ÉVALUATION DU PRIX CACHÉ PRÉEMPTIF DU NŒUD

ADAPTATION DE CAPACITÉ SANS RÉUTILISATION DE CANAL 

INTRODUCTION:

Les nouveaux défis dans la conception des réseaux sans fil réfèrent à une utilisation de la bande passante de manière plus efficace et l’utilisation d’un nouveau paradigme du réseau. La première intention est reliée à une demande croissante de la bande passante et l’insuffisance du spectre disponible. Le second but réfère à un besoin pour un déploiement flexible et facile, l’adaptation et la configuration automatique aux conditions de l’environnement opératoire. Les réseaux sans fil multi-sauts ont été identifiés comme un paradigme valable de réseau capable d’accomplir les exigences précédentes. L’exemple des réseaux sans fil multi-sauts comprend les réseaux maillés sans fil qui attirent l’attention particulière grâce aux développements récents des standards comme IEEE 802.16 utilisés dans des régions étendues MAN.

Envergure du projet:

– la définition d’un cadre économique basé sur la théorie de décision de Markov qui intègre les fonctions d’adaptation de capacité de nœuds et de routage de connexions des usagers secondaires dans un même modèle conçu pour un environnement des réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive. – aux fins de CAC & routage et l’adaptation de capacité, le projet utilise un modèle de nœud et le concept clé utilisé dans ce modèle économique est le prix caché du nœud. – les canaux cognitifs sont utilisés de manière opportuniste et l’accès prioritaire de l’usager primaire dans sa bande de fréquence (son canal) est modélisé par la préemption. -les connexions d’usagers secondaires sont considérées comme homogènes. – le projet traite la question de la réutilisation des canaux évitant complètement l’interférence co-canal. – dans cette thèse nous abordons uniquement l’adaptation de capacité à court terme; – nous supposons aussi qu’il y a toujours un nombre suffisant d’interfaces radio lorsque les canaux sont réaffectés. – l’objectif final est la maximisation du profit du réseau; – outre l’aspect quantitatif, un modèle est présenté tenant compte de la qualité du canal dans la définition du modèle de routage de connexions des usagers secondaires et  d’allocation des canaux aux nœuds du réseau. Ce modèle est implémenté pour le mode de fonctionnement sans réutilisation des canaux.

LES TRAVAUX PRÉCÉDENTS, PRINCIPAUX PROBLÈMES ET LES
HYPOTHÈSES:

Travaux précédents:  On trouve plusieurs articles qui donnent un aperçu général sur les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive, parmi eux on peut citer (Akyildiz et al., 2006), (Wang et Liu, 2011),(Zhao et Sadler, 2007),(Čabrić et al., 2005) et des publications telles que (Fitzek et Katz, 2007),(Leung et Hossain, 2007) ,(Zhang, Luo et Hu, 2006). Dans ce qui suit, les travaux précédents reliés à la recherche effectuée sont regroupés en paragraphes selon l’axe de la recherche.
Dans la littérature il y a plusieurs travaux relatifs au routage et à l’assignation des canaux dans les réseaux maillés sans fil et certains d’entre eux traitent de ces questions dans l’environnement cognitif. En ce qui concerne le routage, différentes métriques de routage sont proposées dans la littérature pour les réseaux sans fil multi-sauts, multicanaux incluant hop-count, expected transmission count ETX(Couto et al., 2005), weighted cumulative expected transmission time WCETT(Draves, Padhye et Zill, 2004). La mise en œuvre de ces métriques dans les environnements cognitifs est complexe, alors que le travail présenté dans (Pefkianakis, Wong et Lu, 2008) dépasse les métriques hop-count et ETX et il définit une métrique de routage (PSA) pour l’estimation du spectre disponible du chemin. Cette métrique est basée sur la disponibilité du spectre à un nœud donné en fonction du nombre de blocs de fréquences et de la qualité des blocs de fréquences en fonction de leur bande passante et le taux de perte. Le protocole établit d’abord des chemins candidats utilisant les informations de disponibilité de spectre régulièrement collectées, et associe chaque chemin à une valeur de PSA. Ensuite, les paquets sont livrés de façon opportuniste le long du chemin avec la plus grande valeur du PSA. Comme un canal peut être accédé par de nombreux SUs, les SUs concourent pour accéder au canal en utilisant le canal de contrôle en commun. Dans notre approche il n’y a pas de contention et le canal est utilisé seulement par le nœud qui le détient.

Les principaux problèmes et les hypothèses:  Dans cette section on présente les principaux problèmes adressés dans le cadre de cette thèse et les hypothèses associées qu’on a considérées pour la modélisation et la conception des différents modules de résolution du projet.

