· Réseaux sans fil avec
infrastructure
Dans ce mode de fonctionnement le réseau est
obligatoirement composé d'un point d'accès appelé station
de base (SB), munis d'une interface de communication sans fil pour la
communication directe avec les sites ou unités mobiles (UM), une station
de base couvre une zone géographique limitée, une unité
mobile est rattachée à un moment donné qu'à une
station de base lui offrant tous les services tant que l'UM est à
l'intérieure de la zone de couverture de la SB.
La SB fait office de pont entre réseau filaire et
réseau sans fil, permett ant de relier une UM à une unité
connecté à un site fixe. La SB est aussi le point de passage de
la transmission d'une UM à une autre UM. Si les deux UM dépendent
de la même SB, la trame est simplement relayée par la SB. Si les
deux UM sont à deux SB différentes, une trame
échangée entre les
deux UM doit être relayée par le réseau
filaire qui relie les deux point d'accès. Les points d'accès
peuvent être répartis sur tous le réseau filaire,
agrandissant d'autant la couverture du réseaux sans fil.
Figure 1.8 : Le modèle des
réseaux mobiles avec infrastructure.
Au cours de communication une UM peut sortir de la zone de
couverture de son point d'accès, entrant dans une autres zone
(handover), pour assurer la continuité de la communication
l'ancienne SB envoie les informations de l'UM à la nouvelle SB qui va
allouer un canal de communication à l'unité mobile.
· Réseaux sans fil sans
infrastructure (ad hoc)
-Définition
Il s'agit d'un mode Point à Point, ne
nécessitant pas de points d'accès. Il permet de connecter les
stations quand aucun point d'accès n'est disponible. L'absence
d'infrastructure oblige les UM à jouer le rôle de routeurs
[CCL03].
La Figure 1.9 montre l'exemple de l'UM A qui peut
envoyer à l'UM C malgré que cette dernière n'est
pas dans la portée de l'UM A, pour faire elle envoie les
messages à l'UM B qui va les envoyer à l'UM
C.
UMA
UMB
UMC
Portée de l'UM
Figure 1.9: Exemple de réseaux ah
doc.
Les réseaux ad hoc ont des typologies instables, ceci
est dû aux déplacements fréquents des UM. D'autre part, la
portée des transmissions radio étant limitée, le relayage
est rendu obligatoire, et il faut donc que les UM forment ce réseau ad
hoc et coopèrent pour transmettre les messages d'une source à une
destination. Les chemins utilisés et les noeuds traversés sont
déterminés par un protocole de routage dédié, c'est
d'ailleurs la raison pour laquelle les réseaux ad hoc sont dits
réseaux à routage interne ou aussi réseaux sans fil
multi-saut (multi-hop wireless ad hoc networks) [CCL03].
Beaucoup de problèmes sont liés aux
réseaux ad hoc : l'allocation des fréquences, problème des
noeuds cachés et des noeuds exposés [BCG04].
- Application
Les applications ayant recours aux réseaux ad hoc
couvrent un très large spectre, incluant les applications militaires et
de tactique, les bases de données parallèles, l'enseignement
à distance, les systèmes de fichiers répartis, la
simulation distribuée interactive et plus simplement les applications de
calcul distribué ou méta-computing.
D'une façon générale, les réseaux
ad hoc sont utilisés dans toute application où le
déploiement d'une infrastructure réseau filaire est trop
contraignant, soit parce que difficile à mettre en place, soit parce que
la durée d'installation du réseau ne justifie pas de
câblage à demeure.
L'intérêt est dans un premier temps de pouvoir
assurer une connexion au réseau tout en permett ant la mobilité
de l'utilisateur. De plus, le câblage n'est plus nécessaire, ce
qui représente un avantage certain dans de nombreux cas : -Mise en place
d'un réseau dans un
bâtiment classé "monument historique". -Mise en
place d'un réseau de courte durée (chantiers, expositions, locaux
loués, formations). -Confort d'utilisation : tous les participants d'une
réunion sont automatiquement interconnectés. - Gain en coût
pour la mise en place d'un réseau dans tout bâtiment non
préalablement câblé.
