Luận văn allocation de canaux dans les réseaux maillés sans fil

La plupart dentre eux intégre Ja notion de conflits afin quun nacud sache quelles fiéquencss il pout ulitiser Dans wn travail précédent il a été montré que deux liens sont en contlits s'

Allocation de canaux dans les réseaux maillés sans fil :

Conflits Directionnels-Bidirectionnels et algorithmes

Encadreurs : M Anthony Busson

: M NGUYEN Dai Tho

Auteur : ASSADILLAH Youssouf — IFI- Promotion 17

Novembre 2014

Table des matiéres

2.1 Définitéen <1 explication des concepts LL

2.1.3 ConHifdireebommal 12 21.4 Conflit bidirectionnel - - 12 2.2 les problemes d allocation "m1 12

2.3 Quelques algorithmes d'assignation de iréquenees seo T37

3.1.1 Cas duectionnel : exemple scsceeseesmttnenenensncnenietutiinnanianencnacnee 17

Chapitre 4 Modélisation Mathématique des conflits et Evaluation

4.1.2 La moyentne đes contfHiS nàtHnte11irirrrororrooe 7

4.3.1 Rapport entre le nombre de conflits bidirectionnel et directionnel (en moyenne)

43.2 Distribution du nombre de conilits sux un lien bidirectionnel et direciionnel

43.3 Débit moyen dans les deux cas

4.4 Siinulation sur NS3 .seseesseeeniestiesieneteinenanee

4.4.1 Parameétres de sirulafions net

Remerciements

Je tiens tout d’abord & exprimer toute ma gratitude envers mes encadretrs Monsieur

Anthony Busson Enseignanl Chercheur 4 !Université de Lyon 1 et Decleur NGUYEN Dai Tho

enseignant 4 L'UNH et à l'IFI pour Ï'eneadrernent, ’aide et tes conseils précieux qui m'ont permis dlartiver a bout de oe travail

Je romercie également tout tc persomml at professcurs dn département réscan de PUniversité National de Hanoi (UNH) pour leur gentillesse et les moments que nous avons passé ensemble dans leur bureau

Padresse mes sincéres remerciements 4 tout le personnel et les professeurs de l'Institut de la Francophonic pour !’Informatique (IFT) ct de l'Agence Universitaire de le Francophonie (AUF) pour m’avoir permis de suivre et achever cette formation de master,

Filin, je voudrais temercier ra famille, mes parenis ef mes amis el lous ceux qui onl participé de prét ou de loin a la realisation de ce travail.

Résumé

Listilisation de phisieurs fiégnences dans un réseau sans fil permet non seulement d’améliorer les performances du réseau mais surtout d'augmenter sa capacité globale Le probléme posé cst Vassignalion de ces fréquenecs dune fagon optimale, Comme it a été meniré dans [1], Yassignation optimale des frequenees est un probleme NP-complet Toutefois plusieuss algorithmes dallocation de fréquences ont été proposés dans la littérature La plupart dentre eux intégre Ja notion de conflits afin quun nacud sache quelles fiéquencss il pout ulitiser

Dans wn travail précédent il a été montré que deux liens sont en contlits s'ils sont & moins de

trois sauts, mais il existe un cas of des liens peuvent tre a trois sauts sans pour autant étre en

conflits, Cela dépend du sens du trafic (directiormel on bidirectionnel)

Dans ce travail nous étudions Jes algorithmes intégrant Ja notion de contlits et l'impact du sens du trafic sur la présence des conflits Nous avons ensuite proposé un modéle mathématique qui ponmet d'dvalusr la differance on nombre dz conilils ct on capacité ents wn trafic dircctionnel ot bidirectionnel Ce medéle mathématique montre que le tratic bidirectionnel tavorise les conflits par

rapport an trafic directionnel Les simulations sur NS3 de son implémentation montrent que le trafic

bidircetionnel permet une augmentation des transmissions par rapport au trafie dircetionnc) mais sur 1a réception, o’est le trafique directionnel qui est avantageux car il engendre moins de paites

