Modélisation de qualité de service pour les réseaux sans fil maillés

Présentation d’un réseau sans fil maillé

Un réseau maillé est tout simplement un réseau où chaque nœud peut communiquer avec n’importe quel autre nœud sans que la perte du lien n’ait un impact sur la connectivité. Il fournit au minimum deux chemins différents vers n’importe quel autre nœud du réseau. Les données circulent d’un nœud vers l’autre jusqu’à atteindre la destination finale. Pour le cas des réseaux sans fil maillés (WMN), les nœuds peuvent fonctionner comme des routeurs et permettent le relai via les liens sans fil.

Dans les réseaux sans fil maillés, les stations de base (appelés Mesh Router) communiquent entre eux en utilisant des liens radio contrairement aux réseaux sans fil traditionnels où les stations de base utilisent des liens filaires. Cette particularité des réseaux sans fil maillés permet de simplifier leur installation, leur modification et la maintenance et par conséquent, réduire le coût par rapport aux réseaux sans fil traditionnels. Dans un réseau sans fil maillé, on distingue deux types de nœuds : les clients Mesh et les routeurs Mesh . Les routeurs Mesh forment ce qu’on appelle « réseau dorsal sans fil » et maintiennent automatiquement la connectivité dans cette dorsale, ce qui permet d’augmenter la fiabilité et la robustesse du réseau. Un client Mesh peut utiliser cette dorsale pour se connecter à l’Internet ou communiquer avec d’autres nœuds. La communication entre les équipements dans les réseaux sans fil maillés est en ligne de vue obstruée (Non-Line Of Sight) , c’est-à-dire que ces équipements parviennent à communiquer entre eux même s’il y a des obstacles comme des immeubles, arbres, etc sur le chemin de la ligne de vue (Line Of Sight) .

Les avantages d’utilisation des réseaux sans fil maillés

Les réseaux sans fil maillés sont un type spécial de réseaux sans fil multi-sauts. Les réseaux maillés ont certains avantages qui sont aussi applicables dans les réseaux mobiles Ad-Hoc (MANET) et réseaux de capteurs sans fil (WSN). La force de réseaux sans fil maillés est le résultat direct de ces caractéristiques .
Auto-configuration et Auto-organisation : Les réseaux sans fil maillés sont auto-configurables et auto-organisés. Généralement, les nœuds peuvent être ajoutés ou supprimés du réseau, quand c’est un besoin, sans aucune intervention administrative spéciale. Les nœuds des réseaux sans fil maillés font connaissance de leur nœuds voisins et les données sont acheminées dynamiquement entre eux. Les nœuds quittent et joignent le réseau, quelques connexions échouent, d’autres sont crées. Tout cela est géré par le protocole de routage maillé.

Auto-réparation : Les réseaux sans fil maillés sont auto-réparables. En effet, quand certains nœuds ou routes ont échoués, aucune intervention administrative n’est requise. Le terme « Mesh » signifie que ces nœuds sont maillés et qu’il existe un nombre alternatif de routes qui peuvent remplacer les routes qui ont echouées. La capacité d’auto-réparation dépend aussi du degré de maillage qui implique l’existence de routes alternatives. Ajouter plus de routeurs permet aussi d’augmenter la fiabilité du réseau et de disposer d’itérinaires alternatifs.
Facilité de déploiement : les réseaux sans fil maillés sont faciles à déployer comparativement aux autres réseaux sans fil. La différence essentielle provient du fait que les réseaux locaux sans fil nécessitent des connexions filaires de points d’accès au réseau filaire.

Couverture et développement: En utilisant la capacité de routage multi-sauts, la portée d’un réseau sans fil maillé peut être étendue. Des nœuds peuvent être ajoutés si on a besoin d’élargir la couverture. Par contre, les réseaux traditionnels comme les WLAN ont des problèmes d’évolutivité. Cela est dû aux exigences de la connexion filaire pour chaque point d’accés. Généralement, les WLANs sont utilisés juste pour les petites surfaces. Les réseaux sans fil maillés peuvent facilement évoluer pour couvrir de larges étendues géographiques.

Architectures de réseaux sans fil maillés

Les réseaux sans fil maillés sont composés essentiellement de nœuds sans fil. Ces nœuds peuvent être de deux types : les routeurs maillés et les clients maillés. En plus des fonctionnalités des routeurs sans fil classiques, les routeurs maillés possèdent de multiples-interfaces sans fil pour se connecter aux différentes technologies sans fil.

