Evaluation de protocoles MAC `a
´echantillonnage de pr´eambule
Sommaire
3.1 Protocoles `a ´echantillonnage de pr´eambule . . . . 46
3.1.1 Protocoles classiques `a ´echantillonnage de pr´eambule. . . . 46
3.1.2 Am´elioration des protocoles `a ´echantillonnage de pr´eambule . . . . 46
3.1.3 Transmission : MFP ou DFP . . . . 46
3.1.4 R´eception : persistant ou non-persistant . . . . 47
3.2 Mod´elisation et ´evaluation des diff´erents protocoles . . . . 48
3.2.1 Mod´elisation du syst`eme . . . . 48
3.2.2 Evaluation´ . . . . 50
3.3 R´esultats num´eriques . . . . 53
3.4 Conclusion . . . . 56
Le travail present´ e dans ce chapitre est un travail effectu´ e avec Abdelmalik Bachir lors de sa th´ ese`
`
a France Tel´ ecom R&D. Ce travail nous a´ ´egalement conduita d` eposer un brevet [´ 6]. Le contenu de ce
chapitre reprend essentiellement celui de la publication [7].
Ce chapitre s’interesse aux protocoles d’acc´ es au m` edium (protocoles MAC). Nous rappelons´
d’abord brievement comment fonctionne un protocole` a` echantillonnage de pr´ eambule puis nous´
montrons quels sont ses inconvenients. Nous proposons alors quatre nouveaux protocoles pour lesquels´
de l’information est contenue dans le preambule. Ces protocoles sont des extension de MFP [´ 2] : nous
proposons deux types de preambules (MFP et DFP) et deux m´ ethodes de r´ eception du pr´ eambule en cas´
d’erreur : persistant ou non persistant. Nous proposons alors uneetude math´ ematique de ces protocoles´
pour ´etudier leur efficacit´e en ´energie et leur fiabilit´e dans le cas d’un canal radio non fiable.
Le chapitre est organise comme suit : la section´ 3.1 rappelle ce que sont les protocoles `a
´
echantillonnage de pr´eambule, rappelle leurs limites et introduit les protocoles que nousetudions´
ici. Nous presentons ensuite les hypoth´ eses de mod` elisation et les r´ ´esultats obtenus pour ces protocoles,
section3.2. La section3.3applique quelques exemples numeriques´ a nos r` esultats th´ eoriques afin de´
verifier que les formules math´ ematiques obtenues sont conformes´ a l’intuition. Enfin la section` 3.4
conclut le chapitre.
Radio allumée
Données
Preambule
Récepteur
Emetteur
Période de veille Période de veilleSleep Sleep Sleep Sleep
FIG. 3.1 – Protocole `a ´echantillonnage de pr´eambule
3.1 Protocoles `a ´echantillonnage de pr´eambule
3.1.1 Protocoles classiques `a ´echantillonnage de pr´eambule
Dans les protocoles a` echantillonage de pr´ eambule, les nœuds ne sont pas synchronis´ es, ils´
allument eteteignent p´ eriodiquement leur radio ind´ ependamment les uns des autres. Chaque nœud´
(voir figure3.1) se r´eveille periodiquement pour sonder le canal. S’il d´ etecte un signal, il maintient sa´
radio allumee pour essayer de recevoir le paquet de donn´ ´eesa venir. Pour` emettre un paquet, les nœuds´
doivent envoyer le paquet pr´eced´ e d’un pr´ eambule. Le r´ ole du prˆ ´eambule est d’attirer l’attention du
r´ecepteur pour que sa radio soit allum´ee au moment de l’envoi du paquet de donn´ees. Le pr´eambule
doit donc ˆetre aussi long que la p´eriode de veille, c’est-`a-dire le temps entre deux r´eveils successifs.
