Soutenance mémoire
Un lien évanescent, variable et asymétrique
Toute onde de nature électromagnétique subit une atténuation du signal qui est fonction inverse du carré de la distance. Si la distance est le principal facteur d’atténuation, il n’est pas le seul ; la température, l’humidité, la pression atmosphérique, les effets de multi-chemin (rebonds de l’onde contre un mur), la mobilité et les obstacles sont autant de facteurs influant sur la puissance du signal reçu par un récepteur. La qualité d’un signal radio se mesure par le rapport signal sur bruit appelé SNR (Signal Noise Ratio) qui est exprimé en décibel (dB) La couverture d’une station sans-fil est l’aire autour de celle-ci dans laquelle la communication avec une autre station sans-fil est possible. Si cette aire est parfois schématiquement représentée par un cercle, ses contours sont en réalité flous et fluctuant avec le temps. Ce caractère aléatoire du sans-fil en fait un support particulièrement capricieux et difficilement prévisible. En particulier, la qualité d’un signal peut évoluer dans le temps de façon imprévisible. Aguayo et al [ABB+04] ont étudié ce phénomène sur des liaisons sans-fil WiFi avec des équipements fixes.
Pure Aloha
Pure Aloha [Abr70] est une méthode d’accès au support très simple mise au point en 1968 à l’université de Hawaï pour ALOHAnet. L’idée d’ALOHAnet était de relier plusieurs îles dans une architecture de type étoile dans laquelle la station centrale était appelée le Menehun. Deux bandes de fréquences étaient dédiés pour la communication, une allant des stations vers le Menehun, le canal entrant, et une autre allant du Menehune vers les stations, aussi appelé canal sortant. Le protocole Aloha a ainsi été développé pour répondre au contrainte du canal entrant dans lequel plusieurs stations se partagent le même canal. Lorsqu’une station souhaite émettre une trame, elle le transmet sur le canal entrant, quelles que soit les conditions de celui-ci. Chaque trame correctement reçue par la destination est alors acquittée (via le canal sortant) auprès de la source. Si après un certain temps, la station émettrice n’a toujours pas reçu d’accusé, elle considère que la transmission a échoué et va retransmettre sa trame après un certain temps d’attente, choisi aléatoirement. La procédure est répétée autant de fois que nécessaire. Dans cette approche, plus le nombre d’émetteur est élevé, plus le nombre de collisions augmente. Ce temps d’attente aléatoire entre la décision de retransmettre et la retransmission s’appelle le backoff, c’est un paramètre essentiel pour l’efficacité du protocole. Un protocole efficace est un protocole qui introduit peu de retransmission et qui ne perd pas de temps pour transmettre (afin d’optimiser la bande passante disponible). Plus le backoff est petit, plus la probabilité de collision entre deux retransmissions augmente. De la même façon, plus le backoff est long, plus une station passe de temps à attendre. La valeur du backoff doit donc être choisie en fonction des besoins.
Présence et déploiement du WiFi
La technologie IEEE 802.11, plus connue sous son appellation commerciale Wireless Fidelity (WiFi), est la technologie sans-fil la plus populaire du fait de ses débits élevés et de son faible coût. En 2004, Jones et. al [JL07] ont étudié une base de donnée de plus de 5 millions de points d’accès WiFi collecté par Skyhook Wireless, une entreprise fournissant un service de localisation géographique basé sur la présence des points d’accès. Cette étude a mis en évidence une densité de points d’accès (AP) entre 100 et 1800 AP par km2 dans plusieurs grandes villes américaines (Las vegas, Atlanta, San Francisco, Seattle, Boston et Manhattan). Plus récemment, une étude en 