Réseaux ad-hoc : Etude des modèles de mobilité et de protocoles de routage minimisant la consommation d’énergie

L’utilisation des réseaux ad hoc sans fil est devenue de plus en plus en populaire ces dernières années en raison de leur facilité de déploiement. Dans un tel réseau, les hôtes (ou noeuds) échangent entre eux des paquets de données par liaison radio, sans recourir à aucune hiérarchisation ni supervision centralisée. En fait, les transferts de données s’effectuent sous le contrôle de protocoles de routage distribués et tous les noeuds sont susceptibles de contribuer à l’acheminement de données d’une source vers une destination. Les principaux problèmes qui en résultent sont la mobilité des noeuds, qui complique le routage, ainsi que les limitations de la bande passante (et donc du débit) et de la consommation énergétique (liées à la durée de vie plus ou moins longue des batteries). La mobilité, la minimisation de la consommation et les protocoles de routage constituent les points clés de notre étude. Nous passons en revue les modèles de mobilité existants et étudions par simulation les caractéristiques des trajectoires simulées, ainsi que les implications en termes de consommation d’énergie. Nous détaillons également les principaux protocoles de routage, indiquons leur impact sur la consommation d’énergie et étudions par simulation les effets de la mobilité des noeuds sur leur comportement. Nous introduisons enfin un protocole, baptisé LEMFN, consistant en une fusion-extension de deux types de routage déjà connus et dont le principal objectif est la diminution de la consommation d’énergie dans les réseaux ad-hoc constitués de plusieurs groupes de noeuds distincts. Nous étudions le fonctionnement de cet algorithme par simulation et le comparons à d’autres méthodes de routage.

Généralités sur les réseaux 

Ces dernières années, les réseaux locaux sans fil (LAN et WLAN) ont pris une place de plus en plus importante sur le marché des réseaux locaux. De nombreuses compagnies ont en effet constaté que l’ajout d’un WLAN à leur LAN traditionnel câblé permettait de satisfaire les divers besoins de mobilité, de déplacement des matériels, d’établissement de liaisons provisoires et de couverture d’endroits difficiles d’accès. WI-FI est une technologie de réseau sans fil répondant au standard IEEE 802.11, dont la couverture radio est adaptée à la fois aux bâtiments des entreprises et aux logements individuels, un même réseau pouvant être étendu à l’ensemble d’une ville (voire d’un pays). Si le réseau Internet a mis une vingtaine d’années pour transformer radicalement nos habitudes de vie et de travail, les réseaux WI-FI et leurs dérivés pourraient bien accélérer encore ces mutations. Grâce à WI-FI, Internet devient utilisable dans tous les contextes de la vie. Dans un cadre domestique, on peut installer un réseau WI-FI afin de partager une connexion Internet sans l’inconvénient d’une connexion physique fixe. Dans le cadre d’une compagnie, WI-FI permet de s’affranchir des problèmes de câblage des réseaux locaux, tout en apportant de nouveaux services, comme la mobilité des employés.

Les réseaux locaux sans fil 

Ces réseaux sont en rapide expansion, en raison de la flexibilité de leur interface, qui permet à un utilisateur de changer de site de travail ou de se déplacer au sein d’une compagnie tout en restant connecté. De nombreux produits sont actuellement disponibles sur le marché et plusieurs tendances deviennent évidentes, selon la surface couverte par la cellule. Dans ces réseaux, des débits de plusieurs millions de bits par seconde peuvent être atteints. C’est là une différence importante avec les réseaux mobiles classiques, qui offrent généralement des débits sensiblement inférieurs afin d’assurer la continuité de la communication pendant le passage de contrôle d’une station de base à une autre (handover).

Classification 

Dans les réseaux sans fil, deux configurations générales sont possibles :
– les clients se connectent sur une borne, que l’on appelle point d’accès (AP: Access Point)
– chaque station est employée comme routeur. Ainsi, pour aller d’une station à une autre, il est nécessaire d’utiliser plusieurs stations intermédiaires comme relais : cette configuration est appelée réseau ad hoc. Un autre classement des réseaux sans fil peut être effectué en fonction de la distance (ou portée):
– Les tout petits réseaux sans fil, ou WPAN (Wireless Persona! Area Network), d’une portée d’une dizaine de mètres.
– Les réseaux d’entreprise sans fil, ou WLAN (Wireless Local Area Network), d’une portée de quelques centaines de mètres.
– Les réseaux à l’échelle d’une métropole, ou WMAN (Wireless Metropolitan Area Network), d’une portée de quelques kilomètres.
– Les réseaux étendus sans fil, ou WWAN (Wireless Wide Local Area Network), d’une portée de plusieurs centaines de kilomètres.