Mois dés: Préquences, assignation, réseau sans fil, conflits, sens du rafic

Ina previous work il was shown thal (we Links are in confliet if their distance is Jess than three hopes but there is a case where links can be in three hopes without being in conflict It depends on the traffic direction (directional or bidirectional) In this work we study the algorithms incorporating the concept of conflict and the impacl of lhe traffic direction on the presence af contliet We proposed a mathematical model to evaluate the difference in number of conflicts and.n capacity between a directional and bi-directional traffic ‘This model shows that the bidirectional traffic promolos more conflicts than directional NS3 simulations of iis implementation show thal bidirectional traffic allows an increase in transmission compared to directional traftic but on the receipt, the directional trafiies is advantageous because it generates less waste

Keywords: Frequencics, subpocna, wireless network, conflicts, traffic direction

Liste de figures

Figure 3: Allocation optimal : cas dircetionnel .ecsseeneneieneneens 17 Figure 4: Allocation optimal : cas directionnel .ccscssiesssteinistenetniensineee "` Figure 5: Rvaluation de la capacité d’envoie par rapport au nombre de neuds 20 Figure 6: Evaluation de la capacité de réception par rapport au nombre de nowuds „21 Figure 7: Evaluation de la capacité de réception par rapport au nombre de neeuds - ene BD Figure 8: Evaluation de la capacité d’envoic par rapport au nombre de caaux 23 Figure 9: Evaluation de la capacité de réception par rapport au nombre de canaux 24 Figure 10: Rapport entre capacité de réception et d’envoie par rapport au nombre de canaux 24

Figure 13: Distribution des eonflits directionnels et bidirectionnels 232 Figure 14: Evaluation de la capacité dans les deux cas - - 32 Figure 15: Evaluation de la capacité dans es đeuX cas 33 Figure 16: Evaluation des la capacité de transmission par rapport au délai 34 Figure 17: Evaluation des la capacilé de réception par rapport an délai 35 Figure 18: Rapport entre la capacité de réception et la capaoitẻ de transinission par rapport au délai

Figure 19: Capacité de transmission par rapport & la distance 36 Figure 24: Capacité de réccption par mpporl ala distance - Figure 21: Rapport entre la capacité de réception et la capacité de transmission pat rapport ala

Figure 22: Capacité de transmission par rapport au nombre de necuds nee) Figure 23: Capacité de réception par rapport au normbre đe tioeuds 239 Figure 24: Rapport entre la capacité de réception et de la capacité de transmission par rapport au

Liste des tableaux

Tabieau 1: Paramètres de simulation

Tableau 2: Pararnetres de simulations NS3: expérimentations finales

19

ch sẽ situent les ufilisateurs [8] Les données provenant de ces utilisateurs transitemt alors en multi-

sauts au travers de ccs nevuds, Certains de cos novuds sout raccordés & Mntomst ct scrvent de passerelles Intemet pour le reste du réseau [1] ls servent infrastructure sans fil pour permettre Finlerconmecter Jes ulilisateurs entre eux, ou penmetire de les relier & un paint Cinfrastructure

ol pou ongrcuse a ce probléme consiste & équiper les nacuds de plusicurs eartes sans Gi, Des canaux diftérents sont alors associés 4 ces différentes cartes, Beaucoup moins de liens utifisent alors un méme canal, ce qui permet une augmentation significative de la capacité [8] [9] Mais Passignation des canaux aux différentes radios doil étrs automatique, ot faite de mamiérs 4 oplinriser Ta capactié

Dans ec travail j’ai réalis¢ deux principales tachces

© Lapromiize comsistail a imnpiémenter Palgorithme proposé tans [7] on intégrant Ta prise on

9g

charge de l’allocation des canaux selon le sens du trafic afin de pouvoir évaiuer 1a différence

en nombre de conflits cutre un trafic dircctionnel ct bidirectionnel sclon Ie oritére du mếtriqus pIoposẻs dans | 71

distances

= Ladeaxiéme esi de proposer un modéle ralhématique qui prend on compl:

