基于OAI的ROHC協議研究與實現

王旭陽，李守憲

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

基于OAI的ROHC協議研究與實現

王旭陽1，李守憲2

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

本文介紹了OAI軟件平臺的架構，數據傳輸流程和仿真實現等內容，分析了ROHC協議的基本原理和運行模式，設計了OAI平臺中實現報頭壓縮功能的模塊，并對其性能進行了測試驗證，最后對基于OAI軟件平臺上ROHC的運用進行了總結和展望。

OAI平臺；ROHC協議；吞吐率

1 引言

隨著通信技術的不斷發展和第四代通信技術的日趨成熟,從最初只有電路交換提供的語音服務到現在由分組交換支持的視頻、文件、語音等服務方式的轉變,未來通信技術將會擁有更多的服務方式、更快的傳輸速率和更好的服務性能。本文作出的研究是在車聯網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協議的可用性。OAI是一個隨著通信技術發展而不斷完善的軟件平臺,擁有完整的通信系統協議棧功能[1][2],可以通過手動配置不同的數據參數,測試在不同情況下的傳輸環境,而且對OAI研究平臺的深入開發,可以加深對LTE系統整體架構的理解,同時為LTE甚至第五代通信技術的演進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發展方向而研發的開源平臺,可以進行無線信號處理和通信系統的仿真實驗,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系統的核心網部分,包含移動性管理實體（Mobility Management Entity,MME）,業務網關（Serving GateWay,S-GW）,PDN網關（PDN GateWay, P-GW）和歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server,HSS）等[4]。Openairinterface是E-UTRAN的協議棧部分,包含cmake_targets,openair1, openair2,openair3和targets。其中,cmake_ targets文件用來編譯整個LTE系統的eNB部分, openair1包含LTE系統物理層的各個功能模塊,對應的信道模型,參數的定義和初始化以及物理信道的調制、解調等。其功能是對基帶信號進行處理,而且還提供了同上下行數據傳輸的軟硬件接口；openari2包含了開放式系統互聯中鏈路層的協議棧部分：媒體接入控制層,無線鏈路控制層和分組數據匯聚協議層,同時無線資源控制層也包含在此部分,其功能是實現LTE系統的無線接入控制功能和相應協議的數據處理功能；openair3包含了IP協議以及其他網絡模塊,同時提供了上層數據傳輸功能,為上層應用服務,從而對視頻,音頻傳輸等業務提供了支持；targets包含由cmake_targets編譯生成的可執行文件,提供了eNB開始運行的可執行文檔[5]。OAI可以被認為是對無線通信過程中信息傳輸的完整實現,其保持了真實環境下的優良特性,主要采用了多小區合作,分散式同步通信,同等端接口通信等技術,使得研究人員可以在真實的環境中研究通信技術新的發展方向。

OAI平臺的網絡架構如圖1所示,其基于C語言, EPC和eNB全都運行在Linux操作系統上[6],通信系統中的各個節點在一臺主機之中模擬運行,并使用IP互聯的方式進行信息的傳輸,從而提供語音,視頻傳輸等業務的支持。此外,OAI仿真平臺完全遵循3GPP協議發展而設計,包含了由各個協議層組成的完整協議棧架構,各種信道的模型,包括廣播控制信道（BCCH）,專用控制信道（DCCH）,專用業務信道（DTCH）,公共控制信道（CCCH）等,同時提供了各種各樣的無線通信環境,可以當作一個完整的無線通信系統,使得OAI平臺的測試過程和結果更加貼近真實環境,對研究結果也更有實際意義。

圖1 OAI平臺網絡架構

3 ROHC的工作原理分析

在LTE系統中,隨著IP業務的進一步發展,各種應用服務也不斷的涌現出來,比如基于IP協議的音頻服務和視頻通話等,IP協議為這些應用的實現提供了可能。但IP協議報頭開銷較大,在傳輸負載較小的業務時會造成無線鏈路的資源浪費。而且當無線鏈路處于高誤碼率,高時延的傳輸環境中時,信息不能進行可靠有效的傳遞,在報頭開銷較大的情況下容易造成錯碼的現象。針對無線鏈路的這種缺陷,IETF工作組設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組成的報頭數據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模塊應用于分組數據匯聚協議層中[8][9],利用減少報頭冗余信息來提高網絡的吞吐率,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據包內容。

