LES RESEAUX AD-HOC INTRODUCTION PATRICK TORTELIER FTR&D/DMR

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1 LES RESEAUX AD-HOC PATRICK TORTELIER FTR&D/DMR INTRODUCTION Malgré le développemet de l ADSL e Frace, de ombreuses commues e sot pas (et e serot peut-être pas das u aveir proche) raccordées à l ADSL, e particulier das les zoes rurales. Par exemple, la carte du déploiemet de l ADSL e Bretage (Fig. 1) motre bie que, si les cetres urbais sot raccordés, il y a ecore beaucoup de zoes o couvertes (plutôt rurales), sas doute pour des raisos de coût de déploiemet. Or il y a ue demade pour u Iteret à haut débit das ces zoes rurales, aussi bie pour les particuliers que pour les professioels, et o peut peser que les collectivités locales y voiet u moye d y reteir les PME. Le même problème se retrouve hors de Frace, das des pays très étedus (Australie, Chie ) ou des pays e voie de développemet (Afrique, Ide ) qui e disposet pas d ue ifrastructure fixe couvrat toutes les zoes habitées. Il est alors itéressat de rechercher ue alterative à u accès fixe haut débit das les zoes (semi-) rurales. Bie-etedu o pese tout de suite à u accès radio, mais le coût d ifrastructure joue ecore, comme le motre le relatif échec de la boucle locale radio e Frace. Pour dimiuer ce coût d ifrastructure ue solutio cosiste à relâcher la cotraite de visibilité directe etre le termial de l'usager et ue statio de base. Il se trouve que, pour des raisos complètemet différetes, u problème aalogue a été abordé dès le début des aées 80 das le domaie des commuicatios sur le champ de bataille: Déployer u réseau de commuicatio radio etre des "mobiles" (c'est à dire fatassis, véhicules blidés, ) dissémiés sur u terrai qui, par ature, e dispose pas d'ue ifrastructure de commuicatios (et qui e doit pas e avoir, car ce serait ue des premières cibles de l'eemi). Das u tel cotexte le schéma classique du réseau cellulaire (où les mobiles d'ue même zoe, la cellule, sot reliés à ue statio de base) est impossible. La solutio qui a émergé des cotraites ci-dessus est celle où chaque mobile utilise ue iterface radio pour émettre des doées par paquets et joue le rôle d'u routeur (il trasfère les paquets des autres utilisateurs) au sei d'u réseau maillé qui se recofigure automatiquemet (il tiet compte de la mobilité des œuds, de leur activité, de leur apparitio ou disparitio évetuelle). Plus précisémet il s'agit d'u réseau dot l'ifrastructure est costituée par les termiaux eux-mêmes. 1

2 Fig. 1 Couverture ADSL e Bretage (mars 2002) 1 L'IDEE DE RESEAU AD-HOC La figure suivate (Fig. 2) illustre le cocept: les poits de couleurs répartis aléatoiremet sot des œuds (des termiaux mobiles), avec pour certais d'etre eux la portée de leur iterface radio (les grads cercles e poitillés). Pour aller de A à B (qui est hors de portée de A) les paquets passet par les œuds itermédiaires C 1 C 2 et C 3. Malgré so origie militaire, l'idée a rapidemet été jugée itéressate pour des applicatios civiles, pour les raisos suivates: A C 1 C 2 C 3 B Fig. 2 1 proveat du site regio.fracetelecom.fr/villes raccordées%20.htm. La page motre aussi l évolutio de la couverture e Ille-et-Vilaie etre 2000 et

