Les rseaux mobiles ad hoc

1
Les réseaux mobiles ad hoc

• Philippe Jacquet
• INRIA LIX

2
Les réseaux mobiles ad hoc

• Les réseaux mobiles ad hoc applications et
  technologies
• Fondamentaux des reseaux sans fil
• Topologies et schémas dans les réseaux sans fil
• Le routage dans les réseaux ad hoc
• Modèle avancé de propagation des ondes
• Performances asymptotiques des algorithmes
• Espace et temps dans les reseaux ad hoc

3
1. Les réseaux mobiles ad-hoc

• Les architectures sans fil
• Réseau complet
• Réseau à routage interne
• Réseau à station de base

4
1. Les réseaux mobiles ad hoc

• Un manet est un réseau réalisé par la réunion
  dopportunité de plusieurs nuds mobiles sans
  infrastructure pré-existante pour communiquer.
• A hauts débits et mobilité le réseau est plein
  de trous de connectivité

5
1. Applications

• Secours défense Wifi étendu

6
1. Les réseaux mobiles ad-hoc

• Les applications en intérieur

7
1. Applications

• Urban ad hoc network

8
1. Application

• Urban or indoor net gaming

9
1. Les réseaux mobiles ad-hoc

• Applications en extérieur

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1. Réseaux locaux sans fil (WLAN)

• Protocole daccès pilote
• CSMA (listen before talk)
• bande unique paquet à diffusion non acquitté
• acquittement des paquets point à point

paquet
ACK
11
1. Réseaux locaux sans fil

• Techniques de modulation
• étalement de spectre (Wifi)
• égalisation (Hiperlan)
• saut de fréquence (Proxim Bluetooth)

12
1. Lavenir technologique des réseaux ad hoc

• Les réseaux de nano-capteurs (millions/ha).

13
1. MMDD wireless networks

• Massively
• Mobile
• Dynamic
• Dense
• Cheap radio chips everywhere (sensors)
• Existing routing protocols dont scale
• Existing link layers collapse

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2. Fondamentaux des réseaux sans fil

• Théorie de linformation
• Traitement du signal

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2. Mesure de linformation

• Lentropie est la mesure de la quantité
  dinformation
• Entropie dune source X
• A est lensemble de tous les codes exprimables
  par X.
• Par exemple si Xn est la source qui donne des
  suites binaires aléatoires de taille n

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2. Mesure de linformation

• Sur les mots de taille n les entropies maximales
  sont atteintes par les sources uniformes.
• Pour exprimer en bit prendre le log en base 2.
• Un bruit B uniforme crée une entropie
• µ pas déchantillon du bruit

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2. Capacité d un canal de communication

• Quantité dinformation transmise I(XY)
• entropie transmiseentropie reçue - entropie du
  canal

X
Y
18
2. Capacité dun canal de communication

• Exemples

19
2. Capacité dune liaison sans fil

• Par symbole transmis Signal de lémetteur S
  bruit B reçu SB pas déchantillon µ
• entropie reçue entropie du
  canal
• capacité du canal
  par symbole
• Largeur de bande W (symboles/s)

récepteur
S
émetteur
N
20
2. Capacité dune liaison sans fil

• Théorème de Shannon
• La capacité est atteinte avec un taux derreur
  arbitrairement bas
• Corollaire le taux derreur nest jamais nul
• La complexité des protocoles de correction
  derreurs peut être arbitrairement élevée.
• Techno W est le facteur prépondérant
• contrainte
• traitement du signal

21
2. La complexité du traitement du signal

• La diffraction sur les obstacles crée des échos
  décalés

Signal émis
échos
Signal reçu
22
2. La complexité du traitement du signal

• La durée T du plus long écho est fonction de la
  portée R et du milieu.
• T0 dans le vide
• T R dans un milieu homogène 1D
• T R1/2 dans un milieu homogène 2D
• T R avec ½ltlt1 dans un milieu  fractal 

