Etude du mouvement des réseaux mobiles ad hoc, estimation et prédiction de la qualité de lien

Retour sur les réseaux sans fils

Le domaine de développement des sans fils est très actif, il en résulte des technologies hétérogènes et très diversifiées. Dans cette section, nous survolerons les principales technologies de communication sans fil ; nous nous concentrerons sur celles permettant un mode ad-hoc.
Le développement des 3G permet une connexion grand public à haut débit avec les WAN (Wide Area Network) à travers l’infrastructure MAN ( Metropolitan Area Network) et WMAN (Wireless MAN) d’un opérateur sans fil. Les technologies 802.11 permettent la création de WLAN à haut débit et une connexion avec les services des WAN et d’Internet. Pour des utilisations à plus courte portée, des technologies tel que Bluetooth, peu gourmandes en énergie, permettent de remplacer les connexions filaires et donner ainsi plus de flexibilité et d’interconnexion entre des équipements personnels (PDA, ordinateurs, cellulaire, imprimante, souris, etc … ).
L’utilisation de fréquences libres (sans besoin d’autorisation) dans le cas de 802.11 et du Bluetooth a été un élément déterminant dans la diffusion des réseaux WLAN et WPAN (Wireless Persona! Area Networks). Les fréquences dites Industriel-Scientifique-Médical (ISM) dans la bande des 2.4GHz et 5GHz sont, libres, ou en voie de libéralisation, dans la plupart des pays. La convergence de l’informatique mobile et de la téléphonie dans les technologies cellulaires de quatrième génération permettront une grande flexibilité et une utilisation très facile. Les réseaux cellulaires de quatrième génération ( 4G), sont pressentis pour être une convergence entre les réseaux de troisième génération (3G) (CDMA2000 et UMTS) et certaine technologie radio avec pour objectif de fournir un service sans interruption de haute qualité et proposant un débit important.

Particularités des couches dans les réseaux ad-hoc

La couche physique

Il n’est pas question ici d’effectuer une étude approfondie de la couche physique, d’autant plus qu’une variété de technologies différentes ont été proposées pour les ad-hoc. Une présentation plus détaillée se trouve dans Karnik et al. (2000), Takai et al. (2001), Bradic et al. (2003), Boulmalf et al. (2004) et Murthy et al. (2004).
Le codage de source correspond à la numérisation et compression. Le codage de canal inclut le codage, le transcodage, le cryptage et le brouillage.
Le bruit peut être soit externe soit interne. Le premier cas correspond aux perturbations électromagnétiques soit causées par des dispositifs créés par l’homme, soit naturel (bruit atmosphérique, bruit cosmique, etc.). Le bruit interne correspond aux bruits thermiques, de grenaille et de quantification. Le bruit interne étant dû à de nombreuses sources indépendantes, il est généralement considéré additif, blanc et gaussien. Une explication plus détaillé de ces éléments peut être consultée dans (CNAM). Les distorsions sont principalement dues à des non linéarités d’amplification, à l’intermodulation entre signaux et co-canal ainsi qu’aux effets de la propagation (atténuations grande et petite échelle). La puissance du signal reçu, le rapport signal à bruit (Signal to Noise Ratio, SNR) et le taux d’erreur binaire (Bit Error Rate, BER) sont souvent considérés comme étant de bons indicateurs de la qualité d’une connexion.

La couche MAC et le scheduling

Dans les réseaux MANET, l’accès au médium et la problématique du scheduling dont s’occupe la couche MAC est le premier trait d’union entre la couche physique et les couches supérieurs. Dans cette section, nous aborderons les principaux problèmes qui se posent dans le cas des réseaux Adhoc et exposerons les points à considérer lors du développement des protocoles de la couche MAC ainsi que les contraintes auxquelles sont exposés ces protocoles.

