Adaptation la mobilit dans les rseaux ad hoc
Cholatip YA WUT
Thse dirige par
Batrice PAILLASSA Professeur-Directrice de recherche Riadh DHAOU Matre de confrence-Co encadrant
.
Rsum :Les tudes protocolaires sur les rseaux multi-sauts mobiles proposent d'amliorer la performance du rseau en liant le comportement des protocoles sa dynamique d'volution. Le protocole s'adapte l'tat du rseau grce un ensemble de mtriques. Ainsi pour les protocoles de routage il s'agit de trouver des chemins tout en considrant l'tat nergtique des nuds, la bande passante des liens, la qualit de service, ou encore la dynamique de la topologie qui est lie la qualit des liens sans l et la mobilit des lments du rseau. Le travail prsent traite de l'adaptation la mobilit dans les protocoles de routage, et s'intresse aux mtriques de mobilit. Dans une premire tape nous analysons le processus d'adaptation en en dgageant les caractristiques, les contraintes et l'intrt, et, tudions qualitativement les mtriques de mobilit. Nous examinons dirents travaux de recherche ayant pour objet la mobilit et ses mtriques dont nous proposons une taxinomie originale. Nous mettons en vidence l'intrt des mtriques obtenues par mesure locale et de voisinage. Dans une deuxime tape nous valuons par simulation les mtriques. L'objectif est de dterminer une meilleure mtrique de mobilit, c'est dire celle qui apportera le plus de gain de performance une adaptation protocolaire. Le postulat est que plus la mtrique inue sur les performances d'un protocole plus il est intressant que le protocole adapte son comportement en fonction de sa valeur. L'analyse de corrlation entre performances et mtriques, sur plusieurs protocoles de routage, ne permet pas de mettre en avant une meilleure mtrique qui soit indpendante du contexte, savoir, de la densit, du modle de mobilit. Nous montrons nanmoins l'intrt de la mtrique dure de liaison. Finalement nous dveloppons deux applications partir des mtriques slectionnes par l'analyse. Ce sont la densit, exprime par le nombre de voisins, ainsi que la mobilit, exprime par la dure de liaison pour la premire application, et par le nombre d'erreurs de route pour la seconde application. La premire application met en place un choix adaptatif des lments MPR (Multi-Point Relay) dans le protocole de routage Optimized Link State Routing (OLSR), la deuxime dveloppe une lection adaptative des chefs de clusters, et un changement de mode adaptatif (avec ou sans structure) pour le protocole Cluster Source Routing (CSR). Pour les deux applications plusieurs stratgies d'adaptations sont considres ; le meilleur rsultat est obtenu dans les deux cas par la stratgie d'adaptation la mobilit en plus de la densit. Ce travail se prolonge par l'tude de validation des rsultats en rapport au modle de mobilit. Nous en dduisons, une mthode pour appliquer selon les conditions de mobilit et de densit, des adaptations.
MOT CLES :
rseaux ad hoc, routage, OLSR, MPR, CSR, Cluster Head et
Serveur, adaptation, mobilit, densit
Table des matires
Introduction 1 Adaptation dans un rseau ad hoc1.1 Notion d'adaptation 1.1.1 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.1.3 1.1.1.4 1.1.2 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.2.3 1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Objectif de l'adaptation en rseaux ad hoc . . . . . . . . . . . Energie limite des nuds Charge de trac Dbit limit et variabilit du dbit des liens Topologie dynamique et mobilit
1 56 6 6 6 7 7 9 9 10 13 16 16 17 20 20 25 28 32 36
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Processus d'adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elments du processus d'adaptation Architecture protocolaire . . . . . . . . . . . . . . . . Porte des paramtres pour le calcul des mtriques : la vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Travaux sur l'adaptation en rseaux ad hoc 1.2.1 1.2.2 1.2.3
Synthse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptation l'nergie disponible : mtrique nergie . . . . . . Adaptation l'tat de la liaison : mtrique canal . . . . . . . . 1.2.3.1 1.2.3.2 Mtrique sur la force du signal Mtrique sur le taux de perte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4 1.2.5 1.3
Adaptation la charge de trac : mtriques de QOS . . . . . . Adaptation la dynamique de la topologie : mtriques de densit et de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Proposition de taxinomie des mtriques de mobilit et analyse qualitative 372.1 Gnralits 2.1.1 2.1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 38 39 39 Inuence de la mobilit sur la performance . . . . . . . . . . . Modles de mobilit 2.1.2.1 Random Walk
i
2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.2.5 2.1.3 2.2
Random Waypoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . RPGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Freeway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Manhattan
40 40 41 42 44 45 46 46 46 48 51 51 53 56 58 58 60 63 67 67 67 67 67 69 72
Mthode d'analyse : Critres d'apprciation des mtriques pour de l'adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Types de mtriques et point de vue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Sociologie du dplacement 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 Vue locale : vitesse et dplacement
Vue voisinage : corrlation du dplacement
Vue rseau : approches analytique et gomtrique Par mesure locale : densit, erreurs de route et puissance
Prdiction du dplacement
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Par positionnement et modlisation du mouvement de voisinage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Par modlisation des routes . . . . . . . . . . . . . .
Sociologie du lien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modlisation longue chelle : Contact et rencontre Modlisation stochastique ment et stabilit de lien . . . . . . . . . . . . . . . Calcul dterministe : mtriques de dure, change. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Caractristiques de la fonction calcul de mtrique 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 Mesure et/ou Modlisation analytique Mthode de mesure avec/sans GPS Type d'objet mesur
. . . . . . . . . . . . . . .
Niveau protocolaire d'origine des informations mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 2.5
Synthse et choix de mtriques
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3 Evaluation des mtriques de mobilit3.1 Calcul des mtriques 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Link State Changes (LC) LinkDuration (LD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Link Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mtriques de performance
7374 74 75 76 77 79 79 79 80 82 82 82 85 85
Mthodologie d'valuation
Ccient de corrlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relations prvues entre mtriques de mobilit et performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modle de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modle de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relation entre les mtriques de mobilit et la vitesse de simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Paramtres d'valuation
Rsultats et discussion
ii
3.4.2 3.4.3
Calibration
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87 89 89 92 96 99
Relation entre la performance et la mtrique de mobilit 3.4.3.1 3.4.3.2 3.4.3.3 Cas 1 tude sur 10 nuds Cas 2 tude sur 50 nuds
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cas 3 tude sur un scnario
3.5
Conclusion
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Propositions d'amlioration des performances de routage par mtriques de mobilit 1014.1 Aperu gnral 4.1.1 4.1.2 4.1.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Types d'adaptations Stratgie d'adaptation
Mthode d'valuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.1.3.1 4.1.3.2 4.1.3.3 Modle de la simulation . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Mtriques de performance . . . . . . . . . . . . . . . 103 Interprtation des rsultats . . . . . . . . . . . . . . 104
4.2
OLSR : Adaptation de paramtres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.1 4.2.2 Prcisions sur OLSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 110
Proposition d'adaptation pour l'algorithme de slection MPR 4.2.2.1 4.2.2.2 Heuristique originale de choix des relais multipoint dans OLSR
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 . . . . . . . . . . . . 112
Amliorations des heuristiques
4.2.3
Rsultats d'valuation des stratgies d'lection et discussions . 116 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.3.4 4.2.3.5 Choix du LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 . . . . . . 118 . . . . 119
Rsultats en environnement basse densit
Rsultats en environnement moyenne densit Rsultats en environnement haute densit Synthse
. . . . . . 120
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.3
CSR : Adaptation de mode et de paramtres . . . . . . . . . . . . . . 123 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 Prcisions sur CSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Intrt du changement adaptatif du mode routage et discussions et Serveurs 4.3.4.1 4.3.4.2 4.3.5 . . . . . . 127
Rsultats d'valuation des stratgies de changement de mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Proposition d'adaptation pour le choix des Chefs de Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Heuristique de choix des Chefs de Cluster et Serveurs dans CSR original Stratgies de choix des Chefs de Cluster et Serveurs sur critres de Densit et Mobilit . . . . . . . . . . . 130 Rsultats d'valuation des stratgies d'lection et discussions . 130 4.3.5.1 4.3.5.2 4.3.5.3 4.3.5.4 Rsultats en environnement basse densit . . . . . . 131
Rsultats en environnement de densit moyenne . . . 132 Rsultats en environnement haute Densit Synthse . . . . . 133
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.4
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
iii
5 Etude exprimentale des modles de mobilit5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Random Waypoint protocole adaptative Conclusion
137
Manhattan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 RPGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 Adaptation au modle de mobilit : Changements de l'opration de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Conclusion gnrale Bibliographie
149 153
iv
Table des gures
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
Transmission radio multi dbit
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7 10 11 12 14 18 20 21 22 28 38 40 42 42 75 76 77 81 83 86 88 90 91 93 94
Synopsis du processus d'adaptation.
Modlisation modulaire strictement hirarchique . . . . . . . . . . . . Classication des architectures inter-couches Vues des paramtres pour le calcul des mtriques Choix de route adaptatif l'nergie dans MMBCR Schma fonctionnel de SBM
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modle de stabilit du signal pilote dans le routage ABR Schma fonctionnel de ASBM
1.10 Exemple d'opration du routage DLAR . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 Inuence de la mobilit sur la performance de routage MANET RPGM. . . .
Mouvements de trois nuds mobiles en utilisant le modle de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carte utilise dans le modle de mobilit Freeway. . . . . . . . . . . . Carte utilise dans le modle de mobilit Manhattan. Exemple de calcul de LC moyen et LD moyen
. . . . . . . . . . . . .