23
2. Complexité du traitement du signal

• Exemple de milieu fractal le milieu urbain

24
2. Complexité du traitement du signal

• Réponse du canal a(t)
• complexe pour tenir compte des déphasages
• Discrétisé aka(k) est le pas de
  discrétisation

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2. Complexité du traitement du signal

• Fonction de redressement du canal b(t)

26
2. Complexité du traitement du signal

• Redressement du canal (égalisation)
• Émission dune séquence connue X réception Y
• La connaissance de X et Y permet de connaître les
  fonctions a(t) et b(t).
• Echantillonnage discret (valeurs complexes)

X
Y

27
2. Complexité du traitement du signal

• Résolution matricielle
• La dimension de la matrice
• T la durée du plus long écho.
• Complexité en k2

28
2. Complexité du traitement du signal

• Puissance du DSP
• Par symbole k2 opérations
• W capacité (symboles/sec)
• A puissance de DSP égale il faut faire un
  compromis entre portée et capacité

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2. Performances variées

• Hauts débits faible portée (25 Mbps 20m).
• Forte densité forte mobilité (illimitée 10 m/s)

  
Hiperlan12 IEEE802.11a
Capacity in bit/s
Wavelan IEEE 802.11
UMTS pico-cell
UMTS micro-cell
GSM UMTS
bluetooth
distance in m
30
3. Topologie et schémas

• Schémas centralisés à stations de base
• Schémas maillés et mobiles ad hoc

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3. Deux écoles
Access Point
wireless centralized scheme
wireless meshed scheme
32
3. Une polémique

• Mesures de performances sur Wifi montrent
• Schémas centralisés capacité 5 Mbps
• Schémas maillés capacité 0.5 Mbps
• Cest VRAI!

33
3. Mauvaise conclusion

• Les schémas centralisés sont 10 fois meilleurs
  que les schémas maillés.
• Cest FAUX!

34
3. Quest-ce qui est mesuré
an isolated centralized network
a mesh network deployed in the plan
Problem Dimension0
Problem Dimension2
35
3. Où est la vérité
Si plusieurs réseaux centralisés couvrent le
plan la capacité tombe dun facteur 10.
equivalent and slightly worse than mesh networks
Pourquoi
Les interferences!
multi-centralized scheme
36
3. Modèle dinterference en dimension 0

• Modèle sloté
• Trafic de Poisson brut par slot
• interferencecollision proba
• Capacité maximale (Aloha)
• see more than 1 slot per 3 containing data (other
  empty or collision)

an isolated centralized network
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3. Modèle dinterférence en dimension 2

• Modèle sloté
• Trafic de Poisson par slot et par hectare
• atténuation par distance agt2
• transformée de Laplace du signal reçu

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3. Capacité maximale par slot et par point

• interference SNR ltK
• capacité maximale par slot et par point
• see more than 1 slot over 30 containing data

Ten times smaller!
39
3. Un point daccès unique
per location throughput 0.037
per location throughput 0.37
La capacité pompée par hectare tend vers zéro! Un
AP pour la France 0.1 bps/hectare
40
3. Pomper des Mbits par hectare

• Important un réseau sans fil nest pas comme une
  chaîne TV
• Maximiser des trafics DIFFERENT par hectare
• traffic volumes add
• Un seul point daccès arroserait toute la zone
  avec le MEME trafic
• very inefficient
• La diversité de trafic pousse à augmenter le
  nombre des points daccès

41
3. La limite du schéma multi-centralisé

• Capacité cumulée nette par slot par hectar
• if 5Mbps/ha over 10 Mbps interface µ0.5/ha
• densité minimum dAP
• for µ0.5/ha 14 AP/ha
• delays diverge on limit density
• collisions retransmissions

average collision rate vs AP density
42
3. Le schéma maillé peut il faire mieux

• Oui!
• le maillé généralise le centralisé
• nodes relay packet to APs
• tune to multihop if more optimal
• Plus de flexibilité
• Tunable APs density
• Take benefit from node density
• Mais les limites restent similaires à cause des
  interférences

