Intégration du protocole MBMS dans la plateforme TD CDMA

Institut de la Francophonie pour l'Informatique Mémoire de fin d’études Intégration du protocole MBMS dans la plateforme TD-CDMA Réalisé par: NGUYEN Huu Nghia Promotion – IFI Sous la responsabilité de : M me Michelle WETTERWALD Ingénieur de recherche senior l’institut Eurécom Sophia Antipolis, Le 20 octobre Table des matières Table des matières Liste des figures Liste des tableaux Remerciements Résumé Abstract CHAPITRE - INTRODUCTION 1.Problématique 2.Motivation 3.Contribution 4.Environnement de stage CHAPITRE – ETAT DE L’ART 1.UMTS - Les réseaux mobiles 3G 1.1.Historique 1.2.Architecture générale du réseau UMT 1.3.Le contexte international - Recherche 2.Broadcast Multicast 2.1.Généralité 2.2.Le protocole 3GPP MBMS 3.Projet Daidalos 3.1.Une perspective pour les résea 3.2.Broadcast et Multicast dans le 4.Plate-forme TD-CDMA CHAPITRE – VERS UNE PLATEFORME TD-CDMA MULTICAST 1.Description 2.Adaptation du MBMS pour Daidalos 3.Mise en œuvre 3.1.Préparation pour une couche R 3.2.Mise en œuvre du RRC-RG 3.2.1 Initialisation 3.2.2 Le séquenceur 3.2.3 Les signaux de sortie 3.2.4 Simulation 3.2.5 Interaction avec le NAS 3.2.6 Interaction avec le serveur RRM 3.3.Mise en œuvre du RRC-UE 3.3.1 Initialisation 3.3.2 Traitement des messages MBMS sur le canal MCCH 3.3.3 Traitement des messages MBMS sur le canal DCCH 3.3.4 La machine états finis CHAPITRE – EVALUATION 1.Critères d’évaluation 2.Banc de test 3 Résultats espérés 43 Résultats observés 44 Conclusions et perspectives .47 Références 48 Annexe A - Termes & Abréviations 50 Annexe B - La machine états finis côté UE 52 Annexe C – Document de spécification (Anglais) 57 Annexe D – Document de conception (Anglais) .80 Liste des figures FIGURE L’EVOLUTION DES RESEAUX DE TELECOMMUNICATION 14 FIGURE ARCHITECTURE DU RESEAU UMTS 15 FIGURE ARCHITECTURE LOGIQUE DU MBMS 18 FIGURE PHASES D'UN SERVICE MBMS BROADCAST 18 FIGURE PHASES D'UN SERVICE MBMS MULTICAST 19 FIGURE UNE ILLUSTRATION EXEMPLAIRE DE LA RECEPTION D'UN SERVICE MBMS MULTICAST 20 FIGURE INTEGRATION DE BROADCAST/MULTICAST DANS DAIDALOS 21 FIGURE EVOLUTION DU STANDARD 3GPP VERS PURE-IPV6 22 FIGURE LA PILE PROTOCOLAIRE 23 FIGURE 10 LES COMPOSANTS LOGICIELS DE LA PLATEFORME 24 FIGURE 11 LA PLANIFICATION GENERALE 26 FIGURE 12 LA PLANIFICATION DE LA PREMIERE PHASE 27 FIGURE 13 LA PLANIFICATION DE LA DEUXIEME PHASE 28 FIGURE 14 UNE ADAPTATION DU MBMS POUR DAIDALOS 29 FIGURE 15 LES PRIMITIVES D’UN SERVICE DANS LE MODE CONNECTION 31 FIGURE 16 DIAGRAMME DES CLASSES : LES PRIMITIVES DES SERVICES MMBS DE LA COUCHE RRC 32 FIGURE 17 DIAGRAMME DE SEQUENCE: ETABLISSEMENT D’UN PTM RB 36 FIGURE 18 DIAGRAMME DE SEQUENCE: RELACHEMENT D’UN PTM RB 37 FIGURE 19 RESULTAT DU TEST AU MODE NATIF 45 FIGURE 20 RESULTAT DU TEST AU MODE D’INTEGRATION - SIMULATION 46 Liste des tableaux TABLEAU : ORGANISMES REGIONAUX PARTICIPENT AU 3GPP 16 TABLEAU 2: PROTOCOLS BROADCAST ET MULTICAST 17 TABLEAU 3: REACTIONS DU UE POUR LA PROCEDURE JOIN 30 TABLEAU 4: REACTIONS DU UE POUR LA PROCEDURE LEAVE 30 TABLEAU 5: BANC DE TEST 42 TABLEAU 6: SCÉNARIO DE TEST 42 TABLEAU 7: RESULTATS ESPERES COTE RG 43 TABLEAU 8: RESULTATS ESPERES COTE UE 44 Remerciements En premier lieu, je tiens exprimer ma plus grande reconnaissance envers ma responsable de stage, Madame Michelle WETTERWALD qui a accepté de m'accueillir en stage avec son équipe de recherche pour m'avoir permis de mener bien ce travail par ses conseils, ses remarques et ses suggestions Je la remercie aussi pour son soutien, l’encouragement qu'elle m'a donné pour faciliter mes conditions de vie Sophia, pour me familiariser avec la vie de l'équipe Je tiens remercier Monsieur Christian BONNET, Directeur de l’unité Communications Mobiles de l’Eurécom, pour son encouragement et sa sympathie pendant mon stage Je tiens exprimer toute ma reconnaissance Monsieur HO Tuong Vinh, Directeur d’études de l’IFI (Institut de la