Impact de la mobilit sur les mtriques LC, LD et LS . . . . . . . . . Problme de LS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rsultats attendus de PDR et surcot selon la mobilit Scnario particulier avec 3 nuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Relation entre les mtriques de la mobilit et la vitesse maximum Calibration les mtriques de mobilit pour 10 nuds pour un temps de simulation 3000s
Performances pour 10 nuds relativement aux mtriques de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ccient de corrlation RWP 10 nuds et RPGM 5 groupes des 2 nuds pour un temps de simulation 3000s pour un temps de simulation 1000s des 10 nuds
3.10 Performances pour 50 nuds relativement aux mtriques de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.11 Ccient de corrlation dans RWP 50 nuds et RPGM 5 groupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v
3.12 Ccient de corrlation dans RWP 50 nuds et RPGM 5 groupes des 10 nuds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 97 98 3.13 Performances pour 3 nuds relativement aux mtriques de mobilit pour un temps de simulation 1000s 3.14 Ccient de corrlation dans le cas 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 Exemple de routage OLSR.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 . . . . . . 108
Dtection de voisinage pour l'change de messages HELLO. . . . . . . 107 Exemple d'information de voisinage maintenue par OLSR. Optimisation de l'inondation par des relais multipoint . . . . . . . . . 109 Slection des voisins possdant un seul lien avec un nud du second niveau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 . . . . . . . . . . . . . . . 111 . . . . . . . . . 114 Illustration de l'algorithme de choix des relais multipoint. . . . . . . . 111 A propos d'optimalit du choix des MPRs Calcul de LD par ajout de champs dans le tuple lien
Calcul de LD local et global. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.10 Exemple de valeurs de LD pour 1 nud pour 10 et 50 nuds
4.11 Comparatif de performances entre le plus long LD et le plus court LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 . . . . . . . . 120 . . . . . 122 4.12 Les performances comparatives pour 10 nuds des stratgies 1D+2LD et OLSR standard (1D) et OLSR standard (1D) 4.13 Les performances comparatives pour 50 nuds des stratgies 1D+2LD 4.14 Les performances comparatives pour 150 et 200 nuds
4.15 Domaine d'application des stratgies OLSR selon la densit 4.17 Modle CSR.
4.16 Comparaison des performances DSR et CSR . . . . . . . . . . . . . . 123 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.18 Changement de mode CSR.
4.19 Intrt du changement de mode CSR 1D+2E et CSR original 1D+2E et CSR original 1D+2E et CSR original
4.20 Les performances CSR comparatives pour 50 nuds des stratgies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 . . . . . . 135 4.21 Les performances CSR comparatives pour 100 nuds des stratgies 4.22 Les performances CSR comparatives pour 150 nuds des stratgies 4.23 Domaine d'application des stratgies CSR selon la densit 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 Mobilit de modle Manhattan
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Degr moyende modle Manhattan
Dure des liens de modle Manhattan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Nombre moyen de changements de liens de modle Manhattan . . . . 139 Mobilit de modle RPGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Degr moyende modle RPGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Dure des liens de modle RPGM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Nombre moyen de changements de liens de modle RPGM . . . . . . 141 Mobilit de modle RWP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.10 Degr moyende modle RWP
vi
5.11 Dure des liens de modle RWP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 5.12 Nombre moyen de changements de liens de modle RWP 5.13 Mtrique et changements d'tats pour l'adaptation . . . . . . . 143 . . . . . . . . . . 147
vii
viii
Liste des tableaux
1.1 2.1 3.1 3.2
Synthse des travaux sur l'adaptation en rseaux ad hoc Synthse des caractristiques des mtriques
. . . . . . .
16 70 80 80
. . . . . . . . . . . . . .
Relation entre les mtriques de mobilit et la vitesse maximale . . . . Relation entre les mtriques de performance et les mtriques de mobilit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Signication de sigles rsultats de l'adaptation
. . . . . . . . . . . . 104
ix
Introduction
A. Contexte rseaux ad hocPrcisons en premier lieu le contexte de la thse. Un rseau ad hoc est un ensemble autonome et coopratif de nuds mobiles qui se dplacent et communiquent par une transmission sans l qui ne suppose pas d'infrastructure prexistante [1]. Le rseau ad hoc se forme de manire spontane et provisoire ds que plusieurs nuds mobiles se trouvent porte radio les uns des autres. Les nuds communiquent, selon la distance qui les sparent, par deux modes de communication : soit les nuds mobiles peuvent directement communiquer (en transmission ad hoc) car ils sont dans porte de transmission, soit ils doivent utiliser d'autres nuds mobiles comme des relais pour acheminer les paquets destination (la transmission est multi-sauts). Le choix des lments relais dans un rseau ad hoc mobile (nomm galement par l'instance de standardisation internet (IETF), rseau Mobile Ad hoc Network : MANET), s'eectue par un protocole de routage. Plusieurs protocoles de routage sont standardiss l'IETF, savoir : AODV [2], DSR [3], OLSR [4] et TBRF [5] ; notons galement le protocole de routage DYMO [6] qui est actuellement en phase d'tudes mais non encore nalis par un label de Request for Comments (RFC). Les principales dirences entre ces protocoles concernent leur mode et leur architecture [1]. AODV et DSR, fonctionnent dans un mode ractif c'est--dire qu'ils tablissent une route lorsque le terminal souhaite mettre une donne, alors que TBRF et OLSR, sont en mode proactif, le protocole tablit les routes dans le rseau avant qu'une demande de transfert ait lieu. Des nombreux travaux et valuations de performances eectus dans le domaine du routage, il apparat que l'intrt d'un mode est li l'environnement. Ainsi, un protocole proactif est ecace dans des rseaux de grande taille avec une mobilit faible (la notion de mobilit faible, de grande taille n'est gnralement pas quantie), alors qu'un protocole ractif conviendra mieux un rseau de petite taille. De nombreuses optimisations ont t proposes pour diminuer le trac de contrle gnr par le routage MANET qui est traditionnellement transmis en inondation. La mise en place d'une architecture de routage, qui ddie la diusion des donnes
1
certains lments, est un moyen adapt aux rseaux grande chelle pour diminuer l'inondation. Sur de petits rseaux, le cot en terme d'change de donnes pour la mise en place de la structure favorise les topologies sans architectures, qualies de plates. Pour les grands rseaux, deux grandes familles d'architectures ont t tudies, les architectures dites par rseau dominant (Connecting Dominating Set [7]) qui permettent de mettre en place un rseau d'arrire plan charg de propager l'information, et les architectures de clusters, o les chefs de clusters prennent en charge des fonctions particulires telles la propagation d'information.
B. MotivationsAu del de l'intrt d'tudier le domaine des rseaux multi-sauts mobiles, qui ont suscit une activit intense de recherche protocolaire ces 10 dernires annes en raison de leurs caractristiques fort direntes des rseaux laires traditionnels, nous nous intressons la mcanique protocolaire de l'adaptation dynamique au contexte. Les premiers protocoles ont trait de l'accs partag la liaison sans l, du routage multi-sauts et de la mobilit, du passage l'chelle, avec trs vite des propositions d'amliorations de la performance du rseau qui lient le comportement du protocole sa dynamique d'volution. Un facteur de dynamique caractristique des rseaux ad hoc mobiles est naturellement la mobilit, c'est celui que nous tudions dans cette thse. Nous souhaitons exprimer la mobilit pour qu'elle soit utilisable pour des optimisations protocolaires. Par exemple un protocole qui cherche mettre en place une architecture, que ce soit un cluster ou une passerelle d'accs internet, peut avoir intrt a choisir un lment peu mobile qui tiendra sa place dans l'architecture de faon viter de consommer de la bande passante, de l'nergie, par une remise en place frquente de l'architecture pour cause de dplacement. Il s'agit dans ce document de prciser le contexte mobilit par sa reprsentation sous forme de mtriques qui permettent d'optimiser les performances du rseau par adaptation dynamique. Nous devons dterminer des mtriques et en valuer l'intrt.
C. Principales contributionsDans cette thse, nous dveloppons une dnition novatrice de la mobilit qui contrairement de nombreux travaux ne tend pas reproduire des mouvements de mobilit pour des outils d'valuation. Nous apprhendons la mobilit de faon similaire la notion de qualit de services, c'est une notion qui se dnit plusieurs niveaux, et par plusieurs paramtres. De mme que la qualit de service est dnissable au travers sa perception par l'application, nous avons dni la mobilit par son inuence sur le routage et considr son expression selon plusieurs mtriques. Cette tude a ncessit un travail de synthse bibliographique important, pour identier au cours des nombreux travaux protocolaires les propositions se rapportant la notion de mobilit, partir de celui-ci, nous proposons une taxinomie originale des mtriques de mobilit (publi dans : Mobility Metrics Evaluation for
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Self-Adaptive Protocols. : Journal of Networks, Volume 3 N1, p. 53-64, janvier 2008). Nous tentons de dnir la mobilit de faon indpendante du contexte systme, par une seule mtrique. Nous avons choisi de procder par une approche exprimentale reposant sur la simulation pour laquelle nous laborons une mthodologie d'valuation et d'analyse des rsultats. Si notre tentative se rvle tre infructueuse elle n'en contribue pas moins mieux dnir la mobilit : celle-ci n'est pas rduite une mtrique, elle se dnit en fonction du contexte, et, en trouver une reprsentation acceptable selon le protocole (publi dans On Metrics for Mobility Oriented Self Adaptive Protocols. International Conference on Wireless and Mobile Communications (ICWMC 2007), IEEEed). Nous avons galement tudi la mobilit dans un contexte bien dni pour lequel nous dveloppons deux applications d'adaptation. Nous montrons alors que si le nombre d'lments dans le rseau est un facteur prpondrant, le critre de densit associ au critre de mouvement est une bonne mesure de mobilit quel que soit le contexte (publi dans Mobility Versus Density Metric for OLSR Enhancement Lecture Notes in Computer Science, Volume 4866, p. 2-17, 2007). Finalement, notre contribution est un processus global d'adaptation la mobilit qui considre les mtriques et le mouvement de mobilit. Nous proposons chaque terminal de mesurer son environnement simplement et d'en dduire partir de conditions environnementales l'adaptation appliquer.
D. Organisation du documentLa prsentation des travaux s'organise en 5 chapitres Chapitre1- Adaptation dans les rseaux ad hoc : prsente un tat de l'art de l'adaptation protocolaire dans un rseau ad hoc (adaptation l'nergie disponible, l'tat de la liaison, la charge de trac, la dynamique de la topologie). Chapitre2-Proposition de taxinomie des mtriques de mobilit et analyse qualitative : Ce chapitre prsente l'inuence de la mobilit sur les performances, les modles de mobilit, les critres d'apprciation des mtriques pour l'adaptation, les dirents types de mtriques et points de vues ainsi que les caractristiques de la fonction de calcul de mtrique. Il met en vidence l'intrt d'utiliser des mtriques obtenues par mesure. Chapitre3-Evaluation des mtriques de mobilit : Sont apportes des prcisions sur le calcul des mtriques retenues, la dnition de la mthodologie et des paramtres d'valuation. Puis sont prsents les rsultats et interprtations des valuations par simulation avec une tude de la corrlation et une discussion des relations entre les performances protocolaires et les mtriques de mobilit utilises. Chapitre4-Proposition d'amlioration des performances de routage par la mtrique de mobilit : ce chapitre prsente deux tudes sur l'adaptation la mobilit de deux protocoles de routage (OLSR et CSR (Cluster Head Source Routing)). utilisant les mtriques de dure de liaison et densit dgages dans le chapitre 3.
