La couche d’accès radio

La couche d’accès radio

La couche d’accès radio est la deuxième couche en jeu, c’est elle qui organise les transmissions dans les voisinages du réseau ad hoc. Dans des transmissions par paires de noeuds, la gestion des accès radio est faite, avec un simple système d’échange avec les voisins, de paquets de sondage, selon le principe CSMA/CA (Carrier Sense Medium Access/Collision Avoidance). Dans le cadre de voisinages plus complexes, l’accès radio est basé sur le multiplexage de la couche physique. Dans cette situation nous avons une gestion de ressources d’une part et d’autre part des ressources à allouer aux radios, que sont la fréquence, le temps, le positionnement dans l’espace du faisceau des antennes, les codes… L’accès à répartition de la ressource fréquentielle ou FDMA (Frequency Division Multiple Access) est réalisé en donnant à chaque utilisateur une fréquence de transmission. L’accès à répartition de la ressource temporelle ou TDMA (Time Division Multiple Access), par un partage des temps de communications. L’allocation à répartition de la ressource spatiale ou SDMA est faite par le positionnement adéquat dans l’espace du faisceau des antennes des utilisateurs.

Le CDMA ou accès radio par code opère différemment. Il permet aux utilisateurs d’accéder aux mêmes ressources fréquentielles et temporelles, chacun avec un code d’étalement propre. Très utilisé chez les militaires pour les avantages qu’il offre en termes de sécurité, de capacité, il a été introduit dans les applications civiles à travers les systèmes de communications des générations deux et trois. Les systèmes qui l’implémentent supportent plus d’utilisateurs et permettent plus de réutilisation fréquentielle. Son traitement du signal demande une capacité de calcul supérieure à celle du TDMA et FDMA, et le nombre d’opérations est du même ordre de grandeur que celui du SDMA. Lorsque nous avons des réseaux à réception multiples, qui sont le centre d’intérêt de cette étude, ils implémentent en général le CDMA, qui est mieux maitrisé de nos jours que le SDMA. Les réseaux à réceptions multiples permettent d’augmenter la capacité d’utilisateurs. La gestion des accès radio se sert du traitement du signal implémenté dans la couche physique (détecteur multi-utilisateurs) pour supprimer les interférences d’accès multiples.

En plus de gérer les accès, comme mentionné ci-dessus, la couche d’accès radio organise aussi les transmissions dans le voisinage selon des topologies bien précises. Elle implémente pour cette tâche, un mécanisme de gestion de la topologie qui permet de diviser le réseau ad hoc en plusieurs voisinages de radios. Le voisinage est organisé en un ensemble de paires de noeuds qui communiquent. Il est organisé de façon plus complexe, dans certains cas, en regroupements de plusieurs paires. Le regroupement de paires peut être, premièrement à contexte de mono-réception ou deuxièmement à contexte de multi-réceptions. L’organisation du voisinage peut être aussi, en  »clusters » ou grappes en français, régis par  »une tête de clusters », ou en zones d’accès régies par un point d’accès. Les réseaux organisés en  »clusters » ou en zones d’accès ont une topologie de voisinage qui varie peu. Le mécanisme de gestion de topologie est simple, le noeud entrant dans le cluster, ou dans la zone d’accès se signale. Dans les réseaux organisés en regroupement de paires de communications, la topologie dans le voisinage est plus dynamique. Le mécanisme qui gère ce changement de topologie s’adapte en conséquence. Les réseaux ad hoc à multi-réceptions qui sont le centre d’intérêt de ce travail, intègrent dans chaque radio, un détecteur multi-utilisateurs.

Le voisinage, est alors organisé autour des noeuds à réception multiples, i.e. qui reçoivent des paquets simultanément de plusieurs voisins. En résumé, les problèmes d’accès radios sont traités d’un point de vue logique, voire logicielle pour donner les mécanismes qui forment le protocole d’accès implémenté. De nombreux protocoles ont été développés pour répondre, aux différents besoins des réseaux ad hoc. Ceux conçus pour les réseaux ad hoc de base sont de la famille CSMA/CA et la norme qui en est issue, IEEE 802.11, a permis le succès des réseaux Wi-Fi. Nous avons ensuite la norme européenne HIPERLAN, le Bluetooth développé par la firme Ericsson. Les augmentations de besoins en terme de nombre d’utilisateurs à supporter, de qualité de service, de réutilisation fréquentielle, propres aux réseaux ad hoc plus sophistiqués, ont montré les limites de la famille des protocoles CSMA/CA. Elles ont conduit à développer des variantes plus puissantes des précédentes normes d’une part, d’autre part à la recherche sur d’autres types de protocoles basés surtout sur les techniques d’accès classiques citées. Le CDMA, TDMA, ou SDMA, sont ainsi les bases des protocoles avancés, conçus afin d’augmenter spécifiquement les capacités d’utilisateurs. Ils sont souvent combinés, d’une part avec des techniques de haut débit telles que le MIMO (Multiple Input – Multiple Output), l’OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), d’autre part avec des techniques de réception à faible taux d’erreurs telles que la détection multi-utilisateurs, la réception sous contrôle de puissance, sous adaptation de débit.