2013 conduite par Achtzen et. al [AAM13] a ainsi recensée 800 AP par km2 et 4 utilisateurs en moyenne par AP en zone résidentiel. En milieu urbain, c’est plus de 6000 APs par km2 avec 1,4 utilisateurs en moyenne par AP. D’autres statistiques collectés collaborativement via la plate-forme wigle [WIG13] permet de suivre l’évolution du nombre d’AP dans le monde. La figure 2.8 (tirée du site web) représente le nombre d’AP découvert depuis 2002, la courbe en rouge représente le nombre total d’AP tandis que la courbe en bleu représente le nombre journalier d’AP découvert. Ces derniers ont repertorié plus de 111250587 APs uniques (en Septembre 2013) dont 1944816 rien qu’en France.10, 5 millions de foyers disposent en 2008 d’une box ADSL en France, soit deux foyers sur cinq et près des trois quarts des foyers connectés à l’Internet. Avec l’introduction de ces box ADSL chez les utilisateurs par les Fournisseur d’accès à Internet (FAI), nous avons pu assister ces dernières années aux développement des réseaux WiFi communautaires (CN). Les réseaux communautaires se caractérisent par le partage d’une connexion résidentielle à une communauté via un AP. Les FAI intègrent dans les box une puce IEEE 802.11 qui à la capacité de diffuser différents noms de réseau (ESSID). Un de ces ESSID est commun à tous les clients et est activé sur toutes les box du même FAI. En échange de partager sa connexion Internet, l’utilisateur peut lui même profiter de la connexion des autres membres de la communauté. Ainsi, un utilisateur qui se déplace au sein d’une ville ou même dans une autre ville peut bénéficier gratuitement d’un accès Internet en utilisant ses identifiants. FON est une des premières sociétés à avoir déployé un réseau communautaire et à avoir mis au point un modèle économique permettant d’inciter les utilisateurs à ouvrir leur connexion Internet. Ces réseaux communautaires apparaissent comme une alternative crédible pour fournir un accès à haut débit à Internet. Du fait que ces AP sont reliés à une connexion Internet résidentielle, ces réseaux communautaires sont principalement déployés de façon décentralisée à l’intérieur des bâtiments et sans stratégie de déploiement. Afin d’évaluer la présence et la qualité de ce type de réseau, nous avons mis au point plusieurs expérimentations dans le cadre du projet Wi2Me à Telecom Bretagne. Ces expérimentations consistaient à effectuer des campagnes de mesure au centre ville de Rennes afin d’évaluer la qualité du déploiement de ces réseaux et la qualité d’une connexion basée uniquement sur ces réseaux communautaires.
Le mode Infrastructure
Le mode infrastructure fonctionne avec une station particulière, un AP, dont le rôle est de coordonner et de centraliser les échanges. Lorsque plusieurs stations sont connectées à l’AP, elles peuvent communiquer entre elles via l’AP qui sert de passerelle obligatoire. Un AP avec toutes les stations associées forment un Basic Service Set BSS et annonce sa présence en diffusant périodiquement son Basic Service Set 2Service Set Identifier, c’est-à-dire le nom du réseau IDentification (BSSID) ainsi qu’un Service Set IDentification (SSID). Le BSSID est une adresse MAC qui identifie la BSS uniquement tandis que le SSID est une chaîne de caractère compréhensible par les humains. Lorsque plusieurs BSS connectés au même réseau filaire diffusent le même SSID, cela forme un Extended Service Set ESS comme décrit sur la figure 2.15. Cela permet de pouvoir étendre la couverture de l’infrastructure sans-fil, une station ne se connecte qu’à un seul AP à la fois. Généralement, le ou les points d’accès sont connectés à un réseau filaire et font office de passerelle vers les ressources du réseau filaire, comme Internet par exemple.
