Contributions à l`évaluation de la QoS pour les Réseaux Ad

AVIS DE SOUTENANCE
HABILITATION UNIVERSITAIRE
Présentée à
L’Université Ibn Tofail, Faculté des Sciences de Kenitra
Spécialité : Informatique et Télécommunications
Par
Youssef FAKHRI
Doctorat National de la Faculté des Sciences de Rabat
Professeur Assistant à la Faculté des Sciences de Kenitra
« Contributions à l’évaluation de la QoS pour les Réseaux Adhoc et les Réseaux de Capteurs Sans Fil »
Habilitation soutenue le 13 Octobre 2012 à 9h30 devant le jury composé de :
Pr. Driss ABOUTAJDINE PES, Faculté des Sciences de Rabat
Pr. Mohamed HABIBI
PES, Faculté des Sciences de Kénitra
Pr. Rochdi MESSOUSSI PES, Faculté des Sciences de Kénitra
Kenitra, © 2012 Youssef Fakhri
Introduction et Contexte général
L’essor des technologies sans fil offre aujourd’hui de nouvelles perspectives dans le domaine des
télécommunications. En comparaison avec l’environnement filaire, l’environnement sans fil permet
aux utilisateurs une souplesse d’accès et une facilité de manipulation des informations à travers des
unités de calcul mobiles (PC portable, PDA, capteur…).
Les réseaux sans fil peuvent être classés en deux catégories : les réseaux avec infrastructure fixe
préexistante, et les réseaux sans infrastructure. Dans la première catégorie, une importante
infrastructure logistique et matérielle est nécessaire pour le déploiement du réseau ; le modèle de la
communication utilisé est généralement le modèle cellulaire (les réseaux GSM par exemple). La
deuxième catégorie est celle des réseaux ad hoc.
Un réseau ad hoc peut être défini comme un ensemble d’entités mobiles interconnectées par une
technologie sans fil formant un réseau temporaire sans l’aide de toute administration ou de tout
support fixe.
Avec les avancées techniques en terme de performances et de miniaturisation, réalisées dans les
microsystèmes
électromécaniques
(MEMS:
microcontrôleur,
transceiver
RF…)
et
les
communications sans fil, une nouvelle variante de réseaux ad hoc s’est créée afin d’offrir des
solutions économiquement intéressantes pour la surveillance à distance et le traitement des données
dans les environnements complexes et distribués : Les réseaux de capteurs sans fil.
Motivations
L'évolution et le déploiement réussi des réseaux ad hoc sans fil et les réseaux de capteurs sans fil
(RCSF) dans le monde ont ouvert la voie pour un accroissement des activités de recherche,
développement et standardisation dans ce domaine. Les mécanismes mis en œuvre deviennent de
plus en plus complexes, ceci pour assurer des fonctions exigées par certaines applications: qualité
de service, sécurité, mobilité....
Les contraintes liées au déploiement, la topologie et l’énergie motivent une grande partie des
problématiques de recherches concernant les réseaux de capteurs sans fil et les réseaux Ad hoc.
Problématique :
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Problématiques liées à la QoS dans les réseaux Ad-hoc :
Mobile Ad Hoc Network (MANET) est une collection de noeuds mobiles en communication.
Cette collection forme une topologie aléatoire sans utilisation d'infrastructure d'administration.
Comme les applications en temps réel utilisées dans les réseaux sans fil d'aujourd'hui grandissent,
on a besoin de certains systèmes pour leurs offrir un service plus adapté. Nous savons que la
plupart des systèmes actuels ne sont pas très performants avec le trafic qui n'est pas strictement
CBR (Constante Bite Rate). Au niveau pratique, peu d'applications génèrent un trafic de type
CBR. Dans le deuxième type, la plupart des applications génèrent des flux de trafic de type VBR
(Variable Bite Rate). Ce type de trafic est caractérisé par le changement de la quantité
d'informations transmises par unité de temps. Le degré de variation par unité de temps est
différent d'une application à une autre. En raison de la forte mobilité et le changement dynamique
de la topologie, nous devons utiliser un modèle de mobilité adapté à chaque scénario
d'application. Le changement de modèle de mobilité affecte les performances des protocoles de
routage. Malgré l'importance de type des données échangées entre les noeuds sur la QoS des
MANETs, les données multiservices n'ont pas été traitées par la majorité des recherches.
