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Les liaisons directes avec le sol
POA
Le Plain Old ACARS (Aircraft Communication Addressing and Reporting System) ou POA est un système de communication de données numériques qui a été créé en 1978 par ARINC (Aeronautical Radio Incorporated). Il permet l’envoi de messages relativement simples entre les avions et le sol, sous forme de chaînes de caractères. Les premières applications étaient destinées aux compagnies aériennes.
L’interface radio utilise des canaux VHF de 25 kHz destinés initialement aux communications vocales entre 118 et 136 MHz. Il utilise une modulation d’amplitude AM-MSK (Minimum Shift Keying), un accès au canal par CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Il offre un débit de 2,4 kbps.
VDL mode 1
La VDL Mode 1 (Very High Frequency Data Link Mode 1) a été conçue pour remplacer le Plain Old ACARS. Elle a été le premier système datalink standardisé par l’OACI. Malheureusement, elle n’a jamais été implémentée car ses performances étaient trop faibles par rapport à la VDL Mode 2.
VDL mode 2
La VDL mode 2 est le principal système déployé sur les zones continentales (notamment en Europe de l’Ouest). Ce sous-réseau s’appuie sur des stations au sol émettant dans un rayon de 200 km sur la bande VHF (Very High Frequency) et capables de prendre en charge jusqu’ à 200 avions. Elle a été spécifiée par l’OACI en 1997.
Au niveau de la couche liaison, la VDL mode 2 implémente le protocole Aviation VHF Link Control (AVLC), qui est une adaptation du protocole High-level Data Link Control (HDLC), au-dessus d’une sous-couche Medium Access Layer (MAC) basée sur du Carrier Sense Media Access (CSMA).
Au niveau physique, une modulation de phase Differentially Encoded 8-phase Shift Keying (D8PSK) est utilisée, offrant un débit binaire de 31,5 kbps.
La VDL Mode 2 est compatible avec le format de messages ACARS. On parle alors d’AOA, pour ACARS over AVLC ou Aircraft Communication Addressing and Reporting System over Aviation Very High Frequency Link Control .
VDL mode 3
La VDL Mode 3 est développée aux Etats-Unis avec le soutien de la FAA (Federal Aviation Administration). Elle est candidate pour devenir le futur moyen de communication pour les communications vocales et les communications de données du domaine ATC. Elle utilise le TDMA (Time Division Multiple Access). Des slots sont ainsi assignés aux avions par la station sol pour la voix et les données. Elle offre un débit de 31,5 kbps.
VDL mode 4
La VDL Mode 4 a été standardisée par l’OACI en 2001. Elle utilise le STDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access). Elle va principalement être utilisée pour les applications de navigation et de surveillance (ADS-B ou Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) et offre un débit de 19,2 kbps.
HFDL
La portée des stations VDL mode 2 étant limitée à 200 km, ce système ne peut pas être utilisé partout, notamment au-dessus des océans. La technologie HFDL (High Frequency Data Link) peut alors être utilisée en complément pour couvrir les zones océaniques et polaires. La caractéristique principale des transmissions HF est de pouvoir établir des communications au-delà de la ligne de vue grâce aux réflexions successives entre le sol ou la mer et l’ionosphère. Cela permet aux stations HFDL d’avoir des portées bien plus importantes que la VDL mode 2.
La HFDL utilise trois types de modulation de phase : BPSK, QPSK et 8PSK. Le débit symbole offert étant de 1800 symboles par seconde, quatre débits binaires sont disponibles suivant la modulation de phase utilisée : 1800 bits/s (8PSK), 1200 bits/s (QPSK), 600 bits/s et 300 bits/s (BPSK).
Le choix de la modulation utilisée dépend du rapport signal sur bruit reçu.
Au niveau de la couche d’accès, la HFDL s’appuie sur le Time Division Multiple Access (TDMA) avec des trames de 32 secondes découpées en 13 intervalles de temps.
