M´ ethodes d’acc` es distribu´ ees de la famille IEEE 802.11

L’aspect distribu´e d’une m´ethode d’acc`es signifie que chaque station de la cellule ou du BSS g`ere son propre acc`es au support de communication. Toutefois chaque station doit suivre certaines r`egles telles que les techniques d’´evitement de collision, d’accus´ee de r´eception, et de retransmission. Ces r`egles permettent le partage des ressources du canal et la garantie d’un certain niveau de qualit´e de service. Les m´ethodes d’acc`es distribu´ees propos´ees par la famille IEEE 802.11 sont le DCF et l’EDCA. L’EDCA am´eliore le DCF sur plusieurs points qui sont d´efinis au 1.3.3.2.

1.3.3.1 M´ethode DCF (Distributed Controlled Function)

Le DCF est une m´ethode d’acc`es avec contention, elle est consid´er´ee comme la m´e- thode par d´efaut de l’IEEE 802.11. Elle s’appuie sur le protocole Carrier Sens Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) [110], combin´e `a l’algorithme de back-off. Le CSMA/CA est une technique d’acc`es al´eatoire avec ´ecoute de la porteuse, qui permet d’´ecouter le support de transmission avant d’´emettre. Le CSMA/CA ´evite qu’une trans- mission soit faite lorsque le support n’est pas libre. Cela r´eduit le risque de collision, mais ne permet pas de l’´eviter compl`etement. Le CSMA/CA fait appel `a diff´erentes techniques, telles que :

– au niveau de la couche MAC, Virtual Carrier Sense (VCS) – au niveau de la couche physique, Physical Carrier Sense (PCS) – l’algorithme de back-off pour la gestion d’acc`es au support,

– un m´ecanisme de r´eservation du support de communication, avec l’utilisation du NAV,

– une m´ethode d’acquittement positif (ACK).

Le protocole MAC utilise des Inter-Frames Spacing (IFS) qui permettent de d´efinir un m´ecanisme d’espacement entre deux trames afin de g´erer l’´evitement de collision. Ils occupent une part tr`es importante dans cet algorithme car ils d´efinissent les p´eriodes d’inactivit´e sur le support de transmission et permettent ainsi de g´erer l’acc`es au support pour les stations et d’instaurer un syst`eme de priorit´es lors d’une transmission.

Il existe quatre types d’IFS :

– Le Short Inter-Frame Spacing (SIFS) est le plus court des IFS. Il est utilis´e pour s´e- parer les diff´erentes trames transmises au sein d’une mˆeme s´equence de transmission, par exemple, entre des donn´ees et leurs acquittements ou entre diff´erents fragments d’une mˆeme trame.

– Le DCF Inter-Frame Spacing (DIFS) est le temps que doivent attendre les stations avant de tenter d’´emettre un paquet en mode DCF. La valeur du DIFS est donn´ee par :

DIF S = SIF S + 2 ∗ SlotT ime (1.3) – Le PCF Inter-Frame Spacing (PIFS) est le temps que doit attendre le point d’acc`es avant d’´emettre un paquet en mode PCF. Sa valeur est inf´erieure au DIFS, ce qui permet au point d’acc`es d’avoir un acc`es prioritaire sur les stations fonctionnant en mode DCF.

P IF S = SIF S + SlotT ime (1.4) – L’Extended Inter-Frame Spacing (EIFS) est le plus long des IFS. Il est utilis´e par les stations qui re¸coivent une trame qui contient des erreurs. En utilisant cet IFS, la station r´eceptrice permet `a la station ´emettrice d’avoir suffisamment de temps pour se rendre compte que la trame n’a pas ´et´e correctement re¸cue, avant de commencer `

a retransmettre.

