Impact du protocole de routage sur le contrôle de la gigue des flux audio dans les réseaux ad hoc

Impact du protocole de routage sur le contrôle de la gigue des flux audio dans les réseaux ad hoc Mouna BENAISSA * Vincent LECUIRE ** André SCHAFF *** * CRAN/LORIA, Université de Nancy I ** CRAN, CNRS *** LORIA, INRIA Campus Scientifique - BP 239 5456 Vandœuvre-Lès-Nancy Cedex vincent.lecuire@cran.uhp-nancy.fr {Mouna.Benaissa,Andre.Schaff}@loria.fr RÉSUMÉ. Cet article présente un nouvel algorithme de contrôle de gigue pour les applications audio interactives dans un environnement mobile ad hoc. Notre solution considère un phénomène de gigue lié à la mobilité: les handoffs. Les protocoles de routage ad hoc, réactifs ou proactifs, affectent différemment la gigue dans cet environnement. L algorithme est donc évalué par ces deux types de routage. Pour contrôler la gigue des flux audio continus, les résultats montrent que l approche proactive est la meilleure, à condition que la période de rafraîchissement des routes soit fixée à une faible valeur. En contrepartie, le coût sur la bande passante du réseau sera plus élevé. ABSTRACT. This paper presents a new algorithm for jitter control in interactive audio applications in mobile ad hoc networks. Our solution considers a phenomenon of jitter related to mobility: handoffs. Ad hoc routing protocols, reactive or proactive, affect the jitter differently in such networks. The algorithm is evaluated for these two types of routing. The results show that jitter control is best with the proactive approach when the refresh period is fixed at a low value. However, the bandwidth cost on the network will be higher. MOTS-CLÉS : audio, gigue, routage réactif, routage proactif, réseaux ad hoc, mobilité, handoff, délai de playout. KEYWORDS: audio, jitter, reactive routing, proactive routing, ad hoc network, mobility, handoff, playout delay.

2. 1. Introduction Les applications transportant des flux continus de voix ou d images ont des contraintes temporelles comme le délai de bout en bout - dit délai de playout - et la gigue qui doivent être bornés. Cependant, les réseaux qui n offrent qu un type unique de service dit best effort introduisent des variations aléatoires du délai. Pour faire face à cette variabilité, le récepteur peut stocker un certain nombre de paquets et reporter sa livraison pendant une certaine quantité de temps pour absorber la gigue [CLA 92][MOO 98]. Si un paquet arrive après sa date de reproduction, son information n est plus utile et le paquet est ignoré. Pour les applications dites interactives, le délai de playout ne peut pas être très long, une limite de 3 ms est souvent considérée comme maximale pour des applications audio interactives [BOL 93][PUI 96][ITU 1][KIT 91]. Bien qu il y ait des applications qui utilisent un délai de playout fixe [CHO 94], des propositions récentes emploient des mécanismes d ajustement qui sont adaptés aux variations dynamiques des délais de réseaux [MOO 98][RAM 94][PIN 99]. Mais ces algorithmes ont été prévus pour les problèmes de gigue dans les réseaux étendus tel qu Internet [SAN 93]. Dans cet article, nous montrons que dans les réseaux ad hoc, les protocoles de routage affectent différemment la gigue et nous proposons un algorithme d ajustement du délai de playout adapté aux réseaux mobiles ad hoc. Cet algorithme prend en compte l impact de la mobilité sur la gigue et s adapte dynamiquement aux changements qui surviennent dans un réseau ad hoc. L article est organisé comme suit. Après une présentation des protocoles de routage ad hoc, la section 2 évalue le comportement de la gigue dans cet environnement, pour le protocole de routage réactif et un autre proactif. Dans la section 3, nous détaillons l algorithme que nous proposons pour l ajustement du délai de playout dans les réseaux ad hoc. En section 4, nous comparons les résultats obtenus pour l un et l autre des protocoles de routage mis en concurrence. Enfin, la section 5 conclut cet article. 2. Le phénomène de gigue dans les réseaux ad hoc Un réseau ad hoc est un réseau de nœuds mobiles qui ne dépend d aucune infrastructure fixe. Les nœuds d un réseau ad hoc communiquent au moyen des ondes radio. Lorsque le réseau ad hoc est géographiquement étendu, certaines stations peuvent être hors de portée les unes des autres. Ceci nécessite un routage interne qui tient compte des caractéristiques d un réseau ad hoc, en particulier la mobilité des nœuds. La figure 1 illustre un exemple simple d un réseau ad hoc [JOH 94].

