LE ROUTAGE dans les réseaux mobiles Ad hoc

Les environnements mobiles

Les environnements mobiles permettent une grande flexibilité d’emploi. En particulier, ils permettent la mise en réseau des sites dont le câblage serait trop onéreux à réaliser dans leur totalité, voire même impossible. Les solutions de déploiement conçues pour les systèmes distribués ne regroupant que des sites statiques ne peuvent pas être utilisées directement dans ce type d’environnement. De nouvelles solutions doivent être trouvées pour s’adapter aux limitations qui existent, ainsi qu’aux facteurs qui rentrent en jeu lors de la conception.
Ce chapitre a pour but de présenter l’environnement mobile et les principaux concepts qui lui sont liés. Le modèle de l’environnement étudié, dans ce chapitre, n’exclut pas l’existence d’une infrastructure préexistante ( un ensemble de stations liées par un réseau filaire ) puisque l’esprit de la communication est la même pour tous les réseaux mobiles.

 Présentation des environnements mobiles

Un environnement mobile est un système composé de sites mobiles et qui permet à ses utilisateurs d’accéder à l’information indépendamment de leurs positions géographiques. Les réseaux mobiles ou sans fil, peuvent être classés en deux classes : les réseaux avec infrastructure et les réseaux sans infrastructure. Le modèle de système intégrant des sites mobiles et qui a tendance à se généraliser, est composé de deux ensembles d’entités distinctes : les « sites fixes » d’un réseau de communication filaire classique ( wired network ), et les « sites mobiles » ( wireless network ). Certains sites fixes, appelés stations support mobile ( Mobile Support Station ) ou station de base ( SB ) sont munis d’une interface de communication sans fil pour la communication directe avec les sites ou unités mobiles ( UM ), localisés dans une zone géographique limitée, appelée cellule. A chaque station de base correspond une cellule à partir de laquelle des unités mobiles peuvent émettre et recevoir des messages. Alors que les sites fixes sont interconnectés entre eux à travers un réseau de communication filaire, généralement fiable et d’un débit élevé, les liaisons sans fil ont une bande passante limitée qui réduit considérablement le volume des informations échangées.
Dans ce modèle, une unité mobile ne peut être, à un instant donné, directement connectée qu’à une seule station de base. Elle peut communiquer avec les autres sites à travers la station à laquelle elle est directement rattachée. L’autonomie réduite de sa source d’énergie lui occasionne de fréquentes déconnexion du réseau. Sa reconnexion peut alors se faire dans un environnement nouveau voire dans une nouvelle localisation.
Le modèle de réseau sans infrastructure préexistante ne comporte pas l’entité « site fixe » : tous les sites du réseau sont mobiles et communiquent d’une manière directe en utilisant leurs interfaces de communication sans fil. L’absence de l’infrastructure ou du réseau filaire composé des stations de base oblige les unités mobiles à se comporter comme des routeurs qui participent à la découverte et la maintenance des chemins pour les autres hôtes du réseau. La mobilité et la portabilité offertes par ces environnements permettent le développement de nouvelles classes d’applications : services d’informations avec accès à diverses bases de données en tout lieu et en tout temps (pages jaunes, distribution, spectacles, etc.) et des applications dites verticales relevant de domaines spécifiques : compagnies de location, localisation d’employés dans une entreprise, etc.
La messagerie électronique connaîtra un développement spectaculaire : les usagers munis de communicateurs pourront envoyer et recevoir des messages de n’importe où et les nouvelles électroniques leurs seront délivrées en fonction de leurs profils respectifs. La permanence de la connexion des usagers aux réseaux d’information, indépendamment de leurs positions géographiques contribuera au développement des applications coopératives.

