Résumé-L'un des problèmes très sérieux auxquels est confronté un MANET (Mobile Ad hoc Network) est la durée de vie très limitée de ses noeuds mobiles. Ce qui amplifie cette contrainte est l'absence d'échange d'informations sur l'état des noeuds mobiles entre le protocole MAC (Medium Acces Control) et le protocole de routage qui, en plus de leurs fonctionnalités, peuvent supporter des mécanismes d'économie d'énergie. Dans ce présent papier, nous étudions, en premier lieu, les interactions entre les protocoles MAC et routage pour une meilleure QoS (Quality of Services) dans un MANET. Nous nous sommes limités, dans ce présent papier, à un paramètre de QoS qui est la consommation d'énergie. Nous proposons, ensuite, une amélioration de la performance de ces deux protocoles qui sera implémentée et simulée sous NS afin de montrer ses incidences sur la QoS notamment sur la consommation de l'énergie dans le réseau. L'amélioration proposée consiste en une adaptation du protocole MAC IEEE 802.11 PSM de la couche MAC et du protocole OLSR (Optimized Link State Routing) de la couche routage et ce pour une meilleure économie d'énergie dans le réseau. Avec cette adaptation les noeuds ayant une énergie faible sont évités dans le routage afin de maintenir des valeurs d'énergie pareilles pour tous les noeuds mobiles et aussi les noeuds mobiles n'opteront pas pour le mode de sauvegarde de l'énergie si cela provoquera une rupture de connectivité dans le réseau.
Minimiser la consommation d’énergie est plus qu’importante dans les MANET [
Un MANET (Mobile Ad hoc Networks) [
Dans un tel réseau, le problème majeur consiste à savoir qui a le droit d'émettre à
un moment donné, d’où la nécessité de concevoir des protocoles afin de résoudre ce
problème. Ces protocoles servant à désigner le prochain noeud qui sera autoriser à
envoyer des informations sur le réseau et ils sont stockés dans une sous-couche
interne à la couche liaison de données appelée sous-couche MAC (Medium Acces
Control) [
Une autre fonctionnalité très importante des MANETs est le routage. La notion du
routage [
La complexité des MANET rend difficile la conception d'un protocole capable de
traiter tous les problèmes posés par ces architectures afin d’assurer une QoS (Quality
of Services). Les différentes solutions de QoS [
Viser une exploitation efficace de l’énergie dans les MANET fait recours à toutes
les couches de la pile des protocoles de communication. Les solutions proposées dans
cette optique [
Nous donnons dans la section qui suit quelques approches proposées pour une meilleure économie d’énergie dans les MANET. Dans le cadre de notre travail, nous nous intéresserons seulement aux approches visant les deux niveaux, MAC et routage.
été proposé pour conserver l’énergie des noeuds en mettant ceux qui ne transmettent
pas ou qui ne reçoivent pas en veille. C'est une combinaison du protocole original
MACA [
Le protocole IEEE 802.11 PSM. Dans les spécifications IEEE 802.11 PSM [
un canal de contrôle indépendant pour éviter la synchronisation d'horloge requise par IEEE 802.11 PSM. STEM est fondé sur les paquets de balise asynchrones dans un deuxième canal de contrôle pour réveiller les récepteurs prévus. Après qu'une transmission soit finie (par exemple après un timeout, etc.), le noeud éteint son interface radio dans le canal de données. STEM ne fournit pas des mécanismes pour indiquer l'état de gestion d’énergie d'un noeud, l'état de gestion d’énergie est seulement maintenu dans une table qui est gérée par tous les noeuds participant dans la communication des données. Par conséquent, il est possible qu'un troisième noeud émetteur prenne un délai significatif pour réveiller un noeud récepteur, quoique le récepteur soit déjà éveillé du à la communication récente avec d'autres noeuds.