43
3. Facts and figures
mesh with node density 10000
capacity ratio per ha
mesh with node density 1000
multi-centralized scheme
mesh with node density 100
access point density
44
3. Conclusion

• Les schémas centralisés et les schémas maillés
  ont les meme problemes dinterference
• Une chute dun ordre magnitude en 2D
• Le maillé passe mieux à léchelle
• meilleure flexibilité
• adaptabilité et bénéfice de la densité des postes

45
4. Protocoles de routage dans les réseaux mobiles
ad hoc
46
4. Le routage la clef de voûte

• Sans contrôle de topologie et sans routage le
  réseau nexiste pas
• Le routage sans fil est très différent de la
  commutation de circuit.

47
4. Les réseaux mobiles ad-hoc

• Le routage radio comparé au routage sur câble
• Les liens ne sont pas isolés
• les propagations sont versatiles
• zones dinterférence étendues
• Les nuds sont mobiles
• voisins illimités

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4. Les réseaux mobiles ad-hoc

• Les réseaux IP MANET
• L IETF (Internet Engineering Task Force)
  normalise des protocoles de routage pour des
  réseaux ad-hoc de mobiles (Mobile Ad-hoc
  NETwork).
• Le routage a lieu au niveau du protocole internet
  (intranet mobile).

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4. Le routage dans internet

• La table de routage
• routage au saut par saut (longest prefix match).

B
C
D
A
Destination prochain relais distance D B 3
50
4. Vecteur de distance (RIP)

• chaque nud diffuse périodiquement sa table de
  routage vers ses voisins. La table de routage
  locale est calculée à partir des tables connues
  des voisins
• Avantage coût borné (MNN par période)
• Défaut convergence très lente (exponentielle en
  N)

51
4. Etat des liens (OSPF ISIS)

• chaque nud diffuse la liste de ses voisins à
  l ensemble du réseau (paquet répété de voisin à
  voisin). La table de routage est calculé sur la
  table des liens connus.
• Défaut coût élévé ((MN)2 par période)
• Avantage convergence très rapide.

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4. Routage sur réseau ad hoc

• Les réseaux ad hoc typique N10000 et M1000.
• Les périodes de mise à jour doivent de l ordre
  de 10 sec (au lieu de 1h dans le cable).
• Coûts trop grands 1011 pour vecteur de distance
  et 1014 pour états des liens le trafic de
  contrôle écroule le réseau.

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4. La vision MANET

• 1997 lIETF fonde le groupe de travail MANET.
• Objectif concevoir le meilleur protocole de
  routage ad hoc
• Enorme popularité
• Très fort intérêt des militaires des
  professionnels de linternet (CISCO)
• Sollicitation de lexpérience HIPERLAN de lINRIA

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4. Lécole MANET

• Protocoles réactifs
• pas de tables de routage maintenues en continu
• Réaction à la demande en diffusion de requêtes
• Pas de trafic de contrôle continu pour les routes
  non utilisées
• Coût important pour la mise en place des routes
  (inondation)
• Délais importants avant louverture de chaque
  route
• Exemple AODV

• Protocoles proactifs
• Échange de paquets de contrôle
• Mise à jour continue des tables de routage
• Les routes sont immédiatement disponibles à la
  demande
• Le trafic de contrôle et de mise à jour peut être
  important et partiellement inutile
• Exemple OLSR

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5. Modélisation avancée des réseaux sans fil

• Propagation des ondes
• Etude des interférences
• Optimisation du routage

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5. Un modèle simple de réseau sans fil

• Modèle physique
• Un plan infini (coordonnées cartésiennes)
• Les émetteurs ont même puissance nominale Q
• Atténuation du signal a distance r de lémetteur
  

y
x
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5. Interférences

• Plusieurs émetteurs simultanés

58
5. Modèle physique

• Si S est lensemble des émetteurs au temps t
• Puissance reçue au point z au
  temps t

