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 [1]. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la conception de solutions les moins coûteuses en énergie pour ce type de réseaux [2] [3] [4]. Plusieurs d'entres elles visent des protocoles des différents niveaux du modèle OSI tel que le protocole MAC [5] [6] et le protocole de routage [7]. Etant donné que ces deux protocoles, en plus de leurs fonctionnalités de bases, peuvent supporter des mécanismes de sauvegarde de l'énergie alors l'échange d'informations entre eux sur l'état des noeuds mobiles est primordial. L'absence de ces informations conduira, d'une part, le protocole de routage à solliciter souvent des noeuds à faible énergie qui sont sensés d'être mis en veille par le protocole MAC et d'autre part, le protocole MAC à mettre en veille des noeuds non actifs à grande énergie sélectionnés éventuellement par le protocole de routage pour acheminer des données. Ces deux derniers problèmes nécessitent de considérer les interactions entre les protocoles en question et de bien les étudier afin de dégager des solutions qui les optimisent. Notre étude rentre dans cette optique et vise l'amélioration de la performance des protocoles MAC et routage pour une meilleure économie d'énergie dans les MANET. Nous présentons en premier lieu une classification en couche des plus importantes approches existantes dédiées à l'économie de l'énergie. Nous étudierons ensuite les interactions entre MAC et routage et nous terminerons notre étude par proposer une amélioration pour la performance de ces deux protocoles ainsi que par l'étude des incidences de cette amélioration sur la performance du réseau MANET particulièrement sur sa consommation d'énergie.
Un MANET (Mobile Ad hoc Networks) [1] est un cas particulier de réseau sans fil ou chaque noeud peut directement joindre ses voisins en utilisant son interface radio et il a la possibilité de contacter n'importe quel autre noeud à l'intérieur du réseau en utilisant les noeuds intermédiaires (situés entre la source et le destinataire). Ces derniers se chargent de relayer les messages et ainsi offrir un réseau autonome, conçu et supporté par l'ensemble des participants.
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) [5] [6]. Parmi les limites auxquelles sont confrontés ces protocoles MAC dans leur fonctionnement on retrouve les conséquences de la dispersion de la puissance en fonction de la portée à savoir l'effet de capture, le problème du terminal caché et le problème du terminal exposé.
Une autre fonctionnalité très importante des MANETs est le routage. La notion du routage [7] regroupe un ensemble de procédures assurant l'ouverture et l'entretien d'une communication entre deux noeuds. Dans les MANETs, il est nécessaire de créer de nouveaux protocoles qui répondent aux nouveaux besoins des applications et qui prennent en compte les nouveaux paramètres du réseau (mobilité, liens asymétriques, noeuds cachés, etc.). C'est l'objectif des protocoles de routage MANET [7]. Ces derniers peuvent être classifiés selon plusieurs critères en différentes familles, les plus utilisées sont : la classification Etat de lien/Vecteur de distance et la classification Proactifs/Réactifs.
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 [8] [9] pour de tels réseaux peuvent être classées en plusieurs sous-groupes en fonction de la couche visée. Tout de même, assurer une QoS proprement dans un MANET reste toujours une tache très difficile, car dans un tel contexte il faut prendre en compte beaucoup d'aspects tels que les propriétés imprévisibles du médium, la mobilité des noeuds, les problèmes des [10] a 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 [11], et l'utilisation d'un canal séparé pour un signal d'occupation. En employant le signal d'occupation, les terminaux sont capables de déterminer quand et combien de temps ils devraient éteindre leurs interfaces radio. Dans ce protocole, si un noeud n'a aucun paquet à transmettre et si l'un de ses noeuds voisins commence à transmettre, alors il devrait éteindre son interface radio. De même, si au moins un noeud voisin transmet et un autre reçoit, le noeud devrait également se mettre en veille parce qu'il ne peut pas transmettre ou recevoir des paquets.
Le protocole IEEE 802.11 PSM. Dans les spécifications IEEE 802.11 PSM [12], un noeud peut être dans deux modes de gestion de l'énergie, mode actif (AM) ou mode d'économie d'énergie (PS). En mode actif, un noeud est éveillé et peut recevoir des données à tout moment. En mode économie d'énergie, le paquet peut être livré à un noeud quand il sera réveillé. Le noeud qui transmet la première balise annule les temporisateurs du backoff des noeuds voisins pour la transmission de balises. Tous les noeuds dans le réseau sont synchronisés pour se réveiller périodiquement. Des messages de Broadcast/multicast ou des messages d'unicast pour un noeud en économie d'énergie sont annoncés via un message d'indication du trafic ad hoc (ATIM) à l'intérieur d'un petit intervalle appelé une fenêtre d'ATIM au début de l'intervalle de balise.