Francophonie pour l’Informatique), d’avoir préparé mon stage Je remercie aussi vivement Monsieur Charles Durand, Directeur de l’IFI, de m’avoir bien favorisé au cours de mon stage Je remercie tous les membres de l’unité Communications Mobiles pour leurs encouragements, leurs conseils, leurs aides et la sympathie qu'ils m'ont donnée Depuis le début de mon stage en France, j'ai reỗu beaucoup d'aides et d'encouragements de mes amis Tout cela me permet de mieux compléter le stage Je les remercie Je voudrais également remercier mes parents et ma sœur qui m'encouragent énormément depuis le début de mon stage en France Enfin, un grand merci toutes les personnes de l’Institut Eurécom et de l’IFI de m’avoir aidé au cours de mon stage Résumé La nouvelle génération de réseaux post 3G doit intégrer tous les réseaux existants, c'est-à-dire les réseaux de données de type Internet, les réseaux téléphoniques, que ce soit le réseau téléphonique commuté ou le réseau cœur d’un opérateur de mobiles, et les réseaux de vidéo pour effectuer de la diffusion de télévision ou de la vidéo la demande En ce qui concerne le broadcast et le multicast, pour les réseaux de télécommunication UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) où les ressource radio et les ressources du réseau de cœur sont vraiment limitées, on doit recourir au protocole MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) normalisé par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) Ce rapport vise présenter l’intégration et les expérimentations du protocole MBMS dans la platforme TD-CDMA (Time Division – Code Division Multiple Access) d’Eurécom dans le cadre du projet DAIDALOS (Designing Advanced network Interfaces for the Delivery and Administration of Location independent, Optimised personal Services ) Le rapport se compose de chapitres et annexes ‚ D’abord, le chapitre présente le problème du Broadcast et du Multicast dans ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ DAIDALOS et l’environnement du stage Ensuite, dans le chapitre 2, un état de l’art dans le domaine d’étude sera présenté Le chapitre présentera les démarches faire pour produire une couche RRC (Radio Resource Control) multicast dans la plateforme TD-CDMA avec des adaptations nécessaires au protocole MBMS Et puis, le chapitre donne une évaluation sur l’intégration et les expérimentations sur ces adaptations L’annexe A vous montrera des termes et des abréviations L’annexe B représentera la machine états finis côté UE (User Equipment) modélisé avec Télélogic Tau L’annexe C est le document de spécification du protocole MBMS synthétisé l’Eurécom L’annexe D est le document de conception Mot clés: B3G, Broadcast, Daidalos, Multicast, MBMS, TD-CDMA, UMTS, 3GPP Abstract The new B3G network must integrate all existing networks: Enterprises, Multimedia and Telecommunications In regard to Broadcast and Multicast in the UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) telecommunications network where the radio resources and network resources are really limited, we have to use the MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) protocol, which is standardized by the 3GPP (3rd Generation Partnership Project) This report aims to present the integration and the experimentations of MBMS protocol in the Eurecom’s TD-CDMA (Time Division – Code Division Multiple Access) platform within the scope of DAIDALOS project (Designing Advanced network Interfaces for the Delivery and Administration of Location independent, Optimised personal Services ) This report is composed with chapters and appendixes ‚ First of all, the chapter presents the broadcast and multicast problems in DAIDALOS ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ project and the working environment In the chapter 2, A state of the art in the domain will be presented The chapter presents the process to product a RRC (Radio Resource Control) multicast layer