59
5. Propriété de la puissance

• Homothétie de rapport a

60
5. Modélisation de réseau Wifi

• le temps est divisé en tranches égales (slot)
• Application de la loi de Shannon
  (interférencebruit)
• paquet émis par est reçu par le point si
• S est lensemble des émetteurs pendant le slot de
  

61
5. Modèle de protocole (suite)

• Deux types de paquet
• diffusion (envoyé a plusieurs récepteurs)
• point a point (pour un seul récepteur)
• Les paquets point a point qui ne sont pas reçus
  sont retransmis sur des slots aléatoires
• un champ par slot pour acquittement par la
  destination (WiFi)

DATA
ACK
62
5. Routage des paquets

• Si un émetteur est trop éloigné de son récepteur
• Lémetteur choisit des relais intermédiaires.
• Le choix des relais sappelle le protocole de
  routage.

relais
relais
source
relais
destination
63
5. Modèle de trafic

• A chaque slot lensemble des
  émetteurs est choisi aléatoirement selon une loi
  de Poisson
• Densité par mètre carré (y compris
  relayeur)
• Portion A du plan (A surface de A S nombre
  déléments)
• moyenne

64
5. Réception dun paquet

• Probabilité de réception correcte
• a distance r
• Propriété

65
5. Routage optimal

• Question déterminer le meilleur saut quand
• nombre de sauts
• Nombre de transmissions par saut

66
5. Routage optimal

• Nombre démissions minimal quand est
  minimale (émission par mètre)
• Optimale avec
• maximise
• Nombre démissions
• pour

67
5. Application numérique

• Détermination de
• il faut calculer
• Utilisation de la transformée de Laplace

68
5. Transformée de Laplace

• Pourquoi
• une expression simple de la forme
• Utilisation de la transformée de Laplace inverse

69
5. Expression de la TL

• intégration simple

70
5. Inverse TL

• développement en puissance

71
5. Conséquence

• Quand
• Loi en puissance

72
5. Evanouissement aléatoire du signal

• Fading
• obstacles mouvements dans le medium
• puissance reçue a distance r
• juste un changement de la constante C.

composante aléatoire
73
5. Capacité dun réseau fini

• Un réseau a N postes disposés aléatoirement
• surface A
• trafic par slot uniforme par poste
• On applique les résultats du chapitre précèdent

74
5. Voisinage moyen

• Surface du voisinage moyen
• Débit dans un voisinage
• constant
• M taille du voisinage moyen
• ne dépend pas de N

75
5. Condition limite

• Le réseau doit rester connecté
• Loi de Poisson
• réseau connecté

76
Propriété déchelle des réseaux sans fil

• Le trafic traite par poste inclut le trafic
  routé
• H nombre de sauts moyen
• µ trafic utile créé par poste

77
5. Capacité maximale
Remarque a capacité maximale le réseau est multi
sauts puisque
78
5. Le paradoxe de la capacité spatiale

• Pour un réseau a ressource unique
• Capacité par poste câblé en
• décroît en en radio
• capacité globale radio
• La densité augmente la capacité la composante
  spatiale crée de la capacité.

79
5. paradoxe de la capacité spatiale
plus dinvites plus gros gâteau
80
6. Performances asymptotiques

• Le contrôle des liens
• Le protocole internet OSPF
• Optimisation par OLSR

81
6. Les algorithmes de routage

• Deux composantes essentielles
• Le contrôle de la connectivite locale
• Le contrôle de la topologie globale
• Objectif calcul de la table de routage

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6. Performance de la détection de voisins

• Un slot contient au plus B identificateurs
• exemple B100 IPv6 adresses (128 bits)
• si le nombre de voisins M excède B
• liste repartie sur plusieurs hello
• h fréquence de rafraîchissement
• exemple un hello par seconde
• contrôle mobilité sur 100 m
• vitesse max lt 100m/s (360 Km/h)
• h1/10000 par slot pour 12.8 Mb Ps