(au lieu du nombre de sauts) pour déterminer Ies liens en contlits et oi les noeuds ont une

distribution aléatoire dans l’espace

1.3 Plan du rapport

Le reste du document est sirnehr# comme suit: Dans le chapitre 2 nous présenterons l'état de Mart et quelques notions concernant le sujet ; ensuite le chapitre 3 aborde les premigres expérimentations pour évaluer 'impacte du sens trafic dans la présence des conflits Le chapitre 4 viendra présenter

le modéle mathématique permettant d'évaluer toujours Fimpacte du sens du trafic mais en se basant cette fois gi sur des notions probabilisles ct de distances entra les neuds Enfin dans le chapitre 5, nous donnerons nos conclusions et perspectives

10

Chapitre 2 Concepts et état de l'art

2.4 Définition ct explication des concepts

2.11 Lien

Nous disons qu'il y a un lien radio entre deux nocuds si les deux nomuds ont un eanal commun et que les conditions radios (distance, qualité du signal) sont réunis pour permetire Ja communication sur ce signal [9][10]

2.12 Conflits

Nons disons qưil y a oonfits entre des liens lorsque ces liens ne peuvent pas étre utilisés en méme ternps

IL existe deux types đe conHifs: les conflifs entre đem émetteurs utilisant la méime

fréquence et dont chacun détecte le signal de autre, et le conflit entre un émetteur et un récepteur lorsque Mémelleur interfere avec un réceptcur non iégilirac Dans [1] les auteurs ont défini les

interférences selon deux modéles, a savoir le « Protocol Model » et le « Physical Model » 19]

* Protocol Mosel : deux liens el (l,vf) et ¢2@2,2) interférent entre eux s’ils utilisent le

méme canal et si toutes les distances d@l.u2) , diwlvl) , d(vlz2) , d{vl,v2) sont

infétieures & Ri (Ri: rayon d’interférence)

* Physical Model : une transmission est réussie si SNRg (Signal to noise ratio) est plus grand

que SNRthres (threshold) of SNRy représente le rapport signal/oruit sur le noeud nj pour la transmission regu du nocud vi [1][4]

Une autre model basé sur le nombre de sauts appelé « Graph model » indique que deux liens sont

en conflils si le norubre de sauls qui les séparent est inferieur um seul (2 om 3 en général)

Plus formellement, denx liens el(ul, v1) et ¢2(u2, v2) sont en conilits si min(dy(ul, u2), de(ul, v2), du(v1, 12), dav, v2)) < ot da(, ) désigne la distance en nombre de sauts entre deux

sormmets, ct Sy est le scuil sur le ombro de sauts

Dans ce travail nous considérous dewx modéles basés sur le « graph model » suivant le sens du trafic sur le lien, Nous avons choisi le graph model car celui-ci est un peu réaliste, En effet le model basé sur la distance est simpliste Lin pratique la qualité des liens radios et leur porté dépendent de Venvironmement géographique (biliments, obstacles, arbres, .) cl pas sculcinent des distances entre les noeuds De plus, l'information sur les distances requiert un systéme de géolocalisation, type GPS, qui n’est pas toujours disponible

Le physical model cst Ic modéle Ie plus réaliste Mais les informations sux le SENR ne sont pas toujours disponibles sur le nepud, En effet, cette quanfité varie dans le temps en fonction des

11

interférences,

Le graph model a l'avantage de ne requérir que des informations topologiques disponibles grace &

un protocols de routage par exemple, De plus, la topologie varie a des échelles de temps

Au-contraire des liens directionnels, un lien est bidirectionnel lorsque il est utilisé dans les deux

sons : Gest dire les deux naauds lutilisent pour envoyer das paquels de dormées

O-O Oe 0

Figure 1: Lien divectionnel et lien bidirectionnel

Dans ce rapport nous utilisons les expressions « contlits directionnel » et « contlit bidirectionnel » lorsque le confflit eonceme un de ces deux types de liens,

2.2 Jes problémes d’allocation

Dans le but d’augmenter la capacité du réseau, on équipe chaque noeud avec plusieurs cartes sans fi [11] Des cataux orthagoraux (qi peuvent éize ulilisés en méms Lemps sans interference) sont associés 4 ces diffrentes cartes Vvutilisation des canaux orthogonaux permet de réduire Je nombre de conflits Des liens proches peuvent alors étre utilisés en méme temps sans interferences (sons partags) c qui augmonte Te débil

