Couche physique

Au niveau de la couche physique, la coop´eration se fait g´en´eralement en effec- tuant des constructions du signal par des transmissions simultan´ees du mˆeme signal via plusieurs nœuds. Cette technique est connue sous le nom de Space Time Co- ding (STC) (Vucetic et Yuan, 2003). Notons qu’il existe de nombreuses contributions qui ont ´et´e propos´ees dans ce cadre (Jing et Hassibi, 2006; Garc ´Ya-Zambrana et al., 2010).

A ce niveau, on peut distinguer deux types de coop´eration, `a savoir synchrone ou asynchrone.

a) Synchrone

Dans une communication coop´erative synchrone, il est n´ecessaire d’avoir une synchronisation entre les relais, et sans cette derni`ere le r´ecepteur ne peut pas d´eco- der le signal re¸cu car la synchronisation aide `a ´eviter les collisions entre les relais. La synchronisation peut ˆetre faite `a l’aide de l’envoi p´eriodique de micro-paquets ap- pel´es pr´efixe de synchronisation. Pour obtenir une synchronisation parfaite entre les relais, il est n´ecessaire d’avoir beaucoup de trafic de contrˆole ainsi que des horloges `a haute pr´ecision ce qui augmente la complexit´e ainsi que le coˆut de la communication (Rahamatkar et al., 2011).

b) Asynchrone

Une autre classe de communication coop´erative est apparue, il s’agit de la coop´e- ration asynchrone. Afin d’´eliminer les contraintes de la synchronisation des relais, plusieurs protocoles ont ´et´e propos´es avec des coop´erations asynchrones. On cite le travail de (Guo et Xia, 2008) o`u les auteurs ont propos´es un sch´ema distribu´e et asynchrone de STC. Dans ce sch´ema, les relais n’ont pas besoin de d´ecoder le paquet `a relayer. Ils construisent une matrice de code qu’ils vont utiliser afin de relayer le paquet.

2.2.2.2 Couche MAC

Au niveau de la couche Medium Access Control (MAC), les nœuds sont en comp´etition entre eux pour acc´eder au canal, on parle des m´ethodes d’acc`es au canal qu’on va d´etailler dans les sections suivantes. Dans les protocoles MAC coop´eratifs, les nœuds s’aident mutuellement pour un meilleur usage du canal radio. Chaque

nœud a un lien qui connaˆıt des perturbations, il demande de l’aide `a des relais de ses voisinages qui ont une meilleure qualit´e du canal ; on parle d’un canal `a relais (Plus de d´etail dans la section 2.2.3.5).

A l’aide de la coop´eration, le signal est relay´e par un ou plusieurs voisins. Le probl`eme qui se pose maintenant est au niveau de la s´election et du nombre de relais qui vont coop´erer.

Concernant le choix des relais (Zhang et Gong, 2009), il est possible d’utiliser : - Tous les relais : dans ce cas, tous les voisins communs de la source et de la

destination interviennent dans le relayage du paquet.

- Les M meilleurs relais : dans ce cas la destination supervise de fa¸con continue l’´etat des canaux avec ses relais et choisit par la suite les M relais ayant les meilleurs canaux.

- Un seul relais : on parle d’un canal `a un seul relais (plus de d´etail dans la sous section suivante).

2.2.2.3 Couche r ´eseau

Au niveau de la couche r´eseau, deux objectifs de communication doivent ˆetre atteint : ´etablir une route stable et contrˆoler la topologie du r´eseau (Ben Nacef, 2011).

a) ´Etablir une route stable

Un chemin de routage peut ˆetre rompu soit par un canal perturb´e ou une ´energie non disponible. Puisque la coop´eration `a cette ´echelle est souvent repr´esent´ee par la qualit´e des liens, notre probl`eme est donc comment avoir une route ayant de tr`es bons liens mais qui ne n´ecessite pas trop d’´energie. Autrement dit, l’objectif est de maintenir un chemin avec le moins de trafic de contrˆole possible.