3 La facilité de déploiemet est u avatage das certaies circostaces où o e dispose pas, ou plus, d'ue ifrastructure de commuicatios: il suffit de peser aux zoes victimes d'ue catastrophe aturelle (tremblemet de terre par exemple) ou o: u bo exemple e a été doé après les attetats du 11 septembre, où les sauveteurs ot pu utiliser comme réseau de commuicatio d'urgece le réseau maillé «Ricochet» dot quelques relais (situés sur des lampadaires) subsistaiet das la zoe dévastée; ce réseau est de type Ad-Hoc. La capacité qu ot les œuds de servir de routeur proviet de la ature du trafic gééré e chacu de ces œuds : ce type de réseau est itéressat e mode paquet, pour des trafics alterat périodes d activités et périodes iactives où l iterface radio peut être utilisée pour router le trafic des autres œuds. paquet IP itervalle burst burst +1 Fig. 3: modèle de trafic par bursts Le cocept de réseau Ad-Hoc est idépedat de l iterface radio utilisée. BT mèe ue expérimetatio à Cardiff avec la solutio MeshWorks de la société Radiat Networks, solutio travaillat das les bades des 28 ou 0 GHz, les modulatios utilisées état la QPSK, les 16 ou 6 QAM. De la même maière, le système Ricochet de Metricom utilisait plusieurs bades de fréqueces : 900 MHz, 2.3 et 2. GHz, avec ue GMSK comme modulatio. D autres solutios (dot Nokia Rooftop) utiliset les bades sas liceces à 2. GHz (bade ISM) ou 5 GHz (bade UNII) das lesquelles opèret les iterfaces (a ou b). Les cartes radio mettat e œuvre cette orme sot peu chères, d utilisatio aisée. Il y a efi u autre avatage qui est d origie plus physique et qu'o peut préseter sous la forme simplifiée suivate. O suppose tous les œuds idetiques et o ote P R la puissace moyee reçue miimum dot chaque récepteur a besoi pour foctioer correctemet. La puissace qui doit être émise pour u lie de logueur d est alors de la forme α PT = Cste PR d où α est l exposat de propagatio ; égal à 2 pour ue propagatio e espace libre il est compris etre 3 et pour des eviroemets plus réalistes. E supposat ue distace L divisée e «bods» supposés de même logueur d=l/, la puissace totale dépesée pour les trasmissios est: P total ( ) = Cste P Cste P = R α 1 L α R L α ce qui motre ue réductio d'u facteur (α-1) par rapport à ue trasmissio e u seul bod de logueur L. La première idée qui viet est celle de dimiuer la distace moyee etre les œuds du réseau ; cela reviet à augmeter la desité d utilisateurs (ce qui est séduisat) et pour chacu d eux à dimiuer la puissace émise. Mais il y a u écueil de taille au iveau du routage. LE PROBLEME DU ROUTAGE Lorsqu o joit par ue brache les œuds qui sot réciproquemet das la portée de leur iterface radio o dessie u graphe (aléatoire) qui a ue forme comme celle illustrée par la Fig. Le problème du routage reviet, doés deux œuds quelcoques, à calculer le 3