EIF S = SIF S + DIF S + AckT xT ime (1.5) Pour ´emettre dans le mode DCF (voir Figure1.13), chaque station doit d’abord ´ecouter le support pour v´erifier si aucune autre station n’est pas entrain d’´emettre. Si le m´edium est libre durant un temps ´egal au DIFS, la station va d´ecr´ementer une valeur al´eatoire (back- off time) choisie dans sa fenˆetre de contention. Si cette valeur du back-off atteint la valeur de z´ero, alors la station pourra transmettre. Cependant, elle doit aussi s’assurer que le m´edium soit disponible durant tout le temps de transmission avant de tenter d’´emettre. Si la valeur du Backoff n’atteint pas la valeur z´ero et que le m´edium est occup´e alors la station va diff´erer sa transmission. La valeur du Backoff restant sera maintenue pour la prochaine tentative de transmission. Apr`es chaque transmission r´eussie la station choisit une nouvelle valeur du Backoff dans la fenˆetre de contention r´einitialis´ee `a CWmin Contention Window (valeur minimal de la fenˆetre de contention).

Figure 1.13 – Distributed Controlled Function (DCF)

Il peut arriver que deux stations ´emettent en mˆeme temps, lorsqu’elles ont ´epuis´e la valeur de leur Backoff au mˆeme moment. Dans ce cas il y aura collision, les stations vont alors choisir une nouvelle valeur du Backoff dans une fenˆetre de contention qui prendra une nouvelle valeur selon la formule 1.6 avec CWnew la nouvelle fenˆetre contention

CWnew= [(CW + 1) × 2] − 1 (1.6)

Afin d’´eviter les probl`emes de station cach´ee, les stations peuvent utiliser un ´echange de trame de contrˆole appel´e RTS/CTS [Request To Send (RTS)/ Clear To Send (CTS)] (voir la Figure1.14).

Lorsqu’une station veut transmettre une trame en utilisant les s´equences de contrˆole (RTS/CTS). Elle transmet d’abord une trame RTS pour r´eserver le support pour la dur´ee de ces transmissions. Pour ce faire, elle ins`ere la dur´ee totale de sa s´equence de transmis- sion (trames et acquittements) dans le champ Duration/Id de sa trame RTS. Toutes les stations pr´esentes dans sa zone de couverture recevant la trame r´einitialiseront leur NAV (Network Allocation Vector) avec la valeur du champ Duration/Id. Le support de trans- mission reste r´eserv´e par la station ´emettrice durant la dur´ee du NAV. Le NAV est donc un param`etre qui permet de r´eserver le support de communication sans fil durant tout le temps de transmission. La station destinataire de la trame RTS, donc des donn´ees de la station ´emettrice, r´epond par une trame CTS. Toutes les stations `a sa port´ee mettront `

a jour la valeur de leur NAV. La communication entre la station ´emettrice et la station r´eceptrice est donc prot´eg´ee pour toute sa dur´ee contre les collisions li´ees aux stations cach´ees. La Figure 1.14 est une illustration d’´echanges utilisant les trames RTS/CTS.

Figure 1.14 – Exemple d’utilisation des trames de contrˆole RTS/CTS

Pour r´esumer, il faut noter que le DCF est une m´ethode d’acc`es distribu´ee bas´ee sur le CSMA/CA, elle ne supporte que du Best Effort. Elle n’offre aucune diff´erentiation, ni de priorisation des flux. Une seule file d’attente, supportant toutes les trames des diff´erentes applications, est utilis´ee. De ce fait, nous n’avons aucune garantie de bande passante et de d´elai, ce qui est d´efavorable pour les applications en temps r´eel ou industrielles. 1.3.3.2 M´ethode EDCA (Enhanced Distributed Channel Access

L’EDCA [108] est une m´ethode d’acc`es distribu´ee propos´ee dans la version IEEE802.11e avec l’HCF. L’EDCA apporte plusieurs am´eliorations sur le DCF :

– la diff´erentiation des trafics, avec des files de transmission diff´erentes selon la cat´e- gorie de trafic,

– une priorit´e d’acc`es par cat´egorie de trafic avec l’utilisation d’un nouveau IFS appel´e AIFS (Arbitration Inter Frame Space) utilis´e par cat´egorie de trafic,

– une gestion ind´ependante de chaque file de transmission. Chaque file de transmission a sa propre fenˆetre de contention minimale (CWmin) et maximale (CWmax) et son propre AIFS, et effectue sa propre tentative de transmission ind´ependamment des autres files de transmission,

– la notion de TXOP (Transmission Opportunity) qui offre la possibilit´e pour une QSTA (Qos-STAtion) d’´emettre plusieurs trames de donn´ees dans la mˆeme s´equence de transmission. Le TXOP repr´esente l’unit´e de base d’allocation de droit de trans- mission sur le m´edium sans fil. Le TXOP est d´efini par un d´ebut (temporel) et une longueur maximale (T XOPLimit).