DATA
ACK
B
83
6. de la détection de voisinage

• Chaque poste envoie hello a fréquence
• en fait expression équivalente plus compliquée
  quand M est Poisson
• densité de trafic due aux hello
• En labsence dautres trafics
• Identité de point fixe

84
6. Voisinage maximum gérable

• On simplifie
• Donc taille du réseau maximum
• supérieur au nombre de grains de sable sur terre

85
6. Interprétation
voisinage moyen M
voisinage unique
multi sauts
réseau déconnecté
quand NltM voisinage unique
86
6. Contrôle de voisinage capacité restante

• densité de trafic cumulée

positif tant que
libre
gestion du voisinage
moralement
87
6. Performance du protocole OSPF

• Taille du paquet LSA
• comme le paquet hello
• Fréquence denvoi du paquet LSA
• exemple un tous les 10 secondes (dans internet
  un tous les 20 minutes)
• chaque paquet doit relayer les LSA des N postes
• en le répétant M fois
• Charge par poste
• densité de trafic due au LSA

88
6. Taille maximal du voisinage gérable par OSPF

• Equation déquilibre
• le point fixe NM donne
• sans trafic supplémentaire le réseau a un
  voisinage unique quand
• taille maximale

89
6. Capacité OSPF

• Equation déquilibre globale

max théorique
OSPF
90
6. Optimiser le protocole OSPF

• Le protocole de diffusion de topologie est la
  clef des performances
• Optimisation facile
• envoyer les LSA comme les hello
• une transmission au lieu de M copies
• une inondation coûte N transmissions au lieu de
  NM

91
6. Evolution de léquation déquilibre

• devient

92
6. Le protocole Optimized Link State Routing
(OLSR)

• Optimisation de linondation par les relais
  multipoints

Ensemble multipoint dun poste objectif
trouver le plus petit possible sous ensemble qui
couvre le voisinage a deux sauts. Seuls les
relais multipoint diffusent les paquets LSA.
93
6. Optimisation par OLSR

• Lensemble des relais multipoint bien plus petit
  que le voisinage

Lanalyse montre
Les Simulations montrent
94
6. La diffusion par les relais multipoints

• Un poste relaie si il est relais multipoint du
  premier émetteur quil entend.

nombre de retransmissions
95
6. Les différentes étapes des optimisations OLSR

• inondation par relais multipoints
• Les messages LSA ne contiennent que les relais
  multipoint inverses
• Théorème les routes les plus courtes restent de
  même longueur

96
6. Performance du protocole OLSR

• Paramètres de bases

97
6. Capacité de base
max théorique
OLSR base
98
6. Fish-eye OLSR

• Comment voient les poissons
• Les détails au centre
• Flou a la périphérie

99
6. Application fish-eye aux réseaux

• Les LSA lointains sont moins fréquents

160 sec
80 sec
40 sec
20 sec
10 sec
100
6. Flou sur les positions

• La position devient plus précise quand le paquet
  sapproche de la destination

101
6. Performance de fish-eye

• réduction de fréquence des LSA a distance k
• nombre de LSA reçus en

1
2
k
k1
102
6. OLSR Fish-eye

• Les LSA sont envoyes avec fréquence
• les LSA expirent a distance k avec probabilité
• Equation déquilibre
• Hypothèse
• exemple

103
6. Voisinage avec Fish-eye OLSR
plus de 50 au m2 sur toute la Terre
104
6. Capacité Fish-eye OLSR

• capacité utile

max théorique
fish-eye OLSR
105
7. réseaux ultra-mobiles intermittents

• Router de linformation dans des réseaux jamais
  connectés
• trop mobiles
• pas assez de porté
• pas de GPS (exemple réseaux dintérieur)

106
Routage dans un MANET
destination
store-forward
source
many good routing protocols AODV OLSR
speed of information propagation 100 km/s
assumed infinite
107
Routage dans réseau intermittent
destination
source
routage classique sarrête dans la composante
connexe
108
Routage dans réseau intermittent
sourcedestination
totalement déconnecté pas de routage classique
109
Propagation de linformation dans un réseau
intermittent

• Information peut se propager
• grace à la mobilité des nuds
• les composantes connexes changent rapidement
• store-hold-forward

110
Ultra-Mobility

• Very small RF devices.