Les réseaux ad hoc sont très utiles dans des
situations imprévues telle que les catastrophes naturelles, les
incendies, où il sera indispensable de disposer rapidement d'un
réseau pour organiser les secours et les opérations de
sauvetage.
Les réseaux ad hoc sont aussi utilisés pour
avoir accès aux environnements hostiles à l'homme tels que des
cratères des volcans pour surveiller leurs activités ou bien le
long d'une faille géologique.
Ils sont aussi utilisés dans les réseaux de
MESH
- Allocation des fréquences
Il est impossible de mettre en place un mécanisme
d'allocation de fréquences dans les réseaux ad hoc. Dans les
réseaux sans fil avec infrastructure, c'est la station de base qui
attribue les fréquences de manière à assurer que deux
stations voisines aient des fréquences différentes pour
éviter le problème des interférences. Dans les
réseaux ad hoc, pour garantir la connectivité, comme il n'y a pas
d'infrastructure fixe et que tous les noeuds sont susceptibles de bouger ou de
disparaître, il est plus simple et moins coûteux de travailler avec
une seule fréquence. On utilise alors un multiplexage TDD (Time Division
Duplex). La réutilisation spatiale reste possible, mais un noeud qui
émet empêche l'accès au canal radio pour tous les mobiles
se trouvant dans un voisinage étendu au tour de lui.
- Problème des noeuds
cachés
Le problème du noeud caché se produit lorsque
deux unités mobiles ne peuvent pas s'entendre l'une et l'autre du fait
qu'un obstacle les empêche de communiquer entre elles ou que la distance
qui les sépare est trop grande.
A
B
C
A
Obstacle
B
C
Figure 1.10: N°ud caché dû
à un obstacle. Figure 1.11 : N°ud caché
dû à la distance.
En Figure 1.10 l'obstacle empêche le noeud A
de savoir l'activité du noeud C, et empêche le noeud
C de savoir l'activité du noeud A. Ainsi les deux
noeuds A et C peuvent entamer simultanément des
communications vers le noeud B, ceci provoquera une collision au
niveau du noeud B, car les bandes de fréquences
utilisées par les noeuds au sein d'un réseau ad hoc sont
identiques.
En Figure 1.11 le noeud A ne détecte pas
l'activité du noeud C, car A n'est pas dans la zone de
couverture de C, et aussi C ne détecte pas
l'activité du noeud A. alors les deux noeuds A et
C vont s'autoriser à émettre en même temps vers le
noeud B, ce qui amène à une collision au niveau de ce
dernier.
Il faut bien noter que sous la plupart des simulateurs cette
configuration ne se produira jamais car les zones de détection de
porteuse (où on reçoit les signaux mais on ne peux pas les
déchiffrés) étant parfaitement circulaires et d'un rayon
double de la zone de couverture (on arrive à déchiffrer les
signaux reçus, et donc on s'aperçoit s'il s'agit d'une
donnée ou d'un message de contrôle), A se trouverait dans
la zone de détection de porteuse de C et réciproquement.
Mais dans la réalité, l'expérience a montré que ce
type de collision était tout à fait possible [Dho03].
- Problème des noeuds
exposés
Considérons le cas présenté en Figure
1.12 où une station B initie une communication vers une station
A, la station C écoute le canal radio, elle entend
donc une communication en cours, car C est dans la zone de couverture
de B. Dans ce cas la station C déduit qu'elle ne peut
pas entamer une communication avec D, or si C transmettait,
elle ne crée pas une collision dans les régions où D
et A se situent. Ce problème diminue les performances du
réseau en terme de bande passante.
A B C D
Figure 1.12: Problème des noeuds
exposés.
Pour régler ces problèmes la norme 802.11 a
défini des techniques d'accès au medium spécifiques aux
réseaux sans fils.
- Les techniques d'accès au canal de
transmission
CSMA/CA
La norme IEEE 802.11 [IEE03] définit deux modes
d'accès au médium adaptés aux transmissions radio : le
mode centralisé (Point Coordination Function PCF) peut être
utilisé lorsque les communications sont gérées par une
station de base fixe et le mode distribué (Distributed Coordination
Function DCF) est utilisé à la fois pour les communications via
une station de base et pour les communications directes de mobile à
mobile. C'est ce dernier mode qui sera utilisé dans le cas des
réseaux ad hoc.
