基于OAI的ROHC协议研究与实现

王旭阳，李守宪

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065；2.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

基于OAI的ROHC协议研究与实现

王旭阳1，李守宪2

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065；2.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）

本文介绍了OAI软件平台的架构，数据传输流程和仿真实现等内容，分析了ROHC协议的基本原理和运行模式，设计了OAI平台中实现报头压缩功能的模块，并对其性能进行了测试验证，最后对基于OAI软件平台上ROHC的运用进行了总结和展望。

OAI平台；ROHC协议；吞吐率

1 引言

随着通信技术的不断发展和第四代通信技术的日趋成熟,从最初只有电路交换提供的语音服务到现在由分组交换支持的视频、文件、语音等服务方式的转变,未来通信技术将会拥有更多的服务方式、更快的传输速率和更好的服务性能。本文作出的研究是在车联网超级终端项目背景下,为了提高其无线通信传输速率,在基于OAI通信平台上验证ROHC协议的可用性。OAI是一个随着通信技术发展而不断完善的软件平台,拥有完整的通信系统协议栈功能[1][2],可以通过手动配置不同的数据参数,测试在不同情况下的传输环境,而且对OAI研究平台的深入开发,可以加深对LTE系统整体架构的理解,同时为LTE甚至第五代通信技术的演进提供了很好的测试和实验方法[3]。

2 OAI平台研究

OAI是欧洲EURECOM组织为了探索未来通信技术发展方向而研发的开源平台,可以进行无线信号处理和通信系统的仿真实验,主要分为软件和硬件两个部分,软件部分包括Openair-cn和Openairinterface。其中,Openair-cn是LTE系统的核心网部分,包含移动性管理实体（Mobility Management Entity,MME）,业务网关（Serving GateWay,S-GW）,PDN网关（PDN GateWay, P-GW）和归属用户服务器（Home Subscriber Server,HSS）等[4]。Openairinterface是E-UTRAN的协议栈部分,包含cmake_targets,openair1, openair2,openair3和targets。其中,cmake_ targets文件用来编译整个LTE系统的eNB部分, openair1包含LTE系统物理层的各个功能模块,对应的信道模型,参数的定义和初始化以及物理信道的调制、解调等。其功能是对基带信号进行处理,而且还提供了同上下行数据传输的软硬件接口；openari2包含了开放式系统互联中链路层的协议栈部分：媒体接入控制层,无线链路控制层和分组数据汇聚协议层,同时无线资源控制层也包含在此部分,其功能是实现LTE系统的无线接入控制功能和相应协议的数据处理功能；openair3包含了IP协议以及其他网络模块,同时提供了上层数据传输功能,为上层应用服务,从而对视频,音频传输等业务提供了支持；targets包含由cmake_targets编译生成的可执行文件,提供了eNB开始运行的可执行文档[5]。OAI可以被认为是对无线通信过程中信息传输的完整实现,其保持了真实环境下的优良特性,主要采用了多小区合作,分散式同步通信,同等端接口通信等技术,使得研究人员可以在真实的环境中研究通信技术新的发展方向。

OAI平台的网络架构如图1所示,其基于C语言, EPC和eNB全都运行在Linux操作系统上[6],通信系统中的各个节点在一台主机之中模拟运行,并使用IP互联的方式进行信息的传输,从而提供语音,视频传输等业务的支持。此外,OAI仿真平台完全遵循3GPP协议发展而设计,包含了由各个协议层组成的完整协议栈架构,各种信道的模型,包括广播控制信道（BCCH）,专用控制信道（DCCH）,专用业务信道（DTCH）,公共控制信道（CCCH）等,同时提供了各种各样的无线通信环境,可以当作一个完整的无线通信系统,使得OAI平台的测试过程和结果更加贴近真实环境,对研究结果也更有实际意义。