in the TD-CDMA platform with necessary adaptations to the MBMS protocol The chapter gives an evaluation on the integration and experimentations on the adaptations The appendix A presents a list of terms and abbreviations used in the report The appendix B presents the UE’s finite state machine modeled with Telelogic Tau The appendix C is the Eurecom's specification document of the MBMS protocol The appendix D is the Eurecom's design document Key words: B3G, Broadcast, Daidalos, Multicast, MBMS, TD-CDMA, UMTS, 3GPP Chapitre CHAPITRE - INTRODUCTION Problématique Le réseau sans fil de troisième génération (3G), fournit une bande passante plus élevée, un accès l’internet plus haute vitesse Cela favorise énormément des services multimédias Au fur et mesure que les technologies et la société changent, il y a une prolifération de technologies et de services pour les utilisateurs mobiles Cela crée un environnement de communications complexe non seulement pour les utilisateurs mais également pour les opérateurs DAIDALOS est un Projet Intégré dans le cadre du FP6 (6th Framework Program) lancé au niveau européen et regroupe un grand nombre de partenaires Il s’adresse aux problèmes d'hétérogénéité des accès Pour le multicast, par exemple, on doit assurer une diffusion de contenu multimédia sans interruption et indépendante du type de réseau – que ce soit un réseau de diffusion, un réseau de télécommunication ou un réseau sans fil d’entreprise Parmi ses 46 partenaires industriels et académiques, Eurécom joue un rôle actif pour remplir les objectifs avec la plateforme radio logicielle TD-CDMA qui est développée au sein du département Communications Mobiles L'utilisation d’une technologie de radio logicielle permet de conserver des coûts d’équipements raisonnables, car principalement basés sur des équipements peu chers tels que des micro-ordinateurs PC D’autre part, cela fournit un moyen idéal pour mener des expérimentations en vraie grandeur d’un système radio mobile Enfin, ces plateformes sont utilisées pour valider des avancées théoriques, en particulier dans le domaine très prometteur des réseaux sans fil post 3G [35] A l’heure actuelle, la plateforme TD-CDMA reste encore un système unicast conforme la norme 3GPP R4 [2] Dans un système unicast, il s’agit des connexions de type point point entre le client et le serveur Avec une augmentation des applications consommant énormément de bande passante radio, et particulièrement, avec un grand nombre d’utilisateurs recevant le même service haut taux de données, la distribution d'information efficace devient 10 We will consider the content as a string of characters which has the followings elements in macroscopic view: RB information list L1-L2Configuration MP MP Octet string Octet string 7.3 MBMS Current Cell p-t-m rb Information [10.2.16g] We will consider the content as a string of characters which has the followings elements in macroscopic view: L1-L2Configuration MP Octet string 7.4 MBMS General Information [10.2.16h] MBMS timers and counters T318 Cell group identity 7.5 MBMS Modified services Information [10.2.16j] [For each Modified service] MBMS Transmission identity MBMS Service ID PLMN identity MBMS required UE action MBMS re- aquire MCCH End of modified MCCH information MBMS all unmodified p-t-m services 7.6 MBMS Neighbouring Cell p-t-m rb Information [10.2.16k] Neighbouring cell identity Neighbouring cell’s Configuration 7.7 MBMS Scheduling Information [10.2.16l] [For each Service] MBMS Transmission identity MBMS Service ID PLMN identity MBMS Service transmissions info list Start Duration 78 Next scheduling period 7.8 MBMS Unmodified services Information [10.2.16m] [For each unmodified service] MBMS Transmission identity MBMS Service ID PLMN identity MBMS required UE action PTM RB) 79 Annexe D Annexe D – Document de conception (Anglais) Design of RRC for MBMS Working Document – Printed 06/12/2005 Michelle WETTERWALD