3.1.2 Am´elioration des protocoles `a ´echantillonnage de pr´eambule
L’inconv´enient majeur des protocolesa`echantillonnage de pr´ eambule est que le nœud qui d´ etecte le´
preambule maintient sa radio allum´ ee jusqu’´ a la r` eception du paquet de donn´ ees. En effet, le pr´ eambule´
ne contient aucune information, donc en particulier, il ne contient aucune information indiquant le
moment o`u le paquet de donn´ees sera envoy´e.
Pour outrepasser ce defaut, nous proposons d’envoyer un pr´ eambule contenant des informations.´
Le preambule est remplac´ e par une suite de paquets qui peuvent´ etre dˆ ecod´ ´es par le recepteur avant´
la reception du paquet de donn´ ´ees. Dans [2], Abdelmalik Bachir presentait d´ ej´ a le protocole MFP,`
pourMicro-Frame Preamble, dans lequel le preambule est remplac´ e par une suite de petits paquets´
qui indiquent le temps qu’il reste avant le paquet de donnees ainsi que certaines informations sur le´
paquet de donnees´ a venir. Nous` etendons ici la notion avec d’autres propositions pour les informations´
contenues dans le pr´eambule.
Nous proposons quatre variantes de protocoles MACa pr` ´eambulea base de paquets. Ces variantes`
sont issues des strategies qu’un nœud peut adopter´ a la r` eception et´ a l’` emission. Nous proposons´
deux strategies pour la r´ eception et deux strat´ egies pour l’´ emission. Ces diff´ erents choix au niveau du´
recepteur et de l’´ emetteur se combinent si bien que l’on peut compter quatre protocoles diff´ erents. Nous´
pr´esentons dans les parties3.1.3et3.1.4le choix de l’´emetteur et celui du r´ecepteur respectivement.
3.1.3 Transmission : MFP ou DFP
Les paquets envoyes´ `a la place du preambule peuvent´ ˆetre des micro-paquets ou des paquets de
donn´ees copies conformes du paquet de donn´ees lui-mˆeme.
Dans MFP (Micro Frame Preamble) [2], le nœudemetteur envoie´ a la place du pr` eambule une´
suite de petits paquets contenant des informations sur le paquet de donnees´ a venir. Nous utilisons`
le terme de micro-trame pour designer ces paquets. Un nœud qui capte le pr´ eambule, d´ ecode une´
3.1. Protocoles `a ´echantillonnage de pr´eambule
micro-trame de laquelle il d´eduit quand le paquet de donn´ees sera transmis et s’il est int´eressant de le
recevoir. Les informations contenues dans une micro-trame sont : un num´ero de sequence, l’adresse de´
destination et un numero hachage des donn´ ees´ `a venir. Le num´ero de sequence correspond au nombre´
de micro-trames qui seront encore transmises avant le paquet de donnees. Le r´ ecepteur en d´ eduit quand´
le paquet de donnees sera´ emis, il peut donc´ eteindre sa radio ce qui´ evite de perdre de l’´ energie en´
recevant des micro-trames inutiles. L’adresse de destination permet d’eviter´ a un nœud la r` eception´
d’un paquet qui ne lui est pas adresse. Le num´ ero de hachage permet d’identifier des donn´ ees et donc´
d’´eviter de recevoira nouveau un paquet d´` ej`a rec¸u (en cas d’inondation par exemple). Pour cela, les
nœuds doivent m´emoriser le num´ero de hachage de chaque paquet rec¸u.
L’autre possibilite pour l’´ emetteur est appel´ ee DFP (pour´ “Data Frame Protocol”). Dans DFP, le
preambule est remplac´ e par des copies du paquet de donn´ ees. L’´ emission du pr´ eambule suivi du paquet´
de donnees est donc remplac´ ee par l’´ emission d’une suite de paquets de donn´ ees. L’avantage de DFP´
est que le nœud qui se reveille pour sonder le canal re´ c¸oit directement le paquet de donn´ees, il n’a pas
besoin de se reveiller´ a nouveau pour recevoir les donn` ees. Cependant, il est ici impossible d’´ eviter la´
r´eception d’un paquet de donn´ees non-souhait´e (d´ej`a rec¸u ou adress´e `a un autre nœud).