4 «meilleur» chemi qui permet de les joidre. Il s agit d u problème de plus court chemi das u graphe pour lequel existet plusieurs algorithmes performats (Ford-Bellma, Dijkstra, sot les plus cous), mais la vraie difficulté est ailleurs. Chaque œud doit avoir sa table de routage à jour, il faut doc maiteir ces tables (les œuds sot mobiles, ils peuvet apparaître ou disparaître, leur activité varie das le temps). Cette cotraite est la cause d u sur-débit o égligeable das le réseau, les mobiles devat émettre des iformatios de mise à jour de ces tables. Ce sur-débit augmete avec la taille du réseau et la mobilité des œuds. Les différets algorithmes de routage qui sot proposés (par exemple à l IETF) ot pour objet la solutio de ce problème. Fig. : maillage aléatoire Il y a aussi ue difficulté das le choix du critère permettat de dire qu ue route est «meilleure» qu ue autre. Il s agit d affecter ue métrique («logueur») à chaque arête du graphe, de sorte que la logueur d u chemi est la somme des logueurs des braches qui le costituet. Plusieurs métriques sot possibles, e particulier : - Le ombre de braches du chemi - La qualité de chaque brache, afi de privilégier les lies de boe qualité parce qu o peut y faire passer plus d iformatio. De plus si u mécaisme de retrasmissio est prévu sur chaque lie, choisir u bo lie miimise le ombre de retrasmissios et doc le retard de bout e bout. O peut aussi podérer plusieurs métriques. UNE SOLUTION SIMPLIFIEE Il est clair que la mobilité des œuds est source d ue complexité accrue au iveau du routage. D où l idée (à première vue cotradictoire avec l idée de départ) de cocevoir u maillage dot les œuds sot fixes! Se pose alors le problème de savoir à quelle situatio cela correspod. Deux applicatios commerciales ous e doet ue idée : La première proviet de Nokia-Rooftop, origiellemet ue start-up issue de travaux fiacés par le Darpa qui fait maiteat partie de Nokia 2. Il s agit d ue alterative à la boucle locale radio, das laquelle la cotraite de visibilité etre l usager et le poit d accès au réseau est relâchée : les différets utilisateurs ot chacu u modem/routeur sur le toit de leur habitatio (d où le om du produit) et ils formet etre eux u maillage où chaque œud sert de routeur à ses voisis vers les poits d accès au réseau fixe (Fig. 5). Das l exemple précédet la mobilité des œuds existe plus ; le deuxième exemple préseté itroduit ue mobilité des usagers, mais les usagers e sot plus les œuds du réseau Ad-Hoc. Le système Ricochet (développé iitialemet par la société Metricom, qui a fait faillite depuis, mais le réseau a été racheté) est u système microcellulaire das lequel les statios de base 2 http :// La commercialisatio est assurée par Tessco: http :// rooftop

5 formet u réseau maillé (ce sot des boîtiers fixés sur les lampadaires) ; u usager est relié à u de ces œuds avec ue autre iterface radio que celle qui sert aux bores etre elles, ou la même iterface das ue bade de fréqueces différete. Fig. 5 Réseau d accès maillé LA COUCHE PHYSIQUE Comme idiqué plus haut l iterface radio utilisée est de type b. Ue particularité de cette orme est de proposer plusieurs modes pour la couche physique : u mode à saut de fréquece que ous e cosidéreros pas das ce qui suit, deux modes à bas débit (1 et 2 Mbit/s) et deux modes à haut débit (5.5 et 11 Mbit/s), ces modes reposat sur des iterfaces radio différetes comme l idique le tableau suivat : Les 2 modes bas-débit ot e commu de reposer sur u étalemet de spectre à l aide d ue séquece de Barker de logueur 11. Das les deux cas le débit symbole est de 11 Mbaud. La bade occupée est de 22 MHz car le filtrage émissio est u racie de Nyquist dot le rolloff est de 1.0. O peut motrer que la détectio optimale peut se faire avec u filtre adapté et les formules usuelles de taux d erreur biaire sot applicables. Lorsqu o utilise la BPSK différetielle le symbole trasmis d est relié aux symboles d' 1, + 1 par de doées { } La variatio de phase etre 1 d et d porte doc l iformatio. La propriété est utilisée das la démodulatio (il est pas écessaire d estimer la phase de la porteuse), la 5

6 performace e caal Gaussie est doée par [1] : De maière aalogue, pour la DQPSK, les symboles complexes z trasmis vérifiet ue relatio de la forme où φ déped de deux bits d'iformatio et π 3π pred ses valeurs das 0,, π,. La 2 2 performace e caal Gaussie est doée par [1] où I 0 ( x) est la foctio de Bessel modifiée de première espèce et Q ( a, b) est la foctio de Marcum défiie par: la figure suivate motre les performaces de ces deux modulatios e caal Gaussie: Fig. 6 6