S-MAC. S-MAC [
l’information de voisinage ou de topologie pour déterminer l'ensemble des noeuds qui forment un ensemble de dominateur connecté (CDS) pour le réseau, où tous les noeuds sont soit un membre du CDS ou un voisin direct au moins d'un des membres. Les noeuds dans les CDS sont considérés comme les pivots de routage et restent actifs tout le temps afin de maintenir la connectivité globale. Tous les autres noeuds peuvent choisir de se mettre en veille si c’est nécessaire.
La GAF (Geographic Adaptive Fidelity). GAF [
SPAN. SPAN [
Le problème majeur d’un protocole de routage est d’assurer un routage unicast. La
solution la plus évidente est de router vers la destination en utilisant le minimum de
sauts possible. Cela a été le choix par défaut dans les réseaux filaires et récemment
dans les MANET. Cette approche est intéressante dans la mesure où elle est bien
étudiée et minimise les délais. Mais, la principale préoccupation des MANET est
l’utilisation de l’énergie, dans ce contexte la politique de minimiser le nombre de
noeuds participants au routage n’est pas la plus adéquate à une meilleure utilisation de
l’énergie. Nous avons vu dans la section précédente que beaucoup de propositions ont
été faites dans la littérature à savoir la conception des protocoles de routage qui
prennent en compte l’aspect énergie et qui visent une consommation minimale de
cette dernière lors de leur fonctionnement [
Beaucoup de protocoles MAC (IEEE 802.11 PSM) proposés dernièrement dans le cadre de l’économie d’énergie optent pour la méthode de mise en veille des noeuds lorsqu’ils ne sont pas actifs (pas de réception et pas d’émission). Un noeud non actif peut être mis en veille même s’il dispose d’une grande quantité d’énergie. Mais du fait de cette grande quantité, le noeud sera plus probable d’être sélectionné par le protocole de routage afin de participer au routage et dire que ce noeud et en phase d’économie d’énergie (mode veille). Ce problème s’accentue si le noeud passé en mode veille a créé une rupture de connectivité du réseau, alors cela perturbera tout le réseau et conduira à retarder la procédure de découverte de nouvelle route et regagner la connectivité du réseau (si il y a d’autres noeuds plus adéquats pour participer dans le routage, sinon, attendre le réveille du ou des noeuds qui sont en mode veille). Tous ces processus encombreront le réseau avec le trafic manipulé (message de contrôle et les overheads).
Donc, le protocole MAC, dans sa gestion de l’énergie, influence négativement sur le bon fonctionnement du protocole de routage et cela parce que les interactions entre ces deux protocoles ne sont pas prises en compte.
On vient de voir que le protocole MAC, dans son mécanisme de sauvegarde de l’énergie, a un impact sur le fonctionnement du protocole de routage. De son coté aussi, le protocole de routage peut influencer négativement sur le mécanisme de sauvegarde de l’énergie du niveau MAC et dégrader ainsi sa performance. Le protocole de routage lorsque il initie une procédure de découverte de route, à partir de la source vers la destination, peut utiliser des noeuds avec une faible énergie, cela encours un très grand risque sur la vie de ces noeuds ainsi que sur celle du réseau.
Des solutions sont proposées dans ce contexte (présentées dans la section
précédente) [
Nous proposons, dans la section qui suit, une amélioration pour les interactions entre le protocole MAC et le protocole de routage pour une meilleure prise en compte des problèmes cités précédemment.
