La mobilité dans les réseaux sans fil : état de l’art

La mobilité dans les réseaux sans fil : état de l’art

Le GSM devrait céder sa place aux services GPRS et l’UMTS qui offrent des débits plus élevés et d’autres modes de communications en plus de la voix. Comme indiqué dans son nom, l’UMTS se veut universel. Il faut cependant se rendre à l’évidence : principalement à cause de sa bande passante assez limitée, cette 3ème génération ne sera pas la dernière, loin de là. L’usage de la solution WLAN nécessite une utilisation d’une bande de fréquence jusque là consacrée à la défense national, la migration de celle-ci vers de nouvelles bandes de fréquence est lente, ce qui empêche le WLAN de se développer librement. Dans ce contexte et afin de mieux positionner cette thèse, nous faisons une classification des réseaux mobiles et sans fil selon l’étendue géographique et la topologie. Cette classification va nous permettre d’introduire la notion d’une structure hiérarchique des réseaux mobiles et sans fil dans le chapitre suivant. Nous nous intéressons à l’aspect de l’évolution des systèmes sans fil et leurs caractéristiques pour mieux comprendre le besoin d’une nouvelle génération.

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 (voir section 2.3.1), 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.

Les réseaux mobiles et sans fil 

Les termes mobile et sans fil sont souvent utilisés pour décrire les systèmes existants, tels que le GSM, IS95, IEEE 802.11, Bluetooth, etc. Il est cependant important de distinguer les deux catégories de réseaux que recoupent les concepts de mobile et de sans fil de façon à éviter toute confusion. Prenez l’exemple (tiré de [7]) du téléphone sans cordon de résidence. Ce téléphone donne accès au RTC (réseau téléphonique commuté), le réseau classique de téléphone, ou au RNIS (Réseau numérique à intégration de services). Le support de communication utilise l’interface radio pour qu’un abonné puisse appeler depuis son jardin ou sa cuisine, mais ce dernier doit toujours rester au voisinage de son réseau d’abonnement. En cas de mobilité dépassant ces limites, l’utilisateur est contraint de contacter un opérateur local pour souscrire un nouvel abonnement ce genre de systèmes offrent le sans fil sans la mobilité. Un utilisateur mobile est défini théoriquement comme un utilisateur capable de communiquer à l’extérieur de son réseau d’abonnement tout en conservant une même adresse. Certain systèmes tels que le GSM, IS95, UMTS offrent la mobilité et sans fil simultanément. Un autre type de mobilité est celui mis en œuvre dans un réseau IP Mobile [8,9]. Le protocole IP Mobile est une extension d’IP permettant à un nœud de rester accessible avec la même adresse, tout en étant mobile dans différents réseaux. C’est-à-dire, le nœud mobile maintient son adresse permanente de réseau d’origine (Home Address) pour l’identification des connexions de la couche transport (par exemple TCP), et utilise une adresse temporaire (Care of-Address) de réseau visité qui permet de router les paquets jusqu’à lui à son point d’attachement actuel sur Internet. L’adresse temporaire change à chaque fois que le mobile change de réseau d’attachement. Il est possible de classer les réseaux sans fil de plusieurs manières, selon que nous nous intéressons à un critère ou à un autres. La figure suivante présente une classification possible selon les critères suivants : l’étendue géographique, la topologie et l’infrastructure utilisée.

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
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 Conclusion

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