Le fonctionnement du mécanisme CSMA/CA est le suivant
[IEE03]: une station qui souhaite émettre écoute le canal radio,
lorsque ce dernier devient libre, il faut qu'il reste encore libre pendant une
période DIFS (DCF Inter-Frame Space), Si le canal est resté libre
durant toute cette période, alors la station attend encore un temps
backoff extrait aléatoirement dans un intervalle appelé
Contention Windows (CW), qui est par défaut [0. .31], avant
d'émettre. Ainsi, si plusieurs mobiles veulent émettre, il y a
peu de chances pour qu'ils aient choisi la même durée (backoff).
Celui qui a choisi le plus petit backoff va commencer à émettre
(tant que la canal est libre les backoff seront
décrémentés, et lorsque le backoff d'une station atteint
zéro, elle est autorisée à émettre), et les autres
vont alors se rendre compte qu'il y a à nouveau de l'activité sur
le canal et vont attendre.
La Figure 1.13 montre le déroulement des communications
entre deux mobiles " source 1" et " source2" qui veulent envoyer
simultanément des données vers un autre mobile " destination",
dans cette exemple les backoff tirés par les mobiles " source1" et "
source2" sont 3 et 5 respectivement. Une fois ce tirage effectué, tant
que le canal reste libre, les mobiles
décrémentent leur backoff. Dès que l'un
d'eux a terminé (ici la source 1), il émet. L'autre mobile,
dès qu'il détecte le regain d'activité sur le canal stoppe
la décrémentation de son backoff et entre en période de
defering.
Figure 1.13: Le backoff et le defering.
Il faut noter que le temps de pause qui sépare un
paquet de données de son acquittement est appelé SIFS (Short
Inter-Frame Space) et qu'il est plus court que DIFS. Le mobile en
période de defering ne pourra reprendre la décrémentation
de son backoff que si le canal est à nouveau libre pendant DIFS. Le fait
que SIFS soit plus court empêche que la décrémentation ne
reprenne de manière inopportune entre les données et leur
acquittement (l'envoie des ACK est favorisé que l'envoie des
données).
Lorsque les données du mobile "station1" ont
été acquittées et que DIFS s'est écoulé sans
activité sur le canal, "Source2" peut reprendre la
décrémentation de son backoff (qui est déjà
à 2 unités). Ici, aucun autre mobile ne vient l'empêcher de
terminer et il peut donc finalement envoyer ses données.
Le mécanisme de backoff limite les risques de collision
mais ne les supprime pas complètement. Aussi, si une collision se
produit (détectée grâce à l'absence d'acquittement),
un nouveau backoff va être tiré au hasard. Mais à chaque
collision consécutive, la taille de la fenêtre va doubler afin de
diminuer les chances que de telles collisions se répètent. La
borne inférieure de la Contention Window est toujours zéro, et la
borne supérieure va évoluer entre
les valeurs aCWmin et aCWmax définies par la norme. La
borne supérieure de la fenêtre est ré-initialisée
à CWmin sitôt qu'un paquet a été transmis
correctement (ou lorsque les timers de ré-émission expirent)
[IEE03]. Un exemple d'évolution de la fenêtre de contention est
donné sur la Figure 1.14.
Figure 1.14: Exemple de variation du
backoff
D'autres mécanismes de gestion de la fenêtres de
contention sont définis pour une meilleur utilisation du medium
d'accès, dans [BFO96] la fenêtre est mis à jour selon le
nombre de stations connectées.
Le mécanisme de la DCF, ne règle pas
définitivement le problème des noeuds cachés, et des
noeuds exposés, son but principal est de régulariser
l'accès au medium de manière distribués, tout en essayant
d'éviter les collisions.