L’utilisation des ondes radio dans la communication sans fil

La transmission radio utilisée dans la communication sans fil des unités mobiles est basée sur le principe que l’accélération d’un électron crée un champ électromagnétique qui à son tour accélère d’autres électrons et ainsi de suite. Il est alors possible de provoquer le déplacement électromagnétique. Plus le nombre d’électrons déplacés est important, plus le signal est fort et plus sera grande sa portée, avec une vitesse proche de celle de la lumière. Un déplacement coordonné d’électrons peut alors servir pour le transfert d’information et constitue la base de la communication sans fil. L’approche standard de la transmission radio est le déplacement des électrons à une fréquence donnée. Des techniques de modulation et de multiplexage permettent d’adapter les signaux transmis à la bande passante du support de communication et de rentabiliser son utilisation. Deux signaux sur la même fréquence interfèrent et s’altèrent mutuellement. Pour y remédier le spectre de fréquence est divisé en plusieurs parties (bandes de fréquence), chaque partie étant dédiée à une utilisation spécifique. La taille limitée du spectre de fréquence impose donc le regroupement d’usagers dans des bandes étroites comme dans le cas de la radio cellulaire. Par exemple, la bande de 25 Mhz à 890 Mhz est réservée aux émissions de télévision et la bande supérieure à 890 Mhz pour la téléphonie cellulaire et la transmission par satellite. Au lieu d’allouer à chaque appel la totalité de la fréquence, la technologie cellulaire limite la puissance du signal au minimum nécessaire; ce qui réduit les limites des interférences à une région de taille réduite autour de la station d’émission. Deux stations d’émission/réception situées dans des régions suffisamment éloignées l’une de l’autre peuvent utiliser la même fréquence sans risque d’interférence.

 La fiabilité de la communication sans fil

La communication sans fil est moins fiable que la communication dans les réseaux filaires. La propagation du signal subit des perturbations (erreurs de transfert, microcoupure, timeout, etc.) dues à l’environnement, qui altèrent l’information transférée. Il s’ensuit alors un accroissement du délai de transit de messages à cause de l’augmentation du nombre de retransmissions. La connexion peut aussi être rompue ou altérée par la mobilité des sites. Un usager peut sortir de la zone de réception ou entrer dans une zone de haute interférence. Le nombre d’unités mobiles dans une même cellule (dans le cas des réseaux cellulaires), par exemple lors d’un rassemblement populaire, peut entraîner une surcharge du réseau. L’une des limites de la communication sans fil vient de la relative faiblesse de la bande passante des technologies utilisées. On distingue les réseaux utilisant l’infrarouge avec un débit de 1Mbps, la communication radio avec 2Mbps et le téléphone cellulaire avec 9 à 14 Kbps. La bande passante est évidemment partagée entre les utilisateurs d’une même cellule. Pour augmenter la capacité de service d’un réseau, deux techniques sont utilisées : la technique de recouvrement des cellules sur différentes longueurs d’ondes et celle qui réduit la portée du signal pour avoir plus de cellules mais de rayon moindre couvrant une région donnée.

 La communication cellulaire

La configuration standard d’un système de communication cellulaire est un maillage de cellules hexagonales (voir figure 1.3). Initialement, une région peut être couverte uniquement par une seule cellule. Quand la compétition devient importante pour l’allocation des canaux, la cellule est généralement divisée en sept cellules plus petites, dont le rayon est égal à un tiers du rayon de la cellule de départ. Cette subdivision peut être répétée et l’on parle alors de systèmes microcellulaires. Les cellules adjacentes dans le maillage doivent utiliser des fréquences différentes, contrairement à celles qui sont situées sur les côtés opposés du maillage qui peuvent utiliser la même fréquence sans risque d’interférence.

 Quelques éléments de l’infrastructure sans fil

Les réseaux informationnels de demain dits PCN (Personal Communication Network) intégreront une large variété de services (voix, données, multimédia, etc.). L’architecture générale de ces réseaux, bien qu’encore en débat, sera construite autour des infrastructures déjà existantes telles que :
– Les réseaux téléphoniques cellulaires (à l’avenir microcellulaires) reliés au réseau téléphonique public.
– Les réseaux locaux traditionnels tels Ethernet, étendus à la communication sans fil, et reliés à des réseaux plus étendus de type LAN, WAN, Internet, etc.
– Les architectures orientées vers des services spécialisés fournis par diffusion sur des portions d’ondes radio en modulation de fréquence ou par des satellites à des usagers munis de terminaux spéciaux.
La même unité mobile peut, en principe, interagir avec les trois types d’infrastructures à différents moments, par exemple, en se déplaçant de l’intérieur d’un bâtiment où elle interagit avec un réseau local pourvu d’une interface de communication sans fil à l’extérieur du bâtiment où elle interagit avec le réseau téléphonique cellulaire.