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Chapitre5-Etude exprimentale des modles de mobilit tude de l'inuence des modles de mobilit. Proposition d'un processus d'adaptation prenant en compte le modle de mouvement.
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Chapitre
1
Adaptation dans un rseau ad hoc
Dans ce chapitre nous prsentons le concept d'adaptation protocolaire en rseau ad hoc, en prcisant la notion d'adaptation puis en l'illustrant par des travaux eectus dans le domaine. Nous prsentons ces travaux en rfrence aux objectifs de l'adaptation et aux mtriques utilises.
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1.1
Notion d'adaptation
Nous prcisons la suite le concept d'adaptation en abordant les questions suivantes : Pourquoi de l'adaptation ? Comment un protocole adapte-t-il son comportement ? Quelles sont les donnes qui lui permettent de le faire ?
1.1.1 Objectif de l'adaptation en rseaux ad hocL'objectif de l'adaptation est de lier le comportement d'un protocole l'environnement dynamique du rseau an d'en amliorer les performances. Dans le cas des rseaux ad hoc, les caractristiques principales de l'environnement qui conduisent proposer des adaptations protocolaires sont : l'nergie, le dbit des liens, la qualit de service et la topologie.
1.1.1.1 Energie limite des nudsLes nuds mobiles disposent d'une nergie limite par la capacit de leur batterie qui est dicilement rechargeable en cours de dploiement. Pour prolonger la vie du rseau il est alors ncessaire de chercher rduire la consommation d'nergie. Ainsi, dans le but de conserver le plus d'nergie possible, les nuds ajustent dynamiquement la puissance de leur transmission en fonction de la distance parcourir et du bruit environnant. Une autre faon d'conomiser l'nergie et de diminuer le nombre d'missions que doit faire un nud. Pour se faire, l'algorithme de routage en charge de la slection des nuds de relayage cherche adapter la slection de ceux-ci en fonction de la puissance disponible.
1.1.1.2 Dbit limit et variabilit du dbit des liensLes rseaux ad hoc se connectent gnralement en utilisant une transmission radio courte porte comme 802.11a, b, g [8], Bluetooth [9] ou Zigbee [10]. La plupart de ces radios sont conues pour adapter le dbit de la couche physique en fonction de la qualit de la chane de transmission, par exemple, le dbit de transmission d'un signal radio 802.11a peut varier de 6 Mbps 54 Mbps selon la mesure de la force du signal reue (Received Signal Strength - RSSI). La gure 1.1 [11] illustre la faon dont un appareil radio 802.11b teste les diffrents dbits possibles en connectant ses voisins situs direntes distances. Si un nud veut utiliser le dbit 11 Mbps, seuls les nuds situs dans le cercle intrieur peuvent dcoder correctement, avec un SNR susant (Signal-to-Noise Ratio), l'information. S'il choisit d'utiliser un dbit plus bas, comme 1 Mbps, la distance de transmission sera beaucoup plus grande. Le routage est galement adaptable la variation du lien radio. En rseau xe, la variation d'environnement concerne essentiellement la bande passante. Les pannes de lien et de nuds sont des vnements et non des tats volutifs. En rseau laire, soit la ligne existe soit elle est rompue, alors qu'en rseau ad hoc la liaison est caractrise par un tat volutif de fonctionnement, le dbit d'mission de chaque
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lien radio change selon le temps et l'emplacement du nud, voir peut devenir nul. Le protocole de routage, adapte par construction le choix d'une route l'existence d'une liaison, et peut galement prendre en compte le dbit rel de celle-ci.
Fig. 1.1 Transmission radio multi dbit
1.1.1.3 Charge de tracLes utilisateurs de rseaux ad hoc ont gnralement besoin d'utiliser plusieurs applications comme la vido, le son ou des transferts temps rel. Par exemple, sur un thtre d'opration d'urgences o est dploy un rseau ad hoc, les utilisateurs envoient des vidos pour valuer une situation, ou encore ont recours des vido confrences pour tablir des plans d'actions. Pour supporter la Qos requise par ces applications, il est necssaire de prendre en compte la charge du trac sur le rseau. Le protocole de routage cherchera emprunter un rseau peu charg de faon acclrer la dlivrance des informations. La notion de rseau charg se traduit par un dlai important, un taux de congestion ou encore un taux de paquet en mission... L'valuation de ces caractristiques, ou le respect de contraintes les concernant, s'avre plus dicile dans un rseau ad hoc que dans un rseau laire en raison du manque d'administration centralise et de la grande variabilit de la bande passante (due l'environement et l'adaptation de dbit de la transmission).
1.1.1.4 Topologie dynamique et mobilitUne caractristique particulire aux rseaux ad hoc est la variation de leur topologie. Au-del de la qualit de liaison qui peut tre l'origine de variation (la qualit de transmission est telle que la liaison est considre comme inexistante) la mobilit
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des lments gnre des changements de connectivit. Un nud d'un rseau ad hoc se dplace, il peut joindre ou quitter un rseau ad hoc tout moment, c'est--dire se retrouver hors de porte d'mission d'un nud du rseau. Le protocole de routage, via une procdure de maintenance de routes, est en charge de la gestion de ces changements de topologie. De par sa conception il s'adapte naturellement ceux-ci. Une adaptation de routage, plus labore consiste prendre en compte le niveau de mobilit d'un lment de faon choisir des routes stables, la stabilit de la route pouvant amener un gain de performance. En eet, si une route se rompt, le protocole de routage est mme (si cela est possible) d'en trouver une autre, mais il y aura eu des pertes de donnes gnrant une baisse de performances, et donc, en vitant de passer par des routes qui sont peut-tre rapides mais de courte dure, le protocole de routage peut esprer augmenter son taux de dlivrance d'informations. Le problme pour la mise en place de cette adaptation est d'valuer la stabilit d'un lien, la mobilit d'un lment.
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1.1.2 Processus d'adaptationNous proposons un schma du processus global de l'adaptation (gure 1.2) en considrant trois ensembles d'lments : l'environnement rseau, qui est perceptible au travers de mtriques, le comportement adapter, c'est--dire les algorithmes appliquer selon les valeurs des mtriques, et les performances que l'on cherche optimiser.
1.1.2.1 Elments du processus d'adaptation 1. MtriquePrcisons en premier lieu l'environnement rseau au travers du terme m-
trique , qui est l'objet principal de cette thse. La mtrique est une mesureindiquant l'tat d'un nud, de son voisinage, ou bien de l'ensemble du rseau par exemple la puissance d'nergie, la puissance de transmission, la force du signal, le trac et la mobilit. La mesure peut consister en une combinaison de plusieurs paramtres comme le nombre des nuds, le nombre des liens, l'tat d'nergie etc... ; enn, la mtrique donne des valeurs qui peuvent tre utilises pour adapter un comportement de protocole. Plusieurs mtriques sont utilisables par l'algorithme d'adaptation, par exemple un protocole de routage adapte son fonctionnement la densit du rseau et la mobilit [12].
2.
Types et Politique des algorithmes d'adaptationConsidrons prsent la typologie des algorithmes d'adaptation :
Auto-adaption et adaptation inter-couches : les paramtres pris en comptedans le calcul de la mtrique peuvent provenir d'une seule couche protocolaire ou de plusieurs couches. Dans le premier cas l'adaptation est qualie d'autoadaptation alors que dans le second cas il s'agit d'adaptation inter-couches (cross-layer). Pour ces deux types d'adaptation, nous direncions deux politiques : paramtres et mode.
Adaptation de paramtres : le protocole xe ses paramtres en fonction del'tat de son environnement. Des exemples d'une telle adaptation sont : (1) le protocole de transport qui calcule sa fentre d'mission en fonction du paramtre taux d'engorgement ; (2) le protocole de routage qui choisit des voisins, liens, ou route selon le paramtre de stabilit ou de dlai ou encore ; (3) le protocole de routage qui ajuste son timer de diusion d'annonces (pour les routages proactifs) en fonction de la mobilit du rseau : si le rseau est trs mobile, le timer de diusion est de courte dure alors qu'il est important en cas de faible mobilit [13].
Adaptation de mode : le protocole change son comportement selon l'tat deson environnement. Par exemple :
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(1) le protocole de transport arrte d'augmenter son timer de retransmision s'il dtecte un niveau de mobilit important [14] ; (2) le protocole de routage travaille dans un mode (par exemple ractif, sans architecture) puis le nombre de mobiles augmente il change de mode (par exemple proactif, avec architecture de cluster). 3. Performances Finalement, prcisons les performances que l'adaptation cherche optimiser. Nous retrouvons les caractristiques de performances classiques des rseaux xes : dbit, dlai, auquel se rajoute l'nergie.
Dtaillons prsent la gure 1.2 qui montre le synopsis du processus d'adaptation : Initialement (gure 1.2-a), un nud donn obtient une information (un ensemble de paramtres) qui peut provenir d'une seule couche protocolaire ou de plusieurs couches. Ensuite (gure 1.2-b), les paramtres sont pris en compte dans le calcul de mtrique. Les rsultats de calcul de mtriques sont utiliss (gure 1.2-c) pour l'adaptation du comportement du protocole. Aprs cette adaptation, les paramtres du rseau voluent, donnant lieu de nouvelles informations. (gure 1.2-d).
Fig. 1.2 Synopsis du processus d'adaptation.