Huu Nghia NGUYEN Mobile Communication Department Institut Eurecom BP 193 F-06904 Sophia Antipolis Cedex - France Tel: 04.93.00.26.31 - Fax: 04.93.00 26.27 Email : michelle.wetterwald@eurecom.fr nguyenhn@eurecom.fr web : http://www.eurecom fr/Mobile 80 Introduction 1.1 General This document describes the design for first implementation of the RRC protocol Layer for MBMS Hypothesis: Hypo [H1] Description frequency [H2] [H3] cell / RNC UE in cell DCH state [H4] [H5] [H6] Always ptm No MICH, no DRX Handover is supported 1.2 Definition, acronyms and abbreviations UML Esterel Telelogic Tau FSM 1.3 References 81 [1] [2] RRC_MBMSv5.doc 3G 3G [4] 3G [5] 3G [6] [7] 3G 3G [8] 3G [9] 3G [10] 3G [11] [12] 3G 3G Decisions ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ [3] Language C Compiler gcc esterel ver 5_92 or Telelogic Tau IDE: KDevelop 2.1 , Eclilpse 3.1 Linux Redhat - kernel 2.4.20 UML State Diagram Will Use FSM for UE Architectural Design This part defines the high level design of the new RRC MBMS 3.1 Global Architecture 82 3.2 Architecture of sub-systems The new sub system RRC MBMS will be constructed as an extension of the old RRC unicast In the extension, we will regard the system in points of view 3.2.1 Functional view: If we regard the functionalities, we can have parties ‚ The package 1: for encoding/decoding the message and interfacing with the old RRC unicast ‚ The package 2: for controlling the inside behaviour of UE when receiving indication from NAS or MBMS message from RG this package will be implemented as a finite state machine 3.2.2 Networking architectural view: If we regard the networking architecture, We can also separate the subsystem RRC MBMS as ‚ RG side: all components are named as rrc_rg_mbms… ‚ UE side: all components are named as rrc_ue_mbms… Throughout this document, we will use the networking architectural view as the main point of view 3.3 Interfaces between sub-systems In the functional view ‚ Package will call to rrc_ue_mbms_fsm.c of the package to generate input signal and to activate the state machine 83 ‚ Package will call functions to write to and to process messages from NAS ‚ The whole system/old RRC unicast will invoke interfaces supported in rrc_ue_mbms_if.c and rrc_rg_mbms_if.c As for networking architectural view, here are more detailed UML component diagrams 3.3.1 RG side RT Fifo NAS rrc_rg_mbms_MSCH_tx rrc_rg_mbms_DCCH_tx rrc_rg_mbms_MCCH_tx void rrc_rg_mbms_end_modification_period_check( Implements the interfaces and other important procedures The function of each procedure is described in c file, interfaces are defined in h file -void rrc_rg_mbms_init(); void rrc_rg_mbms_scheduling_check(); void rrc_rg_mbms_end_modification_period_check(); void rrc_rg_mbms_MCCH_tx(void); void rrc_rg_mbms_DCCH_tx(int ueID); void rrc_rg_mbms_MSCH_tx(void); rrc_rg_mbms_if.c ) void rrc_rg_mbms_scheduling_check() rrc_rg_mbms_init() void rrc_rg_mbms_MCCH_encode void rrc_rg_mbms_DCCH_encode void rrc_rg_mbms_MSCH_encode rrc_rg_mbms_encode.c rrc_PERDec_ rrc_PEREnc_ rrc_mbms_pdus.c protocol_vars_extern.h rrc_mbms_pdus.h rrc_bs_entity.h Control block for RRC MBMS (RG side) rrc_mbms_ies.h rrc_rg_mbms_variables.h Legends: RRC MBMS files rrc_mbms_constant.h Modified RRC unicast files Original RRC unicast files Figure: UML Component diagram for RG side 84 3.3.2 UE side RRC L2 NAS Inputs: I_CONTROLING_CELL_CHANGED I_RETURN_FROM_LOSS_COVERAGE I_ACTIVATED_SERVICE_CHANGED I_SELECTING_CELL_MBMS I_MODIF_SERV_INFO I_UNMODIF_SERV_INFO I_COMMON_CELL_RB_INFO I_CURRENT_CELL_RB_INFO I_NEIGHBOURING_CELL_RB_INFO I_MODIF_PERIOD_ENDED Outputs: O_NAS_MBMS_UE_NOTIFY_IND O_ANALYSE_UNMODIF O_CURRENT_CELL_RB_CONFIGURATION O_MCCH_NOTIFICATION O_DCCH_NOTIFICATION Only in test mode, Will be obsoleted in phase (integration) rrc_ue_mbms_fsm RRC_UE_MBMS_ rrc_PERDec_ rrc_PEREnc_ protocol_vars_extern.h rrc_mbms_utilities.c rrc_msg_class.h rrc_mbms_pdus.c rrc_mbms_pdus.h