Apres cette analyse du problème, on vient de voir que la performance du mécanisme
de sauvegarde de l’énergie dépend fortement du protocole MAC et du protocole de
routage. A travers cette étude d’interactions, nous proposons une amélioration pour la
performance des protocoles MAC et Routage. Cette amélioration consiste en une
adaptation du protocole MAC IEEE 802.11 PSM [
Les noeuds ayant une énergie faible, doivent être évités dans le routage afin de maintenir des valeurs d’énergie pareilles pour tous les noeuds mobiles, ainsi garantir une plus longue vie du réseau. Les noeuds mobiles n’opteront pas pour le mode de sauvegarde d’énergie si cela provoquera une rupture de connectivité dans le réseau
Une première partie de notre amélioration vise la couche réseau en adaptant le
protocole de routage OLSR [
Consulter la table_MAC_noeud_i ; {une table dans laquelle sont stockés les Fin si {…….} informations relatives au noeud comme son état, figurant ou non dans un chemin de routage, …}
Si champs_route_noeud_i non actif alors {champs_route_noeud_i indique si le noeud est selectionné par le protocole de routage pour participer dans un chemin de routage}
Etat_noeud_i := veille;
Informer le protocole de routage ; {par un message de contrôle}
Fin si
Le but principal de nos expérimentations est d’évaluer les performances de notre
amélioration de la performance des protocoles MAC et routage et montrer ses
incidences sur la performance du réseau MANET. Nous avons utilisé l’outil NS
(Network Simulator) [
On fixe: Temps de pause = 50 sec, la charge du réseau = 20 sources
Fraction de perte de paquets 0,7 0,6 )(%0,5 tree0,4 p ed0,3 axu0,2 T 0,1 0 1 00,,1168 2 00,,128
00,,237 5 vitesse (m/s) 0,5 0,46
Pour de faibles vitesses des noeuds, le réseau présente une faible mobilité et une assez grande stabilité; les défaillances des liens sont donc moins fréquentes que dans le cas d’une grande mobilité. En conséquence, la fraction de perte de données est plus petite pour de faibles vitesses de mouvement des noeuds, et croît avec l’augmentation de la mobilité des noeuds. Le taux de perte de paquets des deux protocoles est presque identique, sauf qu’avec notre amélioration le réseau offre, relativement, de meilleurs résultats qu’avant amélioration. Cela est du au fait que les pertes de paquets liés à la mise en veille des noeuds mobiles sont réduites. En effet, avec la modification apportée au protocole MAC, le mode de sauvegarde d’énergie est bien géré et le protocole de routage est informé du mode des noeuds mobiles, ce qui lui permet de savoir s’il faut envoyer ou non des paquets sur une route quelconque.
On fixe : vitesse = 2m/s, charge du réseau = 20 sources 0,4 0,35 ) 0,3 % (tre0,25 ep 0,2 e xd0,15 aTu 0,1 0,05 0
Fraction de perte de paquets
L’augmentation du temps de pause conduit à la stabilité du réseau, ce qui favorise l’arrivée des paquets de données à leur destination, donc la fraction de perte de données est réduite. Notre amélioration permet au réseau d’avoir de meilleurs résultats qu’avant amélioration, comme pour la variation de la vitesse, cette différence de performances lors de la variation du temps de pause est du à l’absence des pertes de paquets liés à la mise en veille des noeuds mobiles lors qu’ils participent dans le routage.
Nous pouvons dire à travers ces deux derniers résultats que notre solution réduit les pertes de paquets liés au mode de sauvegarde d’énergie de quelques noeuds mobiles. Nous soulignons aussi que notre solution n’évite les pertes de paquets au niveau MAC que celles liées à la mise en veille non opportune de quelques noeuds mobiles. Aussi, notre amélioration est influencée par de grandes valeurs de vitesses et son implémentation n’est totalement réussie que pour une faible mobilité.
On fixe : Vitesse = 2m/s, temps de pause = 20 sources.
0,7 0,6 )(%0,5 tree0,4 p ed0,3 axu0,2 T0,1 0
La figure montre que le taux de perte augmente relativement avec l’augmentation du nombre de sources CBR. En effet l’augmentation du nombre de connexion conduit à la surcharge du réseau, ce qui favorise les collisions des paquets et donc augmente le taux de perte de données. Nous constatons que le taux de perte de paquets du réseau avant amélioration est légèrement supérieur au cas après amélioration, cela est une conséquence de la réduction du nombre de paquets perdus à cause de la mise en veille imprévisible des noeuds mobiles.