111
Ultra mobile wireless dogs

• Information actually propagates
• thanks to dogfights
• depends on mobility models

112
Routage dans un réseau intermittent

• Propagation supposée infinie dans les composantes
  connexes (cc)
• Un protocole proactif (ex OLSR) dans les
  composantes connexes.
• Protocole simple Forward to all routers (FAR)
• innonde instantément la cc
• nuds transfuges contaminent les autres cc
• paquets délivrés à la destination quand dans la
  même cc

113
Forward to all routers

• Le plus rapide
• le paquet arrive au plus tot à la destination
• Inefficace en bande passante
• trop de copies de paquets
• encore du trafic après délivrance
• élimination des copies après échéance.

114
Vitesse de la propagation de linformation

• Dépend du modèle de mobilité
• marches aléatoires
• billard
• random waypoints
• mobilité groupée
• chasse
• etc.

115
Vitesse de la propagation de linformation

• Pour la plupart des modèles de mobilité il
  existe
• Plusieurs mobilités différentes donnent des
  évolution de cc identiques
• Information propage comme le son dans un lmedium.

node density
mobile speed
116
Propagation en medium(1)

• Propagation dans un solide très rapide dans les
  ponts moleculaires (cc)
• instantanée si elasticité0
• équivalent au routage classique en MANET

117
Propagation en medium(2)

• Propagation dans un gaz lente plus lente que
  les atomes
• équivalent à réseau intermittent totalement
  déconnecté

118
Propagation en medium(3)

• Propagation dans un liquide très rapide dans les
  cc très lente entre.
• cc changent rapidement à cause de la mobilité des
  molécules
• équivalent à la propagation de linformation dans
  un réseau intermittent.

119
Alternative à FAR routage à copie unique

• Exemple forward to random routers
• le paquet saute aléatoirement entre les nuds
• paquet fonce vers la destination quand dans la
  cc
• Mauvaise convergence
• Le saut aléatoire peut ne pas converger (ex. plan
  infini)

120
Forward to best router

• A chaque instant le paquet est stoqué dans le
  meilleur routeur dans la cc
• Meilleur routeur est probablement celui qui est
  le plus près de la destination
• Comment faire sans localisation
• lage de la rumeur.

121
Age de la rumeur

• Principe de lhomme qui a vu lhomme qui a vu
  qui a vu lours
• Différent de lage de la dernière rencontre

122
(No Transcript)
123
(No Transcript)
124
(No Transcript)
125
(No Transcript)
126
Non random walk case road mobility
inter vehicle ad hoc communication
127
Information propagation in highways
D
128
7. Espace et temps dans les réseaux mobiles ad hoc

• Résultat Gupta Kumar
• densité des (re)transmissions
• bit/m2s
• rayon radio est O(-1/2)
• nombre de sauts augmente en R1/2
• capacité par noeud est O(-1/2)
• O(-1/D) en dimension D

R
R
129
7. Réseaux massivement denses

• Rayons radio deviennent  microscopiques .
• Aspects macroscopiques
• densité de flux dinformation indice optique
  n 1/2
• Indice variable courbe les trajets optimaux
• hopCndl
• indice n 1/D en dimension D

dl
B
A
G
130
Temps et delais

• Résultat Grossglauser and Tse
• capacité/noeud O(-1/2)O(1) avec délai illimité
• Comment rendre compte dun medium avec capacité
  croissante avec le délai

time
B
A
131
7. Vers une unification de lespace du temps et
de linformation
B(u)

• Tenseur microscopique des flux dinformation
• TuB(u) uu
• La concentration dinformation impacte la
  courbure des trajets dinformation
• Tenseur des Flux et tenseur de Riemann
• Modèles dynamiques

u
132
7. Réseaux mobiles et espace-temps

• Exemple de courbure des trajets dinformation.