La couche réseau et le routage

Dans le cas de réseaux multi-sauts (cas NLOS), le trafic entre source et destination à besoin d’être relayé, retransmis de proche en proche ou «routé», par des nœuds intermédiaires.
Le routage dans les réseaux ad-hoc peut avoir une signification légèrement différente de celle des réseaux classiques. Dans un réseau classique, un routeur compare l’adresse de destination d’un paquet avec sa table de routage et détermine ainsi le prochain nœud à qui il doit « router » le paquet en question. La table de routage est construite grâce à un algorithme qui minimise un ensemble de métriques à partir d’informations qu’il possède du réseau. Un protocole de routage dépend donc du fonctionnement de l’algorithme et des métriques considérées. Dans un réseau ad-hoc, le routage peut être proactif, ayant alors un fonctionnement semblable au cas des réseaux classiques, ou réactif et englobe alors une étape de recherche de chemin, comme nous le verrons par la suite. Il est donc important de garder à l’ esprit que la définition du routage dans un réseau ad-hoc est, à cause de la nature même de ces réseaux, plus souple que dans un réseau classique.

Le cross-layer

L’architecture de communication classique repartit les besoins et service à garantir pour l’établissement d’une communication en différentes couches. Le modèle OSI11 en sept couches, proposé par l’IS0 12, en est une très bonne illustration. Bien que cette approche ait été d’une grande utilité dans les réseaux filaires et sans fils classiques en divisant les problèmes rencontrés en plusieurs sous-problèmes et en permettant une évolution graduelle et facilitée des technologies, elle engendre dans le cas des réseaux ad-hoc des complications liée à la nature très particulière de ce type de réseaux.
Dans le cas des réseaux ad-hoc, contrairement aux réseaux classiques, une communication très limitée entre les différentes couches et une élaboration totalement indépendantes des protocoles associés entraînent la limitation des possibilités et diminuent les performances globales.
De plus, une approche et une solution particulière à une couche peuvent être la source de perturbations pour les couches supérieures. De ce constat, il apparaît clairement que l’architecture cross-layer peut être une grande source d’amélioration des performances.

Caractéristiques des différents modèles de mobilité

La première approche pour déterminer le mouvement à utiliser lors de simulations est d’utiliser des tracés de déplacement observés dans la réalité, sous forme de parcours (traces). Lorsque le nombre de participants est assez grand et que l’horizon d’observation est assez long, les parcours sont des sources d’informations très précises puisque totalement réelles. L’inconvénient majeur de cette méthode est la difficulté de sa mise en place et la nécessité de définir des modèles très précis (des scénarios particuliers), ce qui est complexe dans le cas des réseaux ad-hoc et induit une restriction par rapport à la diversité des cas possibles. De plus, ces données sont généralement confidentielles, donc très rares.
La deuxième approche, que représentent les modèles synthétiques (synthetic models), consiste en la modélisation du mouvement des nœuds sous forme d’équations mathématiques avec l’utilisation des processus aléatoires. La troisième approche est une méthode hybride dans laquelle les deux précédentes structures sont combinées, des données réelles (tel que le plan d’une ville) sont jumelées à un modèle statistique (tel que le mouvement des nœuds).