Nous concluons donc que notre solution est influencée par la surcharge du réseau, bien qu’elle apporte une amélioration au réseau initial sur le plan fiabilité.
D’après les résultats de l’étude précédente, nous avons fixé le scénario suivant pour l’étude de la consommation de l’énergie.
Nombre de noeuds = 10 noeuds, nombre de sources CBR = 3 sources, vitesse maximal 2 m/s, temps pause 50 sec, durée simulation 1000 sec, énergie initiale 20 joule.
Consommation de l'énergie ) 250 e l j(ou200 u a sée150 r u led100 a t o iteg 50 r e én 0 12 s10 d eu 8 o n ed 6 e rb 4 m o N 2 0 1 61 101 161 201 261 301 361 401 461 501 561 601 661 701 761 801 861 901 961
Temps (s)
Sur ce graphe l’énergie totale du réseau avant amélioration décroît plus vite que celle du réseau après amélioration sur l’intervalle [0,600] sec. Puis sur l’intervalle [600,1000] sec, nous remarquons une stabilisation du niveau de l’énergie totale du réseau avant amélioration, cela est du à la perte de connexité du réseau. En effet à t = 600 le nombre de noeud vivant du réseau avant amélioration est de 4, et ces 4 noeuds ne communiquent pas probablement à cause de l’éloignement. Sur le même intervalle, l’énergie du réseau après amélioration continue de décroître, preuve que les noeuds continuent de communiquer. Nous concluons à partir de l’évolution de l’énergie sur l’intervalle [0,600] que notre amélioration a réalisé une économie de 14% sur l’énergie totale du réseau.
Durée de vie du réseau avant amélioration
Fig. 5. Durée de vie du réseau
Sur ce graphe on remarque que le nombre de noeuds vivants du réseau avant amélioration commence à décroître à partir de t = 350 sec, et se stabilise vers t = 700 sec a cause de la perte de connectivité puis recommence à décroître vers t = 900 sec. Par contre pour le réseau après amélioration le nombre de noeuds vivants reste constant jusqu’à t = 750 sec, où il commence à décroître rapidement. Grâce à l’emploi d’un seuil d’énergie par notre solution, le protocole de routage OLSR favorise les noeuds disposant d’une plus grande énergie résiduelle et procède à l’utilisation équitable de cette dernière. A partir de ce graphe, on constate que notre approche à réaliser une augmentation de 22% de la durée de vie moyenne d’un noeud, et par conséquent augmenter aussi la durée de vie de tout le réseau.
Notre travail rentre dans le cadre de l’amélioration de la performance des protocoles des différents niveaux du modèle OSI pour une meilleure économie d’énergie dans les MANET. Dans ce présent papier, nous avons étudié, en premier lieu, les interactions entre les protocoles MAC et routage pour une meilleure économie d’énergie dans les MANET. Nous avons proposé, ensuite, une amélioration pour la performance de ces deux protocoles. Cette dernière consiste en une adaptation du protocole MAC IEEE 802.11 PSM de la couche MAC et du protocole OLSR de la couche réseau et ce pour une meilleure économie d’énergie dans le réseau. Avec cette adaptation les noeuds ayant une énergie faible sont évités dans le routage afin de maintenir des valeurs d’énergie pareilles pour tous les noeuds mobiles et aussi les noeuds mobiles n’opteront pas pour le mode de sauvegarde de l’énergie si cela provoquera une rupture de connectivité dans le réseau. Apres implémentation et simulation de cette amélioration, nous avons étudié ses incidences sur la performance du MANET plus particulièrement sur la consommation d’énergie dans le réseau. Les résultats obtenus sont très concluants et satisfaisants, avec des taux de perte de données réduits, une économie de l’énergie importante allant jusqu'à 14% et une augmentation de durée de vie moyenne d’un noeud mobile allant jusqu'à 22%.