Protocoles coopératifs pour réseaux sans fil

Cooperative protocols for wireless networks

• Auteur / Autrice : Hicham Slimani
• Direction : André-Luc Beylot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Réseaux, Télécommunications, Systèmes et Architecture
• Date : Soutenance le 12/11/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, informatique et télécommunications (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)

Mots clés

Mots clés libres

Coopération

Protocoles MAC

Réseaux ad hoc

Efficacité d’énergie

Débit global

Contrôle de puissance et de débit

Cooperation

MAC protocols

Ad-hoc networks

Energy efficiency

Throughput

Power and rate control

Résumé

La technique MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) est l’une des techniques de base qui offre une diversité spatiale. Elle associe plusieurs antennes à l’émission et à la réception. En plus de la diversité spatiale, le système MIMO permet d’augmenter le gain de multiplexage sans avoir besoin de plus de bande passante ou de puissance d’émission. Cependant, la technique MIMO a des limites liées au coût d’installation de plusieurs antennes sur un terminal, et a l’écart minimal exigé entre les antennes. La communication coopérative a été proposée comme une technologie alternative, dans laquelle la diversité spatiale peut être réalisée en coordonnant plusieurs nœuds qui sont proches géographiquement pour former des réseaux d’antennes virtuelles. La coopération permet de lutter contre l’instabilité du canal radio et de faire face aux phénomènes qui le perturbent comme les évanouissements, les bruits, ou les interférences. Elle permet aussi d’améliorer les performances du système en termes de débit global, d’énergie consommée et d’interférences, etc. Dans le cadre des communications coopératives, nous avons proposé deux protocoles MAC coopératifs dans le contexte des réseaux ad hoc. La première proposition est le protocole RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine la coopération avec un mécanisme d’adaptation de débit. Lorsqu’un lien entre une source et une destination subit de mauvaises conditions de canal, une station relais est sélectionnée dans le voisinage des deux nœuds de sorte que la liaison directe à faible débit de transmission soit remplacée par un lien à deux sauts avec un débit de données plus élevé. La sélection du meilleur relais est fondée sur un processus de contention distribué. La procédure ne nécessite aucune connaissance de la topologie et aucune communication entre les relais potentiels. Lorsque la qualité de la liaison directe est bonne et que la transmission coopérative n’est pas nécessaire, le protocole fonctionne comme un mécanisme d’adaptation de débit. L’adaptation de débit de données est également réalisée sans aucune signalisation supplémentaire. La sélection du meilleur relais et l’adaptation de débit sont fondés sur des mesures instantanées du canal pour s’adapter aux conditions dynamiques du canal radio. Dans le but d’améliorer davantage les performances du système, nous avons proposé notre deuxième protocole MAC coopératif PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). Ce protocole combine un mécanisme d’adaptation de puissance et de débit (TPRC : Transmit Power and Rate Control) avec un mécanisme de coopération. C’est en cela que cette contribution se distingue des solutions proposées dans la littérature. Notre objectif avec cette contribution est d’atteindre une efficacité d’énergie pour la transmission des données tout en augmentant le débit global du réseau. PRACT propose d’ajuster dynamiquement la puissance et le débit de transmission en s’adaptant aux variations de la qualité du canal radio. Cela permet de gagner davantage dans l’énergie économisée. En outre, le contrôle de puissance, réduit les interférences et augmente la réutilisation spatiale entre cellules ad hoc adjacentes en utilisant la même fréquence de transmission. L’idée de base du protocole est de permettre à chaque nœud dans le réseau ad hoc de créer une table avec les combinaisons puissance-débit optimales, en se fondant seulement sur les spécifications de la carte réseau, à savoir, les débits de transmission possible et la consommation en énergie de la carte. Avec la connaissance des qualités des liens obtenue grâce à l’échange des trames de contrôle et en recherchant dans la table puissance-débit, les nœuds choisissent la stratégie de transmission la plus adaptée pour chaque transmission de trames de données, ainsi que le mode de transmission (direct ou coopératif).

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology is one of the basic techniques that offer a spatial diversity. It combines multiple antennas for transmission and reception. In addition to spatial diversity, MIMO can increase the multiplexing gain without requiring more bandwidth or transmit power. However, the MIMO technology has limitations related to the cost of installing multiple antennas on a terminal, and to the minimum distance required between antennas. The cooperative communication has been proposed as an alternative technology, in which the spatial diversity can be achieved by coordinating multiple nodes that are geographically close to form virtual antenna arrays. Cooperation helps to fight against the instability of the radio channel and deal with phenomena that disturb this channel like fading, noise or interference. It also improves system performance in terms of overall throughput, energy consumption and interference, etc. In the context of cooperative communications, we proposed two MAC protocols in the context of cooperative ad-hoc networks. The first proposal is the RACT (Rate Adaptation with Cooperative Transmission) protocol. This protocol combines cooperation with a rate adaptation mechanism. When a link between a source and a destination suffers from poor channel conditions, a relay station is selected in the neighborhood of the two nodes so that the direct low data-rate link is replaced by a two-hop link with a higher data-rate. Selecting the best relay is based on a distributed contention process. The procedure requires no knowledge of the topology and no communication between the potential relay. When the quality of the direct link is good enough and the cooperative transmission is not necessary, the protocol operates as a rate adaptation mechanism. The data rate adaptation is also performed without any additional signaling. Both the best relay selection and the rate adaptation is based only on the instantaneous channel measurements to adapt to the dynamic conditions of the radio channel. In order to further improve the system performance, we proposed our second cooperative MAC protocol PRACT (Power and Rate Adaptation with Cooperative Transmission). This protocol combines a power and rate control mechanism (TPRC: Transmit Power and Rate Control) with a mechanism for cooperation, this feature distinguishes this contribution from the solutions proposed in the literature. Our objective with this contribution is to achieve energy efficiency for data transmission while increasing the overall throughput of the network. PRACT proposes to dynamically adjust dynamically the power and the transmission rate to adapt to the radio channel quality variations. This way more energy can be saved. In addition, the power control reduces interference and increases the spatial reuse between adjacent ad-hoc cells using the same channel transmission frequency. The basic idea of the protocol is to allow each node in the network to create a table with the best power-rate combinations, based only on the specifications of the network card, namely the possible transmission rates, transmit power levels and the power consumption of the card. With the knowledge of the qualities of links obtained through the exchange of the control frames and looking up in the power-rate table, the nodes choose the most suitable transmission strategy, for each data frame transmission, and the transmission mode (direct or cooperative).