Les algorithmes de contrôle du débit physique 802.11

L’objectif des algorithmes de contrôle du débit physique, appelés RCA (Rate Control Algorithm), est de déterminer le débit physique adéquat pour transmettre un signal entre deux stations communicantes. En d’autres termes, ils déterminent la meilleure modulation et taux de codage qui permettent la transmission d’un signal avec un minimum d’altération de ce dernier.

Dans les réseaux 802.11, chaque trame peut être transmise avec un débit physique renseigné dans le champ « SIGNAL » (8 bits) de l’en-tête PLCP (voir l’annexe A.1). Ceci permet au RCA de l’émetteur de changer le débit physique pour la transmission de chaque trame sans aucune signalisation supplémentaire.

Puisque le standard IEEE 802.11 n’a pas spécifié un RCA précis, les premiers RCAs développés ont été élaborés par les constructeurs de carte WiFi afin de permettre aux cartes 802.11 d’adapter dynamiquement le débit physique sans intervention de l’utilisateur. Cependant, l’utilisateur peut fixer ce débit suivant sa volonté. Certains constructeurs ont implémenté le RCA directement au niveau du chipset des cartes et d’autres l’ont intégré comme un module aux pilotes des cartes. D’autres RCAs ont été proposés dans le cadre de différents travaux de recherche. La majorité de ces travaux se sont limités aux simulations pour valider le fonctionnement des RCAs proposés.

La différence entre les RCAs réside dans les informations utilisées pour juger de l’état du canal et aussi dans la politique adoptée pour faire varier le débit. Dans la Figure 4-1, nous représentons une taxonomie des RCAs qui ont été définis jusqu’à présent [200]. Nous présentons, ci-dessous, une description de chaque classe.

Hybrid

FER-based Retry-based

Statistics-based

Throughput-based

Rate Control Algorithm RCA

SNR-based

Figure 4-1 : Taxonomie des RCAs

4.2.2.1 Les RCAs basés sur des statistiques (Statistics-based)

Pour déterminer la qualité du canal de transmission, des statistiques sur le déroulement des transmissions passées peuvent être calculées au niveau MAC de l’émetteur. Ceci est facilement réalisable puisque chaque trame transmise au niveau MAC est acquittée par le récepteur. Donc l’émetteur, peut savoir si une transmission a réussi ou a échoué.

Il existe trois types de RCAs basés sur des statistiques. Les types se distinguent suivant le paramètre de performance considéré : Le débit d’émission effectif (throughput-based), le taux de perte des trames (FER-based : Frame Error Rate), le nombre de retransmission (retry-based). Ces trois paramètres sont en relation directe avec le débit effectif reçu par une station. La variation du débit d’emission permet d’optimiser ces paramètres, ce qui améliore indirectement le débit de réception. Le fonctionnement de chaque type d’algorithme est détaillé ci-dessous :

• Le RCA basé sur le débit d’émission effectif : Dans cette approche une proportion des données (10% : 1 trame sur 10) est transmise avec deux débits physiques différents, le débit supérieur adjacent et le débit inférieur adjacent, durant un intervalle de temps précis. Par exemple les deux débits adjacents à 18 Mbits/s sont 12 Mbits/s et 24 Mbits/s (voir le Tableau 2-1). L’intervalle de temps doit être relativement long pour avoir des statistiques fiables. Ensuite, les débits effectifs réalisés par chaque débit physique (nombre de trames/intervalle de temps) sont comparés. Le RCA bascule vers le débit physique qui réalise la meilleure performance. Cet algorithme est utilisé par la carte Atheros 802.11a basé sur le chipset AR5000. • Le RCA basé sur le FER : Cette approche considère le taux de perte des trames au niveau MAC. Son mode de fonctionnement repose sur une adaptation basique qui consiste à basculer vers un débit bas lorsque le taux de perte dépasse un certain seuil et à basculer vers un débit élevé lorsque le taux de perte reste nul pendant un intervalle de temps prédéfini. Cet intervalle de temps ainsi que le seuil des taux de perte possèdent un impact sur les performances de ce type de RCA. La configuration optimale de ces deux paramètres doit être déterminée en fonction de l’état du canal et du type de flux transmis. Toutefois, dans la majorité des cas, ils sont initialisés avec des valeurs fixes.