CADRE ÉCONOMIQUE:

Dans la littérature concernant le contexte économique, on trouve des publications qui utilisent notre méthodologie spécialement pour les réseaux filaires. On peut citer les travaux de (Tran et Dziong, 2010) pour le routage dépendant d’état du lien et l’adaptation de capacité dans les réseaux dédiés de service,(Ott et Krishnan, 1985) pour le routage dépendant d’état dans les réseaux téléphoniques et (Ren-Hung, Kurose et Towsley, 1994) dans lequel le routage de MDP dans les réseaux ATM utilisant le concept du chemin virtuel et la réservation des ressources en chemin virtuel comme le mémoire tampon et la bande passante ont été étudiés. Néanmoins il existe peu d’articles dans les réseaux sans fil qui traitement du processus de décision de Markov pour la maximisation du profit, on peut en citer (Usaha et Barria, 2002) dans lequel les auteurs abordent le problème de l’admission d’appel et de sélection de route pour les réseaux orientés connexion avec une topologie variable déterministe, comme les constellations de satellites à orbites basses . Ils utilisent le modèle décomposé(MDPD) pour en déduire le modèle du lien et la métrique associée et le prix caché dépendant d’état. Dans (Yang, Chen et Yan, 2000) les auteurs utilisent le processus de décision de Markov pour offrir un contrôle optimal d’admission d’appel avec la réallocation de la bande passante pour chaque nouvel appel ou l’appel en provenance d’une autre cellule (handoff), mais la capacité de chaque cellule est considérée constante. Un programme linéaire est utilisé pour résoudre le problème de décision optimale en considérant les contraintes de QoS incluant la limite supérieure de blocage des appels en provenance d’autres cellules. Leur cadre multimédia adaptatif cherche, au moins, d’allouer une bande passante de base pour tous les appels. D’autre part, si un appel est terminé ou transféré à une autre cellule, alors certains appels restants dans la cellule pourraient augmenter leurs bandes passantes. Une méthode d’approvisionnement de QoS est présentée dans (Yu, Wong et Leung, 2004) pour le multimédia adaptatif dans les réseaux cellulaires sans fil. Dans (Yu, Wong et Leung, 2004) aussi plusieurs classes de connexions multimédias sont étudiées qui 20 exigent des bandes passantes différentes et trois contraintes de QoS ont été considérées: la probabilité de blocage due aux transferts intercellulaires, la bande passante moyenne allouée à chaque connexion de multimédia et aussi le schéma d’approvisionnement de QoS doit être équitable pour tous les appels au sein d’une même classe. Ils formulent le problème d’approvisionnement de QoS comme un processus de décision Semi-Markovien (SMDP), mais ils utilisent la méthode d’apprentissage par renforcement (RL) comme une approche alternative pour résoudre SMDP dont le but est d’apprendre à partir d’expériences de façon à optimiser une récompense numérique au cours du temps.

RÉSULTATS NUMÉRIQUES:

Nous analysons les performances des algorithmes proposés en utilisant un scénario de réseau avec 18 nœuds et la topologie illustrée à la Figure 6.1. Les paramètres principaux de réseau sont présentés dans le Tableau 6.1 . Il y a 140 canaux cognitifs disponibles, qui sont initialement répartis entre les nœuds du réseau de telle sorte que 14 nœuds obtiennent la capacité de 8 canaux et les 4 autres nœuds obtiennent la capacité de 7 canaux. Ici nous ne considérons pas les canaux dédiés (avec la licence d’accès) car le cas uniquement avec les canaux cognitifs présente plus de défis pour les algorithmes proposés. Chaque canal est sujet à l’arrivée de l’utilisateur primaire et nous présumons que chaque connexion de l’utilisateur secondaire occupe un canal.

ROUTAGE ET ALLOCATION DES CANAUX SENSIBLE À LA QUALITÉ DU CANAL:

Concernant le routage avec la qualité de service dans les réseaux sans fil multi-sauts, on peut citer les travaux effectués dans (Han et al., 2011) où l’algorithme proposé tient compte de la restriction à la sélection de chemin qui est causée par la capacité de canal et l’interférence résultant de contention intra-flux. Les auteurs de (He et Zhou, 2008) présentent une méthode d’investigation conjointe de la bande passante et le délai pour l’exigence de QoS dans un réseau radio cognitive, où le chemin qui présente un maximum de ratio de bande passante à son délai est choisi pour le chemin de routage. Les auteurs de (Pefkianakis, Wong et Lu, 2008) définissent une métrique de routage PSA qui est basée sur la disponibilité du spectre à un nœud donné en fonction du nombre de blocs de fréquences et de la qualité des blocs de fréquences en fonction de leur bande passante et le taux de perte. Dans (Abdrabou et Zhuang, 2006) le nœud source envoie un paquet de demande de route pour découvrir un itinéraire qui satisfait aux exigences de qualité de service. Le paquet est envoyé dans la direction estimée à destination tant que les exigences de qualité de service sont remplies. Si les exigences de qualité de service ne sont pas respectées, un paquet de défaillance de route est envoyé au nœud de source pour commencer une autre découverte de route avec QoS requise.