Cette approche [13] utilise 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 [14] est un protocole MAC à énergie efficace pour les réseaux de capteurs sans fil. Contrairement à PAMAS, S-MAC emploie le modèle d'écoute et de mise en veille périodique pour réduire la consommation d'énergie en évitant l'écoute à vide. Cependant, ceci exige la synchronisation entre les noeuds voisins.La latence est augmentée puisqu'un émetteur doit attendre le récepteur à ce qu'il se réveille avant de commencer la transmission. S-MAC emploie la synchronisation pour former des groupes virtuels des noeuds sur la même liste de sommeil. Cette technique coordonne les noeuds pour réduire au minimum la latence additionnelle. Une autre différence avec PAMAS est que S-MAC utilise le signalement par canal pour mettre les noeuds dans le mode veille quand leurs noeuds voisins sont en transmission. Le signalement par canal aide à la réduction du problème de sur écoute et évite l'utilisation additionnelle du canal.
Les approches CDS (Connected Dominating Set). les CSD [15] [16] emploient 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 [17] est une autre technique qui emploie la connaissance des positions géographiques des noeuds pour choisir les coordonnateurs. Les positions géographiques des noeuds sont employées pour diviser la topologie complète en zones de taille fixes (secteur géographique fixe). Les zones sont créées tels que deux noeuds quelconques dans deux zones adjacentes quelconques peuvent communiquer. La taille de la zone est ainsi dictée par la portée radio des noeuds qui est supposée d'être fixe. Seulement un noeud dans chaque zone doit être éveillé et peut être le coordonnateur. Ainsi, en exploitant la connaissance des positions géographiques GAF simplifie la procédure de sélection de coordonnateur. SPAN. SPAN [18] est un algorithme distribué et aléatoire pour le choix des coordonnateurs. Chaque noeud prend la décision d'être un coordonnateur ou pas. La transition entre les deux états est faite à base des probabilités. L'équité est assurée en faisant du noeud à une plus grande énergie le plus probable d'être un coordonnateur. L'autre critère employé dans le choix des coordonnateurs est la valeur qu'un noeud ajoute à la connectivité globale du réseau. Un noeud reliant plus de noeuds aura plus de chances d'être choisit comme coordonnateur. La notion d'aléatoire est employée pour éviter des coordonnateurs multiples simultanés. Pour l'efficacité, ces émissions sont portées (piggy-backed) sur les messages de contrôle du protocole de routage.
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 [2] [3] [4]. La majorité de ces solutions vise à utiliser, dans le routage, des noeuds avec une quantité assez suffisante d'énergie et éviter au maximum les noeuds à faible énergie. Le principe de cette stratégie est d'éviter une courte vie des noeuds (et donc celle du réseau), ainsi éviter les ruptures de routes et une utilisation non équitable de l'énergie.
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) [2] [3] [4]. Les auteurs de ces solutions visent une meilleure consommation d'énergie dans les MANET, mais ces approches peuvent être classifiées beaucoup plus de routage que d'économie d'énergie du moment qu'elles utilisent le paramètre énergie comme critère auxiliaire pour le choix des noeuds routeurs. D'une autre part, ces techniques ne mettent pas en oeuvre un seuil de faiblesse d'énergie et ne sont pas ainsi efficace en conserve de cette dernière et peuvent mener à la disparition de certains noeuds du réseau. Prenons le cas où tous les noeuds ont les même facteurs de connectivité de réseau et les mêmes faibles quantités d'énergie, alors avec cette même quantité d'énergie pour tous les noeuds, un ou plusieurs de ces derniers seront probablement sélectionnés comme routeurs (coordinateurs pour certaines méthodes comme SPAN) et dire que ces derniers peuvent par exemple être évités par une autre route ou un saut plus long. Tous ces compromis devront être étudiés avec soin pour une meilleure interaction entre le protocole MAC et le protocole routage.
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 [12] de la couche MAC et du protocole OLSR (Optimized Link State Routing) [19] [20] de la couche réseau et ce pour une meilleure économie d'énergie dans le réseau. Avec cette amélioration, les points suivants sont pris en compte:
Une première partie de notre amélioration vise la couche réseau en adaptant le protocole de routage OLSR [19] [20]
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) [22] pour mener deux études. La première étude portera sur la fiabilité des deux protocoles (OLSR et MAC IEEE 802.11 PSM, avant et après modification) et nous permettra de définir un scénario de simulation pour la seconde étude. La seconde étude portera sur les performances de notre amélioration, nous y étudierons la consommation de l'énergie dans le réseau ainsi que la durée de vie du réseau. 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. Fig. 2. Taux de perte de donnée en fonction du temps de pause 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.
Variation du Nombre de Sources On fixe : Vitesse = 2m/s, temps de pause = 20 sources. 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. 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. 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%.