L’autre type est un client maillé sans fil (MC) qui peut être soit un utilisateur final et/ou un routeur avec le minimum de fonctionnalités.

Les architectures des réseaux sans fil maillés sont classées selon trois modéles : une architecture client, une architecture dorsale (backbone) d’un réseau maillé et une architecture hybride. Il faut noter aussi que les réseaux sans fil maillés peuvent être classés selon le nombre de radios et de canaux disponibles.

L’architecture client: Cette architecture est formée de nœuds clients seulement et le maillage des clients crée un réseau pair à pair. Les nœuds client constituent le réseau et assurent les fonctionnalités de routage, de configuration et d’exécution des applications . Un paquet envoyé par un nœud doit effectuer des sauts d’un nœud à un autre pour arriver à sa destination. En général, ce réseau est formé en utilisant un seul type d’interface radio.

L’architecture « Backbone » : Ce type de réseaux intègre des points d’accès formant une infrastructure à laquelle se connecte les clients. Plusieurs technologies radio peuvent être incorporées à ce type de réseaux maillés, par exemple 802.11, 802.16,etc .. La fonctionnalité de la passerelle (Gateway) intégrée dans certains points d’accès assure la connectivité à l’internet. Cette approche de maillage crée une dorsale (backbone) pour les clients et permet de faire coexister les réseaux Mesh sans fil avec les réseaux classiques. Les clients sont capables de communiquer directement avec les points d’accès s’ils utilisent la même technologie radio, sinon ils communiquent avec les stations de base reliées par fils au « backbone » sans fil .

L’architecture hybride : Cette structure est composée des deux architectures décrites précédemment. Les clients peuvent accéder au réseau soit par l’intermédiaire des points d’accès ou bien par le maillage avec d’autres nœuds client. Le backbone assure la connectivité à d’autres types de réseaux comme Internet, Wi-Fi, WiMAX, les réseaux cellulaires ou de capteurs, tandis que la capacité de routage des nœuds client développe la connectivité et la couverture à l’intérieur du réseau des clients Cette dernière architecture sera le modèle approprié pour la génération future .

Comparaison entre les réseaux sans fil maillés et les réseaux Ad-hoc

Il y a certaine similarité entre les réseaux sans fil maillés et les réseaux Ad-hoc. En effet, les réseaux sans fil maillés utilisent un relai multi-sauts de proche en proche comme dans le cas des réseaux Ad-hoc. Toutefois, il existe certaines différences entre ces deux technologies, notamment :

Nature de la topologie: Les réseaux Ad-hoc ont des nœuds qui sont fréquemment mobiles et la topologie est dynamique. Dans le cas des réseaux sans fil maillés, les routeurs maillés sont fixes et la topologie ne change pas souvent.

Le trafic : Les réseaux Ad-hoc ont de trafic point à point entre deux nœuds. Par contre, le trafic dans les réseaux sans fil maillés est relié par les routeurs Mesh et les passerelles.

La capacité : Les nœuds de réseau Ad Hoc sont généralement équipés d’un seul radio. Par contre, les nœuds de réseau sans fil maillés sont parfois équipés de multiples radios afin de réponde aux exigences de la bande passante et supporter un grand nombre d’utilisateurs. Ainsi, les réseaux sans fil maillés ont plus de capacité que les réseaux Ad Hoc.

L’accès aux différentes technologies radio : Les réseaux sans fil maillés ont la possibilité de coexister avec d’autres réseaux extérieurs grâce aux passerelles, contrairement aux réseaux Ad -hoc qui n’ont pas l’accès aux autres réseaux qui utilisent une technologie radio différente.

Domaine d’applications: Les réseaux Ad-hoc sont utilisés principalement dans les applications militaires. Pour les réseaux sans fil maillés, à part les applications tactiques, on peut trouver des scénarios d’ applications dans le domaine civil.

Qualité de service pour les réseaux sans fil maillés

L’ objectif de la qualité de service est d’ atteindre le meilleur compromis en termes de délai de bout en bout, de la variance du délai, de la bande passante et des pertes de paquets, ceci afin d’assurer correctement l’acheminement de données. La qualité de service est définie comme la capacité de fournir un certain niveau de qualité de service lors de la transmission des données. Dans les applications en temps-réel, comme la voix et la vidéo, le délai de bout en bout doit être limité.

Généralement, il est difficile de garantir la qualité de service pour ce genre d’applications dans le cas des réseaux sans fil maillés. En effet, différents facteurs doivent être pris en considération, spécialement le changement de la topologie et la bande passante limitée. Pour les applications qui ne sont pas en temps-réel, comme la messagerie, ils nécessitent une communication plus fiable.