Avec ces caractéristiques, la HFDL n’offre pas de bonnes performances, que ce soit en termes de capacité disponible ou de délai d’acheminement des messages. [3]
Limites des solutions existantes
Solutions par satellite
Les solutions actuelles ou disponibles à court terme par satellite présentent des limitations importantes, notamment en termes de capacité disponible.
Pour les communications opérationnelles, la capacité maximale actuelle est de 10,5 kbps avec le service Aero d’Inmarsat.
Une autre limite des solutions par satellite est la couverture. En effet, la plupart des solutions proposées actuellement utilisent des satellites géostationnaires qui n’offrent pas de couverture au niveau des pôles. Or beaucoup d’avions, notamment entre les États-Unis et l’Europe, empruntent des couloirs aériens qui passent au-dessus du pôle nord.
Enfin, l’un des plus grands problèmes posés par les satellites réside dans le coût. En effet, le coût de fabrication et de lancement d’un satellite de télécommunication est très élevé, or il faut plusieurs satellites pour obtenir une couverture mondiale.
Solutions par liaison directe avec le sol
Actuellement, la solution la plus performante pour les communications air-sol par liaison directe avec le sol est la VDL Mode 2, qui offre une capacité maximale de 31,5 kbps.
Pour assurer la couverture d’un territoire, il faut déployer des stations sol de façon assez régulière car la portée de chaque station est limitée. La couverture des zones océaniques, où il est impossible de déployer de telles stations pose problème. Seule la HF permet d’avoir une couverture mondiale grâce à ses propriétés de propagation. En revanche, elle offre un débit très faible et une qualité médiocre.
Les futurs systèmes de communication
Pour répondre aux nouveaux besoins de communication air-sol et entre avions, de nouveaux moyens de communication sont en cours d’étude.
Evolution des communications par satellite
Des études visant à définir une solution par satellite plus performante sont en cours. Elles se déroulent dans le cadre du programme IRIS piloté par l’European Space Agency (ESA).
Deux pistes principales sont étudiées dans ce programme : la première, Inmarsat, est une amélioration du service offert par Inmarsat. Elle utilise la technologie Swift Broadband et permet d’offrir des débits d’environ 400 kbps.
La seconde est étudiée dans le projet ANTARES. Le système envisagé s’appuie sur les nombreuses années d’expérience dans les communications et notamment sur plusieurs principes récents tels que l’Adaptative Coding and Modulation (ACM) ou le Generic Stream Encapsulation (GSE).
L’émergence des communications air-air
Depuis quelques années, de nouvelles applica ions aéronautiques nécessitant des communications air/air émergent.
On a par exemple l’ADS-B, qui permet aux avions d’envoyer leur position sur la fréquence 1090 MHz. Tous les systèmes disposant d’un récepteur ADS-B sont alors capables de connaître la position des avions voisins. Initialement conçue comme une application bord-sol, ADS-B s’étend actuellement aux communications air-air (entre avions) pour permettre aux avions d’avoir une meilleure connaissance de leur environnement. On prédit une accentuation des besoins en communication air-air dans les années à venir.
Les réseaux ad hoc aéronautiques
Les moyens de communication cités précédemment s’appuient soit sur des stations au sol, soit sur des satellites. Bien qu’elles offrent une plus grande portée, les communications HF offrent un débit et un temps de latence inadaptés pour la plupart des applications. De leur côté, les stations au sol représentent un investissement lourd en termes de coût et d’infrastructure, et le déploiement d’une solution par satellite pose problème pour l’intégration d’antennes au niveau des avions.
La création d’un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions en vol, une approche innovante pour établir un moyen de communication est en cours d’étude. Ce sont les AANET ou Aeronautical Ad hoc Networks.
Dans un premier temps, on abordera un concept plus général qui est le MANET, puis on établira une comparaison entre AANET et VANET, avant de présenter les AANET et leurs spécificités.
Généralités sur les réseaux ad hoc mobiles
Les premiers travaux sur les réseaux ad hoc remontent aux années 1970 dans le cadre du projet « Packet Radio Network », financé par le DARPA pour des applications militaires. Il s’agissait de fournir aux militaires un système de communication distribué, multi-sauts, qui s’organise et se configure de façon autonome.