Les WLAN deviennent l’une des principales solutions de connexion pour beaucoup de compagnies. Le marché du sans fil se développe rapidement, car les compagnies notent les bénéfices de productivité qui résultent du remplacement des câbles. La généralisation du WLAN nécessite d’assurer la fiabilité et la compatibilité des produits des divers fournisseurs d’équipements. L’IEEE (lnstitute ofElectrical and Electronics Engineers) a ratifié les spécifications de la norme de réseaux locaux sans fil 802.11 en 1997, qui prévoit des débits de 1 et de 2 Mbps et définit les règles fondamentales d’utilisation (couches physique, liaison et transport) et les principaux services sans fil.

Les avantages 

Les WLAN permettent :
– Une mobilité, génératrice de gains de productivité, avec un accès en temps réel aux informations, où que se trouve l’utilisateur.
– Une installation plus économique.
– Un coût de déploiement inférieur, particulièrement dans les environnements dynamiques nécessitant des transformations fréquentes, grâce aux coûts minimes de câblage et d’installation par poste et par utilisateur.
– Une configuration simplifiée du réseau avec un recours minime au personnel technique. Au niveau des applications, on peut citer :
– Un accès immédiat entre le lit d’hôpital et les informations concernant le patient pour les médecins et le personnel hospitalier.
– Un accès réseau simple et en temps réel pour les consultants et les auditeurs sur site.
– Un accès étendu aux bases de données pour les chefs de service nomades, directeurs de chaîne de fabrication, contrôleurs de gestion ou ingénieurs du bâtiment.
– Un accès plus rapide aux informations des clients pour les fournisseurs de services et détaillants, résultant en un meilleur service et une satisfaction supérieure.
– Un accès universel au réseau pour les administrateurs, pour le support et le dépannage sur site.
– Un accès en temps réel pour les réunions des groupes d’étude et des liens de recherche pour les étudiants.

Les contraintes des réseaux locaux sans fil

Débit.
Même si le débit des réseaux sans fil est maintenant près de celui des réseaux locaux, il peut être affecté par la topologie du réseau et la congestion, du fait d’un trop grand nombre d’utilisateurs.

Zone de couverture.
La distance maximale permettant aux ondes radio et à 1′ infrarouge de communiquer dépend de la conception du produit (standard utilisé et puissance du signal), aussi bien que du milieu de propagation, en particulier en intérieur (indoor).

Interférences.
Les réseaux sans fil peuvent être soumis aux interférences causées par l’équipement, telles que, dans le cas du Wi-Fi, celles dues aux fours micro-ondes situés dans la zone de couverture du réseau et émettant dans la même bande de fréquences.

Réglementation.
L’utilisation des ondes radio pour la transmission d’informations pose un problème légal, parce que chaque pays a édicté un règlement qui lui est propre en ce qui concerne l’allocation des bandes de fréquence et des puissances d’émission.

Batteries.
Les stations mobiles d’un réseau sans fil utilisent des batteries comme principale source d’énergie. Comme la durée de vie des batteries est assez courte, les réseaux sans fil doivent incorporer des mécanismes d’économie d’énergie efficaces, de façon à minimiser la consommation d’énergie.

Sécurité.
On pourrait croire que les réseaux sans fil sont plutôt difficiles à sécuriser, du fait de l’utilisation d’ondes radio pour la communication, avec comme corollaire la possibilité théorique d’interception par toute personne située dans la zone de la couverture du réseau.