Les caractéristiques de qualité de service sont considérées comme des paramètres pour lesquels la qualité de service est contrôlée et gérée afin de fournir un meilleur service. Ces paramètres sont décrits comme suit :

La latence: C’est le temps de transmission qu’un paquet peut prendre pour passer de la couche application au niveau de transmetteur jusqu’au même niveau au récepteur. Ce temps est appelé aussi le délai de bout en bout. Il peut être exprimé comme la somme des délais de processus au niveau de transmetteur, soient les délais de propagation, délai de mémoire tampon et le délai de processus au niveau de récepteur.

La gigue de transmission : Elle est définie comme la différence temporelle de paquets qui arrivent au récepteur en différents séquences. Autrement dit, c’est la différence de délai de bout en bout entre deux séquences. Par exemple, si deux paquets ont des délais de bout en bout : l ‘un est de 60ms et l’ autre de 70ms, le délai de gigue est 10ms. Généralement, la gigue doit être inférieure à 100ms pour une qualité acceptable.

Perte de paquets : Le phénomène de congestion détruit une certaine proportion de paquets entrants en fonction de seuils prédéfinis. Une erreur sur l’en-tête d’un paquet causé par le bruit d’interférence, de la dégradation de signal entraine la perte de paquet ou l’envoi vers une mauvaise destination. En effet, quand le récepteur reçoit le paquet, il effectue le contrôle de redondance cyclique (CRC) pour le paquet et trouve qu’il est corrompu .. Ainsi, le récepteur néglige l’envoi d’un accusé au récepteur. Le transmetteur considère que le paquet est perdu une fois le temps d’accusé de réception est dépassé.

La bande passante: C’est une ressource allouée au réseau et représente le taux de bits envoyés. Cette quantité est variable et dépend de différents facteurs comme la technologie (Ethenet, Wifi), le support de communication, les protocoles de routage … etc.

Table des matières

Chapitre 1 : Introduction 
Chapitre 2 : Réseaux sans fil maillés 
2.1 Introduction
2.2 Présentation d’un réseau sans fil maillé
2.3 Domaine d’application
2.4 Les avantages d’utilisation de réseaux sans fil maillés
2.5 Architectures de réseaux sans fil maillés
2.6 Comparaison entre les réseaux sans fil maillés et les réseaux Ad Hoc
2.7 Qualité de service pour les réseaux sans fil maillés
2. 7.1 La gestion de qualité de service pour les réseaux sans fil maillés
2. 7.2 La difficulté de garantie de qualité de service
2. 7.3 Modélisation de qualité de service pour les réseaux sans fil maillés
2.8 Conclusion
Chapitre 3: Analyse des réseaux sans fil maillés
3.1 Introduction
3.2 Les interférences
3.2.1 Les types d’interférence
3.2.2 Modélisation des interférences
3.3 Affectation de canaux
3.3.1 Affectation statique de canaux
3.3.2 Affectation dynamique de canaux
3.3.3 Affectation hybride de canaux
3.4 Contrôle de puissance
3.5 La connectivité
3.6 La capacité
3.7 Conclusion
Chapitre 4: Évaluation des techniques d’optimisation appliquées aux réseaux sans fil maillés 
4.1 Introduction
4.2 L’optimisation combinatoire
4.3 Algorithmes d’optimisation combinatoire pour les réseaux sans fil maillés
4.3.1 Algorithme glouton ou Greedy
4.3.2 Algorithme génétique
4.3.3 Algorithme de Branch and Bound
4.4 Évaluation d’algorithmes d’optimisation combinatoire pour les réseaux sans fil maillés
4.4.1 Critères de choix de la méthode
4.5 Conclusion
Chapitre 5 : Optimisation et analyse des résultats 
5.1 Introduction
5.2 Problématique
5.2.1 Modèle de contrôle de puissance, affectation de canaux et connectivité
5.2.1.1 Condition de transmission
5.2.1.2 Condition d’interférence
5.2.1.3 Affectation de canaux
5.2.1.4 Modélisation de trafic et connectivité
5.2.1.5 Formulation de problème
5.2.2 Modèle de capacité
5.3 Conclusion
Chapitre 6: Simulation et résultats 
6.1 Introduction
6.2 Méthodologie de simulation
6.2.1 Description de logiciel
6.2.2 Méthode et paramètres de simulation
6.3 Résultats numériques et analyse
6.4 Conclusion
Conclusion

Télécharger le rapport complet