3 Noeud Mobile C Noeud Mobile B Noeud Mobile A Figure 1. Exemple d un simple réseau ad hoc. 2.1. Routage dans les réseaux ad hoc Les protocoles de routage peuvent être classés en deux catégories: ceux qui adoptent une approche réactive et ceux qui adoptent une approche proactive. 2.1.1. Approche réactive Dans cette approche, un nœud découvre la route juste avant l envoi des paquets et maintient cette route durant la transmission [LAR 98]. Autrement dit, on ne découvre les routes que si le nœud émetteur le désire. Cette approche procède comme suit : 1. Le nœud émetteur initie un processus de découverte de route "Route Discovery". Il diffuse une requête Route Discovery au niveau de son rayon de propagation. Cette requête sera donc propagée par inondation sur tout le réseau. Chaque routeur rajoute son nom à la route jusqu à atteindre la destination. Cette dernière se charge de renvoyer le tracé du chemin dans un nouveau paquet en suivant le chemin inverse vers l origine ou en utilisant la même technique de découverte de route. Une fois le tracé du chemin reçu par l émetteur initial, ce dernier effectue la sauvegarde de cette route dans son cache afin de l utiliser prochainement si ce besoin se présente, sans refaire la procédure du Route Discovery. 2. Une fois le chemin connu, on utilise la procédure de "Route maintenance". Le rôle de cette procédure est de contrôler l opération de routage pour informer l émetteur d une évetuelle erreur de routage. Chaque routeur du chemin détermine si le lien suivant est toujours valide. Dès qu un nœud envoie le paquet au prochain nœud sur le chemin de routage, qui est en même temps son voisin, il doit l entendre relayer ce paquet. Cette technique d acquittement est appelée Passive Acknowledgement. Dans le cas contraire, il renvoie un message d erreur Route Error avec son adresse et celle du prochain nœud (qui n est plus dans son rayon de propagation). À la réception, toutes les routes contenant ce routeur en erreur sont omises du cache et une procédure de Route Discovery est lancée à nouveau.

4. 2.1.2. Approche proactive Contrairement à l approche réactive, on essaie de maintenir une connaissance des routes sur tout le réseau [COR 99]. Chaque nœud doit maintenir une ou plusieurs tables pour sauvegarder les informations de routage. Afin de mettre à jour ces tables de routage, des paquets de contrôle seront échangés entre les nœuds du réseau. Cette approche est basée sur les algorithmes classiques d état de liaison et de vecteur de distance. Cette approche réagit plus rapidement à la demande puisque les routes sont connues. Les tables de routage mettent beaucoup de temps pour converger vers un état stable à chaque fois que les changements dans la topologie deviennent plus fréquents. Notons aussi que le trafic de contrôle peut être important et partiellement inutile en particulier si les changements de topologie sont moins fréquents. Dans ce qui suit, nous allons étudier l impact de la mobilité sur la gigue dans un environnement mobile ad hoc avec deux protocoles de routage: le protocole réactif DSR 1 [JOH 96][BRO 99] et proactif DSDV 2 [BHA 94]. 2.2. Etude de l impact du protocole de routage sur la gigue dans les réseaux ad hoc Nous avons observé par simulation le comportement de la gigue dans un environnement mobile ad hoc avec les deux protocoles de routages DSR et DSDV. Les traces de l évolution du délai de bout en bout ont été obtenues avec le simulateur NS [GRE 1][ISI 1]. Le scénario adopté représente un réseau ad hoc à six nœuds où nous avons introduit trois phases de mobilité à des instants différents. Le trafic généré est caractéristique d une application audio avec l envoi de paquets toutes les 2 ms, avec des phases de silence de longueur 1 ms. Dans les figures 2 et 3, nous avons représenté les variations des délais de transmission en fonction des dates d arrivée des paquets à destination, pour les deux protocoles de routage DSR et DSDV. Ces figures montrent plusieurs phases où les délais sont de forte amplitude, causées par les trois phases de mobilité. Durant ces phases, la gigue est assez grande car les délais de transmission deviennent très variables d un paquet à l autre. Lorsqu un nœud se déplace, le transfert de flux est interrompu pendant la phase de handoff, le temps qu une nouvelle route vers le destinataire soit construite. De plus, un grand nombre de paquets est ignoré après expiration du TTL en attente du nouveau chemin de routage. Les phases de handoff observées sur les traces du protocole DSR sont plus longues que celles de DSDV et montrent des délais de plus forte amplitude (voir les figures de droite 2.b et 3.b). Le protocole DSDV s adapte plus rapidement que DSR aux changements de routage, ce qui est meilleur pour les besoins des applications audio. En dehors de ces phases et sous des conditions normales, les délais de transmission restent de faible amplitude et assez constants, par conséquent, la gigue est très petite (dans la plupart des cas simulés ). Les délais de. Dynamic source Routing. Demand sequenced Distance vector

