Contrôle de congestion 'cross-layer' et qualité de service dans les réseaux mobiles

par Zhenzhe Zhong

Projet de thèse en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Ahmed Serhrouchni et de Rida Khatoun.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Traitement et Communication de l'Information (laboratoire) et de Télécom ParisTech (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    Contexte et motivation Dans les réseaux mobiles, les services de données se sont considérablement développés ces dernières années grâce aux déploiements des techniques 3G+ et 4G. Cependant, de nombreuses questions restent en suspens, comme la mauvaise utilisation des ressources radio et des dégradations momentanées de « l'expérience client ». En fait, les profils de qualité de service (QoS) décrits dans les normes restent mal utilisés dans les réseaux mobiles où on se contente souvent de faire "pour le mieux" (stratégie de "best effort"). Dans les réseaux, les phénomènes de congestion sont principalement traités de bout en bout, grâce au protocole TCP avec son mécanisme de contrôle de flux et la classique "fenêtre de congestion". Cependant, TCP a été conçu dans un contexte de réseaux fixe et malgré ses nombreuses qualités, il ne n'est pas un remède efficace aux défauts des canaux radio présentant une grande variabilité. Selon la littérature, le taux d'utilisation d'une liaison radio avec TCP ne dépasse pas 50% ce qui est inadéquat pour gérer une ressource rare. Dans ce contexte, l'expérience client est souvent pauvre et TCP se révèle incapable de bien utiliser une la ressource radio fluctuante. Cet écart entre les comportements de TCP d'une part et la couche radio d'autre part est aujourd'hui bien documenté, et la communauté scientifique a récemment émis plusieurs propositions cross-layer (mécanismes inter couche) pour traiter les problèmes. Plusieurs approches sont possibles à cet égard : - Le réseau peut envoyer des informations explicites sur l'état de la liaison radio vers la source TCP, ceci afin de permettre à cette source de réguler son débit en fonction des caractéristiques radio. Ref : Requirements and reference architecture for Mobile Throughput Guidance Exposure, IETF draf ; - Alternativement, le terminal client peut essayer de prévoir l'attribution de la ressource radio et de transmettre ces informations à la source de TCP. L'adaptation du débit de la source TCP est alors possible de façon similaire à la proposition précédente. Cette approche est développée dans la proposition de Google appelée "CQIC". Ref : CQIC: Revisiting Cross-Layer Congestion Control for Cellular Networks , F Lu, H Du, A Jain, GM Voelker, AC Snoeren, A Terzis, Proceedings of the 16th International Workshop on Mobile Computing Systems. Les émissions de la source peuvent également être implicitement contrôlées à distance par des techniques de mise-en-forme / stimulation, ou une autre action sur les profils de trafic; cette approche est actuellement à l'étude chez Orange Labs. Objectifs de la thèse L'objectif de cette thèse est d'étudier et de proposer des mécanismes inter couche (cross-layer) innovants afin d'améliorer l'utilisation des ressources réseau et l'expérience client sur les réseaux radiomobiles. Les tâches suivantes sont prévues. - Examiner les propositions cross-layer pour les réseaux mobiles et effectuer une brève évaluation de ces mécanismes - Proposer des mécanismes innovants cross-layer pour les réseaux 3G et 4G - Déduire un modèle afin d'évaluer les performances de ces mécanismes - Développer les fonctions requises - Intégrer les mécanismes sur une plate-forme test pour vérifier la faisabilité, l'intérêt de la solution proposée et ainsi démontrer l'intérêt du concept

  • Titre traduit

    Cross-layer congestion control in mobile networks


  • Résumé

    Cross-layer congestion control in mobile networks Context and motivation Customer experience on mobile networks has significantly improved for the last few years thanks to huge deployment of radio capacities. However, many issues remain unsolved, such as poor utilization of radio links and frequent customer experience degradations. As a matter of fact, standardized QoS features remain very poorly deployed in mobile networks, thereby giving way to basic best-effort hegemony. Thus, congestion in mobile networks is mainly managed end to end thanks to TCP flow control algorithm and its well-known “congestion window”. Despite its many virtues, TCP does not cope well with the high variability attached to radio as it was not initially designed for it; according to the literature, the utilization rate of radio links does not exceed 50% when using TCP, which is not acceptable for so rare a resource. In this context, customer experience is often poor as TCP reveals unable to grasp such a fluctuating resource. This discrepancy between the behaviours of TCP on the one hand and the radio layer on the other hand is today well documented, and the scientific community has recently emitted several cross-layer proposals to tackle this issue. Several approaches are possible for this purpose. - The network may send explicit information on the radio link state to the TCP source, so as to allow this source to adapt the TCP flow control according to the radio characteristics; Ref : IETF draft Requirements and reference architecture for Mobile Throughput Guidance Exposure; - Alternatively, the customer terminal can try to predict the radio allocation and transmit this information to the TCP source. TCP source rate adaptation is then possible, similarly to the previous proposal; this approach is developed in the so-called “CQIC” Google proposal. Ref : CQIC: Revisiting Cross-Layer Congestion Control for Cellular Networks , F Lu, H Du, A Jain, GM Voelker, AC Snoeren, A Terzis, Proceedings of the 16th International Workshop on Mobile Computing Systems. Source emissions may also be implicitly controlled via distant shaping/pacing or other action on traffic profiles; this approach is currently under study at Orange Labs.   PhD objectives The aim of this PhD is to study and propose innovative cross-layer mechanisms in order to improve network utilization and customer experience on mobile networks. The following tasks are foreseen: - Review the cross-layer proposals for mobile networks and perform a brief evaluation of these mechanisms - Propose innovative cross-layer mechanisms for 3G and 4G networks - Derive a model and evaluate the performance of these mechanisms - Develop required functions, - Integrate the mechanism on a Proof of Concept platform