Soutenance mémoire
Historique, évolution et applications des réseaux sans fil
L’histoire des communications radio-mobiles peut être découpée en trois grandes phases. La première concerne les découvertes théoriques et la mise en évidence de l’existence des ondes radios. Cette phase débute en 1678 avec les travaux de Huygens sur les phénomènes de réflexion et de réfraction de la lumière. C’est Fresnel qui, en 1819 en démontre la nature ondulatoire. En 1865, Maxwell établit les célèbres formules unifiant phénomènes électrique, magnétiques et lumineux mais ce n’est qu’en 1887 que Hertz met en évidence pour la première fois la possibilité d’émission/détection d’une onde électromagnétique entre deux points distants de quelques mètres. À la fin du siècle, en 1897, Ducretet étend cette distance en établissant une liaison radio de quelques kilomètres de porté. Après avoir montré la possibilité de communications radio-mobile entre un bateau et une île en 1898, Macroni met en place la première radio trans-Atlantique entre l’Europe et les Etats Unis trois ans plus tard. Il marque ainsi le point de départ des premiers systèmes de communications radio.
La seconde phase est constituée par le développement et l’évolution des équipements et des techniques mais pour des usages encore réservés à certaines catégories de la population. Les stations radio d’émission/réception sont au début du 20e siècle de taille imposante. Par exemple en 1902, une station radio militaire pour le télégraphe était constitué d’un moteur à essence pour tracer le système de communications consistant en générateur de 1kW monté sur une remorque suivie d’une seconde remorque pour l’émetteur et le récepteur. C’est l’évolution des techniques et des équipements (taille, poids, la porté des communications et les services radiotéléphonie) qui permettra aux systèmes radios d’acquérir la dimension mobile. La seconde guerre mondiale va accélérer le développement des systèmes qui vont, dans les années 1950, se multiplier pour les applications civiles (compagnies de taxis et ambulances par exemple). Les équipements restent cependant encore lourds et occupent une place importante puisqu’ils sont généralement installés dans les coffres des véhicules.
Les progrès techniques et développement des systèmes de communications vont faire entrer les systèmes de communications sans fil et mobiles dans le domaine grand publique (la troisième phase). Les premiers types de systèmes de communications disponibles au plus grand nombre sont les systèmes cellulaires. Conçu comme réponse à l’augmentation de la demande et à la faible disponibilité du spectre radio, les systèmes cellulaires analogiques se développent dans la décennie 1970. En 1979, le premier système cellulaire AMPS (Advanced Mobile Phone Service) est installé à Chicago, suivi en 1980 par le HCMTS (Hight Capacity Mobile Telephone System) à Tokyo. La décennie 1980 va voir ainsi se généraliser l’implantation de systèmes cellulaires analogiques dans de nombreux pays. Parallèlement, les systèmes sans cordon, se développent et connaissent des taux de croissance impressionnants. Toutefois, c’est réellement le système cellulaire numérique GSM , avec les services de type RNIS (Réseau Numérique à Intergration de Services) et la possibilité de roaming international, qui constitue le représentant le plus significatif de la révolution des mobiles de la décennie 1990. les systèmes sans fil et mobiles vont toucher progressivement tous les domaines d’activités économiques et intégrer peu à peu tous les types de services de télécommunications.
Comme on l’a déjà mentionné, plusieurs facteurs ont contribué à l’évolution rapide de ces dernières années. En effet, la miniaturisation des composants a permis de réduire la taille des produits électroniques sans fil en général (GPS, téléphone sans fil, …) et le matériel informatique en particulier. Les ordinateurs portables sont de plus en plus légers et puissant en même temps, génération après génération. Cette miniaturisation s’est accompagnée avec une évolution d’autonomie et une baisse de consommation. Un autre facteur important qui aide beaucoup à rendre la technologie sans fil plus populaire est la baisse des prix ainsi que la disponibilité des bandes radios ISM (Industrial Scientific and Medical) et UNII (Unlicensed National Information Infrastructure) à 800 MHz, 2.4 GHz et 5 GHz, qui peuvent être utilisées gratuitement et sans autorisation (malgré quelques différences dans la législation d’un pays à un autre). Avec la récente évolution des technologies de communication sans fil. On s’attend à un développement rapide des réseaux locaux sans fil et leur utilisation sera de plus en plus fréquente. Bien que les projets aient souvent débuté dans un cadre militaire pur, le domaine d’application des réseaux sans fil s’étend bien au-delà. En effet, les réseaux sans fil offrent une grande flexibilité ainsi qu’une rapidité et facilité de mise en place. Ils seront d’un grand apport lors des catastrophes naturelles, des incendies, où il sera indispensable de disposer rapidement d’un réseau pour organiser les secours et les opérations de sauvetage. Les réseaux sans fil sont plus faciles à implanter dans des bâtiments, où il est impossible d’installer des câbles convenablement ; tel que les vieux bâtiments, les sites classés (exemple : châteaux et monuments historiques), lors des manifestations temporaires (congrès, foires, salons, expositions, le tour de France, et autre manifestation sportives). On peut aussi avoir recours à ce type de réseau lorsqu’on veut interconnecter des bâtiments à moindre coût (i.e., sans location d’une liaison spéciale chez un opérateur). On peut imaginer une application industrielle, où les nœuds seront en fait des robots mobiles qui pourront se déplacer librement dans l’usine. Ou bien encore, dans des environnements hostiles à l’homme tels que des cratères de volcans pour surveiller leur activités ou bien le long d’une faille géologique. Dans les campus universitaires, l’utilisation des réseaux sans fil peut être très utile pour les étudiants qui pourront se connecter sur leurs comptes et travailler à partir de la bibliothèque ou leurs chambres.