5 9 routage: DSR 9 routage: DSR 8 8 7 7 6 6 5 4 5 4 3 3 2 2 1 1 1 2 3 4 5 6 7 4 41 42 43 44 45 46 47 48 (a) (b) Figure 2. (a): La gigue dans un réseau ad hoc avec routage DSR. (b) : La gigue dans un réseau ad hoc avec routage DSR: phase handoff. 3 routage: DSDV 3 routage: DSDV 25 25 2 2 15 15 1 1 5 5 1 2 3 4 5 6 7 58 59 6 61 62 63 64 65 66 (a) (b) Figure 3. (a): La gigue dans un réseau ad hoc avec routage DSDV. (b): La gigue dans un réseau ad hoc avec routage DSDV: phase handoff transmission augmentent d une phase normale à une autre à chaque fois que le nombre de nœuds intermédiaires augmente sur le chemin du routage. On conclut alors que la mobilité a un impact significatif sur la gigue et varie selon le protocole de routage utilisé. Par conséquent, les applications audio doivent s adapter à ces variations lorsque les nœuds se déplacent avec des connexions en cours.

6. 3. Algorithme d ajustement du délai de playout La gigue perturbe le flux de paquets audio et affecte la fluidité de la voix à la réception car elle transforme un flux périodique en un flux non périodique [MON 83]. Il est donc nécessaire de restaurer la périodicité originale à la destination. De plus, les délais de transmission ne doivent pas être très élevés afin de ne pas affecter l interactivité entre les participants. Un paquet qui arrive après le moment où il est supposé être joué, est considéré perdu (cf. Figure 4.a). source source destination destination Délai du buffer Late Time Time (a) (b) Figure 4. (a): Flux audio non périodique. (b): Utilisation du buffer de compensation de gigue. Le contrôle de gigue se fait côté destinataire. L objectif du mécanisme de contrôle de gigue est de différer le moment auquel les paquets sont joués d un certain laps de temps de façon à ce que la plupart des paquets soient reçus avant le moment où ils sont supposés être joués (cf. figure 4.b). Pour cela, un buffer est utilisé au niveau du récepteur pour stocker les paquets en attente. On appelle le délai de playout d un paquet "i", la durée totale écoulée depuis sa génération par l émetteur jusqu à ce qu il soit joué par le récepteur. Le délai de playout inclut le délai de propagation ( ) dans le réseau, le délai d attente ( ) engendré dans les routeurs intermédiaires et le délai d attente ( ) dans le buffer de compensation de gigue (cf. figure 5). Plusieurs algorithmes ont été proposés pour l ajustement du délai de playout [MOO 98] [RAM 94][PIN 99]. Mais ces algorithmes ont été prévus pour les problèmes de gigue dûs principalement aux effets de charge dans les réseaux étendus (Internet). Dans ce qui suit, nous allons présenter un algorithme d ajustement du délai de playout adapté aux caractéristiques de la gigue relatives à la mobilité dans les réseaux ad hoc. Un tel algorithme doit pouvoir distinguer les phases de handoff des phases normales et estimer le délai de playout dans cet environnement. Il doit aussi agir plus rapidement à la détection d un handoff et prendre en compte la contrainte d interactivité des applications audio. Cet algorithme considère deux modes de fonctionnement correspondants respectivement aux phases "normale" et "handoff ". Il effectue la détection des deux phases et calcule l estimation du délai de playout comme cela est décrit dans les sections suivantes.