图1 OAI平台网络架构

3 ROHC的工作原理分析

在LTE系统中,随着IP业务的进一步发展,各种应用服务也不断的涌现出来,比如基于IP协议的音频服务和视频通话等,IP协议为这些应用的实现提供了可能。但IP协议报头开销较大,在传输负载较小的业务时会造成无线链路的资源浪费。而且当无线链路处于高误码率,高时延的传输环境中时,信息不能进行可靠有效的传递,在报头开销较大的情况下容易造成错码的现象。针对无线链路的这种缺陷,IETF工作组设计了一种报头压缩方案：ROHC[7],其可以压缩多种报头,比如RTP/UDP/ IP,UDP/IP等,从理论上来说,ROHC可以把由RTP/UDP/IP组成的报头数据包压缩到原始报头的5%左右,大大减小了报头开销,同时提高了无线链路的资源利用率。

ROHC模块应用于分组数据汇聚协议层中[8][9],利用减少报头冗余信息来提高网络的吞吐率,减小报头的开销,这些冗余信息包括相邻报文间UDP报头端口号,IP报头中的IP地址和长度等字段,通过ROHC中的压缩/解压缩算法能够从上下文中提取出有效信息,从而还原出真正的数据包内容。

ROHC报头压缩流程如图2所示。当从应用层收到第一个分组数据包时,压缩端会进入初始化状态,根据数据包中的字段信息把第一个数据包的完整报头信息存放在上下文中,并分配相应的CID（context identification,上下文标识符）,然后把此数据包经过下层的加头步骤,由Uu接口发送至接收端,等接收端确认收到完整的数据包后,同样把报头部分保存在上下文中时,正式进入压缩状态,在以后包的传输流程中,ROHC会比较前后相邻包的不同字段,并利用压缩算法进行特定的编码,把编码后的报头字段连同数据部分传输给接收端进行解压缩步骤,在CID一致的情况下,解压缩出正确的分组数据包并发往接收端应用层,实现整个压缩/解压缩流程[10]。

图2 ROHC协议压缩/解压缩流程图

4 基于OAI的ROHC协议性能测试

在目前的研究中,OAI测试平台中并没有使用ROHC协议来进行报头压缩传输,为了满足车联网项目中对于通信传输速率的要求,在运行于OAI平台的Linux操作系统上,添加了新的ROHC内核模块,从而可以控制报头压缩功能的开启和关闭[11],通过增加修改OAI代码中的PDCP层函数,调用Linux内核中的ROHC功能。

本文主要对在完善报头压缩功能之后的OAI平台进行性能测试,测试采用真实的LTE系统开发环境,对LTE系统中的实时性业务进行流量测试,例如在线音频,视频传输等应用服务,对于音频业务来说,主要包括语音数据的采集发送和播放接收两个步骤。语音的采集和播放相对应,是模拟信号与数字信号的互相转换过程。语音数据的发送和接收相对应,通过socket接口进行网络通信连接,两个socket之间应用的是UDP/IP协议进行数据传输。对于视频传输业务来说,多媒体业务采用基于IP协议的组内传播技术,由于无线网络带宽的限制,为了提高视频传输的实时性,保证画面的流畅性,测试时利用RTP/UDP/IP协议在OAI平台上进行无线网络传输。

测试中采用的是EURECOM项目组为OAI开发研发的XFORMS信道显示工具和Walktour性能测试工具,测试用逻辑网络拓扑结构如图3所示。

图3 测试网络连接示意图

测试中位于主机内的虚拟核心网通过连接Internet进行下行数据的传输,在Sony m35t工程机终端上,PDCP Thr为应用层数据传输速率,传输的是经过解压缩报头后的数据包。在真实环境的无线链路中,由于传输过程中存在干扰、误码等情况,吞吐率会产生小幅度变化,为了结果的准确性,本次测试收集100秒的测试数据,并取其均值,在没有使用ROHC时应用层的平均吞吐率由Th表示,在使用ROHC协议后,应用层的平均吞吐率由Th_rohc表示,则实际吞吐率的提升为