Problèmes des transmissions radios et des réseaux sans fil
Les ondes radios (notées RF pour Radio Frequency) se propagent en ligne droite dans plusieurs directions. La vitesse de propagation des ondes dans le vide est de 3.108 m/s. Lorsqu’une onde radio rencontre un obstacle, une partie de son énergie est absorbée et transformée en énergie (thermique par exemple), une partie continue à se propager de façon atténuée et une dernière peut éventuellement être réfléchie. L’atténuation augmente avec l’augmentation de la fréquence ou de la distance. De plus lors de la collision avec un obstacle, la valeur de l’atténuation dépend fortement du matériel composant l’obstacle. Généralement les obstacles métalliques provoquent une forte réflexion, tandis que l’eau absorbe le signal. Les réseaux sans fil utilisent des ondes radios ou infrarouges afin de transmettre des données. Les transmissions radios dans les réseaux sans fil sont toutefois soumises à de nombreuses contraintes, liées à la nature de la propagation des ondes radios et aux méthodes de transmissions, rendant ce type de transmission non suffisante. Le signal transmis est sujet à nombreux phénomènes dont la plupart ont un effet de dégradation sur la qualité du signal. Cette dégradation se traduit en pratique par des erreurs dans les messages reçus qui entraînent des pertes d’informations pour l’usager ou le système. Ces contraintes sont notamment :
☞ débit plus faible que celui du filaire. La bande passante est une ressource rare, il faut minimiser la portion utilisée pour la gestion du réseau, afin de pouvoir laisser le maximum de bande passante pour les communications ;
☞ les brouillages dus aux interférences : les liens radios ne sont pas isolés, deux transmission simultanées sur une même fréquence ou, utilisant des fréquences proches peuvent interférer. De plus, les interférences peuvent venir d’autres types de machine non dédiées aux télécommunications. Par exemple, les fréquences utilisées dans les fours à micro-ondes sont dans les fréquences de la bande ISM ;
☞ les brouillages dus au bruit ambiant (que nous distinguons des interférences), provenant d’émission d’autres systèmes par exemple ;
☞ les évanouissements (ou fadings) dans la puissance du signal dus aux nombreux effets induits par le phénomène de multitrajets ;
☞ erreurs de transmission : les erreurs de transmission radio sont plus fréquentes que dans les réseaux filaires;
☞ liens versatiles : les transmissions radios sont très sensibles aux conditions de propagation, ce que les rend versatiles. Un contrôle de la qualité des liens est obligatoire afin de pouvoir les exploiter convenablement pour les communications radios;
☞ puissance du signal : la puissance du signal diminue avec la distance, et la puissance utilisée est sévèrement réglementée par les autorités compétentes des pays;
☞ les pertes de propagation dues à la distance parcourue par l’onde radio, ou affaiblissement de parcours (pathloss) ;
☞ les atténuations de puissance du signal dues aux effets de masques (shadowing) provoqués par les obstacles rencontrés par le signal sur le trajet parcouru entre l’émetteur et le récepteur ;
☞ nœuds cachés : ce phénomène est très particulier à l’environnement sans fil. Les nœuds qui ne s’entendent pas, à cause d’un obstacle qui empêchent la propagation des ondes, peuvent provoquer des collisions ;
☞ impossibilité de détecter les collisions au cours d’une transmission. Pour détecter une collision, une station doit être capable de transmettre et d’écouter en même temps. Or, dans les systèmes radios, il ne peut y avoir transmission et écoute simultanées ;