Un grand nombre d’articles dans le domaine des réseaux mobiles ad hoc reposent sur l’existence
d’algorithmes de routage capables d’acheminer les messages dans le réseau. AODV (Ad hoc On
Demand Distance Vector) et OLSR (Optimized Link State Routing) par exemple, sont des
algorithmes dont l’objectif est de construire des routes entre les noeuds, de manière proactive
pour AODV et de manière réactive pour OLSR. Ils permettent l’acheminement des messages
dans un réseau mobile ad hoc sans connaissance préalable ou globale de la topologie du réseau.
Les résultats obtenus en simulation par ces algorithmes montrent qu’ils sont capables de
construire des routes permettant aux noeuds d’acheminer une partie des messages. D’autres
expérimentations montrent que AODV et OLSR échouent à acheminer une grande proportion de
paquets lorsqu’il n’existe pas de chemin stable entre les noeuds ou que les liens de
communication entre eux sont asymétriques.
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Problématiques liées à la QoS dans les réseaux de capteurs sans fil :
Les réseaux de capteurs présentent un champ d’application très vaste, que ce soit, par exemple,
dans le domaine scientifique, logistique, militaire ou encore de la santé. Selon MIT’s Technology
Review, il s’agit de l’une des dix nouvelles technologies qui bouleverseront le monde et notre
manière de vivre et de travailler.
La batterie est un composant important d’un capteur. En général, elle n’est ni remplaçable ni
rechargeable. Elle peut être, en partie, alimentée par une unité génératrice d’énergie comme les
cellules solaires. De petite taille, elle fournit donc une quantité d’énergie très limitée à l’échelle
de 1 à 2J par noeud (capteur). Elle limite ainsi la durée de vie du capteur et influe sur le
fonctionnement global du réseau. C’est pourquoi, les protocoles permettant d’économiser
l’énergie occupent, aujourd’hui, un axe important de recherche dans ce domaine.
Un capteur assure l’acquisition, le traitement de données et les communications. C’est cette
dernière tâche qui est la plus consommatrice d’énergie. Un bon schéma de gestion d’énergie doit
donc, en priorité, prendre en compte les communications. La plupart des protocoles de
communications dans les réseaux Ad-Hoc ne s’adaptent pas aux particularités des réseaux de
capteurs. D’où, la nécessité de les améliorer ou de développer de nouveaux protocoles. Les deux
principales classes de protocoles utilisées, à l’heure actuelle, dans les réseaux sans fils, s’appuient
sur la technique de routage multi-sauts ou le clustering (voir une hybridation des deux). Plusieurs
approches sont proposées pour calculer le chemin optimal dans les protocoles de routage multisauts. Certaines proposent de prendre le chemin le plus court, en terme de distance, vers la station
de base. D’autres, se basent sur le niveau d’énergie dans les nœuds tout au long du chemin en
privilégiant les noeuds ayant des quantités d’énergie maximales. D’autres encore, choisissent un
chemin optimal en privilégiant certains noeuds dont la présence dans le chemin permet de
consommer moins d’énergie.
Cependant, le premier inconvénient du routage multi-sauts dans les réseaux sans fil est la
périodicité des messages envoyés pour maintenir les itinéraires valides, ce qui a pour effet
d’encombrer le réseau et de consommer ainsi de l’énergie supplémentaire.
Le clustering (ou la classification) donne en revanche de meilleurs résultats. Il s’agit d’un
problème de classification auquel l’apprentissage numérique s’est intéressé depuis longtemps,
notamment, les modèles connexionnistes et, plus particulièrement, les cartes topologiques autoorganisatrices (SOM) de Kohonen. Ces dernières ont prouvé leur efficacité dans ce type de
problème.