En 1998, l’IETF (Internet Engineering Task Force) a créé un groupe de travail intitulé MANET (Mobile Ad hoc NETwork) pour travailler sur ce sujet. Il a pour objectif de standardiser des protocoles de routage pour les réseaux ad hoc mobiles. Le terme ”MANET” est aujourd’hui couramment utilisé pour désigner les réseaux ad hoc mobiles.
Définition
La locution ad hoc signifie en latin « qui va vers ce vers quoi il doit aller ». [1] Contrairement aux réseaux satellites ou cellulaires, les réseaux ad hoc mobiles ne nécessitent pas une infrastructure fixe (des antennes relais ou satellite) pour acheminer les messages d’un nœud vers un autre. [2] Un réseau ad hoc mobile ou MANET (Mobile Ad hoc NETwork) est donc un ensemble de nœuds mobiles qui se configurent et s’organisent de manière autonome. Les nœuds communiquent entre eux grâce à des liaisons sans fil de capacité limitée. Dans un réseau ad hoc, tous les nœuds peuvent faire office de relais et sont capables de router les informations de proche en proche jusqu’à la destination. Il est ainsi possible de créer de manière spontanée un réseau à partir d’un ensemble de nœuds suffisamment proches les uns des autres. [1]
Cette coopération entre les nœuds leur permet de bouger librement, ce qui peut causer des changements fréquents et rapides de la topologie du réseau. Un changement qui peut causer la coupure de lien et en même temps la création de nouveaux. Ainsi, pour faire face aux changements dynamiques, fréquents et rapides de la topologie, le système ad hoc nécessite des protocoles de communications spécifiques puisque c’est un système autonome qui a le pouvoir de s’organiser automatiquement. Les protocoles de routage sont un exemple de ces protocoles. Ils sont responsables de détecter ce changement brusque et d’établir des chemins vers chaque destination. En effet, un chemin est la liste des nœuds intermédiaires (relais) à traverser par un paquet afin d’atteindre sa destination finale.
Par conséquent, les réseaux ad hoc sont bien adaptés aux systèmes de communication mobiles, dynamiques, ayant une topologie distribuée maillée, sans oublier leur coût raisonnable puisqu’ils ne nécessitent aucune infrastructure fixe. [2]
La figure 1.03 illustre la structure d’un réseau ad hoc.
Caractéristiques
Comparés aux réseaux ad hoc classiques, les réseaux ad hoc mobiles possèdent des caractéristiques spécifiques qu’il convient de mentionner, notamment au niveau de la topologie, de la bande passante et de la consommation d’énergie.
Communication multi-sauts
Dans un réseau ad hoc mobile, on doit pouvoir établir une communication entre deux nœuds qui ne sont pas directement à proximité l’un de l’autre. Pour cela, des nœuds intermédiaires sont utilisés en guise de relais. Chaque nœud du réseau doit donc être capable de trouver une route vers n’importe quelle destination dans le réseau, même si elle n’est pas directement à sa portée. On a alors une communication multi-sauts.
Topologie dynamique
Dans un réseau ad hoc mobile, les nœuds sont mobiles et leur mouvement peut être quelconque. La topologie du réseau est donc plus ou moins dynamique selon la vitesse et la portée de communication des nœuds.
De nombreux modèles de mobilité ont été proposés pour représenter le comportement d’un type de nœud particulier. On trouve ainsi des modèles individuels, où les déplacements de chaque nœud sont modélisés indépendamment les uns des autres. On a également des modèles de groupes, où le déplacement d’un nœud va dépendre du déplacement des autres.
De plus, la topologie du réseau peut varier à cause de l’évolution de la qualité de la liaison sans fil. En effet, on peut avoir des phénomènes de masquage qui peuvent empêcher momentanément une connexion. Le protocole de routage doit donc être capable de s’adapter à tous ces changements de la topologie du réseau.