☞ consommation d’énergie : qui dit sans fil, dit aussi mobilité, et donc autonomie. Pour maximiser la durée de vie des batteries, il faut économiser autant que possible les transmissions inutiles ;
☞ sécurité : les détecteurs des signaux et les récepteurs passifs peuvent espionner les communications radio si ces dernières ne sont pas protégées ;
☞ mobilité et topologie dynamique : la disparition ou l’apparition d’un nœud ou un lien entre deux nœuds peut être le résultat d’un déplacement, c’est aussi parce que la batterie est épuisée ou lorsqu’une panne survient.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Le point de départ et sujet de thèse
1.2 Contributions et organisation du document
2 La mobilité dans les réseaux sans fil : état de l’art 11
2.1 Historique, évolution et applications des réseaux sans fil
2.2 Problèmes des transmissions radios et des réseaux sans fil
2.3 Les réseaux mobiles et sans fil
2.3.1 Les réseaux cellulaires
2.3.2 IP Mobile
2.3.3 Les réseaux privés sans fil
2.4 Résumé
2.5 Conclusion
3 La 4G : l’interopérabilité entre les réseaux
3.1 Les principes de la gestion de mobilité dans les réseaux sans fil et mobiles
3.2 Une structure hiérarchique des réseaux sans fil
3.3 Un exemple d’intégration : 3G/WLAN
3.4 Les handovers dans une OWN
3.5 Position des objectifs
3.6 OWN : La gestion de la mobilité
3.6.1 Description d’Archi-1
3.6.2 Fonctionnement d’Archi-1
3.6.3 Les handovers dans Archi-1
3.6.4 Latence et overhead dans Archi-1
3.6.5 Description d’Archi-2
3.6.6 Fonctionnement d’Archi-2
3.6.7 Les handovers dans Archi-2
3.6.8 Latence et Overhead dans Archi-2
3.7 Optimisation des handovers
3.7.1 La cellule virtuelle
3.7.2 Émission rapide des trames balises
3.7.3 Diffusion multiple des paquets (DMP)
3.7.4 Diffusion multiple des entêtes (DFE)
3.8 Les handovers inter-domaines
3.9 La mobilité rapide et faible
3.10 Évaluation des performances
3.10.1 Le modèle de simulation
3.10.2 Les résultats des simulations
3.11 Conclusion
4 Conception des algorithmes pour le routage à multiples contraintes
4.1 Interconnexions et graphes
4.2 Les règles de composition des contraintes
4.3 Résumé des algorithmes de routage existants
4.4 Routage à contrainte simple
4.5 Routage aux contraintes multiples
4.5.1 Une approche à métrique unique mixte
4.5.2 Une approche à plusieurs métriques
4.6 Résultats de simulation
4.6.1 Le coût moyen
4.6.2 Le nombre moyen d’étapes
4.6.3 Comparaison des performances
4.7 Conclusion
5 Routage ad hoc et qualité de service
5.1 Les réseaux Ad hoc
5.1.1 Routage niveau MAC vs niveau réseau
5.1.2 Les protocoles de routage pour les réseaux Ad Hoc
5.2 Optimized Link State Routing protocol (OLSR)
5.2.1 Détection de voisinage
5.2.2 Le concept des relais multipoint
5.2.3 Gestion de la topologie
5.2.4 Calcul des routes
5.2.5 Raisons de choix du protocole OLSR
5.3 Définition de la qualité de service
5.4 Les concepts de QoS sur IP
5.4.1 IntServ et DiffServ
5.4.2 RSVP
5.4.3 Routage contraint
5.5 Les modèles de QoS pour MANETs
5.5.1 FQMM : Flexible quality of service model for MANETs
5.5.2 SWAN : Service differentiation in wireless ad hoc networks
5.5.3 Modèle iMAQ
5.6 Systèmes de signalisation pour la QoS dans MANETs
5.6.1 Signalisation in-band et out-of-band
5.6.2 Maintient des réservations soft-state et hard-state
5.6.3 Protocole de signalisation INSIGNIA
5.6.4 Le protocole Bruit
5.7 Routage avec QoS dans MANETs
5.7.1 CEDAR : Core-Extraction Distributed Ad hoc Routing Algorithm
5.7.2 Ticket-Based QoS Routing
5.7.3 QoS pour AODV
5.8 Conclusion
6 Conclusion