Les contraintes liées au déploiement, à la topologie et à l'énergie motivent une grande partie des
problématiques de recherches concernant les réseaux de capteurs sans fil. La majorité des
protocoles de routage développés dans nos contributions se concentre sur l'optimisation de la
consommation d'énergie.
Les réseaux de capteurs sans fil et les réseaux Ad hoc sont de plus en plus sollicités dans le but
d’être utilisés dans les applications multimédia. Ces applications partagent certaines
caractéristiques :
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Diverses exigences en termes de délai
•
Diverses exigences en termes de fiabilité
•
….
Ces contraintes, doivent être prises en considération pour pouvoir fournir une qualité de service
à une application donnée.
Contributions
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Contributions sur les réseaux Ad-hoc :
Dans notre première contribution de ce mémoire, nous avons étudié l'impact respectivement des
modèles de mobilité et du type de trafic (CBR, VBR (MPEG-4)) sur les performances (le délai de
bout en bout, le débit et le taux de transfert) du protocole de routage AODV (On-Demand
Distance Vector ). Comme résultats, le protocole AODV a montré un comportement sensible au
type de trafic ainsi qu'au modèle de mobilité utilisé.
Ce changement de comportement nous a poussé à étendre cette étude comparative au protocole
de routage proactif OLSR (Optimized Link State Routing) et ce en utilisant les deux types de
trafics (CBR, VBR (MPEG-4)) dans la deuxième contribution. Expérimentalement, nous avons
considéré les modèles de mobilité suivants : Random Waypoint, Random Direction et Mobgen
Steady State. Comme troisième contribution, nous avons procédé à une étude comparative entre
les deux célèbres protocoles cités précédemment. Mais cette fois, nous nous sommes limités au
trafic multimédia VBR (MPEG-4) et aux modèles de mobilité : Random Waypoint et Mobgen
Steady State. En raison de l'incertitude associée aux modèles de mobilité lors de l'estimation des
positions vitesses et temps de pause des noeuds dans notre dernière contribution, nous avons
proposé une nouvelle approche basée sur la logique floue pour calculer et analyser le délai et le
débit optimaux tout en prenant en charge respectivement leurs débit et délai associés. Les
résultats expérimentaux montrent que la méthode peut être utilisée avec d'autres modèles de
mobilité.
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Contributions sur les réseaux de capteurs sans fil :
Notre première contribution sur les réseaux de capteurs sans fil concerne le routage plat. Son
principe est de ne laisser participer au routage que les noeuds dont l'énergie résiduelle est
supérieure à l'énergie résiduelle moyenne du réseau permettant ainsi, un épuisement équitable de
l'énergie des différents noeuds du réseau.
Trois contributions sont proposées dans la catégorie de protocoles hiérarchiques. La première
propose un algorithme de formation de clusters basés sur l'évaluation de la distance du noeud à la
station de base en passant par tous les cluster-heads. Ainsi, les nœuds choisissent leurs clusters en
se basant sur la distance de chaque noeud par rapport à chaque cluster-head et l'éloignement de
ces cluster-head de la station de base. La deuxième contribution exploite le fait qu'un noeud
distant de la station de base consomme plus d'énergie qu'un noeud proche quand ces noeuds sont
élus cluster-heads. Par conséquent, les noeuds du réseau ne doivent pas avoir le même cycle pour
devenir des cluster-heads. Ainsi, nous avons proposé d'avoir des cycles inversement liés à la
distance du nœud de la station de base. La troisième contribution traite la réduction de l'énergie
consommée lors de la formation des clusters. Ainsi, au lieu de changer les cluster-heads à chaque
période de transmission, notre idée consiste à accorder à chaque noeud élu comme cluster-head
ce rôle plusieurs périodes consécutives avant de le céder pour les autres noeuds.