7 d i (délai de out) n i D prop v i b i (délai du buffer) recepteur a i (heure de reception) p i (heure de remise finale) emetteur t i (heure d'emission) Figure 5. Délais subis par un paquet depuis l émetteur jusqu au récepteur. 3.1. Détection des deux phases : normale et handoff L algorithme doit détecter le début et la fin de chaque phase pour pouvoir basculer entre les deux modes normal et handoff. On distingue les transitions entre ces deux phases par l état de la gigue sur un horizon de quelques paquets: les délais de transmission durant la phase normale sont stables alors qu ils sont assez instables durant la phase handoff (voir section 2). Pour cela, nous avons besoin de calculer l écart entre les délais de transmission de plusieurs paquets consécutifs. Il est possible de détecter le début de ces phases au bout de trois paquets consécutifs (i-2, i-1, i). Deux cas de figure se présentent alors: 1. En mode normal et dans le cas où l écart entre les délais deviendrait assez grand, l algorithme détecte le début d une phase handoff et bascule en mode handoff, c.à.d: If ((abs(! " )>seuil_handoff) and (abs( # $ " &% )>seuil_handoff)) { mode = HANDOFF; } 2. Ensuite, pour détecter la fin d une phase de handoff et revenir au mode normal, l algorithme teste si la variation dans les délais de transmission est assez petite, c.à.d: If ((abs( " )<seuil_normal) et (abs( &% )<seuil_normal)) { mode = NORMAL; } Une fois que la phase dans laquelle on se trouve est identifiée, l algorithme procède à l estimation du délai de playout de la manière appropriée à cette phase comme précisé ci-dessous.

( ) * ) + +, + - - ( +, / ( / ( 1 / 2.. 3.. 8. 3.2. Estimation du délai de playout Vu que les caractéristiques de la gigue dans les deux phases (normale et handoff ) sont différentes, l estimation du délai de playout ' ne se fait pas de la même façon : // initialisation de variables mode = NORMAL; cpt = ; max = 3 ; // borne maximum d'interactivité nb=1 ; // nombre de paquets participant au calcul de di_act durant la phase, normale do=15ms; //initialisation du playout delay initial di-1 =; // valeur précedente du délai de playout. ni-1 =n i-2 =; // les deux plus recentes valeurs de n i seuil_normal=1; // en phase normale ni -n i-1 < 1 seuil_handoff=2; // en phase handoff ni -n i-1 > 2 // à l'arrivé de chaque paquet ni = reception_ timestamp - transmission_timestamp; di-1 =d i ; // sauvegarde du dernier délai de playout estimé if ( mode== NORMAL) { // detection d'une phase de handoff if (abs(n i - n i-1 ) > seuil_handoff) and (abs(n i-1 - n i-2 ) > seuil_handoff ) { mode = HANDOFF; } } else { // retour à la phase normale if (abs(n i - n i-1 ) < seuil_normal) and (abs(n i-1 - n i-2 ) < seuil_normal ) { mode = NORMAL ; cpt = ; } } // calcul de l'estimation du délai de playout if ( mode== NORMAL ) { if (cpt<= nb) { d i = (n i + 7 d i-1 ) / 8; cpt = cpt + 1; } } else { di = (n i + d i-1 ) / 2 ; } // phase handoff Figure 6. Pseudo code de l algorithme d adaptation du délai de playout dans les réseaux ad hoc. 1. Phase normale: L adaptation du délai de playout durant cette phase est inutile car la gigue est très petite. Cependant, un délai de playout fixe est estimé au début de chaque phase normale. Un certain nombre de paquet, qui arrivent au début de la phase normale, participent à l estimation du délai de playout initial. Le reste des paquets qui appartiennent à la même phase normale, utilisera le délai de playout fixé au début de la phase. Nous avons utilisé la formule suivante pour estimer ce délai [JAC 88][POS 81]: 465 798;:=<?>A@B 5&CD> 465 E F 3 (1) avec > : facteur de poids de l estimateur. Dans nos tests, nous avons pris >D7GIHKJ par expérience; il permet d avoir une bonne estimation du délai de playout [MOO 98][RAM 94].