1.1.2.2 Architecture protocolaireDtaillons prsenter les modles d'architectures protocolaires pour mettre en uvre les deux types d'adaptations que nous avons releves, auto-adaptation et adaptation inter-couches.
auto-adaptationL'auto-adaptation est une fonction classique des protocoles de communication, la 10
nouveaut des travaux en rseaux ad hoc rside dans les objectifs de l'adaptation et non dans sa mise en uvre. Les informations utilises proviennent d'une seule couche du modle OSI (ou TCP/IP) comme les couches physique, LLC/MAC, rseau, transport. Conformment au modle protocolaire de ces architectures, les couches sont indpendantes de faon garantir l'volutivit de l'architecture. Un protocole peut tre modi sans avoir changer les autres lments. Pour satisfaire cette exigence, les couches sont considres comme spares, chacune gre son espace mmoire avec ses informations. Les interfaces d'changes entre couches sont standardises, elles permettent le passage des paramtres ncessaires au fonctionnement du protocole, mais pas ncessairement des informations ncessaires son optimisation. La conception des protocoles sous forme de modules hirarchiques cache les paramtres locaux aux modules. Chaque protocole est optimis indpendamment. La gure 1-4 prsente la notion de couches spares selon une modlisation par modules fonctionnels strictement hirarchique.
Fig. 1.3 Modlisation modulaire strictement hirarchique
L'auto-adaptation s'appuie sur une signalisation mme de fournir les informations d'environnement. Elle est relativement facile mettre en uvre dans la mesure o elle n'implique pas de grandes modications sur l'architecture. Cependant l'ajout d'une signalisation supplmentaire et le temps ncessaire sa prise en compte sont des facteurs limitatifs du gain de performances obtenu. L'approche inter-couches, prsente ci-aprs est une solution ces limitations qui a fait l'objet de nombreux travaux.
Adaptation inter-couchesLa notion de cross-layer que nous traduisons par inter-couches, introduit une rup11
ture avec l'axiome de sparation des couches du modle ISO. Elle suppose un change d'informations entre des couches, ventuellement non adjacentes. La modlisation protocolaire, la mthodologie d'changes ne sont actuellement pas normaliss, bien que certains standards, en particulier de l'IEEE, mettent en place un plan de contrle ou un plan de gestion qui facilite la conception protocolaire inter-couches. L'avantage de l'inter-couche est comme en atteste les travaux prsents dans la section suivante, un gain de performance, cependant, ces systmes sont plus diciles mettre en place dans les architectures existantes, et maintenir, que les auto-adaptation.
Fig. 1.4 Classication des architectures inter-couches
Architectures inter-couches existantesTrois catgories d'architectures sont proposes en [15][16], elles sont illustres sur la gure 1.4 [17]. Leur mode de communication s'eectue par : 1.
Communication directe entre couches :
cette architecture (gure 1.4-
a) permet aux couches, mme non adjacentes, de cooprer ensemble par une communication directe. De nouvelles procdures sont intgres aux couches traditionnelles pour permettre la rception et le traitement des donnes intercouches. 2.
Interactions vers une entit intermdiaire :
Cette architecture (gure
1.4-b) utilise l'ensemble des entits qui assurent le fonctionnement normal de la pile protocolaire tout en dnissant une entit intermdiaire pour grer les interactions inter-couches. Plusieurs projets de recherche ont utilis ce modle avec des dnominations et des fonctionnalits exactes de cette entit qui varient [18][19][20]. Les avantages de cette modlisation sont de : garder une compatibilit complte avec l'architecture classique en couches puisque aucune modication de ses fonctionnalits n'intervient ; maintenir les avantages de l'architecture modulaire en couches isoles en orant ainsi un environnement robuste de mise jour, permettant l'addition,
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suppression ou la modication des protocoles des direntes couches, sans avoir modier les autres couches ; garantir une volution continue de l'entit intermdiaire en lui incorporant d'autres fonctionnalits sans gner les autres protocoles ; 3.
Nouvelles abstractions : Cette architecture (gure 1.4-c) est particulirement distincte des deux autres car elle prsente des abstractions compltement nouvelles [21]. Elle adopte le concept de l'architecture protocolaire sans couche
non-layered protocol architecture . Son intrt est sa grande exibilit obtenue avec un minimum de problmes d'interactions et de communications entre ses dirents composants. Ce type d'architecture se ralise par une conception oriente services.
Cohrence d'adaptations multiplesUn problme de cohrence se pose dans le cas des architectures protocolaires ayant des adaptations multiples qui sont situes dirents niveaux de la pile protocolaire et qui sont soit, inter-couches, soit, mixtes : inter-couches et auto-adaptation (le cas des auto-adaptations ne pose pas de problme). Dtaillons : Si un protocole de niveau N modie des paramtres galement utiliss dans le calcul d'une mtrique par un niveau suprieur, la vracit de la mtrique, c'est-dire sa capacit reter l'environnement, est remise en cause. Une faon de rgler ce problme, propose dans l'architecture Widdens [22] est de dclencher une adaptation de niveau N si celles de niveau N-1 se sont rvles inecaces. Nous proposons d'introduire un tat de prise en compte (limit par timer) de l'optimisation d'un niveau N pour dclencher des optimisations d'un niveau N+1. Notons que dans les architectures traditionnelles, ce problme ne se pose pas car chaque protocole auto-adapte son comportement partir de paramtres internes, les performances ne sont peut-tre pas optimises mais elles ne sont pas non plus dgrades.
1.1.2.3 Porte des paramtres pour le calcul des mtriques : la vueLes informations utilises pour l'adaptation, outre leur niveau protocolaire dans l'architecture logicielle, se direncient par leur niveau dans l'architecture matrielle du rseau. Nous considrons 3 niveaux (gure 1.5) selon la porte, que nous appelons encore vue, de l'environnement qu'ils dcrivent : niveau nud, niveau voisinage, niveau rseau.
Vue nud : la gure 1.5-a prsente la vue locale d'un nud donne, le nudconnat ses tats par exemple, l'nergie disponible, la puissance de transmission, sa position, et sa vitesse.
L'avantage de travailler partir d'une vue locale est la facilit de la mise en uvre de l'adaptation car il n'y a pas besoin de modier l'architecture logicielle de toutes les entits. Cependant pour de nombreux objectifs d'adaptation il est ncessaire d'avoir galement une connaissance minimale du rseau et donc de son voisinage.
Vue voisinage locale avec entit modie :
la gure 1.5-b prsente la
vue du voisinage local un nud donn, le nud connat ses tats relatifs ses voisins par des changes de messages. Ces changes se font l'occasion de l'envoi de messages de la pile de protocole que l'on cherche adapter. Par
13
exemple l'change d'un message HELLO dans le protocole AODV ou dans le protocole OLSR. Grce ces changes le nud obtient des informations, telles la dure de connexion, la frquence de changements des liens, la force du signal, le nombre des voisins, ou encore le trac en entre par le voisin. Pour que le nud puisse utiliser ces informations, il doit les enregistrer et modier ses entits pour ce faire. L'avantage de dnir l'adaptation ce niveau est qu'il n'y a pas besoin de modier l'entte des message, il n'y a pas de surcot de signalisation, en contrepartie l'adaptation est faite partir d'une approximation de l'tat du rseau, l'optimisation des performances reste locale.
Fig. 1.5 Vues des paramtres pour le calcul des mtriques
14
Vue rseau avec entit et message modis :
la gure 1.5-c prsente
la vue de tous le voisinage d'un nud donne. Un rseau ad hoc n'ayant pas d'administration centralise, la connaissance est rpartie sur tous les nuds et se propage par des changes d'informations additionnels. Gnralement, le nud connat ses tats relatifs ses voisins par des changes de messages qui ont t modis pour prendre en compte les informations ncessaires. Pour mettre en place une nouvelle adaptation, en reutilisant les standards existants, le nud doit modier ses entits et ses protocoles.
15
1.2
Travaux sur l'adaptation en rseaux ad hoc
Maintenant que nous avons synthtis le processus d'adaptation protocolaire, nous l'illustrons au travers d'exemples extraits de la littrature. Le but de cette prsentation est d'avantage de dgager les mtriques utilises que les algorithmes d'adaptation. Elle sera l'occasion d'illustrer les problmes de cohrence entre des adaptations eectues plusieurs niveaux.
1.2.1 SynthseEn s'appuyant sur les caractristiques que nous avons dgages dans la section prcdente nous classions les travaux mens sur les protocoles adaptatifs en rseau sans l dans la table 1.1. Nous allons prsenter la suite ces travaux en les ordonnant selon leur objectif d'adaptation : l'nergie disponible, l'tat du canal, et la dynamique de la topologie.
trac
la charge de
Adaptation Energie disponible
Tab. 1.1 Synthse des travaux sur l'adaptation en rseaux ad hoc
Mtrique Energie
Nom de protocole ou l'algorithm
Minimum Battery Cost Routing (MBCR) Min-Max Battery Cost Routing (MMBCR) MRPC (Maximizing network lifetime for reliable routing in wireless environments)
Etat de la liaison
-Force du signal
Signal Stability-based Adaptive Routing (SSA) Associativity-Based Routing (ABR) Advanced signal strength based link stability estimation modle (ASBM) Link quality of route Auto-Rate Fallback (ARF) Loss-Dierentiating ARF (LD-ARF) Collision-Aware Rate Adaptation (CARA) Receiver-Based Auto Rate (RBAR) Dierential Rate Adaptation (DRA) Dynamic Load-Aware Routing (DLAR) Load-Balanced ad hoc Routing (LBAR) Free-Degree Adaptive Routing (FDAR)
-Taux de perte
Charge de trac
QOS
Dynamique de la topologie
Densit et Mobilit
Adaptive Zone Routing Protocol (AZRP) Fast Optimized Link State Routing (F-OLSR) Adaptive Routing Protocol (ARPM) Cluster Source Routing (CSR)16
1.2.2 Adaptation l'nergie disponible : mtrique nergieNous prsentons trois exemples d'adaptation au niveau routage qui reposent sur un calcul de mtrique prenant en compte l'tat de l'nergie disponible sur un nud. Le premier exemple, Le second exemple, sa mtrique partir de l'information locale au nud : sa puissance disponible.
Minimum Battery Cost Routing (MBCR), calcule
Min-Max Battery Cost Routing (MMBCR), utilise
la mme information mais ncessite une vue globale pour faire son adaptation : le choix d'une route se fait en ayant la connaissance de l'nergie disponible sur tous les nuds. Le troisime exemple, utilise une mtrique dont le calcul repose sur deux informations : la puissance disponible mais galement l'tat du canal. C'est l'tat du canal qui permet de calculer l'nergie ncessaire la transmission. La mtrique est alors le ratio puissance disponible sur puissance ncessaire.