La diff´erentiation des trafics s’effectue grˆace `a l’utilisation de plusieurs UP (User Prio- rity). EDCA d´efinit 4 cat´egories d’acc`es avec plusieurs niveaux de priorit´e. Chaque type

de trafic est associ´e `a une cat´egorie d’acc`es. Les cat´egories d’acc`es (AC, Access Category) sont repr´esent´ees dans la table 1.2.

Priorit´e UP 802.1D AC D´esignation (User Priority) D´esignation (informatives)

Faible 1 BK AC[0] Background

2 - AC[0] Background

0 BE AC[1] Best Effort 3 EE AC[1] Best Effort

4 CL AC[2] Video

5 VI AC[2] Video

6 VO AC[3] Voice

Haute 7 NC AC[3] Voice

Table 1.2 – Cat´egories d’acc`es en mode EDCA

Chaque cat´egorie d’acc`es dispose d’un AIFS, qui correspond au temps d’attente mini- mal pour tenter d’acc´eder au m´edium. La valeur de l’AIFS varie selon le niveau de priorit´e de la cat´egorie d’acc`es. Les cat´egories d’acc`es de plus haute priorit´e auront les plus faibles AIFS. Sa valeur est calcul´ee selon la formule suivante :

AIF S[AC] = AIF SN [AC]aSlotT ime + aSIF ST ime (1.7) La valeur du aSlotTime et celle de l’aSIFSTime d´ependent de la couche physique utilis´ee. Dans la table 1.3 nous avons les diff´erentes valeurs du aSlotTime et du aSIFSTime en fonction de la couche physique.

Couche physique aSlotTime(µs) aSIFSTime(µs)

FS 50 28

DS 20 10

IR 8 10

OFDM 9 16

Table 1.3 – aSlotTime et aSIFSTime

L’AIFSN[AC] est utilis´e pour mettre en place une priorit´e entre les AC. Le AC avec la faible AIFSN a plus de chance d’acc´eder au support de communication. Ses valeurs par d´efaut sont pr´esent´ees dans la table 1.4.

AC AIFSN AC BK 7 AC BE 3 AC VI 2 AC VO 2 Table 1.4 – AIFSN

Les QSTAs g`erent leurs propres files d’attente qui sont classifi´ees selon le niveau de priorit´e des cat´egories d’acc`es. Chaque cat´egorie d’acc`es est attribu´ee `a une file d’attente et est caract´eris´ee par les param`etres suivants : un AIFS, une valeur minimale et maximale de la fenˆetre de contention (CWmin et CWmax). Dans la figure 1.15, nous avons une illustration de la r´epartition des cat´egories d’acc`es dans les files d’attente selon le niveau de priorit´e.

Figure 1.15 – R´epartition des cat´egories d’acc`es dans quatre files d’attente L’EDCA pr´esente n´eanmoins plusieurs limitations. En effet, il n’y a aucune garantie de d´elai de transmission ni de bande passante car elle repose sur un m´ecanisme al´eatoire et certains messages prioritaires peuvent ˆetre retard´es trop longtemps. En cas de saturation du r´eseau, le nombre de collisions augmente, ce qui entraˆıne une diminution du d´ebit. Cette m´ethode pr´esente aussi des risques de famine pouvant alt´erer l’efficacit´e du r´eseau (un message peu prioritaire peut ˆetre ´emis avec beaucoup de retard s’il y a un trafic r´egulier avec une priorit´e plus grande). Dans cette m´ethode d’acc`es on peut aussi assister `

a des collisions virtuelles lorsque deux cat´egories de trafics d’une mˆeme QSTA tirent la mˆeme valeur de back-off.