9 2. Phase handoff : Vu que la gigue est assez grande durant un handoff, nous avons défini un deuxième facteur de poids L avec la valeur 1/2 qui donne la même importance au délai de playout précédent et au nouveau délai afin d éviter une estimation très, voire trop, élevée du délai de playout. Ceci est décrit dans l équation suivante: M ' ONQP &R M ' # TSVUW (2) Durant une phase de handoff, le délai de playout est adapté périodiquement afin de permettre une meilleure réaction aux variations des délais de transmission. Le délai de playout est estimé à l arrivée de chaque paquet puis ajusté au début de chaque période d adaptation. Le nouveau délai de playout estimé durant une même phase n est considéré que s il est supérieur à l ancienne valeur du délai de playout afin d éviter qu une collision se produise entre le jeu de deux ou plusieurs paquets consécutifs. Enfin, l estimation du délai de playout est suivie par un test de contrôle de borne d interactivité. Le délai de playout estimé n est pris en compte que s il ne dépasse pas la borne d interactivité maximale de 3 ms. Dans le cas où ce délai dépasserait les 3 ms, l estimation est fixée à cette borne de 3. Un pseudo code de l algorithme est donné dans la figure 6. 4. Résultats et Comparaison Nous avons appliqué notre algorithme pour les deux approches de routage, sur un scénario commun de réseaux ad hoc simulés sous NS, décrit dans la section 2. Cela nous permet de comparer les performances de notre solution par rapport aux deux protocoles de routage DSR et DSDV. 9 routage: DSR playout delay 9 routage: DSR playout delay 8 8 7 7 6 6 5 4 5 4 3 3 2 2 1 1 1 2 3 4 5 6 7 4 41 42 43 44 45 46 47 48 (a) (b) Figure 7. (a) : Délai de playout estimé dans un réseau ad hoc avec routage DSR (b): Délai de playout estimé dans un réseau ad hoc avec routage DSR: phase handoff

1. 3 routage: DSDV playout delay 3 routage: DSDV playout delay 25 25 2 2 15 15 1 1 5 5 1 2 3 4 5 6 7 58 59 6 61 62 63 64 65 66 (a) (b) Figure 8. (a): Délai de playout estimé dans un réseau ad hoc avec routage DSDV (b): Délai de playout estimé dans un réseau ad hoc avec routage DSDV: phase handoff Les figures de gauche 7.a et 8.a tracent l évolution totale du délai de playout estimé par l algorithme que nous proposons pour les deux protocoles de routage DSR et DSDV. Ces figures montrent que cet algorithme réagit au début de la phase de handoff et adapte le délai de playout plus fréquemment durant cette phase. Nous avons fixé une période de 1 ms pour l adaptation du délai de playout durant toutes les phases de handoff. Le délai de playout estimé augmente à chaque fois que les délais de transmission sont plus élevés. Avec le protocole réactif DSR, cet algorithme aboutit à des délais de playout plus grand que ceux estimé pour le protocole DSDV (voir les figures de droite 7.b et 8.b). De plus, comme la gigue est plus forte avec DSR, un plus grand nombre de paquets arrivent trop tard au destinataire et sont donc perdus pour l application. Pour chaque période normale, nous avons pris les six premiers paquets pour estimer le délai de playout. Finalement, notre algorithme réagit à l usage comme désiré, en faisant correctement les ajustements du délai de playout. 5. Conclusion Dans cet article, nous avons présenté un algorithme d adaptation du délai de playout pour des applications audio interactives dans un environnement ad hoc. Notre algorithme prend correctement en compte l impact de la mobilité sur la gigue dans les réseaux ad hoc. Il a été défini après étude du phénomène de la gigue dans les réseaux ad hoc. Cet algorithme distingue correctement les deux phases: normale et handoff. Nous avons évalué les performances de cet algorithme dans un réseau ad hoc avec deux protocoles de routage, proactif et réactif. Notre solution fournit une bonne réaction aux phases de handoff et calcule au mieux le délai de playout. Elle s adapte aux circonstances quel que soit le protocole de routage.