Minimum Battery Cost Routing (MBCR)MBCR [23] est un protocole de routage qui calcule la somme de la puissance rsiduelle des nuds mobiles puis choisit la route avec la somme maximale de puissance rsiduelle. La mtrique d'adaptation est la puissance disponible sur un nud, nomme encore capacit rsiduelle. La formulation du problme pour choisir la route, denit la fonction cot de la pile d'un nud i, l'instant t, compris entre 0 100 par :
fi (ct ) = i
1 (ct ) i ni
(1.1) augmente avec la diminution
La valeur de la fonction de cot pour le nud de capacit de pile. Le cot de pile
Rj
pour la route i, comprenant D nuds, est
Dj 1
Rj =i=0
fi (ct ) i
(1.2)
Ri = min {Rj |jA} (A est l ensemble des routes possibles)La route choisie est celle qui a un cot,
(1.3)
Ri
minimal parmi toutes les routes
possibles. Avec ce critre de slection la route choisie peut passer par des quipements ayant beaucoup de batteries alors que certains quipements auront une batterie trs faible qui sera puise par les premiers relayages.
Min-Max Battery Cost Routing (MMBCR)MMBCR [24] utilise une mtrique quivalente celle de MBCR mais propose un critre dirent pour choisir une route, an d'viter d'avoir une route qui va se rompre rapidement si certains des nuds qui la composent ont des batteries faibles. Le cot d'une route est dni partir de la capacit disponible minimale sur les nuds qui la composent. La fonction de cot d'une route (Equation. 1.2) est modie comme suit :
17
Rj = max fi (ct ) iiroute j
(1.4)
et le critre de choix de la meilleure route est galement modi par
Ri = min {Rj |jA}
(1.5)
La dure de vie de la route ayant le cot de batterie le plus important est plus petite que celle de toutes les autres routes. Elle est dtermine par le premier nud de la route qui puise sa batterie. L'objectif est alors d'viter la route avec les nuds ayant le moins de capacit parmi tous les nuds dans toutes les routes possibles. Bien qu'il ne puisse pas tre certain que la consommation totale de puissance soit optimise, la vie de la route est notablement augmente par rapport au cas prcdent.
Fig. 1.6 Choix de route adaptatif l'nergie dans MMBCR
Sur la gure 1.6 [25], la source A dispose de deux routes pour atteindre la destination H. Elle choisit la route 1 car la capacit minimale de la route 1 (= 3 au nud C) est plus importante que celle de la route 2 (= 1 au nud F).
MRPC (Maximizing network lifetime for reliable routing in wireless environments)Une autre mtrique que l'tat de l'nergie disponible est dnie dans MRPC [26], elle prend en compte l'nergie qui sera dpense pour mettre un paquet sur un lien spcique. MRPC choisit le chemin qui a la plus grande capacit mettre de futurs paquets au nud critique : le nud qui a la plus petite capacit rsiduelle de transmission de paquet. La formulation de la capacit est :
Ci,j =18
Bi Ei,j
(1.6)
O
Bi
est la puissance rsiduelle de pile dans le nud i et
E i,j
est l'nergie
ncessaire la transmission entre le nud i et le nud j. Notons que cette expression rend compte du cot de transmission li la distance entre les nuds, c'est--dire du bruit de la liaison. Le fonctionnement de l'algorithme est alors le mme que MMBCR, sauf qu'il maximise le minimum du La distinction est simplement 1 , l'algorithme serait lie une formulation inverse de la mtrique (c.--d. avec Ci,j identique). De cette faon il maximise la vie du rseau.
C i,j .
Lif e = min {ci,j }(i,j)P
(1.7)
Pcandidate = arg max {Lif ep |P toutes les routes possibles}
(1.8)
Rexions : propos de l'obtention de la mtriqueLes travaux prsents proposent des algorithmes classiques de calcul de routes avec contraintes qui ont t labors dans le cadre des rseaux xes pour prendre en compte la qualit de services ou pour mettre en uvre de l'ingnirie de trac. Leur principale innovation concerne la mtrique qu'ils utilisent, l'tat de puissance, calcule partir du paramtre capacit de la batterie et puissance d'mission sur
un lien . Concernant les problmes poss par l'adaptation, nous pouvons remarquerque dans la mesure o l'adaptation ne modie pas la valeur de la mtrique, elle n'a pas pour eet d'augmenter la puissance de la batterie mais uniquement d'viter une dcroissance trop rapide, il ne se pose pas de problme de cohrence d'adaptations multiples. Notons nanmoins que les travaux prsents peuvent poser un problme de scurit. Alors que la connaissance de la bande disponible peut tre utilise pour bloquer un nud et le congestionner, celui-ci a toujours le recours de dtruire les informations, par contre, la connaissance de l'tat de puissance d'un nud peut tre utilise pour des attaques visant dtruire un nud. Il est alors important de scuriser la signalisation relative aux valeurs de la puissance disponible de chaque nud. Nous verrons pour la suite des exemples de signalisation par protocole de routage de type DSR qui est un routage par la source qui permet un nud d'avoir la connaissance des tats des nuds de la route.
19
1.2.3 Adaptation l'tat de la liaison : mtrique canalPour prendre en compte la variabilit des dbits des liens, le calcul des mtriques s'appuie principalement sur deux informations : la force du signal, et le taux de perte. Nous illustrons comment elles sont utilises pour des adaptations de routage et de niveau physique.
1.2.3.1 Mtrique sur la force du signalLa force du signal transmis rend compte de l'tat du canal, et plus prcisment de sa stabilit . Son calcul est eectu soit partir de mesures relles du signal (SSA, ABR, ASBM) soit partir de modle analytique (Link quality of route).
Fig. 1.7 Schma fonctionnel de SBM
Signal Stability-based Adaptive Routing (SSA)
SSA [27] utilise l'informa-
tion de force du signal pour estimer la stabilit du lien selon le modle Signal
strength Based link stability estimation model (SBM) (gure 1.7). Chaque nudmobile mesure la force du signal des autres nuds. Si un nud reoit un signal fort d'un voisin, alors les deux nuds sont proches et le lien entre eux peut tre considr comme stable. La notion de fort est dnie partir d'un seuil. L'hypothse de ce travail est que gnralement plus les nuds sont rapprochs plus il y a de chances que le lien soit fort, (il peut y avoir des obstacles sur la liaison qui rendent caduque cette proposition). Le protocole de routage se propose de choisir des routes constitues de liens courts (considrs comme stables), le nombre de nuds n'est alors pas minimis contrairement aux algorithmes classiques, cependant il est montr que
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cette approche amliorer le dlai. S'il choue SSA cherche une route sur tous les liens disponibles, en utilisant un algorithme de requte rponse par la source similaire au routage standard DSR.
Associativity-Based Routing (ABR)
ABR [28] utilise une information di-
rente de celle de SBM pour calculer sa mtrique, la force du signal n'est pas dtermine sur tous les signaux reus mais sur un signal spcique (le signal pilote) mis priodiquement. Ce qui prsente l'avantage d'avoir l'tat de la liaison mme s'il n'y a pas de trac mettre, et en contrepartie l'inconvnient de consommer de la bande passante. La stabilit du lien est dtermine par l'envoi de signaux pilote avec le modle Pilot signal based link stability estimation model (PBM) (gure 1.8). Chaque nud met priodiquement un signal pilote. Quand un nud reoit de ses voisins le signal pilote, il l'enregistre. S'il reoit continuellement des signaux d'un voisin et que le nombre de signaux reus conscutivement dpasse un certain seuil, il considre le lien entre eux comme stable. Si un nud ne peut pas recevoir de signal pilote d'un lien dans une limite de temps, il considre alors ce lien comme instable. En raison de dirence dans le calcul de mtrique, ABR se direncie de SSA par le type de route slectionn. Dans SSA, une route est compose des liens les plus courts avec des signaux forts, dans ABR, un long lien avec une force de signal faible peut tre utilis s'il est stable, (si les deux nuds d'extrmit, sont des nuds stables sans mobilit).
Fig. 1.8 Modle de stabilit du signal pilote dans le routage ABR
Advanced signal strength based link stability estimation modle (ASBM)ASBM [29] est propos (gure 1.9) pour amliorer la mthode d'valuation de la stabilit de lien du protocole SSA grce un nouveau calcul de mtrique. Le modle SBM est lgrement modi pour prendre en compte, en sus de la force de signal, la drive de sa mesure : la force direncie du signal (dierentiated signal strength DSS). DSS indique si la force du signal augmente ou diminue, s'il augmente, cela est interprt par le fait que les deux nuds se sont rapprochs, et que le lien entre eux aura une dure de vie plus longue. Alors que dans SSA, seuls les liens dont la force
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du signal dpasse une certaine limite, sont considrs comme stables, dans ASBM les liens ayant un signal faible mais qui augmente, cas de nuds qui se rapprochent, sont galement considrs comme stables.
Fig. 1.9 Schma fonctionnel de ASBM
Comme pour SSA, le routage ASBM utilise deux tapes. Dans la premire tape, le nud source essaie de chercher une route, la plus courte avec les liens stables. Si ceci choue, il entre dans une deuxime tape qui cherche une route avec tous les liens disponibles. Aprs avoir trouv une route, le protocole surveille la validit de celle-ci. Si la route est invalide, il cherche cycliquement une nouvelle route.