Bande passante limitée
Comme tous les réseaux sans fil, les réseaux ad hoc mobiles disposent d’une bande passante limitée. En effet, la capacité des liaisons sans fil est beaucoup plus faible que la capacité des liaisons filaires. De plus, la capacité réelle utilisable par chaque nœud est généralement beaucoup plus faible que la capacité maximum théorique de la liaison. En effet, les liaisons sans fil sont soumises à de nombreux phénomènes qui en diminuent les performances : bruit, accès multiples, interférences. On a donc un taux d’erreur élevé. Dans le cadre des réseaux ad hoc mobiles, on doit donc minimiser l’échange d’informations de signalisation pour favoriser les données utiles pour l’utilisateur final.
Consommation d’énergie
Les réseaux ad hoc ont beaucoup été employés pour les réseaux de capteurs. Dans ce contexte, les nœuds mobiles sont généralement de petite taille et disposent donc de faibles ressources énergétiques (batteries). De nombreuses études ont été réalisées dans le but de minimiser la consommation énergétique des nœuds. [1]
Architecture
Cette section définit les particularités des réseaux ad hoc mobiles par rapport aux couches basses et intermédiaire du modèle OSI (Open Systems Interconnection).
Couche physique
La couche physique du modèle OSI est responsable de la transmission physique des données. Parmi les principales applications actuelles des réseaux ad hoc, on peut citer les réseaux de capteurs ou les réseaux de véhicules (VANET : Vehicular Ad hoc NETwork). On se trouve donc dans le cadre des Wireless Personal Area Networks (WPAN), des Wireless Local Area Networks (WLAN), voire des Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN).
La portée des communications varie donc de quelques mètres pour les WPAN à quelques kilomètres pour les WMAN. Diverses technologies de communications sans fils ont été proposées pour chaque type de réseaux. On peut citer par exemple le Bluetooth (IEEE 802.15) pour les WPAN, le Wi-Fi (IEEE 802.11) pour les WLAN et le WiMax (IEEE 802.16) pour les WMAN.
Couche liaison de données
La gestion de l’accès au canal est réalisée par la sous-couche MAC (Medium Access Control) de la couche liaison. L’objectif est de réguler les communications entre les nœuds à travers le canal sans fil. On peut ainsi distinguer les méthodes qui considèrent un canal unique, commun à tous les utilisateurs, comme l’ALOHA ou le CSMA, et celles qui considèrent un canal multiple, qui peut être partagé entre différents utilisateurs, comme le TDMA, FDMA, ou CDMA.
Couche réseau
Comme pour les protocoles MAC, on trouve dans la littérature de nombreuses propositions de protocoles de routage dans les réseaux ad hoc mobiles.
Le groupe de l’IETF qui travaille sur les MANET a pour but de standardiser les fonctionnalités des protocoles de routage dans les réseaux ad hoc, mobiles ou non. En se basant sur les travaux existants sur les protocoles de routage, le groupe de travail a décidé de développer deux standards : un pour les protocoles de routage proactifs et un pour les protocoles de routage réactifs.
• Routage proactif
Les protocoles proactifs ont été les premiers protocoles proposés pour les réseaux ad hoc. [1]
Les protocoles proactifs déterminent les routes périodiquement et indépendamment du trafic : ils construisent et maintiennent des tables de routage à jour. Chaque nœud dispose ainsi à chaque instant dans sa table de routage de routes permettant de joindre tous les nœuds du réseau. On a donc un échange périodique de paquets de contrôle entre les nœuds pour établir les tables de routage, puis pour les maintenir si la topologie du réseau change.
De plus, dans les protocoles de routage proactif pour les MANET, on retrouve les deux méthodes de routage utilisées dans les réseaux filaires : la méthode ”vecteur de distance” et la méthode à ”état de liens”.
Le principal inconvénient de ces protocoles est dû à la mobilité des nœuds. En effet, plus les nœuds sont mobiles, plus la topologie du réseau va changer fréquemment, et donc plus il faudra de trafic de contrôle pour mettre à jour les tables de routage. Or ce trafic de contrôle va consommer des ressources qui, contrairement aux réseaux filaires classiques, sont limitées à cause des nœuds mobiles qui fonctionnent le plus souvent avec des batteries et surtout à cause du support de communication sans fil dont la capacité est beaucoup plus limitée qu’une liaison filaire.