Dans le but d’inclure et de b´en´eficier de la coop´eration au niveau du routage, cer- tains travaux ont opt´e pour des protocoles de routage non coop´eratifs d´ej`a existants et ils ont essay´e de les modifier et d’y inclure la coop´eration (c’est le cas pour de Ad-hoc On-Demand Distance Vector (AODV)) (Lee et Gerla, 2000). D’autres cher- cheurs ont d´ecid´e de concevoir de nouveaux protocoles coop´eratifs (Secci, 2009). Dans le mˆeme but, en (Reddy, 2009) (Saad et al., 2009) les auteurs ont introduit la th´eorie des jeux pour trouver des routes ´economes en ´energie en utilisant la coop´e- ration. Chaque nœud se base sur un historique contenant les communications et les coop´erations pr´ec´edentes afin de prendre des d´ecisions de coop´erations.

b) Contrˆoler la topologie du r ´eseau

Afin de pouvoir am´eliorer un lien donn´e, un capteur doit ´emettre avec plus de puissance et donc plus de consommation d’´energie. Le routage fond´e sur la coop´e- ration propose de faire coop´erer les nœuds du r´eseau afin de minimiser l’´energie

requise `a l’´emission et d’augmenter leur port´ee (Lin et al., 2004). G´en´eralement, le contrˆole de topologie a pour objectif de minimiser la puissance de transmission tout en gardant un r´eseau connect´e. L’objectif c’est de garantir la connectivit´e des nœuds dans le r´eseau tout en assurant une consommation d’´energie ´econome. Le pro- bl`eme de contrˆole de topologie `a l’aide de la communication coop´erative est class´e comme un probl`eme NP-complet (Cardei et al., 2006). Les nœuds utilisent les infor- mations concernant la qualit´e des liens de leurs voisins `a deux sauts pour optimiser la consommation d’´energie en faisant de la coop´eration. La communication coop´e- rative permet aussi d’´etendre la port´ee des antennes en faisant coop´erer des nœuds voisins. On peut mˆeme grouper les nœuds on cr´eant des clusters pour faciliter la coop´eration. Les nœuds d’un cluster organisent leurs transmissions afin d’atteindre des nœuds plus lointains et de renforcer les liens radios.

Dans ce qui suit, nous d´ecrivons un des grands d´efis et risques techniques auxquels font face les r´eseaux de capteurs sans fil. Ils sont li´es `a la limitation des canaux sans fil (par exemple les interf´erences). Dans nos travaux, on s’int´eresse aux canaux `a relais.

2.2.3 Canal `a relais

2.2.3.1 Introduction

La coop´eration entre les nœuds, comme on l’a d´ej`a d´efinie, est une technique qui assure la diversit´e dans les r´eseaux sans fil `a ´evanouissement `a tout les niveaux. Dans le cas “slow fading” consid´er´e en pratique, si le canal est en ´evanouissement, le codage ne garantie plus la fiabilit´e de la transmission. En effet, la transmission coop´erative assure une am´elioration importante des performances dans cette situa- tion, ce qui implique l’importance d’utilisation des canaux `a relais.

Van der Meulen a examin´e le cas d’une transmission entre trois terminaux dans lesquels le canal `a relais classique mod´elise les trois canaux de communication cor- respondants. Cover et El Gamal ont ´etudi´e dans (Cover et Gamal, 1979) deux cas de canal `a relais : discret sans m´emoire et avec un bruit additif blanc gaussien et ont d´e- termin´e la capacit´e des canaux `a relais d´egrad´es1_{. Toujours dans (Cover et Gamal,}

1979), et pour d´evelopper des bornes inf´erieures de la capacit´e dans le cas plus g´e- n´eral, trois sch´emas de codage diff´erents ´etaient consid´er´es selon la fonctionnalit´e du relais.

Le relais peut suivre diff´erentes techniques, soit il peut simplement faciliter la trans- mission de la source en introduisant le moins d’interf´erence possible, soit d´ecoder le message de la source et le retransmettre, ou encore coder une version quantifi´ee du signal qu’il re¸coit.

1. Un canal `a relais est dit d´egrad´e si la destination re¸coit une version bruit´ee de ce que le relais re¸coit, conditionn´e par le signal transmis par le relais.

2.2.3.2 Techniques de coop ´eration

Plusieurs techniques de transmission ont ´et´e d´evelopp´es depuis l’introduction de la diversit´e coop´erative (Yao et al., 2008). Au d´epart, pour assurer une diver- sit´e souhait´ee, on cherchait les meilleures techniques de codage qui consistaient `a r´epartir l’information, d’une fa¸con optimale, entre la source et les relais. Diff´erentes m´ethodes de codage, comme le code en blocs ou le code convolutionnel, peuvent ˆetre utilis´ees dans ce protocole appel´e “coded-cooperation”. Laneman, Tse et Wornell ont pr´esent´es en (Laneman et al., 2004), pour le cas d’une transmission half-duplex et orthogonale, des protocoles de transmission plus simples qui d´ependent de l’action prise par le relais `a la r´eception de l’information.