Comune il n’y pas assez de canaux orthogonaux (la nome IEEE 802.11 / 802.11g et IEEE 802.1la foumnix 3 et 12 canaux de figquence erthogonaux |10)), cews-ci doivent tre assignés de maniére optimiser la capacité du réseau

La capacilé duréscau ost définil ici comme le volume de données tu ost capable de transporter

le réseau Comme le calcul de cette eapacité pour une assignation donnée est trop compliqué, on se

12

ramene généralement 4 des assignations qui minimisent le nombre de conflits Dans 1a partie qui suive, nous allons préscnter quelques cxemples @’approches utilisant cc principe

2.3 Quelques algorithmes d'assignatton de fréquences

Dans [3] ils ont class¢s Jes algorithmes sclon 3 catégories

© Les fixes: aflouc des cananx mx interfaces ds fagon permancnic ou pour des intervalics de temps trés longs

«Les dynamiques: permettent toute interface a étre attribuce tout canal, ct ocs interfaces peuvent souvent passer d'un canal 4 autre [3][Ø]-

+ Les hybrides: combinent les deux proptiétés affectation statiques et dynamiques en appliquant une affectation fixe pour certaines interfaces et une affectation dynamique pour d'autres interfaces [3]

MestiC est um algorithme glouton (centralisé et statique) & temps polynomiale d'allocation

de canal, Son fonetiomiement cst basé sur une fonction de classernent (rang de chaque neeud) qui cst calculéc sclon des catactéristiques du trafic des licns de chaque nomd, des propridtds topologiques (le nombre de sauts qui spare le noeud du gateway), et le nombre dinterfaces radio par tend [3] Ce classement, permet de visiter chaque reeud une fois et donc éviter des relours qui augmenteraient le temps @exécution de lalgorithme, La connectivité topologique est assurée par un canal commun par défaut dgployé sur une radio séparée sur chaque nomd, qui peut également atre ulitisé pour la gestion du réscau

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Tn cffet Iiđée centrale đerdẻre MesTiC est d'assigner des canaux aux radios d'un nezud en se basant sur un classcment qui donnent la priorits aux noeuds, Le rang d'un nocud ou Rank(nodc), détermine sa puorité dans (attribution des canaux aux liens émanant vers lui, Le classement comprend la dynamique daffectation de canal et est caloulée sur la base de trois facteurs:

* Le trafic total d'un noeod basé sur sur la charge offerte du réseau maillé comme caloulé dans

I9]

* La distance du noend, mesurée comme étant le nombre minimum de sauts depuis le noeud passcrolle (gateway)

* Le nombre dinterfaces radio disponibles sur un neeud

Notez que le norud de la passerelle a le rang le plus élevé car il est prévu de réaliser le plus de trafic

Le rang pour Jes autres noeuds est donné par:

Aggregate Traffictnode) jnin hons from the gateway (node) number of radios(node)"

Lialgorithme se résume comme suit

I Ordonner tous les nocuds sclon Ja formal

Il Visitez chaque norud dans Vordre de classement (ordre décroissant)

TL] Attribuer un canal a 1a liaison incident au nocud, si le neeud et Pun de ses voisins sơnl atttibuds un canal en commun,

-Sinon: tandis que le nozud a un lien incident non assigné

11.2 Choisissez un voisin avec lequel le noeud a le plus de trafic dans [a matrice de trafic

oud a unc tadio tion assignd

11.2 Assigner aia radio le canal le moins utilisé dans le voisinage -sinon

T12.b Alloucs Ie Tien un canal ls moins utilisé dans coux dij allribude aux

2.3.3 CUICA: Connected Low Interference Channel Assignment

Dans [1] les auteurs ont propos¢ un heutistique 8 temps polynomial dallocation de fiéquence appelé CLICA, Cette heuristique veille à deux contraintes savoir la connectivité du réseau et minimiser le nombre de conifits [10] Ces contrainfes font qu'une assignation limite la flexibilité

ferrigre CLICA ost dulilis:

necuds sont obligés utiliser le canal atloud a lows vaisins afm de préserver 1a comncetivild Dans le

seule route) entre le noeud source et destination insuite, les chemins sont classés en fonction de

sc fait sur tes tins

leur capacité potcnticllc, par ordre décroissant Puis, allocation des fréquences

de ces chemins, de la source vers la destination Pour chaque lien, la fiéquence choisit est celle qui

maximise la fonction de bénéfice définte ci-dessous

B40 ngs

15

Avec

© Paths :la liste des routes

© BG) est le ddbit du lion # sur un chemin

«_ TRỢ) est lz nombre de conflit du tien 7 (voir le caleul de MPD [7]

difference entre les conflits directionnels ct Indircetionnls,

2.4 Conclusion

Nous avons vu les notions qui constitnent le champ de notre Iravail & savoir les différents types

de conflits et certains algorithmes proposés pour résoudre le probléme d’allocation des fréquences Dans le chapitre suivant, nous allons mener une étude afin de voir ’impact du sens

du trafic sur la présence des conftits

16

Chapitre 3 Etudes et expérimentations

Dans cette partie nous faisons une étude expérimentale sur l’impacte du sens du trafic sur la présence des conflits Nous commencerons par une évaluation théorique puis nous réaliserons des

simulations sur NS3 Les fichiers NS-3 qui décrivent le scénario 4 simuler sont générés par un simulateur codé en C Celui-ci génére des topologies et implémente l’algorithme «glouton

évolutif » Le résultat (topologie, assignation des fréquences, trafic) est un fichier NS-3 prét pour les

simulations

3.1 Evaluation théorique

Pour évaluer la différence en terme de conflits et de gain entre un trafic directionnel et bidirectionnel, nous prenons comme exemple une topologie composée de 8 noeuds Nous allons

mettre en place cette topologie selon deux cas : 1 cas avec un trafic directionnel et le 2° cas avec

un trafic bidirectionnel Nous allons considérer le méme nombre de canaux disponibles (f1, f2, £3)

et de radios dans les deux cas Nous allons ensuite donner I’allocation optimale dans chaque cas et nous allons évaluer le nombre de conflits présent et la capacité globale (definition de la capacité

nombre moyen de kbits/s regu par les destinations) de chaque réseau en considérant que tous les

liens ont la même capacitẻ C

3.1.1 Cas directionnel : exemple

Figure 3: Allocation optimal : cas directionnel

En considérant les propriétés proposés dans [7], ({d (E interférant, R) > 3] et [d (El, E2) >

17

3], ctest-à-dire la đistance đ entre I"interfẻrant E au récepteur R doit être supérieur ou égale à 3 sauts

et la distance entre l'émetteur E1 et l'ẻmetteur E2 đoit être supéreur ou égale a 3 sauts) nous obtenons I'allocation optimal ci-dessus Sur le chemin (ACEGH) nous avons pour f2 les liens

(A.C) et (C.E) qui sont en conflits et les liens (C,E) et (HF) qui sont en conflits et done c’est le lien

(C,E) qui a plus de conflits et avec lui-méme forme en tout 3 conflits au maximum, Pour f3 méme

logique ; les liens (A, B) et (E, G) sont en conflits et les liens (E, G) et (G, H) sont en conflits et

c’est le lien (E, G) qui a plus de conflits et avec lui-méme forme 3 conflits au maximum D’ot Sur

le chemin (ACEGH) ce sont les liens (C,E) et (E, G) qui ont plus de conflits dont 3 tous les deux

alors le nombre maximum de conflits sur le chemin (ACEGH) est 3 En prenant le méme principe

pour le chemin (ABDFH), nous avons 2 conflits au maximum En considérant la formule (2.2),

nous avons :