En revanche, l’avantage des protocoles proactifs est de garantir la disponibilité d’une route vers la destination au moment où l’on en a besoin.
Cela peut être un avantage très important dans le cas des réseaux ad hoc aéronautiques où certaines applications, pour le contrôle aérien par exemple, nécessitent une très grande disponibilité. [1] Parmi les protocoles de routage proactifs dans les MANET, on peut citer DSDV (Destination-Sequenced Distance Vector Routing) et OLSR (Optimized Link State Routing).
• Routage réactif
Contrairement aux protocoles proactifs, les protocoles de routage réactifs établissent des routes uniquement à la demande. Cela évite ainsi le trafic de contrôle pour maintenir les tables de routage lorsque cela est inutile.
Un nœud désirant communiquer avec un autre cherche une route dans sa table de routage. S’il en trouve une, il passe directement à l’émission, sinon il initie une phase de découverte de route. Cela consiste le plus souvent à ”inonder” le réseau ad hoc avec des paquets de requête de route (Route Request). Lorsque la destination reçoit l’un de ces paquets, elle répond à la source par un paquet de réponse de route (Route Reply). [1]
Une route vers une destination est maintenue jusqu’à ce que la destination devienne inaccessible ou jusqu’à ce que la route soit expirée, c’est à dire elle n’est plus utilisée depuis une certaine période. [2]
Un inconvénient de ce type de protocole est donc qu’il introduit pour les paquets un délai supplémentaire qui correspond à la durée entre la demande d’une nouvelle route et sa découverte. Parmi les protocoles de routage réactifs dans les MANET, on peut citer DSR (Dynamic Source Routing) ou AODV (Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing). [1]
• Routage hybride
Les protocoles hybrides sont une combinaison des protocoles proactifs et des protocoles réactifs. Ils tirent profit des avantages des deux catégories de protocoles et essaient de pallier les défauts de chacun pour fournir une nouvelle solution. Parmi les protocoles de routages hybrides pour les MANET, on peut citer ZRP (Zone Routing Protocol). [1]
• Routage géographique
Les protocoles de routage géographiques sont des protocoles qui font références aux nœuds dans le réseau par leurs positions géographiques et non pas par leurs adresses IP. Ces positions sont supposées être connues par tous les nœuds grâce à un échange périodique d’informations entre eux permettant de créer des tables de localisation des voisins. Par conséquent, un émetteur peut choisir un relais, le plus proche de la destination, pour acheminer les paquets en se basant sur des critères géographiques comme la distance euclidienne. [2]
Les protocoles géographiques n’ont donc pas besoin des processus de découverte et de maintenance des routes. Il n’y a pas non plus besoin d’échanger les tables de routage entre les nœuds. [1] L’application des protocoles géographiques en réalité semble être complexe puisque c’est compliqué de connaître les positions géographiques de tous les autres nœuds du réseau par un échange de données ou même par l’utilisation d’un serveur centralisé responsable de diffuser des données de localisation. En réalité, dans un réseau mobile, il est difficile de garantir que tous les nœuds restent à l’intérieur de la portée radio du serveur, ou encore qu’ils reçoivent tous les échanges des autres voisins sans oublier la complexité du calcul de la position géographique. [2]
Parmi les protocoles de routage géographiques utilisés dans les réseaux ad hoc mobiles, on peut citer DREAM et GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing).
• Routage hiérarchique
Les protocoles de routage hiérarchique différencient les nœuds du réseau. Il s’agit de découper le réseau en un ensemble de petits groupes selon des critères comme la mission, l’altitude ou la position géographique. Ces groupes sont appelés ”clusters”. Chaque cluster est géré par un chef de groupe, ou ”cluster-head”.
Les nœuds d’un cluster vont alors communiquer avec leur cluster-head, et les cluster-heads vont communiquer entre eux pour échanger les informations de routage par exemple. On peut également avoir dans les clusters des nœuds passerelles (ou ”gateway”) qui font le lien avec les clusters voisins. Deux méthodes de routage sont utilisées pour router les paquets à l’intérieur et à l’extérieur des groupes. En effet, pour communiquer entre les différents groupes, le mécanisme de routage de vecteur de distance est utilisé alors que pour les communications locales, le routage à état de liens est appliqué.