3.1.4 R´eception : persistant ou non-persistant
Dans les protocolesa`echantillonnage de pr´ eambule, les nœuds allument p´ eriodiquement leur radio´
pour sonder le canal. Le temps pendant lequel la radio est allum´ee est le temps jug´e n´ecessaire pour
d´ecider si un pr´eambule est envoy´e ou pas.
Si le preambule est une suite de petits paquets (MFP), alors ce temps est au moins´ egal´ a la dur` ee´
de reception d’une micro-trame (un petit paquet). Mais en g´ en´ eral, il faut plus que cette dur´ ´ee pour
pouvoir decoder une micro-trame. Si l’on suppose que le lien radio est parfait, il faut que le nœud´
soiteveill´ e pendant une dur´ ´eeequivalente´ a l’` emission de deux micro-trames pour pouvoir, toujours,´
decoder au moins une micro-trame. Le cas le pire, o´ u cette dur` ee est n´ ecessaire, se produit quand le´
nœud se reveille juste apr´ es l’` emission du premier bit d’une micro-trame. Dans ce cas, le nœud ne peut´
pas decoder la premi´ ere micro-trame et doit rester` ´eveiller jusqu’a la fin de la micro-trame suivante`
pour la d´ecoder.
Cependant, si le lien radio n’est pas parfait, il peut y avoir des erreurs ou des collisions qui brouillent
la micro-trame suivante empechant le nœud de la dˆ ecoder. Le nœud comprend cependant qu’il y a de´
l’activite sur le canal mais ne peut en d´ eduire d’autres informations. Dans ce cas, le nœud r´ ecepteur a´
deux options :
1. ˆetrepersistantet maintenir la radio allum´ee jusqu’a la r` eception correcte d’une micro-trame o´ u`
jusqu’`a ce qu’il n’y ait plus d’activit´e sur le canal radio.
2. ounon persistantet´eteindre sa radio apres un certain temps que nous d` efinissons comme le d´ elai´
necessaire pour recevoir certainement une micro-trame, quand il n’y a pas d’erreurs sur le canal.´
Pour MFP, ce temps corresponda deux fois le temps d’` emission d’une micro-trame ; pour DFP,´
ce temps correspond `a deux fois le temps d’´emission d’un paquet de donn´ees.
La figure3.2montre un exemple pour les protocoles MFP-persistant (figure3.2(b)) et
MFP-non-persistant (figure3.2(a)). Les differents choix possibles du nœud r´ ecepteur que nous avons appel´ es´
persistant et non-persistant s’appliqueegalement au protocole DFP. Dans ce cas, le temps n´ ecessaire´
`
a la reception d’un paquet sachant que le nœud peut d´ emarrer son´ ecoute´ a tout moment est deux`
fois la duree d’´ ´emission d’un paquet. Nousetudierons donc´ egalement les protocoles DFP-persistant´
((figure3.3(b)) et DFP-non-persistant (figure3.3(a)).
µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ Data Data ✁ ✁ ✁ ✁ Sender Preamble Receiver 1 Receiver 2 Sleep Sleep mk microframes Sleep Sleep timeout = 2 | microtrame | Sleep Success Failure
and the Data packet
T
(a) Non Persistant
µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ µ Data Data Data ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ Sender Preamble Receiver 1 Receiver 2 Sleep Sleep Receiver 3 Sleep mk microframes Sleep Sleep Sleep Sleep Sleep Success Failure Success
and the Data packet
T
(b) Persistant
FIG. 3.2 – MFP
Data Data Data Data Data
Data ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ Sender Preamble k data packets Receiver 1 Receiver 2 timeout = 2 * | Data | Sleep Sleep Sleep Sleep Success Failure T
(a) Non Persistant
Data Data Data Data Data
Data Data ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✂ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ ✄ Sender Preamble k data packets Receiver 1 Receiver 2 Sleep Sleep Sleep
Receiver 3 Sleep Sleep
Success Failure Success Sleep Sleep T