Rexions : propos de la validit de la mtriqueLes tudes prsentes cherchent valuer la stabilit d'un lien en esprant qu'un lien stable l'instant t restera stable dans le futur. Ainsi dans SSA il est suppos que si la force du signal augmente c'est que le mobile se dplace. Mais selon le dplacement cela peut galement dire que le nud va croiser le nud mesureur puis sortir hors de la zone de transmission. L'chelle de mesure est alors un facteur cl de la pertinence de la mtrique. Il devrait pouvoir tre associ si c'est possible la connaissance du mouvement. ASBM introduit la notion de drive dans son calcul de mtrique de
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stabilit de faon reter le mouvement, mais il ne prend cependant pas en compte la variation de la qualit du canal pour cause de perturbations environnementales. Si deux nuds qui se dplacent sont perturbs par un obstacle gographique, il se peut que, l'obstacle pass, le lien redevienne stable. L encore la connaissance du mouvement permettrait de rsoudre ce problme d'interprtation. Par ailleurs nous relevons un problme de cohrence li la mtrique et aux adaptations qui l'aectent. Puisque la stabilit repose sur l'valuation d'un rapport signal sur bruit elle est inuence par les perturbations de la qualit de la liaison intrinsques la propagation sans l, qui peuvent tre corriges par une technique de modulation adaptative. Un signal de bonne qualit peut alors tre obtenu au prix d'un dbit d'mission faible, la route sera stable mais lente. De plus comme la couche physique, niveau 1, modie un paramtre d'une mtrique utilise par la couche rseau, niveau 3, ceci risque de provoquer un mcanisme d'oscillation peu ecace.
Link quality of route
[30] utilise la force du signal pour prdire la distance entre
deux nuds. Le calcul de la mtrique utilise un modle analytique, pour des nuds mobiles ayant un dplacement continu prdictible, tels des trains ou des avions. Lorsque l'on considre des nuds mobiles, le maximum de la force du signal est atteint lorsque les nuds se croisent alors que le minimum est atteint lorsqu'ils sont le plus loigns. Le facteur de qualit de lien L pour une route M sauts est dni comme :
s=M
L=s=0
(1 Q((Ppreds Pth )/))
(1.9)
O Q(x) est une Q-FONCTION standard (Q(x) est la probabilit qu'une variable alatoire normal, moyenne nulle et variance de 1 excde x ), seuil de rception et
P preds
est la valeur
prdite par le nud N du signal qu'il recevra de la part du nud N-1 ;
P th
est le
est la variance du signal (un modle de Gauss est suppos).
Le facteur de qualit de lien est le produit de probabilits calcules pour chaque saut un instant donn pour que dans le futur le signal ait une force plus importante que celle du seuil de rception. Les nuds utilisent une extrapolation de position linaire base sur la position gographique actuelle et l'information de vlocit pour estimer les positions de tous les nuds dans un futur de 1 seconde. Ces positions, avec l'quation 1.9, ont t utilises pour obtenir
Ppreds .(1.10)
Ppreds = Pt Gt Gr c dO :
2 si d < 4ht hr (4d)2 h2 h2 4ht hr t r si d > d4
Pt
est la puissance d'metteur,
Gt
est le gain de l'antenne d'mission,
Gr est
le gain de l'antenne de rception, est la longueur d'ondes,
c
est le facteur de perte pour les avances
d'antenne,
d
est le ccient de pertes de diraction sur
le chemin direct,
d
est la longueur du chemin direct (la distance entre les nuds),
ht
et
hr
sont les hauteurs de l'metteur et du rcepteur.
Cette tude prend en compte le mouvement grce une connaissance priori de la vitesse de dplacement, du positionnement, et des caractristiques d'antennes du rcepteur. L'intrt de la mtrique est d'viter les problmes de transmissions
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plutt que de les rparer. Son inconvnient est de ncessiter des ressources matrielles (GPS) et de signalisation. Par ailleurs la vracit de la prdiction est lie l'hypothse de linarit du dplacement qui peut ne pas tre vrie.
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1.2.3.2 Mtrique sur le taux de perteLes travaux prcdents mesurent l'volution de la force du signal. Nous indiquons la suite une autre faon de reprsenter la variabilit des liens ad hoc en utilisant le taux de perte. Ce taux de perte est utilis pour adapter le dbit de la transmission. Le mcanisme d'adaptation de dbit qui n'est pas normalis par les spcications 802.11 [8], est conu de direntes manires selon l'information utilise pour dnir le taux de perte. Les mcanismes sont diviss en deux catgories : boucle ouverte et boucle ferme. Dans une approche de boucle ouverte, l'expditeur prend la dcision seulement en se fondant sur sa propre perception, comme le rsultat d'une transmission prcdente de donne ou la qualit de rception d'un acquittement. Dans une conception en boucle ferme, l'expditeur sollicite explicitement le rcepteur pour qu'il estime la chane et lui renvoie cette information. En boucle ouverte la mtrique est en vue locale, en boucle ferme elle a une porte voisinage. Le premier exemple, ARF [31], est une auto-adaptation boucle ouverte de la couche physique, elle utilise des informations, en vue locale. Aprs une perte de donnes, l'metteur retransmet sa trame avec un dbit plus faible. L'adaptation suppose implicitement que les problmes de transmission sont dus un mauvais tat du canal de propagation et qu'ils peuvent tre rsolus par une diminution du dbit. Mais il se peut que les donnes soient perdues suite des collisions provoques par les accs multiples au canal. Les exemples suivants, LD-ARF [32], CARA [33] et DRA [34], proposent des adaptations inter-couches qui utilisent un calcul sur des informations de la couche MAC pour direntier les causes ayant provoqu la perte de donnes. En cas de perte de donnes l'metteur ne diminuera son dbit que s'il croit que la perte a t cause par une mauvaise qualit de la chane de transmission ; autrement, il retransmet simplement la trame au mme dbit. Finalement, RBAR et DRA sont des adaptations avec boucle ferme qui ncessitent une signalisation pour obtenir la mtrique d'adaptation calcule au rcepteur
Auto-Rate Fallback (ARF)
ARF de Lucent Technologies [31] est une adapta-
tion de dbit en boucle ouverte trs largement adopte dans les appareils 802.11. Le mcanisme est analogue celui de TCP qui augmente son dbit d'mission tant qu'il n'y a pas de perte. Dans AFR, aprs un certain nombre (10 par dfaut) de transmissions de donnes conscutives russies un dbit x, s'il y a un dbit plus lev de disponible, l'expditeur l'utilise pour les transmissions suivantes. Si, une transmission de donnes choue (un nouvel essai est par dfaut autoris pour chaque dbit) l'metteur diminue ce dbit pour retransmettre la mme trame de donnes. Le dbit est diminu jusqu' ce que la transmission russisse.
Loss-Dierentiating ARF (LD-ARF)
[32] utilise deux mthodes de diren-
ciation de perte, selon que le mcanisme RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) du 802.11 soit ou non utilis. Dans le mode de RTS/CTS, la perte d'une trame aprs une rception russie d'un CTS est considre comme tant due une mauvaise qualit de chane, car, comme la bande passante a t rserve par l'change RTS/CTS,
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il ne peut y avoir de collision. Dans ce cas, un dbit plus faible doit tre utilis. D'autre part, si un CTS attendu n'est pas reu, ceci est interprt comme une collision qui ne doit pas entraner une diminution de dbit. Dans le mode normal o RTS/CTS est dsactiv, en supposant qu'il n'y ait pas de terminaux cachs, une trame de donnes mal reue mais dont l'entte a pu tre dcode dclenche de la part du rcepteur l'mission d'un acquittement ngatif. Le raisonnement de LD-ARF est alors de dire que dans de mauvaises conditions de chanes, en gnral le taux d'erreur binaire est tel que sur une srie de bits trs courte comme l'entte de la trame il est toujours possible de la reconstruire et donc d'envoyer un acquittement ngatif ; sa rception est alors interprte comme une mauvaise qualit de chane et dclenche une rduction de dbit. Par contre, la perte d'une donne sans rception de non acquittement est interprte comme une collision et ne provoque pas de baisse de dbit.
Collision-Aware Rate Adaptation (CARA)
L'ide cl de CARA [33] est que
la station metteur combine adaptativement un change RTS/CTS avec la fonction Clear Channel Assessment (CCA) qui dtecte que le canal est libre ou occup. CARA a deux mthodes pour dtecter des collisions. La premire est similaire celle de LD-ARF, c'est--dire, un change russi de RTS/CTS suivi par une trame de donnes ; pour limiter l'utilisation du RTS/CTS (consommateur d'nergie, et gnralement pas activ) ; celui-ci n'est activ que suite un test de RTS eectu aprs une perte de donnes. La deuxime mthode pour direncier les collisions des erreurs de transmission utilise CCA (c'est le mcanisme de base des algorithmes CSMA/CA : la chane est dclare occupe lorsque le niveau d'nergie mesur l'antenne dpasse une valeur de seuil). Aprs la n de son mission, la station (aprs une dure SIFS) coute le support, si elle dtecte que le canal est occup alors qu'elle ne reoit pas d'acquittement, elle en dduit qu'il y a eu collision ; le dbit n'est alors pas diminu. Selon les longueurs de trames qui sont concernes par la collision, il est possible que ce mcanisme soit inutile car la collision ne sera pas entendue, le mcanisme de test de RTS est alors dclench.
Receiver-Based Auto Rate (RBAR)
[35] est un des premiers mcanisme d'adap-
tation par boucle ferm pour les rseaux IEEE 802.11. L'augmentation de dbit est eectue que si le rcepteur indique sa faisabilit. Dans RBAR, l'expditeur transmet toujours une trame RTS avant d'mettre une trame de donnes. A sa rception, le rcepteur mesure le SINR (Signal to Interference-plus-Noise Ratio) instantan et en se basant sur le taux d'erreur binaire acceptable (BER) il dtermine le dbit le plus lev qui peut tre utilis. Cette information est retransmise l'expditeur par une trame CTS modie.
Dierential Rate Adaptation (DRA)
[34] utilise une approche hybride de
boucle ouverte et ferme. Il y a un seul change de RTS/CTS pour plusieurs changes de trames de donnes, acquittement. Chaque acquittement contient un bit positionn par le rcepteur pour indiquer l'metteur la possibilit d'augmenter le dbit.
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Rexions : propos du niveau protocolaire l'origine de la mesureNous avons dcrit des mcanismes d'adaptation entre la couche MAC et la couche physique permettant de prendre en compte l'tat du canal et de le faire voluer. Si nous y ajoutons dans un mme systme des adaptations de routage reposant sur la mesure de liens telles que vues prcdemment, se pose un problme de cohrence dans les adaptations : quand faut-il mesurer pour obtenir une mesure reprsentative et viter les oscillations ? Nous proposons de simplier ce problme en ne mesurant plus des paramtres de niveau 1 pour qu'ils soient utiliss par le niveau 3 mais des paramtres de niveau 2. Le routage s'adapte en fonction du taux d'erreur de niveau trame pour mesurer la stabilit du lien plutt qu'en fonction de la force de signal. Ainsi l'adaptation de niveau 3 n'est pas lie la mesure du canal mais la mesure de la liaison. A charge pour cette mesure de reter tant l'environnement que la mobilit. Un exemple d'adaptation du protocole de routage partir de paramtres de niveau 2 est propos dans [36]. Il s'agit de choisir une route en fonction de la qualit des liens reprsente par la mtrique ETX qui est mesure partir du nombre de paquets et d'aquittement 802.11 qui sont reus. Plus gnralement, nous proposons de lier le choix du niveau de la mesure pour des adaptations de niveau N l'existence d'adaptations de niveau N-1.