Résultats numériques:

Nous analysons la performance des algorithmes de CAC et de routage et l’adaptation de capacité proposés dans ce chapitre en utilisant le même scénario du réseau avec les mêmes critères que la Section 6.1. La topologie est illustrée à la Figure 6.1 et on note que le trafic de  SU est divisé en deux niveaux. Un faible niveau de trafic est offert à une moitié du réseau tandis que l’autre moitié reçoit un niveau élevé de trafic. Les deux moitiés sont présentées dans la Figure 6.1 où la ligne verticale en pointillés sépare ces deux régions. Les niveaux de trafic sont graduellement inversés pour les deux moitiés au cours de 50 unités de temps commençant à 750. La différence se situe dans la considération de 3 classes de qualité de canaux et le mode de fonctionnement du réseau qui est sans réutilisation de canal et pour lequel 3 cas sont comparés entre eux-mêmes. Donc les 140 canaux cognitifs initialement disponibles sont distribués entre les nœuds du réseau, 14 nœuds obtiennent la capacité de 8 canaux et les 4 autres nœuds obtiennent la capacité de 7 canaux.

CONCLUSION:

Dans cette thèse, nous avons proposé un cadre économique qui intègre le contrôle d’admission des connexions et de routage conjointement avec d’allocation des canaux dans les réseaux maillés sans fil avec la radio cognitive. Cette intégration est réalisée grâce à l’utilisation du nouveau concept du prix caché du nœud fondé sur le processus de décision de Markov décomposé et qui tient compte de la préemption des utilisateurs secondaires par des utilisateurs primaires. Par ailleurs la modélisation au niveau de la connexion nous permet d’assurer la qualité de service de bout en bout nécessaire pour supporter le contenu multimédia et les services d’urgences. Celle-ci est réalisée par une gestion de bande passante effective au niveau de la connexion afin de garantir une qualité de service au niveau de paquet.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LES TRAVAUX PRÉCÉDENTS, PRINCIPAUX PROBLÈMES ET LES HYPOTHÈSES
Travaux précédents
Les principaux problèmes et les hypothèses 
Modélisation du niveau de connexion
Coexistence avec l’utilisateur primaire 
La politique de CAC et de routage 
Adaptation de capacité 
Contrainte d’interférence co-canal et le problème de réutilisation des canaux 
Considération de la qualité du canal
CHAPITRE 2 CADRE ÉCONOMIQUE 
Introduction
Éléments descriptifs du cadre économique 
CHAPITRE 3 ÉVALUATION DU PRIX CACHÉ PRÉEMPTIF DU NŒUD
Introduction
Estimation de trafic offert au nœud 
Estimation des taux d’arrivée et de service de l’usager primaire 
Estimation des taux d’arrivée et de service de l’usager secondaire 
Calcul du prix caché préemptif du nœud
Approximation du prix caché moyen du système préemptif
CHAPITRE 4 ADAPTATION DE CAPACITÉ SANS RÉUTILISATION DE CANAL 
 Introduction 
Condition d’optimalité pour la maximisation du profit du réseau
Algorithme analytique 
Algorithme heuristique 
Procédure d’adaptation de capacité 
CHAPITRE 5 ADAPTATION DE CAPACITÉ AVEC RÉUTILISATION DE CANAL
Introduction 
Condition d’optimalité pour la maximisation du profit du réseau 
Algorithme de réutilisation des canaux 
Procédure d’adaptation de capacité 
CHAPITRE 6 RÉSULTATS NUMÉRIQUES 
Introduction 
Égalisation des prix cachés moyens et la minimisation de la valeur moyenne des prix cachés moyens 
Convergence 
Les taux de rejet 
Réutilisation des canaux 
Algorithme heuristique versus algorithme analytique 
CHAPITRE 7 ROUTAGE ET ALLOCATION DES CANAUX SENSIBLE À LA QUALITÉ DU CANAL 
 Introduction 
Modèle approximatif pour le calcul du prix caché du nœud 
Procédure d’adaptation de capacité sans réutilisation de canal 
Résultats numériques 
Réalisation de l’objectif 
Égalisation des prix cachés moyens
Convergence 
Les taux de rejet
CONCLUSION

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