王旭陽，李守憲

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

基于OAI的ROHC協(xié)議研究與實現(xiàn)

王旭陽1，李守憲2

（1.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2.北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

本文介紹了OAI軟件平臺的架構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸流程和仿真實現(xiàn)等內(nèi)容，分析了ROHC協(xié)議的基本原理和運行模式，設(shè)計了OAI平臺中實現(xiàn)報頭壓縮功能的模塊，并對其性能進(jìn)行了測試驗證，最后對基于OAI軟件平臺上ROHC的運用進(jìn)行了總結(jié)和展望。

OAI平臺；ROHC協(xié)議；吞吐率

1 引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展和第四代通信技術(shù)的日趨成熟,從最初只有電路交換提供的語音服務(wù)到現(xiàn)在由分組交換支持的視頻、文件、語音等服務(wù)方式的轉(zhuǎn)變,未來通信技術(shù)將會擁有更多的服務(wù)方式、更快的傳輸速率和更好的服務(wù)性能。本文作出的研究是在車聯(lián)網(wǎng)超級終端項目背景下,為了提高其無線通信傳輸速率,在基于OAI通信平臺上驗證ROHC協(xié)議的可用性。OAI是一個隨著通信技術(shù)發(fā)展而不斷完善的軟件平臺,擁有完整的通信系統(tǒng)協(xié)議棧功能[1][2],可以通過手動配置不同的數(shù)據(jù)參數(shù),測試在不同情況下的傳輸環(huán)境,而且對OAI研究平臺的深入開發(fā),可以加深對LTE系統(tǒng)整體架構(gòu)的理解,同時為LTE甚至第五代通信技術(shù)的演進(jìn)提供了很好的測試和實驗方法[3]。

2 OAI平臺研究

OAI是歐洲EURECOM組織為了探索未來通信技術(shù)發(fā)展方向而研發(fā)的開源平臺,可以進(jìn)行無線信號處理和通信系統(tǒng)的仿真實驗,主要分為軟件和硬件兩個部分,軟件部分包括Openair-cn和Openairinterface。其中,Openair-cn是LTE系統(tǒng)的核心網(wǎng)部分,包含移動性管理實體（Mobility Management Entity,MME）,業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay,S-GW）,PDN網(wǎng)關(guān)（PDN GateWay, P-GW）和歸屬用戶服務(wù)器（Home Subscriber Server,HSS）等[4]。Openairinterface是E-UTRAN的協(xié)議棧部分,包含cmake_targets,openair1, openair2,openair3和targets。其中,cmake_ targets文件用來編譯整個LTE系統(tǒng)的eNB部分, openair1包含LTE系統(tǒng)物理層的各個功能模塊,對應(yīng)的信道模型,參數(shù)的定義和初始化以及物理信道的調(diào)制、解調(diào)等。其功能是對基帶信號進(jìn)行處理,而且還提供了同上下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浻布涌?；openari2包含了開放式系統(tǒng)互聯(lián)中鏈路層的協(xié)議棧部分：媒體接入控制層,無線鏈路控制層和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層,同時無線資源控制層也包含在此部分,其功能是實現(xiàn)LTE系統(tǒng)的無線接入控制功能和相應(yīng)協(xié)議的數(shù)據(jù)處理功能；openair3包含了IP協(xié)議以及其他網(wǎng)絡(luò)模塊,同時提供了上層數(shù)據(jù)傳輸功能,為上層應(yīng)用服務(wù),從而對視頻,音頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)提供了支持；targets包含由cmake_targets編譯生成的可執(zhí)行文件,提供了eNB開始運行的可執(zhí)行文檔[5]。OAI可以被認(rèn)為是對無線通信過程中信息傳輸?shù)耐暾麑崿F(xiàn),其保持了真實環(huán)境下的優(yōu)良特性,主要采用了多小區(qū)合作,分散式同步通信,同等端接口通信等技術(shù),使得研究人員可以在真實的環(huán)境中研究通信技術(shù)新的發(fā)展方向。

OAI平臺的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示,其基于C語言, EPC和eNB全都運行在Linux操作系統(tǒng)上[6],通信系統(tǒng)中的各個節(jié)點在一臺主機(jī)之中模擬運行,并使用IP互聯(lián)的方式進(jìn)行信息的傳輸,從而提供語音,視頻傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的支持。此外,OAI仿真平臺完全遵循3GPP協(xié)議發(fā)展而設(shè)計,包含了由各個協(xié)議層組成的完整協(xié)議棧架構(gòu),各種信道的模型,包括廣播控制信道（BCCH）,專用控制信道（DCCH）,專用業(yè)務(wù)信道（DTCH）,公共控制信道（CCCH）等,同時提供了各種各樣的無線通信環(huán)境,可以當(dāng)作一個完整的無線通信系統(tǒng),使得OAI平臺的測試過程和結(jié)果更加貼近真實環(huán)境,對研究結(jié)果也更有實際意義。