rrc_ms_entity.h Control block for RRC MBMS (UE side) rrc_ue_mbms_variables.h Legends: rrc_mbms_ies.h RRC MBMS files Modified RRC unicast files Original RRC unicast files Detailed Conception 4.1 Modification to the old RRC unicast 85 rrc_mbms_constant.h We will try to keep it as much stable as possible It means that we avoid modifying the existing source code of RRC unicast Modification is realised in files: ‚ rrc_msg_class.h: Addition of types: MCCHMessage, MSCHMessage, … ‚ rrc_ms_entity: Addition of an mbms control block for UE ‚ rrc_bs_entity: Addition of an mbms control block for RG 4.2 Encode, Decode and Interface 4.2.1 Description ‚ For this part, we will use the ASN.1 for constant, variables, timers, pdus, messages specified in the [TS 25.331#11] ‚ To encode and decode, we need to define a control block for UE side and RG side Here are necessary information (macroscopic view): 4.2.1.1 UE MBMS control block Attribute T318 CellGroupIdentity unmodifiedServices[] modifiedServices[] L1L2Config RBInformationList[] reacquireMCCH accessInfoPeriodCoefficient repetitionPeriodCoefficient modificationPeriodCoefficient neigbouringCellInfoList[] Scheduling (later) For more details, view the definition in rrc-ue-mbms-variables.h 4.2.1.2 RG MBMS control block Attribute T318 CellGroupIdentity unmodifiedServices[] modifiedServices[] 86 L1L2Config RBInformationList[] reacquireMCCH accessInfoPeriodCoefficient repetitionPeriodCoefficient modificationPeriodCoefficient neigbouringCellConfigs[] endOfModifiedMCCHInformation ueList[servID][] //ues interested in a service servID Scheduling (later) For more details, view the definition in rrc-rg-mbms-variables.h 4.2.2 Interface The interface of this package for the outside layer (NAS) is temporarely a static control block defined above This package supports encoding/decoding functions to other internal packages: ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ ‚ rrc_PERDec_MBMSAccessInformation rrc_PERDec_MBMSCommonPTMRBInformation rrc_PERDec_MBMSCurrentCellPTMRBInformation rrc_PERDec_MBMSGeneralInformation rrc_PERDec_MBMSModifiedServicesInformation rrc_PERDec_MBMSNeighbouringCellPTMRBInformation rrc_PERDec_MBMSSchedulingInformation rrc_PERDec_MBMSUnmodifiedServicesInformation rrc_PEREnc_MBMSAccessInformation rrc_PEREnc_MBMSCommonPTMRBInformation rrc_PEREnc_MBMSCurrentCellPTMRBInformation rrc_PEREnc_MBMSGeneralInformation rrc_PEREnc_MBMSModifiedServicesInformation rrc_PEREnc_MBMSNeighbouringCellPTMRBInformation rrc_PEREnc_MBMSSchedulingInformation 4.3 Finite State Machine for controlling 87 4.3.1 Description We try to represent the textual behaviour of RRC MBMS in [1, 2] by using UML2 state diagrams In fact, the UML tools used is an IT modelling tool, the diagram is still a logical model with textual comments Those diagrams will later be transformed into SyncChart in EsterelStudio (graphical) or in Telelogic Tau, which will finally be used to generate the code C We can also directly implement those in C In the following schemas, we use pseudo states to represent the conditions (Because the tool doesn’t provide this symbol ) = Condition 4.3.2 UE MBMS State Diagram 88 89 4.3.3 RG MBMS State diagram This diagram represents a RG scheduler for sending MBMS messages In fact, it’s so simple that we can implement it without using a FSM 90 ... fautes du composant MBMS L’étape suivante est donc d’expérimenter l? ?intégration du composant MBMS dans la plateforme TD- CDMA 45 Figure 20 Résultat du test au mode d? ?intégration - simulation L’analyse... expérimentations pour valider la stabilité du protocole Dans le cadre du stage, j’étendrai la couche RRC de la plateforme TD- CDMA et la rendra RRC-multicast conformant la norme 3GPP R6 [11, 12, 13,... mobiles post-3G Plate-forme TD- CDMA Dans [1], nous avons présenté l’architecture Pure-IP de la plateforme TD- CDMA dans laquelle sont court-circuitées un certain nombre d’entités du réseau UMTS