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1.2.4 Adaptation la charge de trac : mtriques de QOSLa charge du trac qui circule sur le rseau inuence la qualit du service fournie par le rseau car en cas de trac important le dlai de transmission dans le rseau et le taux de perte, seront plus importants. Elle est un paramtre important de performances des protocoles de routage [37] et a t prise en compte dans plusieurs travaux. Leur objectif est de slectionner une route la moins charge, et/ou de rpartir le trac. Le premier exemple utilise une mtrique de charge calcule partir du nombre de paquets en attente sur un nud, la mtrique est calcule localement et transmise sur le rseau par la signalisation de routage. Le deuxime exemple calcule sa mtrique partir du nombre de routes passant par un nud et ses voisins. Le troisime exemple utilise une mtrique calcule selon un taux d'mission et un taux de rception qui rete le dbit rsiduel d'un nud.
Dynamic Load-Aware Routing (DLAR)DLAR [38] est une extension du protocole standard DSR qui quilibre la charge sur le rseau en slectionnant les routes sur le critre d'tat de charge des nuds intermdiaires. La charge d'un nud est dnie comme le nombre de paquets contenus dans les tampons mmoire associs une ligne, et la charge d'une route est dnie comme constitue des direntes charges des nuds de la route. Comme DSR, DLAR est un protocole de routage ractif qui a deux mcanismes principaux : la dcouverte de route et la maintenance de la route. La gure 1.10 illustre l'opration de protocole DLAR pour la slection de route.
Fig. 1.10 Exemple d'opration du routage DLAR
Dans la procdure de dcouverte de route de DLAR, le nud source, S, diuse un paquet de recherche de route RREQ (Route Request) ses voisins. Quand un nud intermdiaire reoit le paquet RREQ, il attache sa propre information de charge, avant de le retransmettre. Contrairement DSR, un nud intermdiaire n'envoie pas de paquet de rponse RREP (Route Reply) s'il connat une route vers
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la destination, seul le nud de destination rpond de faon garantir la fracheur des informations de charge de la route. Le nud destination D peut recevoir plusieurs paquets RREQ par direntes routes durant un certain temps (le temps maximal est celui associ la route la plus longue), il choisit la meilleure route comme tant celle qui est le moins charge, et envoie un paquet RREP au nud source via le chemin inverse. Dans la gure, la route S-A-B-C-D est choisie comme tant la moins charge (= 19 dans la gure). Dans la procdure de maintenance de route de DLAR, les nuds intermdiaires qui sont sur une route supportant une session de donnes active, ajoutent priodiquement leur information de charge aux paquets de donnes. Si le chemin actif est considr comme engorg, la source recommence la procdure de dcouverte de route et trouve une route alternative. Quand un nud intermdiaire dtecte une rupture de lien, il envoie un paquet d'erreur au nud source qui relance alors la procdure de dcouverte de route. La dnition de charge adopte par DLAR est classique, et semble bien adapte une excution en environnement de travail rel (par opposition simul). Cependant, elle ne rete pas entirement la vritable charge du rseau, puisque les paquets mmoriss peuvent avoir des tailles variables et que par ailleurs elle ne considre pas l'eet d'attente du la comptition d'accs dans la couche de gestion de l'accs au support (MAC).
Load-Balanced ad hoc Routing (LBAR)LBAR [39] est galement un protocole ractif pour des applications sensibles au dlai qui cherche un chemin, peu charg, pour que les paquets de donnes soient transmis avec un faible dlai. [39] denit, la charge d'un nud, comme le nombre total de routes passant par le nud et ses voisins. Plus prcisment, en notant nombre total de routes passant par le nud
Pi
le
i,
la mtrique de routage d'une route
r : Mr
est dnie comme suit :
Mr =irO
Pj jN (i)(1.11)
Pi +
N (i)
est l'ensemble des voisins un saut du nud
i.
Chaque nud utilise
l'information de ses voisins, qu'il obtient par la lecture de sa table de routage et par signalisation priodique de type HELLO ; le protocole ne prend pas en compte la variation de la longueur des paquets ni les sources de dlai provoques par le mcanisme de comptition de la couche MAC. Cet aspect est trait dans les travaux suivants avec l'introduction de nouveaux paramtres pour le calcul de la charge.
Free-Degree Adaptive Routing (FDAR)FDAR [40] allie les deux objectifs : rechercher une route avec un dlai faible, en vitant les routes congestionnes, et conserver une charge modere sur l'ensemble du rseau. Pour ce faire il utilise deux mtriques, Free-Degree (FD) of Nodes et
Free-Degree of Routes. Le Free-Degree of Nodes du nud, not,29
(i)
est :
(i) =O
def
i (i )2
(1.12)
de
i indique le taux de transmission du nud i et i indique le taux de rception nud i. Pour les auteurs, l'quation 1.12 exprime la disponibilit du nud par
rapport l'activit de communication, dans le sens o : 1) il reste de la place si le taux de rception est susamment faible par rapport au dbit maximal et 2) pour un taux de rception xe, la place disponible devient plus grande en augmentant le taux de transmission. Chaque nud met jour priodiquement ses taux de transmission et rception pour chaque units de temps T, selon la mthode exponentially weighted
moving average (EWMA), de la manire suivante :
i iO
wxi + (1 w)xi
wxi + (1 w)xi et
(1.13)
w
est un poids avec
0 < w < 1, i
i
sont respectivement les valeurs
courantes de
i
et
i .
et non en nombre de paquets. Plus concrtement, la variable suit ( est calcul de faon similaire) :
Dans ce schma, ces taux sont mesurs en nombre d'octets est calcule comme
=O passes
1 x(data + h + head ) T
(1.14)
data reprsente la quantit de donnes transmises pendant les units de temps T (en octets), head est le nombre de trames ayant t transmises durant T , y compris les trames errones, et h est la taille de l'en-tte de trame. L'quation 1.13rete l'eet de comptition de la couche MAC en comptant le nombre de trames errones. Le Free-Degree of Route r il est dni comme suit :
((r))
reprsente l'activit globale de la route, (une
plus grande valeur de FD indique une plus grande libert pour la communication),
(r) =irO
(j)jN (i)(1.15)
((i) + (i)) =ir
(i) + i,
N (i)
est l'ensemble des voisins un saut du nud
et
i
est un nud de la
route dirent de la source et de la destination. En cas de congestion, la charge de trac d'un nud dpend galement de la charge de ses voisins, car ils doivent se partager la bande passante (par le protocole MAC). Ceci est pris en compte par la variable trac interference autour du nud
i: (r),
dnie par :
(r) =
(j)jN (i)
(1.16)
Les nuds peuvent obtenir les degrs de libert de leurs voisins par change de messages HELLO. Aprs avoir calcul la valeur de fonction
pour chaque route
connectant la source et la destination, l'algorithme choisit celle avec un degr de
30
libert, FD, maximum ; en cas d'galit sur plusieurs routes le choix se fait sur le critre nombre de sauts.
Rexions : propos de signalisation et mesureLes adaptations prsentes sont de niveau 3 et utilisent des mtriques calcules avec des paramtres de niveau 3 (route) pour une auto-adaptation, DLAR, LBAR, ou de niveau 2 (trames) pour une adaptation inter-couches, FDAR. Cette dernire permet de prendre en compte la spcicit du rseau ad hoc concernant l'accs sans l partag. Pour les deux types d'adaptation une signalisation de niveau 3 (dans la mesure o elle concerne le routage) est employe pour obtenir les paramtres en vue voisinage et rseau. Le protocole par la source DSR est utilise pour une vue rseau et le protocole HELLO est utilis pour une vue voisinage. Le protocole HELLO qui met priodiquement des paquets entre voisins est utilis galement pour dtecter la qualit d'une liaison, cependant en raison de la nature stochastique du canal il se peut que la mesure sur un paquet HELLO ne soit plus valable sur le paquet suivant.
31
1.2.5 Adaptation la dynamique de la topologie : mtriques de densit et de mobilitLes protocoles de routage MANET, sont naturellement conus pour grer les modications de topologie : apparition, disparition d'un lien. L'optimisation recherche par l'adaptation s'intresse davantage la dynamique d'volution : apparition rapide de liens, nombre d'apparitions important. Introduire des techniques d'adaptation consiste alors pour le protocole utiliser des paramtres d'environnement pour choisir ses routes, pour choisir ses lments architecturaux (exemple d'un choix de chef de cluster en fonction du nombre de voisins), ou bien modier son mode de fonctionnement, avec ou sans architecture, ractif versus proactif, selon l'environnement, la dynamique d'volution de la topologie. Les exemples d'adaptation que nous prsentons sont des adaptations de paramtres et de mode : Le premier et le deuxime exemple, AZRP et F-OLSR, adaptent leurs paramtres pour prendre en compte la mobilit. La mtrique utilise est une mtrique de voisinage tendu qui comptabilise les voisins k sauts, pour le premier alors que pour le second la mtrique peut tre, si une implantation inter-couches existe, locale calcule avec des paramtres fournis sur le signal radio par les couches infrieures. Dans le cas d'une implantation en couches traditionnelles la mtrique rete le changement de voisinage. Les deux derniers exemples, ARPM et CSR adaptent leur mode de fonctionnement, l'un passe d'un fonctionnement proactif un fonctionnement ractif alors que l'autre adapte son architecture et passe d'un modle plat un modle de cluster.