E[C|=š+ $= S=0.83c

3.1.2 Cas bidirectionnel : exemple

Figure 4: Allocation optimal : cas directionnel

Ici vu que nous avons 8 liens bidirectionnels actifs et que nous avons 3 fréquences a allouer,

pour minimiser le nombre de conflits nous sommes obligés d'utiliser 2 fréquences 3 fois et 1

fréquence 2 fois Et selon la topologie, quel que soit la distribution des fréquences sur les liens, les

liens qui auront la méme fréquence seront en conflits d’oit I’allocation optimal donnera toujours 3

conflits sur chaque chemin (ABDFH) et (ACEGH) et en suivant le méme principe que le cas

directionnel : ici nous avons 3 conflits au maximum sur le chemin (ABDFH) générés par le lien

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(A.B) et ses conctrenis (A,C) et (EID) pour la fréquence fl Nous avons aussi 3 conflits maximum sur le chemin (ACEGH) générés par Ic licn (G,H) ct ses concuzrents (EG) ct (BD) pour la fi¢quenee

£3 Nous avons alors comune capacité :

c_a 2 = 0.660

Ae Ê

MCh S+ 3.3

Ces premidres valuations domment un gain en capacité pour le cas direelionnel par rapport

au cas bidirectionnel car 0.83C > 0.66C mais ceux-ci sont des estimations théoriques

Le temps d’exéeution des algorithmes angmentait considérablement lorsque le nombre de nocuds augmentait, de coup on s‘cst limité & 10 nouds maximum Ce probléme nous a cmpéchés d’expérimenter des topologies avec beaucoup de nocuds et d’avoir des résultats trés conchuants

3.2.1 Paramétres de simulations et Résultats

©) Scénurio 1: Evaluation des la capacité par rapport au nombre de neuds

Dans ce scénario nous évaluons la capacité de réception et de transmission et de leur rapport par rapport au nombre de nowuds selon les deux modes de trafic (directionnel et bidirectionnel) Les principaux parametres influant sur les cxpérimentations sont regroupds dans le tableau suivant

Nombre de radios 2 Nomibre des fréquences 3 Nombre noeuds Vane de 1410 Nombre de chemins 2

‘Temps de simulation 15 Seconds

‘Type de trafic CBR (UDP)

Figure 5: Evaluation de la capacité d'envoie par rapport au nombre de neeuds

Les résultats montrent qu’avec un nombre de noeuds inférieur a 6 les deux cas donnent la méme capacité de transmission Ceci s’explique par le fait que pour moins de 6 noeuds et avec plus de 3

fréquences les liens atrivent a se partager les canaux tout en évitant les conflits Mais nous

observons une amélioration dans le cas du bidirectionnel entre 6 et 8 nœuds, Cet avantage est du au fait de pouvoir utiliser les liens dans les deux sens ce qui engendre beaucoup d’envoie de paquets

par rapport au cas directionnel qui utilise un seul sens pour envoyer les paquets de données C’est a

partir de plus de 8 noeuds que les avantages du directionnel commence a apparaitre car nous voyons

que la courbe monte alors que celui du bidirectionnel descend Cet avantage s’explique par le fait

que le cas directionnel arrive a maintenir moins de conflits par rapport au cas bidirectionnel aprés

Vajout des nouveaux liens Pour voir les effets des interférences et conflits sur chaque cas, nous

évaluons la capacité de réception calculée à l’aide des paquets recus car c’est cette capacité qui

montre en réalité les performances du réseau (figure ci-dessous)

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capacile rapport au nombre de noeuds

Figure 6: Evaluation de la capacité de réception par rapport au nombre de nauds

Nous observons qu’é moins de 6 noeuds, les courbes de la capacité de réception ont les mémes allures a ceux de la capacité d’envoie c’est-a-dire le nombre de paquets recus est presque le méme que le nombre de paquets envoyés et ceci est du par le méme fait que 3 fréquences sont suffisantes

pour supprimer les conflits dans une topologie composée de moins de 6 neeuds et empécher en méme temps les interférences qui sont a l’origine des pertes Mais nous observons qu’a plus de 6

neeuds les courbes commencent 4 chuter a causse des pertes du a l’augmentation des conflits engendrés par l’augmentation des noeuds Nous voulons voir parmi les deux modes de trafic lequel réagit mieux a l’augmentation des noeuds Pour cela nous avons calculé le rapport entre les paquets regus et envoyés pour voir qui génére plus de pertes (figure ci-dessous),

21