La différence entre le routage de vecteur de distance et le routage à état de liens est que le premier choisit la meilleure route en fonction de la distance qui définit le nombre de sauts vers la destination, alors que le deuxième sélectionne sa meilleure route en se basant sur la qualité de chaque lien sur le chemin. [2]
L’avantage de ce type de routage est d’avoir un nombre de nœuds réduit pour le calcul des informations de routage puisqu’on ne considère que les cluster-heads.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART SUR LES RESEAUX AD HOC AERONAUTIQUES
1.1 Introduction
1.2 Les communications aéronautiques
1.2.1 ATSC
1.2.2 AOC
1.2.3 AAC
1.2.4 APC
1.3 Les moyens de communication de données existants pour le contrôle aérien
1.3.1 Les solutions par satellite
1.3.1.1 Inmarsat
1.3.1.2 Iridium
1.3.2 Les liaisons directes avec le sol
1.3.2.1 POA
1.3.2.2 VDL mode 1
1.3.2.3 VDL mode 2
1.3.2.4 VDL mode 3
1.3.2.5 VDL mode 4
1.3.2.6 HFDL
1.4 Limites des solutions existantes
1.4.1 Solutions par satellite
1.4.2 Solutions par liaison directe avec le sol
1.4.3 Les futurs systèmes de communication
1.4.3.1 Evolution des communications par satellite
1.4.3.2 L’émergence des communications air-air
1.5 Les réseaux ad hoc aéronautiques
1.5.1 Généralités sur les réseaux ad hoc mobiles
1.5.1.1 Définition
1.5.1.2 Caractéristiques
1.5.1.3 Architecture
1.5.2 Les réseaux ad hoc aéronautiques
1.5.2.1 Présentation générale
1.5.2.2 AANET et VANET
1.5.2.3 Couches physiques et liaison de données
1.5.2.4 Protocoles de routage
1.5.2.5 Etude de faisabilité
1.6 Conclusion
CHAPITRE 2 ROUTAGE DANS LES RESEAUX AD HOC AERONAUTIQUES
2.1 Introduction
2.2 Critères de routage efficace dans AANET
2.3 Spécificités du routage dans les AANET
2.4 Les protocoles de routage considérés
2.4.1 OLSR
2.4.1.1 Les relais multipoints
2.4.1.2 Fonctionnement du protocole
2.4.2 AODV
2.4.2.1 Numéro de séquence
2.4.2.2 Les messages RREQ, RREP et RREP-ACK
2.4.2.3 Messages RERR, expiration et suppression de routes
2.4.2.4 Réparation de lien
2.4.2.5 Messages HELLO
2.4.2.6 Structure de la table de routage
2.4.3 DSDV
2.4.3.1 Routage de paquets et mise à jour des tables de routage avec le protocole DSDV
2.4.3.2 Réponses aux changements de topologie
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 EVALUATION DES PERFORMANCES D’AODV, DSDV ET OLSR DANS LE CONTEXTE AANET
3.1 Introduction
3.2 Protocoles étudiés
3.3 Indicateurs de performances
3.4 Choix de l’outil de simulation
3.4.1 Comparaison des outils de simulation existants
3.4.2 Présentation du simulateur OMNET++
3.4.2.1 Installation du simulateur
3.4.2.2 INETMANET
3.4.2.1 Le modèle de réseau sous OMNET++
3.4.3 Collecte et manipulation de données
3.5 Paramètres de simulation
3.6 Résultats de la simulation et analyse
3.7 Interprétation
3.8 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
ANNEXE 1 FORMAT DES PAQUETS OLSR
ANNEXE 2 FORMAT DES MESSAGES AODV
ANNEXE 3 ALGORITHME DE BELLMAN-FORD
BIBLIOGRAPHIE
FICHE DE RENSEIGNEMENTS
RESUME
ABSTRACT
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