Modélisation, analyse et conception de protocoles MAC multi-canaux dans les réseaux sans fil

Modeling, analysis and design of multi-channel MAC protocols in wireless networks

• Auteur / Autrice : Abdelaziz El Fatni
• Direction : Thierry Val, Guy Juanole
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et réseaux
• Date : Soutenance le 03/06/2013
• Etablissement(s) : Toulouse 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de Recherche en Informatique de Toulouse (1995-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karen Godary, Christophe Chassot, Khalil Drira, Saúl Eduardo Pomares Hernandez, Adrien Van den Bossche
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Misson, Jean-Marc Thiriet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Protocoles de réseaux d'ordinateurs

Réseaux locaux sans fil

Mots clés libres

Réseaux sans fil

Protocoles MAC

Communication multi-canaux

Modélisation formelle

Analyse qualitative et quantitative

Wireless networks

MAC protocols

Multi-channel communication

Formal modelling

Qualitative and quantitative analysis

Résumé

L’utilisation des communications multi-canaux au niveau des protocoles MAC (MAC multi-canaux) dans les réseaux sans fil peut améliorer significativement le débit du réseau par rapport aux protocoles MAC mono-canal en permettant à plusieurs transmissions concurrentes d’avoir lieu simultanément sans interférence sur différents canaux non recouverts. Cependant, l’environnement multicanaux ajoute une nouvelle dimension aux protocoles MAC qui nécessite un nouveau mécanisme appelé ''le mécanisme d’allocation des canaux'' pour coordonner l’utilisation des canaux. Le rôle de ce mécanisme est de permettre aux nœuds de s’accorder sur le canal qui doit être utilisé et à quel moment pour la transmission de données dans un contexte distribué. L’absence de ce mécanisme ou une mauvaise coordination de l’utilisation des canaux peut produire l’effet inverse de celui recherché. Ainsi, l’efficacité d’un protocole MAC multi-canaux dépend strictement de l’efficacité du mécanisme d’allocation des canaux, qui par ailleurs, doit offrir les garanties nécessaires au fonctionnement de la communication multi-canaux. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la modélisation, l’analyse et la conception de nouveaux protocoles MAC multi-canaux dans les réseaux sans fil. Dans un premier temps, nous nous focalisons sur la spécification formelle et la vérification des propriétés fondamentales inhérentes aux activités de l’allocation des canaux et son impact sur le transfert de données des principales approches MAC multi-canaux proposées dans la littérature. Dans un second temps, nous visons à proposer, modéliser et à analyser formellement deux nouveaux protocoles MAC multicanaux résultants de l’analyse qualitative réalisée. Enfin, une étude quantitative et comparative est menée afin d’analyser les performances des protocoles proposés en terme de débit et d’impact du temps de commutation entre les canaux.

The use of multi-channel communications in MAC protocols (multi-channel MAC) for wireless networks can significantly improve the network throughput compared with single channel MAC protocols since concurrent transmissions can take place simultaneously on distinct non-overlapping channels without interfering. However, due to the multi-channel environment, a novel issue must be addressed in MAC protocols, which is called ''the channel assignment mechanism'' in order to coordinate the channels access. The role of this mechanism is to enable nodes to agree on which channel should be used and when for data transmission in a distributed way. The absence of this mechanism or a bad coordination of the channel usage can incur the opposite effect to that intended. Thus, the efficiency of a multi-channel MAC protocol depends strictly on the efficiency of the channel assignment mechanism, which also must provide the guarantees necessary to the good behavior of the multi-channel communications. In this thesis, we focus on the modeling, analysis, and design of new multi-channel MAC protocols in wireless networks. Firstly, we focus on the formal specification and verification of fundamental properties inherent to the activities of the channel assignment and its impact on the data transfer for the main multi-channel MAC approaches proposed in the literature. Secondly, we aim to propose, model and analyze formally two new multichannel MAC protocols, resulting from the qualitative analysis conducted. Finally, a quantitative and comparative study is conducted to analyze the performance of the proposed protocols in terms of the throughput and the impact of the switching time between channels.