Les enjeux de la conception dans les réseaux ad hoc Les réseaux ad hoc sont aussi évalués fondamentalement, à trois niveaux de performances, à l’image des réseaux cellulaires : premièrement les services, deuxièmement le nombre d’utilisateurs supportables par voisinage de radios, troisièmement le déploiement optimisé des scénarios ad hoc dans l’espace. Ce troisième point concerne la réutilisation des fréquences radios dans les voisinages, le positionnement géographique ainsi que la synchronisation des noeuds. Pour atteindre de bonnes performances au niveau des services supportés en mode ad hoc, des recherches ont été faites sur la fiabilité des liaisons sans fil à haute capacité. Elles ont permis de développer des liaisons radios fiables, supportées par des techniques de modulations plus avancées. Ces modulations font appel à divers algorithmes de traitement du signal. Ce sont : les détecteurs multi-utilisateurs dans les transmissions par code ou à antenne multiples, les algorithmes de positionnement du faisceau des antennes dans le SDMA, qui assurent une qualité de réception plus élevée, le MIMO, l’OFDM qui augmentent les débits et la qualité de réception.

Pour obtenir de bonnes performances en nombre d’utilisateurs supportés, la nature des équipements des utilisateurs, les applications exécutées et l’environnement de propagation radios sont déterminants. Afin que le déploiement des scénarios ad hoc dans l’espace aboutisse à de bonnes performances, un fonctionnement optimisé s’impose. La disponibilité des informations de localisation, de synchronisation sont les atouts pour cette optimisation. Les scénarios ad hoc sont non hiérarchisés et monoutilisateurs, non hiérarchisés et multi-utilisateurs, hiérarchisés en  »têtes de clusters »-  »clusters », hiérarchisés en  »point d’accès »- »zones d’accès », en scénarios spéciaux comme dans le domaine militaire. Les trois niveaux de performances évoqués sont soumis aux contraintes de mobilité des stations. Ces contraintes qui causent des dégradations de la qualité des services, des variations de topologie, influencent aussi l’efficience de l’accès radio. Au niveau des accès radio, la recherche s’intéresse aujourd’hui à des protocoles sophistiqués qui tendent à intégrer les trois niveaux de performances et d’exigences ainsi donnés. En plus de réaliser l’accès radio, les protocoles intègrent par conséquent, des mécanismes spéciaux de gestion des augmentations de capacité au niveau de la couche physique. Il existe de ce fait des protocoles à contrôle de puissance, des protocoles à adaptation de débit, des protocoles basés sur la détection multi-utilisateurs, le MIMO, l’OFDM…