5 测试结果和结论

通过本次测试,可以得到有关音频和视频业务折线图,测试中使用RTP/UDP/IPv4分组来传输业务流,测量在线音视频服务时应用层的吞吐率。XFORMS软件可以检测到信道干扰,信道收发频率等信息。如图4所示,我们利用XFORMS软件主要来测试空口通信状况。通过图4可以观察到在进行音频业务传输时,吞吐率的变化范围在40kb/s到43kb/s之间,波动范围很小,空口通信状况良好,满足测试条件。

图4 由XFORMS观测到的空口传输状况

5.1 音频业务的测试结果

图5 音频业务传输时应用层吞吐率变化曲线

图5是在音频业务传输时分别使用和不使用ROHC协议得到的UE端PDCP层吞吐率变化曲线,曲线的横坐标是时间,纵坐标是数据包解压后应用层吞吐率,由该图可以观察到在100秒传输时间内,由于外界环境的干扰,误码等情况,应用层吞吐率随着时间的增长产生小幅度波动,且使用ROHC协议时,其吞吐率始终高于未使用ROHC协议时的吞吐率。证明了在OAI平台上,ROHC协议的可用性。经过测试,在100s通信时间内,Th为33.98kb/s, Th_rohc为36.61kb/s,通过计算可得应用层吞吐率提升了

Th=（Th_rohc/Th）-1=7.74%

5.2 视频业务的测试结果

图6 视频业务传输时应用层吞吐率变化曲线

图6是在进行视频业务传输时分别使用和不使用ROHC协议得到的UE端应用层吞吐率变化曲线,与图5类似,在100秒传输时间内,使用ROHC协议后应用层吞吐率高于未使用ROHC协议的应用层吞吐率,且波动变化稳定,证明了ROHC协议在OAI平台的可用性。其中Th为140.35kb/s,Th_rohc为147.05kb/s,经过计算可得在真实环境下,UE端应用层吞吐率提升了：

6 结束语

本文首先介绍了OAI平台和ROHC协议的内容,然后为了满足车联网通信中对音视频业务传输速率的要求,在Linux内核中插入ROHC模块,在真实环境中,通过测试在OAI通信平台上的音视频业务的传输情况,获取了在使用和不使用ROHC协议的条件下应用层吞吐率的变化数据,并计算出了吞吐率的提升比例,从而证明了ROHC协议在OAI平台上的可用性。

[1]Nikaein N, Knopp R, Kaltenberger F, et al. Demo: OpenAirInterface: an open LTE network in a PC[C]// Proceedings of the 20th annual international conference on Mobile computing and networking. ACM, 2014:305-308.

[2]The OpenAirInterface Platform. Web: www.openairinterface.org/.

[3]Nikaein N, Marina M K, Manickam S, et al. OpenAirInterface: A Flexible Platform for 5G Research[J]. Acm Sigcomm Computer Communication Review, 2014, 44(5):33-38.

[4]3GPP.TS36.300 V 10.0.0, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network [EBIOL]. 2010-09-30.

[5]王任远．面向LTE的PHY/MAC联合仿真实现与调度算法研究[D]．北京邮电大学,2012

[6]徐海鑫．LTE系统中ROHC报头压缩系统的研究与实现[D]．武汉邮电科学研究院,2013

[7]C. Bormann. RObust Header Compression (ROHC): Framework and four profiles: RTP, UDP, ESP, and uncompressed. RFC 3095. July 2001.

[8]3GPP.TS 36.323 (R10). Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification, 2011.

[9]刘辉,宋健霖．LTE协议栈中PDCP层研究与设计[J]．重庆邮电大学学报（自然科学版）,2011.23(1).6-10

[10]王琼．第三代移动通信系统中PDCP的数据头压缩技术[J]．重庆邮电大学学报（自然科学版）,2004, 16(3):47-50

[11]周逻理．基于Linux平台的ROHC报头压缩系统的研究与实现[D]．北京邮电大学,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 文献标示码：B

1672-7274（2016）12-0031-04