Les techniques de communications coop´eratives se structurent en deux grandes fa- milles : les protocoles de relayage r´e-g´en´eratif et les protocoles de relayage transpa- rent (figure 2.15).

Les Protocoles de Relayage

Relayage Transparent Relayage Régénératif

AF LPF EF CF DF

Figure 2.15 – Protocoles de relayage.

Dans le relayage transparent, le signal est relay´e tel qu’il est re¸cu de la source sans aucun changement ou modification. Dans cette famille de techniques, nous pou- vons citer : Amplify-and-Forward (AF) (Zhao et al., 2007) ou Linear-Process and Forward (Mardini et al., 2011). Les protocoles de relayage r´e-g´en´eratif modifient le signal re¸cu par la source avant de le retransmettre `a la destination. Dans cette famille, on cite : D´emoduler-and-Forward (Gomadam et Jafar, 2006) (Permet au relais de d´emoduler les symboles individuels et de les retransmettre), Decode-and- Forward (DF) (Wang et al., 2007) (Le relais d´ecode le message en entier, il r´e-encode et il retransmet `a la destination) ou Compress-and-Forward (CF) (Nazer et Gastpar, 2011) (Permet au relais d’envoyer une version quantifi´ee de son signal re¸cu).

D’une mani`ere g´en´erale, les techniques r´e-g´en´eratives sont plus performantes que les techniques transparentes mais ils n´ecessitent beaucoup plus de capacit´e de calcul (Wang et al., 2007). Dans cette partie, on se limite `a introduire les protocoles les plus populaires tels que l’amplify-and-forward et le decode-and-forward expliqu´es un peu plus loin.

a) Amplify and Forward

Dans le protocole AF est parmi les techniques de coop´eration les plus simples et populaires (Zhao et al., 2007). La source s transmet le signal en premier lieu, et le relais r l’amplifie et le transmet vers la destination en second lieu. Autrement dit, le relais r´e-´emet simplement le signal qu’il re¸coit multipli´e par un gain β (figure 2.16).

Signal de source

S

_d

r

Amplification

Figure 2.16 – Amplify and Forward.

La destination re¸coit donc deux copies du mˆeme signal, celle transmise par la source et celle par le relais. La copie du signal transmise par le relais est mod´elis´ee par l’expression suivante :

Xr[n] = βYs,r[n] (2.1)

O`u Xr[n] est le symbole n transmis par le relais r et Ys,r est le signal re¸cu par le relais

et ´emis par s et β est le coefficient d’amplification. Les r´esultats tr`es satisfaisants et la simplicit´e de cette strat´egie, ne n´ecessitant aucun calcul au niveau du relais, en constituant les points forts. En revanche, le relais amplifie le signal re¸cu en amplifiant aussi le bruit contenu.

b) Decode and Forward

Dans le protocole DF (Wang et al., 2007) et comme son nom l’indique, le relais d´ecode le signal qu’il re¸coit de la source, le r´e-encode et le retransmet (figure 2.17). Dans ce cas, le bruit n’est pas amplifi´e (contrairement `a AF) et une nouvelle version du signal est transmise. Le signal transmis par r peut ˆetre mod´elis´e par la formule suivante :

Xr[n] = ˆXr[n] (2.2)

O`u ˆXr[n] est le symbole d´ecod´e et re-encod´e du signal re¸cu.

Les performances des diff´erents protocoles ont ´et´e ´etudi´ees dans (Wang et al., 2007) o`u les auteurs montrent que le protocole DF est le plus performant, suivi du l’AF. Mais en pratique, il s’agit non seulement d’am´eliorer les performances, mais aussi

Forword Signal de source

S

_d

r

Figure 2.17 – Decode and Forward.

de trouver un bon compromis entre les performances et la complexit´e du syst`eme. Sachant que le protocole “decode-and-forward” (ainsi que les autres) n´ecessite des calcules assez complexes, on ne consid`ere, dans notre ´etude, que le protocole AF avec toutes ses variantes, dont l’´etude a fait de grands progr`es et qui a d´esormais, en plus de sa simplicit´e, des bonnes performances. Quand on parle de performance, on doit prendre on consid´eration les types de canaux et la fragilit´e des liens radio qui repr´esentent une majeure faiblesse dans les r´eseaux sans fil.