7 les modulatios CCK Les débits élevés du b (5.5 Mbit/s et 11 Mbit/s) fot appel à cette modulatio. Ue présetatio uifiée des deux modulatios à 5.5 et 11 Mbit/s cosiste à les décrire comme des modulatios codées e blocs. C'est à dire ue suite de 8 symboles QPSK, de la forme bits d'iformatio d, L, ) à ombres ( 1 d8 φ1, L, φ el les groupat par 2 selo la correspodace où les ψ i sot das Z (le corps à élémets), et formet u code de logueur 8. Das le cas de la CCK à 11 Mbit/s ils sot calculés de la maière suivate: o passe tout d'abord de 8 les ψ i sot esuite calculé de la maière suivate: O a doc u code liéaire sur Z, de 256 = mots de code, plus exactemet u traslaté (coset) à cause du vecteur costat (0,0,0,2,0,0,2,0). Les performaces d u tel code dépedet des distaces Euclidiees etre mots de code, et il est possible de calculer (ici par simple éumératio) le polyôme qui recese les voisis d u mot de code doés par leur distace Euclidiee (variable X) et par le ombre de bits d iformatio par lequel ils e diffèret (variable z) : U mot de code doé a doc 2 voisis à la distace d = mi 8. 3 d etre eux diffèret par u bit d iformatio, 3 autres par 2 bits d iformatio, 12 par 3 bits d iformatio, et aisi de suite. Ce polyôme permet de calculer le taux d erreur après décodage e appliquat la bore de l'uio: 7

8 où Q(x) est la foctio d'erreur x 1 2 t / 2 Q( x) = e dt 2π Comparée au taux d'erreur biaire d'ue QPSK o codée, égal à Q( 2 Eb / N 0 ), cette approximatio idique u gai de codage de 3 db car le terme domiat de la probabilité d'erreur est pe Q 2 2 E / N ). ( b 0 De maière aalogue la modulatio CCK utilisée das le mode à 5.5 Mbit/s est défiie par u traslaté d'u code correcteur sur Z ; o passe de bits d'iformatio ( d1, L, d ) aux symboles codés par: où φ1 est défii par les deux bits ( d, d 1 2 ) comme ci-dessus, φ 2 = d3 et φ 3 = d. O peut facilemet obteir l'éumérateur de poids à deux variables : et l'approximatio du taux d'erreur biaire: les performaces respectives des deux modulatios CCK qui vieet d être décrites sot doées par la figure (7). Pour coclure cette sectio o dira que les formules doat le taux d erreur pour les CCK à 11 et 5.5 Mbit/s sot des approximatios (bores de l uio), très précises pour des taux d erreurs 3 iférieurs à 10. Elles correspodet à u décodage optimal de la CCK cosidérée comme u code correcteur. Das la pratique les méthodes implatées par les costructeurs peuvet être sous optimales et etraîer ue dégradatio des performaces. CONCLUSION Depuis so origie, pricipalemet pour des applicatios militaires, l'idée de réseau Ad-Hoc est apparue comme ue techique d'accès fixe radio. Il est plaisat de voir que cette possibilité a été cosidérée presque dès le début des études sur ce sujet par les équipes qui y travaillaiet. E figeat les œuds du maillage des simplificatios apparaisset e effet, e particulier au iveau du routage, alors que les algorithmes de routage pour des réseaux ad-hoc mobiles sot ecore e discussio das le groupe Maet (Mobile Ad-Hoc Networks) de l'ietf. Bie que l'utilisatio pour des zoes rurales ait été mise e avat ici, des expérimetatios de cette techique e milieu urbai sot e cours à l'étrager, e particulier celle de British Telecom à Cardiff. Quelques poits cepedat restet à valider: quelle est la capacité d'u tel réseau? Commet la ressource spectrale est elle utilisée? Les aspects sécurité sot aussi à 8

9 predre e compte. Il reste doc beaucoup de travail sur cette techique séduisate. RÉFÉRENCES [1] J. Proakis, Digital commuicatios, McGraw-Hill, chap : Differetial PSK (DPSK) ad its performace. [2] B. Pearso, Complemetary code keyig made simple, Itersil Applicatio ote AN9850.2, ov [3] C. Heegard,J.T. Coffey et al., High performace wireless etheret, soumis à IEEE Comm.magazie, mars 2001, téléchargeable à l adresse suivate: [] C. Heegard, Rage versus rate i g wireless local area etworks, Task Group G, juillet 2001, téléchargeable à l adresse Fig. 7 9