11 En plus du phénomène de handoff, d autres conséquences de la mobilité peuvent affecter la gigue. Lorsqu un nœud se déplace, le flux de données change de route. Le délai d attente sur les nouveaux routeurs traversés peut être différent de ceux sur les anciens routeurs utilisés. Les délais de transmission peuvent ainsi varier. Cela justifie largement l intérêt d un mécanisme d ajustement dans les réseaux ad hoc. 6. Bibliographie [BHA 94] BHAGWAT P., PERKINS C., «Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance Vector Routing for Mobile Computers», ACM SIGCOMM, 1994, http://www.cs.umd.edu/projects/mcml/papers.html. [BOL 93] BOLOT J., «Characterising end-to-end packet delay and loss innthe Internet», J. of High-Speed Networks,, 1993, p. 35-323. [BRO 99] BROCH J., JOHNSON D. B., MALTZ D. A., «The Dynamic Source Routing Protocol for Mobile Ad Hoc Networks», draft-ietf-manet-dsr-3.txt,, 1999. [CHO 94] CHO Y.-J., UN C.-K., «Performance analysis of reconstruction algorithms for packet voice communications», Computer Networks and ISDN Systems, vol. 26, nx 11, 1994, p. 1385 148. [CLA 92] CLARK D., SHENKER S., ZHANG L., «Supporting real-time applications in an integrated services packet network: architecture and mechanism», SIGCOMM 92,, 1992, p. 14-26. [COR 99] CORSON S., MACKER J., «Mobile ad hoc networking (MANET)», RFC 251, janvier 1999. [GRE 1] GREIS M., «Tutorial for the network Simulator "ns"», 21. [ISI 1] ISI, «The Network Simulator ns», 21, http://www.isi.edu/nsnam/ns/. [ITU 1] ITU, «List of ITU-T Recommendations», 21, http://www.itu.int/publications/itu-t/itutrec.htm. [JAC 88] JACOBSON V., «Congestion Avoidance and Control», Proceedings, SIGCOMM 88 Workshop, ACM SIGCOMM, ACM Press, 1988, p. 314 329, Stanford, CA. [JOH 94] JOHNSON D. B., «Routing in Ad hoc Networks of Mobile host», IEEE Workshop on Mobile Computing Systemes and applications, Decembre 1994. [JOH 96] JOHNSON D. B., MALTZ D. A., «Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks», Mobile Computing, T. Imielinski and H.Korth, eds., Kluwer Academic Publishers, 1996. [KIT 91] KITAWAKI N., ITOH K., «Pure Delay Effects on Speech Quality in Telecommunications», IEEE Journal of Selected Areas in Communications, vol. 9, nx 4, 1991, p. 586-593. [LAR 98] LARSSON T., HEDMAN N., «Routing Protocols in wireless ad hoc networks», Master s thesis, TEKNISKA University, 1998. [MON 83] MONTGOMERY W., «Techniques for Packets Voice Synchronisation», IEEE J. on Selected Areas in Communications, Sol.SAC-6, No. 1 pp. 1122-128, Dec 1983, http://www.cse.ucsc.edu/ rom/infocom2. [MOO 98] MOON S., KUROSE J., TOWSLEY D., «Packet audio playout delay ajustments: Performance bounds and algorithms», ACM/Springer Multimedia System,, 1998, p. 17-18.

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