圖1 OAI平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 ROHC的工作原理分析

在LTE系統(tǒng)中,隨著IP業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展,各種應(yīng)用服務(wù)也不斷的涌現(xiàn)出來,比如基于IP協(xié)議的音頻服務(wù)和視頻通話等,IP協(xié)議為這些應(yīng)用的實現(xiàn)提供了可能。但I(xiàn)P協(xié)議報頭開銷較大,在傳輸負(fù)載較小的業(yè)務(wù)時會造成無線鏈路的資源浪費。而且當(dāng)無線鏈路處于高誤碼率,高時延的傳輸環(huán)境中時,信息不能進(jìn)行可靠有效的傳遞,在報頭開銷較大的情況下容易造成錯碼的現(xiàn)象。針對無線鏈路的這種缺陷,IETF工作組設(shè)計了一種報頭壓縮方案：ROHC[7],其可以壓縮多種報頭,比如RTP/UDP/ IP,UDP/IP等,從理論上來說,ROHC可以把由RTP/UDP/IP組成的報頭數(shù)據(jù)包壓縮到原始報頭的5%左右,大大減小了報頭開銷,同時提高了無線鏈路的資源利用率。

ROHC模塊應(yīng)用于分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層中[8][9],利用減少報頭冗余信息來提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐率,減小報頭的開銷,這些冗余信息包括相鄰報文間UDP報頭端口號,IP報頭中的IP地址和長度等字段,通過ROHC中的壓縮/解壓縮算法能夠從上下文中提取出有效信息,從而還原出真正的數(shù)據(jù)包內(nèi)容。

ROHC報頭壓縮流程如圖2所示。當(dāng)從應(yīng)用層收到第一個分組數(shù)據(jù)包時,壓縮端會進(jìn)入初始化狀態(tài),根據(jù)數(shù)據(jù)包中的字段信息把第一個數(shù)據(jù)包的完整報頭信息存放在上下文中,并分配相應(yīng)的CID（context identification,上下文標(biāo)識符）,然后把此數(shù)據(jù)包經(jīng)過下層的加頭步驟,由Uu接口發(fā)送至接收端,等接收端確認(rèn)收到完整的數(shù)據(jù)包后,同樣把報頭部分保存在上下文中時,正式進(jìn)入壓縮狀態(tài),在以后包的傳輸流程中,ROHC會比較前后相鄰包的不同字段,并利用壓縮算法進(jìn)行特定的編碼,把編碼后的報頭字段連同數(shù)據(jù)部分傳輸給接收端進(jìn)行解壓縮步驟,在CID一致的情況下,解壓縮出正確的分組數(shù)據(jù)包并發(fā)往接收端應(yīng)用層,實現(xiàn)整個壓縮/解壓縮流程[10]。

圖2 ROHC協(xié)議壓縮/解壓縮流程圖

4 基于OAI的ROHC協(xié)議性能測試

在目前的研究中,OAI測試平臺中并沒有使用ROHC協(xié)議來進(jìn)行報頭壓縮傳輸,為了滿足車聯(lián)網(wǎng)項目中對于通信傳輸速率的要求,在運行于OAI平臺的Linux操作系統(tǒng)上,添加了新的ROHC內(nèi)核模塊,從而可以控制報頭壓縮功能的開啟和關(guān)閉[11],通過增加修改OAI代碼中的PDCP層函數(shù),調(diào)用Linux內(nèi)核中的ROHC功能。

本文主要對在完善報頭壓縮功能之后的OAI平臺進(jìn)行性能測試,測試采用真實的LTE系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境,對LTE系統(tǒng)中的實時性業(yè)務(wù)進(jìn)行流量測試,例如在線音頻,視頻傳輸?shù)葢?yīng)用服務(wù),對于音頻業(yè)務(wù)來說,主要包括語音數(shù)據(jù)的采集發(fā)送和播放接收兩個步驟。語音的采集和播放相對應(yīng),是模擬信號與數(shù)字信號的互相轉(zhuǎn)換過程。語音數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收相對應(yīng),通過socket接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信連接,兩個socket之間應(yīng)用的是UDP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于視頻傳輸業(yè)務(wù)來說,多媒體業(yè)務(wù)采用基于IP協(xié)議的組內(nèi)傳播技術(shù),由于無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制,為了提高視頻傳輸?shù)膶崟r性,保證畫面的流暢性,測試時利用RTP/UDP/IP協(xié)議在OAI平臺上進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

測試中采用的是EURECOM項目組為OAI開發(fā)研發(fā)的XFORMS信道顯示工具和Walktour性能測試工具,測試用邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

