entre les délais de transfert et le taux de remplissage.

11

La figure 12 représente une comparaison entre la politique d’ordonnancement FIFO et la politique RR dans le cas d’un trafic mono-classe homogène.

95 percentile délaiFIFO vs Round-Robin

Timer-CU = 0

00,250,5

0,751

1,251,5

1,752

6 30 60 90 120 150 180 210 240nombre des communications simultanées

95

perc

entil

e dé

lai (

ms)

Round-RobinFIFO

Figure 12 : FIFO vs RR On constate que la file classique FIFO remplissant mieux le VC ATM à forte charge donne logiquement des meilleures performances que la politique RR.

5. Conclusion : 5.1. L’apport de Minicel

Le projet Minicel a une double vocation : le transport en AAL2 et l’environnement UTRAN. L’environnement UTRAN a été “reconstitué” pour en restituer les particularités et les contraintes au niveau du transport : simulation des macrodiversités et handovers, temps réel impératif pour toutes les informations usagers en raison des contraintes de l’interface radio, commutation de mini-cellules dans le Drift-RNC etc. Le transport en ATM/AAL2 a été étudié de manière détaillée pour acquérir l’expertise qui sera nécessaire pour maîtriser les premiers déploiements d’UTRAN. Les résultats obtenus dans le projet permettent d’avoir une connaissance fine du protocole AAL2 et surtout de sa mise en œuvre : son comportement vis à vis des applications temps réel, ses capacités de multiplexage, ses relations avec le niveau ATM sous-jacent, ses performances de transport. L’une des composantes essentielles du projet était l’étude de la commutation AAL2, qui apparaît aujourd’hui comme le complément naturel du protocole lui-même. L’étude des différentes techniques de commutation de mini-cellules effectuée dans le projet a bénéficié de l’acquis de la commutation ATM, avec une difficulté supplémentaire : la commutation d’entités de longueur variable. L’étude a permis un “classement” des différentes techniques de commutation, tandis que le commutateur du démonstrateur met en œuvre une technique volontairement simplifiée, mais qui permet néanmoins d’effectuer des expérimentations représentatives. Le projet RNRT Minicel se termine au second trimestre 2001. Son apport est triple:

- de manière directe dans l’expertise des réseaux UMTS - pour les autres cas d’utilisation de l’AAL2 comme le cas du trunking ou de VoDSL - pour les réseaux UTRAN utilisant IP, car les études de trafic effectuées dans le cadre de

l’UTRAN en AAL2 peuvent y être transposées, les problèmes de trafic qui se posent en IP étant en partie similaires…

12

5.2. Vers un UTRAN tout-IP?

Dans la release 3 de l’UMTS, seul le transport sur AAL2 est possible pour les interfaces Iub et Iur. Dans la release 4, la possibilité d’utiliser IP comme couche de transport a été introduite. Plusieurs constructeurs et opérateurs ont soutenu cette solution afin de permettre le déploiement de réseaux plus homogènes dans une optique “tout-IP”, les réseaux de maintenance seront en effet, en grande majorité basés sur IP. La croissance spectaculaire du monde de l’Internet et des réseaux locaux (LAN) ont permis de mettre la pression sur les constructeurs et d’obtenir des équipements de moins en moins chers. D’autres avantages sont mis en valeur, tels que l’indépendance d’IP vis-à-vis des couches de niveau 2 sous-jacentes, la souplesse de la technologie paquet. Néanmoins, l’introduction d’IP doit être réalisée avec précaution. A l’heure actuelle, il est encore difficile de garantir une bonne qualité de service sur IP, en particulier pour les services temps-réel. De plus, des mécanismes de compression d’en-tête et de multiplexage doivent impérativement être mis en place dans le cas de liens physiques à bande étroite. Le protocole IP requiert en effet beaucoup plus d’octets pour ses en-têtes, 20 dans le cas d’IPv4, 34 dans le cas d’IPv6. Ces différents mécanismes sont en cours d’étude au sein du 3GPP et devraient aboutir à de nouvelles spécifications dans les prochains mois. Références • [1] ETSI. Universal Mobile Telecommunication Systems (UMTS); Selection Procedures for the

Choice of Radio Transmission Technologies of the UMTS. TR 101 112, V. 3.2.0, April 1994. • [2] 3GPP TS 25.401 : “UTRAN Overall Description” • [3] Recommendation UIT I.363.2 “B-ISDN ATM Adaptation Layer type 2” • [4] Recommendation UIT I.366.1 “Segmentation and Re-assembly Service Specific Convergence

Sublayer for the AAL Type 2” • [5] Recommendation UIT I.366.2 “AAL Type 2 Service Specific Convergence Sublayer for

Narrowband Services” • [6] Recommendation UIT I.371 “Traffic control and congestion control in B-ISDN” • [7] Recommendation UIT I.356 “B-ISDN ATM layer cell transfer performance” • [8] Recommendation UIT Q.2630.2 “AAL Type 2 signalling protocol (Capability Set 2)”