Table des matières

Introduction Générale
1 Généralités sur les réseaux
1.1 Introduction
1.2 Les réseaux locaux sans fil
1.2.1 Classification
1.2.2 Les avantages
1.2.3 Les contraintes des réseaux locaux sans fil
1.3 Les techniques de transmission
Etat de la standardisation
Les normes 802.11 et WI-FI
1.4 Le standard 802.11
Travaux du groupe IEEE 802.11
La norme d’interopérabilité Wi-Fi (wireless-fidelity)
1.5 Architectures
1.5.1 L’architecture cellulaire
Le mode infrastructure
Le mode ad-hoc
1.5.2 L’architecture de réseau ambiant
1.6 L’architecture de réseau ad-hoc
Les liens asymétriques
Les interférences dans les réseaux ad hoc
La mobilité des noeuds
1.7 Conclusion
2 Principaux modèles de réseaux ad-hoc
2.1 Modèle de Grossglausser et Tse
2.1.1 Introduction
2.1.2 La diversité multi-utilisateurs
2.1.3 Le modèle de Gupta et Kumar
2.1.4 Le modèle de Grossglauser et Tse
2.1.5 Acheminement des paquets
2.1.6 Les noeuds mobiles et les noeuds relais
Simulation
Conclusion
2.2 Modèle de Diggavi, Grossglausser et Tse
2.2.1 Introduction
2.2.2 Le modèle
2.2.3 Conclusion
2.3 Le modèle de Royer, Melliar-Smith, Moser
Introduction
Simulation
2.3.2.1 Les effets de la distance entre les noeuds
2.3.2.2 Comparaison avec le modèle de Kleinrock
2.3 .3 Conclusion
2.4 Le modèle de A.Yener and S.Kishore
2.4.1 Introduction
2.4.2 Le modèle
2.4.3 Motivation pour les choix de routage
2.4.4 Résultats numériques
2.4.5 Conclusion
3 Modèles de mobilité
3.1 Modèles pour noeuds individuels
3 .1.1 Modèle de mobilité aléatoire (Random Walk)
3.1.2 Modèle de mobilité avec des étapes de déplacement saccadé (Random
waypoint)
3.1.3 Modèle de mobilité avec zone de simulation non bornée BSA (Boundless Simulation Area)
3.1.4 Modèle de mobilité de Gauss -Markov
3.1.5 Modèle de mobilité de déplacement probabiliste (Proba Walk)
3.1.6 Modèle de mobilité de section de ville (City Section)
3.2 Modèles de mobilité de groupe
3 .2.1 Modèle de mobilité de groupe de point de référence RPGM (Reference
Point Group mobility Model))
3 .2.2 Modèle de mobilité en colonne (Column Mobility Model)
3.2.3 Modèle de mobilité aléatoire corrélé exponentiellement (Exponential
Correlated Random Mobility Model)
3.2.4 Modèle de la Communauté Nomade Mobile (Nomadic Community Mobility Model)
3.2.5 Modèle de mobilité de poursuite
3.3 Modèle de mobilité choisi
Modèle de réseau
Choix de routage
Simulation pour la topologie choisie
Simulation pour la mobilité
3.3.5 Discussion
3.4 Conclusion
4 Protocoles de routage et consommation d’énergie
4.1 Introduction
4.2 Protocoles de routage pour les réseaux mobiles ad-hoc
4.3 Routage efficace du point de vue énergétique dans les MANET
4.3.1 Approche du contrôle de puissance de transmission
4.3.1.1 Optimisation de la puissance de transmission
4.3.1.2 Protocole FAR (Flux Augmentation Routing)
4.3.1.3 Protocole OMM (On line Max Min routing)
4.3.1.4 Protocole PLR (Power aware Localized Routing)
4.3.1.5 Protocole MER (Minimum Energy Routing)
4.3.2 Optimisation de la puissance selon d’autres exigences pratiques
4.3.2.1 Exigence de bi-directionnalité
4.3.2.2 Protocole COMPOW
4.4 Approche de la répartition de la charge
4.4.1 Protocole de routage tenant compte de l’énergie LEAR
4.4.2 Protocole CMMBCR
4.4.3 Protocole LEACH
4.5 Approche du mode de veille
4.5.1 Protocole SPAN
4.5.2 Protocole GAF
4.5.3 Protocole PEN
4.6 Conclusion
5 Etude du protocole LEMFN proposé par simulation
Introduction
Travaux relatifs
Modèles
5.3.1 Modèle de réseau ad-hoc groupé
5.3.2 Modèle radio
5.3.3 Protocole LEMFN
5.3.4 Simulation avec Matlab
5.3.5 Conclusion
Conclusion Générale 

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