Adaptive Zone Routing Protocol (AZRP)AZRP [41] adapte dynamiquement la structure de la topologie de routage propose par ZRP [42]. A la manire des systmes autonomes de routage de l'internet, la structure du routage divise le rseau en zones de routage disjointes. Des protocoles de routage indpendants travaillent en intra et inter zones. Une zone regroupe l'ensemble des nuds se trouvant une distance maximale de X sauts du nud de rfrence. Chaque nud peut choisir un rayon de zone dirent. Le routage au sein d'une zone se fait en mode proactif l'aide d'un protocole tat des liens, le routage vers des nuds extrieurs cette zone se fait en mode ractif. Plus prcisment, trois protocoles sont spcis : le protocole IARP (Intra-Zone routing Protocol) qui fonctionne dans une zone et apprend toutes les routes possibles, le protocole IERP (Inter-Zone routing Protocol) qui est ractif et met des messages de recherche de route aux nuds frontires de zone, et, le protocole BRP (Bordercast Resolution Protocol) qui sert dnir la frontire des zones. La valeur du rayon de zone dtermine la performance du protocole [43], il s'agit alors d'amliorer les performances de ZRP en dterminant une taille de zone adapte qui assure un bon quilibre entre le routage proactif et le routage ractif, cette valeur dpend directement du rseau lui mme, de l'environnement. AZRP dnit un rayon de zone variable fonction de la mobilit et de l'tat du
32
trac pour chaque nud en utilisant l'information fournie de l'IARP et l'IERP. Lorsqu'un nud se dplace peu et que son trac est faible, le rayon de zone est petit an de diminuer le trac de contrle de l'IARP. Dans le cas contraire, AZRP augmente le rayon de zone pour fournir une meilleure connaissance du rseau autour du nud et pour que le nud de frontire puisse acheminer les paquets d'acquisition/rponse de route. En augmentant le rayon de la zone, la probabilit que le nud de destination soit inclus dans la zone augmente, le temps d'acquisition de route est alors diminu (le routage est proactif dans la zone). Le changement de rayonnement se fait par un mcanisme de seuil par pas de 1. Si rayon de zone sera :
R(t + T ) Z + 3.
o
R(t) est le rayon de zone actuel, le prochain le R(t + T ) = R(t) 1. La mtrique, utilise pour
le seuil, est le taux d'erreur de route que le protocole d'IERP rapporte, norme par un nombre de nuds Les nuds qui sont pris en compte sont ceux qui se situent dans une surface situe maximum 3 sauts de la zone considre. AZRP considre que la densite est `constante', et connaissant celle-ci dans sa zone, chaque nud extrapole le nombre de nuds dans un voisinage extrieur 3 nuds de sa zone. Un mcanisme d'adaptation de zone local chaque nud, selon sa mobilit est galement propos par [44], mais il est inverse. Dans cette tude le rayon de zone est augment lorsque la mobilit diminue, et diminu lorsqu'elle augmente. L'hypothse tant que si le nud se dplace vite il est inutile qu'il connaisse ses voisins, l'information n'tant pas valide. Notons que dans l'tude ci-dessus la mobilit est considre partir de l'eet qu'elle provoque (la rupture de chemins) alors que dans le second cas elle est compte en fonction de la vitesse de dplacement, en pratique une information de mobilit fournie par l'utilisateur. Des rsultats de simulation montrent l'intrt de l'adaptation que nous nommons inverse (zone croissant inversement la vitesse) en modle RWP.
Rexions :Nous retiendrons de ces deux exemples de travaux la dicult de mettre en place une adaptation optimale , et la dicult de comparer plusieurs propositions partir d'une tude bibliographique. Les deux propositions amliorent ZRP, par une adaptation qui considre que les nuds ne sont pas homognes et qu'ils peuvent tre de mobilit dirente, mais elles sont apparemment contradictoires, l'une diminue un paramtre, alors que l'autre l'augmente. Deux raisons ceci : soit des mcanismes inuents dirents, soit des mesures non reprsentatives. La premire raison est de considrer que les mcanismes proposs dans chaque article pour diminuer le trac de contrle masquent le gain/perte obtenu par l'adaptation de rayonnage, et dans ce cas l'adaptation n'est pas une optimisation majeure de performance, son intrt en regard de la complexit de mise en uvre n'est pas avr. La deuxime raison que nous avanons est que les mesures ne retent pas l'environnement, le cycle d'adaptation n'est pas oprationnel.
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Fast Optimized Link State Routing (F-OLSR)F-OLSR [45] est conu comme une extension du protocole standard OLSR tat de liaison, pour amliorer la localisation des nuds qui se dplacent rapidement. L'ide de base est que les nuds en dplacement rapide doivent 1) maintenir jour un sous-ensemble restreint de leur voisinage rafrachi plus frquemment que des nuds ayant une mobilit plus faible et 2) choisir un nombre limit de relais multipoints pour maintenir la connectivit avec les autres nuds. (Les relais multipoints sont chargs de diuser les informations de routage dans le protocole OLSR, ce qui vite que tous les nuds le fassent et diminue ainsi l'inondation). Dans F-OLSR les messages de voisinage (messages HELLO), concernant les nuds en dplacement rapide sont diuss avec une frquence plus leve, pour dtecter les ruptures de liens et les nouveaux liens plus rapidement. Tout changement de lien avec un relais multipoints engendre la diusion immdiate d'un message de contrle travers le rseau OLSR, ce qui permet de mettre jour les tables de topologie et donc les tables de routage (le routage OLSR est proactif, ds qu'un nud apparat il est signal). Si le nud dispose des informations issues des couches infrieures IP, tel l'aaiblissement du signal radio, lui indiquant qu'il se dplace rapidement, il dclenche un mode de fonctionnement dit rapide . En absence d'information notie par des couches infrieures, la dtection de mobilit se fait en observant les changements de voisinage.
Adaptive Routing Protocol (ARPM)ARPM [46] adapte le mode de routage, proactif versus ractif, en fonction du degr de mobilit des nuds. Le protocole commence en mode proactif au niveau de chaque nud. Chaque nud construit des tables de routage et envoie les variations de ces tables aux nuds voisins. Si un nud dtecte une mobilit locale qui dpasse un certain seuil il cesse son activit et passe un mode d'opration ractif. De cette faon ARPM rduit le dlai pour tablir une route quand la topologie est relativement statique (faible mobilit) et limite le volume de trac de contrle lorsque la topologie devient trs dynamique (haute mobilit). L'auteur propose d'utiliser une mtrique de mobilit reposant sur le changement de voisinage
Cluster Source Routing (CSR)CSR [12] est une extension du protocole DSR qui amliore le passage l'chelle, en mettant en place une architecture hirarchique de cluster deux niveaux qui vite l'inondation du rseau lors des dcouvertes de routes. Le chef de cluster de plus haut niveau agit comme un cache de routes centralis qui traite les requtes de route issues des chefs de clusters du rseau. En cas d'absence de route dans le cache, une dcouverte de routes est alors eectue via des communications unicast entre les chefs de clusters. L'originalit de CSR rside dans l'adaptation distribue du mode de routage (plat ou hirarchique) selon les conditions du rseau : chaque nud adapte son mode de routage de manire autonome en fonction de ses critre d'adaptation. Le mode de routage, avec/sans cluster, est choisi en fonction : 1) du nombre de voisins estim via le cache de routes 2) du nombre de paquets d'erreurs
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de route gnrs. Au vu des travaux mens sur les mtriques que nous prsentons dans le chapitre suivant, nous tondons sur la premire explication.
Rexions :Les exemples d'adaptations proposs utilisent des mtriques de mobilit qui reposent sur de nombreux paramtres : des informations locales au nud, sa vitesse de dplacement ou bien la force du signal, des informations de voisinage, le changement de voisins ou encore des informations globales sur la rupture de chemins. Concernant ces dernires notons que leur vracit peut tre sujette caution. En eet dans les protocoles standards DSR et AODV, qui utilisent des messages d'erreur de route, il est prvu des optimisations internes qui bloquent la rception d'erreurs de routes : en cas de rupture de chemins un nud intermdiaire rpart la route sans prvenir le nud qui gnre le trac. Plus gnralement, concernant l'intrt d'optimiser le routage par une adaptation la mobilit, Il apparat que la mobilit inuence les performances du routage et donc qu'il faut s'y adapter. L'adaptation peut porter sur des paramtres comme Fast-OLSR ou sur le mode de routage comme ARPM ou CSR.
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1.3
Conclusion
De nombreux travaux de recherches proposent d'amliorer les performances protocolaires des rseaux par une adaptation dynamique leur environnement. Nous avons analys ce processus dans les rseaux mobile ad hoc en en dgageant les caractristiques, intrts et limitations. Les caractristiques releves sont le type d'adaptation, de paramtres ou de mode, l'origine protocolaire, de mme niveau que l'adaptation (auto-adaptation) ou non (adaptation inter-couches) et la nature des informations (a vue locale, voisinage ou rseau) qui dclenchent l'adaptation. Les travaux de la littratures sont synthtiss selon leur objectif d'adaptation : nergie, tat de la liaison, charge de trac et dynamicit de la topologie. Nous en retenons des limitations l'adaptation qui proviennent pour une part du surcot de signalisation ncessaire l'obtention des informations, qui limite les gains de performance de l'adaptation, et d'autre part, de la mise jour non synchronises entre l'tat du rseau, dtermin par un ensemble de variables, et les adaptations qui en modient la valeur. Le problme se produit lorsque plusieurs adaptations, qui ne sont pas toutes du type auto-adaptation existent dans le systme. Nous prconisons alors de mettre en place soit des auto-adaptations soit des adaptations inter-couches utilisant des paramtres provenant de la couche protocolaire directement infrieure et ce en dnissant un tat de temps de prise en compte pour stabiliser l'adaptation et viter des oscillations intempestives. Parmi les adaptations prsentes celle la mobilit nous parait particulirement intressante pour le routage qui est par dnition en charge de la gestion de la topologie. Dnir une adaptation revient modier les paramtres du routage ou son mode de fonctionnement en fonction de la mobilit des lments du rseau. Une adaptation largement tudie du routage est celle la taille du rseau qui permet de mettre en place une structure de routage adapte la densit du rseau (de type cluster ou rseau d'arrire plan) celle-ci peut se rajouter la prise en compte de la mobilit obtenue par direntes mtriques, comme en atteste
![[Manuscrit thèse FNB] Après corrections](https://static.cupdf.com/doc/110x72/586e21291a28ab98698b9732/manuscrit-these-fnb-apres-corrections.jpg)