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Table des matières
1 Introduction
1.1 Contexte des travaux
1.2 Contributions
1.3 Plan de la thèse
2 Les spécificités de la communication sans-fil
2.1 Introduction
2.2 Caractéristique du support radioélectrique
2.2.1 Bande de fréquence
2.2.2 Un lien évanescent, variable et asymétrique
2.2.3 Une nature diffuse
2.2.4 Un lien half-duplex
2.3 Les méthodes d’accès au canal
2.3.1 Méthodes basées circuit
2.3.2 Méthodes basées paquets
2.3.2.1 Pure Aloha
2.3.2.2 Slotted Aloha
2.3.2.3 CSMA/CA
2.4 Présentation de la norme IEEE 802.11
2.4.1 Présence et déploiement du WiFi
2.4.1.1 Description des expérimentations
2.4.1.2 Résultats des expérimentations
2.4.2 Évolution technique de la norme IEEE 802.11
2.4.3 Allocation des canaux
2.4.4 Les modes d’opération de IEEE 802.11
2.4.4.1 Le mode Ad Hoc
2.4.4.2 Le mode Infrastructure
2.4.4.3 Wifi Direct
2.4.5 Les méthodes d’accès au canal (MAC)
2.4.5.1 Le mode d’accès PCF
2.4.5.2 Le mode d’accès DCF
2.4.5.3 Le mode d’accès EDCA
2.4.5.4 RTS/CTS
2.4.6 Beacon, Scan et découverte de réseau
2.4.6.1 Scan passif
2.4.6.2 Scan actif
2.5 IEEE 802.11 dans le simulateur NS-2
2.5.1 Implémentation d’un modèle réaliste de PER dans NS-2
2.5.2 Validation de l’implémentation dans NS-2
2.6 Adaptation du débit d’une station IEEE 802.11
2.6.1 Adaptation du débit dans les chipset 802.11
2.6.2 Implémentation de l’adaptation du débit dans NS-2
2.6.3 Problème liés à l’adaptation du débit
2.6.3.1 Rendre 802.11 plus équitable
2.6.3.2 Utilisation de relais 802.11
2.7 Conclusion
3 Les réseaux sans-fil multi-sauts
3.1 Introduction
3.2 Évolution des réseaux sans-fil multi-sauts et standardisation
3.2.1 Des réseaux MANETs
3.2.2 … aux réseaux de capteurs
3.2.3 Les réseaux DTN
3.2.4 Conclusion
3.3 Protocoles de routage pour les réseaux sans-fil multi-sauts
3.3.1 Protocoles de routage traditionnels
3.3.1.1 Protocoles de routage pro-actifs
3.3.1.1.1 Optimized Link State Routing (OLSR)
3.3.1.1.2 Better Approach To Mobile Ad hoc Networking (BATMAN)
3.3.1.1.3 IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy Networks (RPL)
3.3.1.2 Protocoles de routage réactifs
3.3.1.2.1 Ad hoc On demand Distant Vector (AODV)
3.3.1.2.2 Dynamic Source Routing (DSR)
3.3.1.3 Protocoles Hybrides
3.3.1.3.1 Zone Routing Protocol (ZRP)
3.3.1.3.2 IEEE 802.11s
3.3.1.4 Métriques pour les protocoles de routage traditionnels
3.3.1.5 Conclusion
3.3.2 Protocole de routage adaptatif
3.3.2.1 Sélection du relais par la source
3.3.2.1.1 CoopMAC
3.3.2.2 Sélection du relais par contention
3.3.2.2.1 State-free Implicit Forwarding (SIF)
3.3.2.2.2 RSSI-Based Forwarding (RBF)
3.3.2.3 Conclusion
3.3.3 Protocole de routage opportuniste
3.3.3.1 Relais potentiels prédéterminés
3.3.3.1.1 Extremely Opportunistic Routing (ExOR)
3.3.3.1.2 Selection Diversity Forwarding
3.3.3.2 Relais potentiels non-déterminés à l’avance
3.3.3.2.1 Contention-Based Forwarding (CBF)
3.3.3.2.2 Opportunistic Multi-path Routing (OMR)
3.4 Conclusion
4 Proposition d’un protocole de retransmission : FBR
4.1 Motivation
4.2 Conception
4.2.1 Les relais potentiels
4.2.2 Mécanisme d’ACK
4.2.3 Gestion de la queue
4.2.4 Cas possibles
4.3 Évaluation et Résultats
4.3.1 Implémentation dans NS-2
4.3.1.1 Modification du sous-module RxC
4.3.1.2 Modification du sous-module TxC
4.3.1.3 Backoff
4.3.1.4 Métrique
4.3.2 Impact du relayage FBR pour une source
4.3.2.1 Comportement de la source en présence d’un relais FBR
4.3.2.2 Efficacité de FBR en fonction du PER
4.3.2.3 Impact du relayage en fonction des débits
4.3.3 Comportement de FBR avec 6 stations
4.3.3.1 Impact de FBR sur la réception des trames auprès de l’AP
4.3.3.2 Impact de FBR sur la retransmission des trames par les stations
4.3.3.3 Impact de FBR sur les collisions
4.3.3.4 Impact de FBR sur les delais de réception
4.4 Conclusion
5 Conclusion et Perspectives
5.1 Conclusion
5.2 Travaux futurs
5.3 Perspectives
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