Des mécanismes de gestion de la qualité de service (QoS) ont été intégrés pour minimiser le délai des paquets dans les applications en temps réels, garantir la fiabilité des liaisons sans fil, faire de la réservation de ressource, gérer les ressources radios sur la base de leur disponibilité etc. La conception des protocoles les plus récents combine les problèmes d’augmentation en capacité de la couche physique et d’accès radios que sont, la réutilisation des fréquences, la réduction des interférences, et y apporte des solutions en se basant sur les multiplexages FDMA, TDMA, CDMA ou SDMA. Les protocoles à contexte de réceptions multiples sont plus récents et rares. La topologie du voisinage de radios y est organisée autour des noeuds en mode réception. La gestion des accès radio combine, l’accès des utilisateurs avec la gestion du traitement du signal de la couche physique. Plus concrètement, la tâche de la couche physique est de séparer les signaux multiples reçus et de rendre la qualité de réception meilleure. Le dernier constat que nous faisons porte sur le ratio de la quantité de données utiles, sur la quantité de données totale transmise. En effet, l’absence d’infrastructure conduit à des protocoles d’accès radios de réseaux ad hoc qui fonctionnent avec de nombreux paquets d’entête pour les connexions. Ce fonctionnement diminue les quantités totales de données envoyées. De même, les signalisations de positionnement, de synchronisations réduisent la part des données utiles dans les transmissions totales.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 COUCHE PHYSIQUE ET COUCHE D’ACCÈS RADIO DES RÉSEAUX AD HOC À DÉTECTION MULTI-UTILISATEURS
1.1 Introduction
1.2 Généralité sur les protocoles d’accès radios dans les réseaux ad hoc
1.2.1 1ère classification
1.2.2 2ème classification
1.2.3 3ème classification
1.3 Généralité sur les couches physiques dans les réseaux ad hoc
1.3.1 L’interface radio CDMA
1.3.2 L’interface radio OFDM
1.3.3 Résumé
1.4 Protocoles d’accès radio à détection multi-utilisateurs
1.4.1 Généralités
1.4.2 Le détection multi-utilisateurs au niveau du protocole
1.5 La couche physique à détection multi-utilisateurs/transmission multi-débits
1.5.1 Généralités sur les algorithmes de détection multi-utilisateurs
1.5.2 Traitement du signal et complexité
1.5.3 Transmissions multi-débits
1.6 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 2 CADRE CONCEPTUEL INTER-COUCHES CONÇU
2.1 Introduction
2.2 Méthodologie inter-couches dans la littérature
2.2.1 Les différentes architectures inter-couches
2.2.2 Interfaçage couche d’accès radio/couche physique dans la littérature
2.2.3 Inter-couches d’accès radio/couche physique
2.3 Structure détaillée des deux couches de notre réseau
2.3.1 Couche d’accès radio : le protocole d’accès radio MUD-MAC
2.3.2 Couche physique : plateforme radio logicielle CDMA
2.4 Cadre conceptuel inter-couches conçu
2.4.1 Description
2.4.2 Observation et estimation des paramètres de la couche physique
2.4.3 Prédiction du canal
2.4.4 Gestion de la qualité de service/assignation des débits
2.4.5 Interfaçage couche d’accès radio/physique : les procédures intercouches
à implémenter
2.5 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 3 PRÉDICTION DU CANAL ET ADAPTATION DE DÉBIT
3.1 Introduction
3.2 Le scénario de base
3.2.1 Description formelle
3.2.2 Variation des scénarios dans le temps et délai
3.3 Environnement de la couche physique
3.3.1 Généralité sur les canaux
3.3.2 Canal de Rayleigh à bande étroite et plat en fréquence
3.3.3 Canal de Rayleigh multi-trajets large bande
3.3.4 Canal multi-trajets mobile-à-mobile
3.4 Métrique de performances des deux couches
3.4.1 Métrique de la couche physique dans un canal à trajet unique
3.4.2 Métrique de la couche physique dans un canal multi-trajets, fixe-à mobile et mobile-à-mobile
3.4.3 Couche d’acces radio : métriques de performances au niveau des slots de données
3.5 Performance de la couche d’accès en présence de prédiction
3.5.1 Canal à trajet unique et plat en fréquence de 2 MHz
3.5.2 Canal multi-trajets fixe-à-mobile de 25MHz
3.5.3 Canal mobile-à-mobile de 25MHz
3.5.4 Résumé de la comparaison et de l’analyse
3.6 Performance de la couche d’accès en présence d’adaptation de débit
3.6.1 Canal à trajet unique et plat en fréquence de 2MHz
3.6.2 Canal multi-trajets fixe-à-mobile à 25 MHz
3.6.3 Canal mobile-à-mobile à 25 MHz
3.6.4 Résumé
3.7 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 4 AUGMENTATION DU NOMBRE D’UTILISATEURS, DE LA VITESSE ET EFFET DES INTERFÉRENCES
4.1 Introduction
4.2 Mobilité et augmentation du nombre d’utilisateurs au noeud récepteur
4.2.1 Canal à trajet unique et plat en fréquence de 2MHz
4.2.2 Canal multi-trajets fixe-à-mobile à 25 MHz
4.2.3 Canal mobile-à-mobile à 25 MHz
4.2.4 Résumé canal multi-trajets mobile-à-mobile
4.3 Conclusion du chapitre
CHAPITRE 5 EVALUATION DES PERFORMANCES DANS LES CANAUX LOGIQUES ET QUALITÉ DE SERVICE
5.1 Introduction
5.2 Environnement de la couche d’accès radio
5.2.1 Canaux logiques et méthodes d’admission des utilisateurs dans la couche
5.2.2 Algorithmes d’ordonnancement et capacité d’utilisateurs au nœud récepteur
5.3 Performances de l’accès des utilisateurs et qualité de service
5.3.1 Canal à trajet unique
5.3.2 Canal multi-trajets fixe-à-mobile
5.3.3 Canal multi-trajets mobile-à-mobile
5.4 Conclusion du chapitre
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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