RTS/CTS
Le mécanisme CSMA/CA cherche à éviter
les collisions en écoutant l'activité sur le canal, cependant le
problème des noeuds cachés n'est pas définitivement
réglé par cette méthode. 802.11 [IEE03] propose un
mécanisme utilisant des paquets de contrôle appelés Request
To Send (RTS) et Clear To Send (CTS) introduit par [Kar90]. Un mobile qui veut
émettre ne va plus directement envoyer son paquet de données,
mais plutôt un petit paquet RTS pour lequel les chances de collision sont
plus faibles. A ce paquet RTS, le destinataire va répondre par un petit
paquet CTS qu'il diffuse à tout son voisinage. Les paquets RTS et CTS
contiennent des
informations qui permettent de réserver le canal pour
la durée de transmission des données qui vont suivre. Un mobile
qui reçoit un CTS alors qu'il n'a pas envoyé (ni même
détecté de RTS) sait que quelqu'un d'autre va émettre et
doit donc attendre. Le mobile qui a envoyé le RTS sait, quand il
reçoit le CTS correspondant, que le canal a été
réservé pour lui et qu'il peut émettre.
Au niveau des mobiles, la réservation du canal est
implémentée grâce au Network Allocation Vector (NAV). Dans
chaque noeud, le NAV indique pour combien de temps le canal est utilisé
par quelqu'un d'autre, indépendamment de ce qui est physiquement
perçu sur le canal (on parle aussi de détection de porteuse
'logique'). Sur la Figure 1.15 sont présentées les mises à
jour du NAV au niveau d'un mobile alors qu'une trame est échangée
entre deux autres mobiles. Lorsque le noeud non concerné par
l'échange reçoit le RTS, il sait grâce aux informations
contenues dans ce dernier pour combien de temps il ne devra pas accéder
luimême au canal.
Les CTS et les paquets de données vont aussi porter
les informations de durée, afin que leur réception puisse mettre
à jour le NAV, lorsque un mobile n'a pas reçu déjà
le RTS (comme c'est la cas pour les noeuds cachés), il met à jour
le NAV à la réception du CTS, et s'il ne reçoit pas le
CTS, il met à jour le NAV lorsque il détecte qu'il y a envoie de
données.
Figure 1.15: Mise à jour du Network
Allocation Vector (NAV).
Le mécanisme RTS et CTS ne règle pas
définitivement le problème des noeuds cachés, mais diminue
le risque de collisions de données, en faite le risque collision
persiste sur les messages de contrôle (RTS et CTS), mais cela est moins
grave que les collisions de données.
EIFS
Le mécanisme RTS et CTS ne règle pas le
problème de collision lorsque un noeud ne reçoit pas les paquets
RTS, CTS et les données, comme c'est présentée sur la
Figure 1.16 [Cha04], le noeud de gauche ("autre") détecte la porteuse de
l'émetteur sans pour autant comprendre ses messages (le signal est trop
faible pour être décodé, mais suffisamment fort pour
être reconnu comme tel). Les paquets envoyés par le
récepteur ne sont quant à eux pas détectés du tout
par le mobile de gauche. Dans cette situation, 802.11 [IEE03] impose
l'utilisation d'un Extended Inter Frame Spacing (EIFS), afin d'éviter
une collision au niveau de l'émetteur au moment du CTS et de
l'acquittement par le récepteur. La Figure 1.17 détaille ce qui
se passe : L'émetteur envoie tout d'abord un paquet de contrôle
RTS. Ce paquet est reçu par le récepteur, qui va y
répondre par un CTS. Le mobile de gauche, lui, a détecté
de l'activité au moment du RTS mais sans comprendre le paquet. Le
mécanisme de defering l'empêche d'émettre pendant l'envoi
du RTS (canal occupé) et pendant une période DIFS
consécutive (on est toujours obligé d'attendre que la canal ait
été libre pendant DIFS pour émettre). Mais DIFS est plus
court que SIFS+CTS. Si jamais le mobile de gauche avait terminé de
décrémenter son backoff trop vite, il aurait pu émettre
pendant le CTS, causant une collision au niveau de l'émetteur. Pour
protéger le CTS (et de manière similaire l'acquittement), 802.11
impose à un noeud d'attendre pendant un temps EIFS lorsque le canal
redevient libre mais que le paquet n'a pas été compris; la
longueur de EIFS étant suffisante pour que l'envoi du CTS ou de l'ACK se
déroule dans de bonnes conditions.
SIFS SIFS SIFS DIFS