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

圖2 ROHC協議壓縮/解壓縮流程圖

4 基于OAI的ROHC協議性能測試

在目前的研究中,OAI測試平臺中并沒有使用ROHC協議來進行報頭壓縮傳輸,為了滿足車聯網項目中對于通信傳輸速率的要求,在運行于OAI平臺的Linux操作系統上,添加了新的ROHC內核模塊,從而可以控制報頭壓縮功能的開啟和關閉[11],通過增加修改OAI代碼中的PDCP層函數,調用Linux內核中的ROHC功能。

本文主要對在完善報頭壓縮功能之后的OAI平臺進行性能測試,測試采用真實的LTE系統開發環境,對LTE系統中的實時性業務進行流量測試,例如在線音頻,視頻傳輸等應用服務,對于音頻業務來說,主要包括語音數據的采集發送和播放接收兩個步驟。語音的采集和播放相對應,是模擬信號與數字信號的互相轉換過程。語音數據的發送和接收相對應,通過socket接口進行網絡通信連接,兩個socket之間應用的是UDP/IP協議進行數據傳輸。對于視頻傳輸業務來說,多媒體業務采用基于IP協議的組內傳播技術,由于無線網絡帶寬的限制,為了提高視頻傳輸的實時性,保證畫面的流暢性,測試時利用RTP/UDP/IP協議在OAI平臺上進行無線網絡傳輸。

測試中采用的是EURECOM項目組為OAI開發研發的XFORMS信道顯示工具和Walktour性能測試工具,測試用邏輯網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 測試網絡連接示意圖

測試中位于主機內的虛擬核心網通過連接Internet進行下行數據的傳輸,在Sony m35t工程機終端上,PDCP Thr為應用層數據傳輸速率,傳輸的是經過解壓縮報頭后的數據包。在真實環境的無線鏈路中,由于傳輸過程中存在干擾、誤碼等情況,吞吐率會產生小幅度變化,為了結果的準確性,本次測試收集100秒的測試數據,并取其均值,在沒有使用ROHC時應用層的平均吞吐率由Th表示,在使用ROHC協議后,應用層的平均吞吐率由Th_rohc表示,則實際吞吐率的提升為

5 測試結果和結論

通過本次測試,可以得到有關音頻和視頻業務折線圖,測試中使用RTP/UDP/IPv4分組來傳輸業務流,測量在線音視頻服務時應用層的吞吐率。XFORMS軟件可以檢測到信道干擾,信道收發頻率等信息。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可以觀察到在進行音頻業務傳輸時,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 音頻業務的測試結果

圖5 音頻業務傳輸時應用層吞吐率變化曲線

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

Th=（Th_rohc/Th）-1=7.74%

5.2 視頻業務的測試結果

圖6 視頻業務傳輸時應用層吞吐率變化曲線

圖6是在進行視頻業務傳輸時分別使用和不使用ROHC協議得到的UE端應用層吞吐率變化曲線,與圖5類似,在100秒傳輸時間內,使用ROHC協議后應用層吞吐率高于未使用ROHC協議的應用層吞吐率,且波動變化穩定,證明了ROHC協議在OAI平臺的可用性。其中Th為140.35kb/s,Th_rohc為147.05kb/s,經過計算可得在真實環境下,UE端應用層吞吐率提升了：

6 結束語

本文首先介紹了OAI平臺和ROHC協議的內容,然后為了滿足車聯網通信中對音視頻業務傳輸速率的要求,在Linux內核中插入ROHC模塊,在真實環境中,通過測試在OAI通信平臺上的音視頻業務的傳輸情況,獲取了在使用和不使用ROHC協議的條件下應用層吞吐率的變化數據,并計算出了吞吐率的提升比例,從而證明了ROHC協議在OAI平臺上的可用性。

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[11]周邏理．基于Linux平臺的ROHC報頭壓縮系統的研究與實現[D]．北京郵電大學,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 文獻標示碼：B

1672-7274（2016）12-0031-04