• Le RCA basé sur la retransmission : Ce type d’algorithme se base sur le nombre de retransmissions des trames MAC. Lorsque ce nombre dépasse un seuil, la trame est transmise avec un débit faible. L’avantage de cette approche est la prise en charge des variations rapides de l’état du canal. Par contre, l’inconvénient majeur est l’oscillation continuelle du débit physique. Le RCA ARF (Auto Rate Fallback) [201] publié et implémenté dans la carte waveLan II se base sur ce type d’algorithme. Pour stabiliser le changement de débit dans ARF, une amélioration de ce dernier, appelée AARF (Adaptive ARF) est proposée par les auteurs dans [202].

4.2.2.2 Les RCAs basés sur le SNR (SNR-based)

Nous avons expliqué dans la section 2.2.1.3 que chaque modulation et taux de codage nécessite un certain niveau de SNR pour que les symboles du signal soient décodés correctement au niveau du récepteur. Les RCAs basés sur SNR exploitent cette relation pour déterminer le meilleur débit physique en fonction du SNR perçu par le récepteur. Les deux graphes de la Figure 4-2 ont été proposés respectivement par les travaux [202] et [203]. Ils donnent respectivement le débit physique théorique en fonction du SNR pour différentes modulations du standard IEEE 802.11a et IEEE 802.11b.

Cependant, pour utiliser ce type de RCA sur une plateforme réel, il faut répondre à plusieurs défis techniques. Le premier défi consiste à trouver une correspondance réaliste entre le SNR et le débit physique parce que les résultats présentés dans la Figure 4-2 sont des résultats théoriques qui

se basent sur une modélisation simpliste du canal de transmission. Le second défi est l’estimation du SNR en temps réel au niveau du récepteur puisque la seule information disponible au niveau du récepteur et le SSI (Signal Strength Indicator) qui informe sur la puissance du signal avec laquelle les trames sont reçues. Le dernier défi est de rendre disponible le SNR perçu par le récepteur au niveau de l’émetteur puisque le RCA fonctionne à ce niveau.

IEEE 802.11a IEEE 802.11b

Figure 4-2 : Le débit physique en fonction du SNR pour le standard IEEE 802.11a et IEEE 802.11b

Pour surmonter ces défis, les auteurs dans [203] proposent d’utiliser le SSI en remplacement du SNR. De plus, au lieu d’utiliser le SSI des trames reçues au niveau du récepteur, l’algorithme utilise le SSI des acquittements reçus au niveau de l’émetteur. Les auteurs justifient cette solution par le fait que le canal de transmission est symétrique, donc, le SNR du canal est identique sur n’importe quel point. Le mapping entre le SSI et les débits est dynamique et adapté continuellement durant la transmission pour faire face aux interférences.

Le RBAR (Received –based Auto Rate) proposé dans [204] appartient à cette classe de RCA. Le choix du débit physique dans RBAR se fait côté récepteur en se basant sur différents paramètres. Les auteurs n’ont pas proposé une nouvelle technique pour le choix du débit physique mais ils se sont focalisés sur la définition d’un protocole basé sur les trames RTS/CTS pour transmettre à l’émetteur le débit choisi par le récepteur. Le RBAR a été évalué par des simulations en utilisant le SNR comme métrique pour le changement de débit physique.

4.2.2.3 Les RCAs hybrides (Hybrid)

Les deux classes précédentes possèdent des avantages et des inconvénients. Les RCAs basés sur des statistiques permettent une adaptation du débit à long terme mais leur réaction est limitée aux changements rapides de l’état du canal. Par contre, les RCAs basés sur le SNR réagissent rapidement aux changements de l’état du canal, mais ils manquent de fiabilité à cause de l’estimation approximative du SNR.

Pour trouver un compromis entre les deux précédentes classes en maximisant leurs avantages et en minimisant leurs inconvénients, les auteurs dans [200] proposent un RCA hybride qui exploite à la fois les statistiques de transmission et le SNR. Le RCA utilise à la base un algorithme statistique qui calcule le débit d’émission effectif et ajuste le débit physique en conséquence. Cependant, le

débit physique peut être changé par un deuxième algorithme qui se base sur le SNR afin de réagir au changement rapide de l’état du canal.