Influence du mouvement sur les performances des MANETs

Il parait clair que des mouvements aussi différents que ceux des militaires sur un champ de bataille ou des citoyens dans les rues d’une ville auront des effets distincts sur les performances des protocoles de routage de MANETs.
Il n’est pas question ici de faire une synthèse de tous les travaux qui existent sur le sujet ni d’effectuer une étude approfondie à notre tour. Rappelons que l’intérêt que nous portons aux modèles de mouvement a principalement pour but de fournir des scénarios de tests fiables à notre modèle de prédiction.
Un grand nombre d’articles décrivent l’influence des modèles de mouvement différents sur les performances des réseaux ad-hoc. Les performances peuvent non seulement considérablement varier d’un modèle à un autre, mais aussi suivant le choix de paramètres pour un modèle donné. Les publications: (Camp et al., 2002; Bhatt et al., 2003; Yu et al., 2003; Madsen et al., 2004; Ravikiran et al., 2004; Xiaolong et al., 2004; Sungsoon et al., 2005), traitent de ces questions. Il peut être nécessaire de comparer les résultats des publications utilisant des protocoles et des modèles de mobilité différents. Dans ces conditions, il faut pouvoir caractériser chaque modèle de mobilité, les mettre en perspective et ainsi pouvoir effectuer des comparaisons dans de bonnes conditions. Malheureusement, dans les diverses publications, des modèles de mobilité et des choix différents de paramètres sont utilisés.
Ces paramètres permettent de quantifier la mobilité d’un réseau particulier, en taille, nombre de nœuds et choix de caractéristiques du mouvement. La comparaison de leurs résultats, et par la même, de l’influence du mouvement sur les MANETs n’est donc pas chose aisé. Kwark et al. (2003), Bai et al. (2003) et Johansson et al. (1999) proposent certaines métriques et quelques outils pour répondre à ce problème.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 SURVOL DES RÉSEAUX AD-HOC 
1.1 Introduction
1.2 Retour sur les réseaux sans fils 
1.2.1 La norme 802.11
1.2.2 Le Bluetooth
1.3 Particularités des couches dans les réseaux ad-hoc 
1.3.1 La couche physique
1.3.2 La couche MAC et le scheduling
1.3 .2.1 Problèmes particuliers de la couche Mac dans le cas des MANETs
1.3.2.2 Protocoles de la couche MAC pour les MANETs
1.3.3 La couche réseau et le routage
1.3.3.1 Problèmes particuliers du routage dans le cas des MANETs
1.3.3.2 Protocoles de routage pour les MANETs
1.4 Approches particulières des réseaux ad-hoc 
1.4.1 La notion de cluster
1.4.2 Les backbones
1.4.3 Le cross-layer
CHAPITRE 2 PROBLÉMATIQUE ET MÉTHODOLOGIE
CHAPITRE 3 LA PROPAGATION RADIO ET LE MODÈLE UTILISÉ 
3.1 Introduction 
3.2 Modélisation de l’atténuation grande échelle 
3.3 Modélisation des phénomènes d’évanescences 
CHAPITRE 4 LE MOUVEMENT DES MANET
4.1 Introduction
4.2 État de l’art 
4.2.1 Caractéristiques des différents modèles de mobilité
4.2.2 Quelques modèles de mobilité
4.2.2.1 Random Walk Mobility Model
4.2.2.2 Random Waypoint Mobility Model
4.2.2.3 Boundless Simulation Area Mobility Model
4.2.2.4 Gauss-Markov Mobility Model
4.2.2.5 Markovian Random Path Model
4.2.3 Le steady state
4.2.4 Influence du mouvement sur les performances des MANETs
4.3 Modèles de mobilité implémentés et développés 
4.3.1 Random Waypoint mobility model
4.3.2 Temporal Dependency mobility model
4.3.3 Temporal Dependency with Pause time Dependency mobility model
4.3.4 Temporal Dependency and Movement Dependency mobility model
4.4 Comparaison des modèles de mobilité implémentés et développés 
4.4.1 Choix des paramètres des modèles
4.4.2 Notre outil d’analyse et de comparaison
4.4.3 Comparaison des modèles de mobilité
4.5 Synthèse et conclusion 
CHAPITRE 5 LA PRÉDICTION DE LA QUALITÉ DE LIEN 
5.1 Introduction 
5.2 État de l ‘art 
5.2.1 Classification des modèles de prédiction
5.2.2 Survol des modèles de prédiction existants
5.2.3 Synthèse et limitations des modèles
5.3 Time Series Received Power Prediction (TSRPP) 
5.3.1 Notre approche et son intérêt
5.3.2 Nos modèles d’estimation et de prédiction
5.3.2.1 Description des modèles d’estimation et de prédiction
5.3 .2.2 Scénarios de tests Matlab
5.3.2.3 Choix du paramètres a
5.3.3 Tests du modèle d’estimation avec les scénarios de tests
5.3.3.1 Tests avec le premier et le second scénario de mouvement
5.3.3.2 Tests avec le troisième et le quatrième scénario de mouvement
5.3.4 Test du modèle de prédiction avec les scénarios de test
5.3.4.1 Tests avec le premier et le second scénario de mouvement
5.3.4.2 Tests avec le troisième et le quatrième scénario de mouvement
5.3.5 Test du modèle de prédiction avec les modèles de mouvements
5.3.5.1 Prédiction à 2s
5.3.5.2 Prédiction à 10s
5.4 Synthèse et conclusion 
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS

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