測試中位于主機(jī)內(nèi)的虛擬核心網(wǎng)通過連接Internet進(jìn)行下行數(shù)據(jù)的傳輸,在Sony m35t工程機(jī)終端上,PDCP Thr為應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸速率,傳輸?shù)氖墙?jīng)過解壓縮報頭后的數(shù)據(jù)包。在真實環(huán)境的無線鏈路中,由于傳輸過程中存在干擾、誤碼等情況,吞吐率會產(chǎn)生小幅度變化,為了結(jié)果的準(zhǔn)確性,本次測試收集100秒的測試數(shù)據(jù),并取其均值,在沒有使用ROHC時應(yīng)用層的平均吞吐率由Th表示,在使用ROHC協(xié)議后,應(yīng)用層的平均吞吐率由Th_rohc表示,則實際吞吐率的提升為

5 測試結(jié)果和結(jié)論

通過本次測試,可以得到有關(guān)音頻和視頻業(yè)務(wù)折線圖,測試中使用RTP/UDP/IPv4分組來傳輸業(yè)務(wù)流,測量在線音視頻服務(wù)時應(yīng)用層的吞吐率。XFORMS軟件可以檢測到信道干擾,信道收發(fā)頻率等信息。如圖4所示,我們利用XFORMS軟件主要來測試空口通信狀況。通過圖4可以觀察到在進(jìn)行音頻業(yè)務(wù)傳輸時,吞吐率的變化范圍在40kb/s到43kb/s之間,波動范圍很小,空口通信狀況良好,滿足測試條件。

圖4 由XFORMS觀測到的空口傳輸狀況

5.1 音頻業(yè)務(wù)的測試結(jié)果

圖5 音頻業(yè)務(wù)傳輸時應(yīng)用層吞吐率變化曲線

圖5是在音頻業(yè)務(wù)傳輸時分別使用和不使用ROHC協(xié)議得到的UE端PDCP層吞吐率變化曲線,曲線的橫坐標(biāo)是時間,縱坐標(biāo)是數(shù)據(jù)包解壓后應(yīng)用層吞吐率,由該圖可以觀察到在100秒傳輸時間內(nèi),由于外界環(huán)境的干擾,誤碼等情況,應(yīng)用層吞吐率隨著時間的增長產(chǎn)生小幅度波動,且使用ROHC協(xié)議時,其吞吐率始終高于未使用ROHC協(xié)議時的吞吐率。證明了在OAI平臺上,ROHC協(xié)議的可用性。經(jīng)過測試,在100s通信時間內(nèi),Th為33.98kb/s, Th_rohc為36.61kb/s,通過計算可得應(yīng)用層吞吐率提升了

Th=（Th_rohc/Th）-1=7.74%

5.2 視頻業(yè)務(wù)的測試結(jié)果

圖6 視頻業(yè)務(wù)傳輸時應(yīng)用層吞吐率變化曲線

圖6是在進(jìn)行視頻業(yè)務(wù)傳輸時分別使用和不使用ROHC協(xié)議得到的UE端應(yīng)用層吞吐率變化曲線,與圖5類似,在100秒傳輸時間內(nèi),使用ROHC協(xié)議后應(yīng)用層吞吐率高于未使用ROHC協(xié)議的應(yīng)用層吞吐率,且波動變化穩(wěn)定,證明了ROHC協(xié)議在OAI平臺的可用性。其中Th為140.35kb/s,Th_rohc為147.05kb/s,經(jīng)過計算可得在真實環(huán)境下,UE端應(yīng)用層吞吐率提升了：

6 結(jié)束語

本文首先介紹了OAI平臺和ROHC協(xié)議的內(nèi)容,然后為了滿足車聯(lián)網(wǎng)通信中對音視頻業(yè)務(wù)傳輸速率的要求,在Linux內(nèi)核中插入ROHC模塊,在真實環(huán)境中,通過測試在OAI通信平臺上的音視頻業(yè)務(wù)的傳輸情況,獲取了在使用和不使用ROHC協(xié)議的條件下應(yīng)用層吞吐率的變化數(shù)據(jù),并計算出了吞吐率的提升比例,從而證明了ROHC協(xié)議在OAI平臺上的可用性。

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[11]周邏理．基于Linux平臺的ROHC報頭壓縮系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]．北京郵電大學(xué),2008

Research and Implementation of Robust Header Compression based on OAI

Wang Xuyang1, Li Shouxian2

(1.School of Communications and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing, 400065; 2. Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, 100876)

This thesis presents the framework of OAI system,the process of data transmission and the simulation ,it also analyzes the basic principles and working condition of ROHC protocol,designs the module to achieve the header compression on OAI platform.Through the system testing,it is proved that the ROHC protocol is effective and feasible based on the OAI platform.

Open Air Interface platform; ROHC protocol; throughput

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.12.008

TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2016）12-0031-04