Un Algorithme de Gestion des Adjacences base sur la Puissance du Signal

Un Algorithme de Gestion des Adjacences basé sur la Puissance du Signal 1 Husnain Mansoor Ali — Anthony Busson — Amina Meraihi Naimi — V er onique V eque University P aris XI IEF - CNRS UMR 8622 Centr e Scientifiqu e d’Orsay 91405 Orsay - F rance {husnain. ali,antho ny .busson,amina.meraihi,ver onique.veque}@ief .u-psud.fr RÉSUMÉ. Dans cette pro position, nous présentons une techniqu e de gestion de lien pour les pr otocoles pr oactifs de r outage dans les rése aux ad-hoc. Ce nouveau mécanisme de type multi- couch e est basé sur la puissance du signal. L e mécanisme d’hystérésis prévu par le protoco le OLSR est amélioré par l’utilisation de la p uissance du signal combinée avec les p ertes de mes- sag es Hello. La puissa nce du signal est utilisée pou r déterminer si la qua lite de lien s’amélior e ou est en baisse. Cela nous aide, non seulement à rend r e la gestion de li ens plus r ob uste, mais également à anticiper la ruptur e du lien et donc à amélior er les performance s. ABSTRACT . I n this pr oposition, we pr esent a link manag ement t echniq ue f or pr o-active r outing pr otocols for ad-hoc networks. This new mechanism is based on signal stren gth hence cross layer appr oac h is used. The hyster esis mechan ism pr ovided by OLSR is impr oved upon by using signal str ength in combination with t he hello loss based hyster esis. The signal power is used to determine if the link-quality is impr oving or deteriorating while pack et losses ar e handled thr ough the hyster esis mechanism specifie d in OLSR RFC. This not on ly make s the link manag ement mor e r ob ust b ut a lso helps in anticipating link br eakag es ther eby gr eatly impr oving the performance . MO TS-CLÉS : Pro tocoles de Routag e, Gestion de Lien, OLSR, MANET , Puissance du Signal KEYWORDS: Routing Pro tocols,Link Manag ement, OL SR, MANET , Sign al Stren gth 1 . This work is su pported by the F rench go vernme nt fun ded project ANR R NR T R2 M (Reseaux Mesh et Mobilite) Un Algorithme de Gestion des Adjacences basé sur la Puissance du Signal 1 1. Introduction Dans les ré seaux sans-fil, la m obilité des n oeuds cause la rupture des liens r adios. Cela peut a voir pour conséquences une dégradation importan te des perform ances sur- tout en présence de mo bilité rapid e. Dans les ré seaux ad- hoc, la gestion d es adja- cences, c’est-à-dir e l’établissement de la liste d es autres noeud s à por tée r adio est réalisé loc alement par chaqu e noeud . La gestion de ces adjacen ces est effectué p ar le protoco le de routage. Cette tâche est généralement ef fe ctué sur la base de la réception ou non réception de m essages de contrôles (message Hello ). Do nc habituellemen t, la puissance d u signal pour la ré ception des messages Hello n’est pas con sidéré, en effet la cou che r éseau fait très peu d’ hypoth èse q uant à la technologie sous-jacente. Mais cela peut entraîn er des tau x de perte impor tant [RAI ], lorsque le wifi est uti- lisé notemmen t. Aussi il existe quelques approches où la p uissance du signal est prise en co mpte, m ais ce tte a pproch e est utilisé princ ipalement dans le con texte des p roto- coles de rou tage réactifs [CRI 04]. Dans cet article, nou s nous focalisons plutô t sur les pro tocoles de r outage pro actifs. A vec un p rotoco le p roactif, les tab les de routage contienne nt une entrée po ur chaque destination dans le r éseau. Il n e nécessite d onc pas de requête s pour détermin er l a route lors d’u ne nouvelle c ommun ication. Dans cet article, n ous propo sons un algorithme efficace de gestion des adjacence s dans le c adre d’une mob ilité rap ide ( au d elà de 60k m/h) pr enant en com pte la puis- sance d u sign al. On suppose de plus q u’il s’agit d’u n réseau m esh. Dans ce c ontexte, un réseau mesh est un réseau ad hoc où un certain nomb re de noeud s, en principe sta- tique, ont été déployés po ur effectuer le relayage, ces noeu ds accroissent la co nnec- ti vité d u réseau ad hoc et offrent plusieurs ch emins possibles en tre les sou rces et les destinations. Notre algorithme est une mo dification de l’algorith me de gestion de s adjacen ces d’OLSR (Op timized Link State Routin g Protoco l) [Cla 03]. Cependan t, il peut êtr e utilisé par n’ importe que l protocole de ro utage. Le prob lème av ec l’algor ithme initial est qu’il ne pren d e n compte que le fait que les paquets soient reçus ou per dus. Po ur éviter de dévalider un lien à la moindr e perte de message Hello , qui peut être pro- voqué par de s co llisions ou un évanouissement radio importan t, il y a un mécan isme d’hystérésis qui fait qu ’il faut 2 pe rtes de Hello succéssiv es (avec les paramètres par défaut) pou r considé rer un lien in valide. Cet hystérésis p ermet de stabiliser les lien s radio, et est d onc n écessaire pou r palier aux pertes dûes à des phén omènes transi- toires (collisions, e vanouissement de la p uissance radio). Mais lorsque deux n oeuds s’éloignen t l’un de l’autre, il faudra en v iron 4 secondes a vant de considére r le lien in- valide. Ces 4 secondes correspondent au temps entre l e moment où les noeu ds ne sont plus à po rtée ra dio et l’émission de d eux Hello (qui ne so nt p as r eçus). Dur ant c ette période, les deux noeud s considèr ent le lien valide et p euvent émettre des don nées sur celu i-ci. T outes les don nées émises sero nt alors p erdues. L ’amélior ation que n ous apporto ns au mécanisme n atif d’ OLSR est la prise en com pte d e la détéror iation ou amélioration du signal. Nous n’attendons pa s la perte sèche d ’un ou deux Hello pour dévalider un lien, mais n ous le dévalidons si du rant p lusieurs Hello succéssifs il y a une perte signicativ e de la puissance du signal. 2 CFIP 2008. Dans la Section suiv ante, nous présen tons notre algorithme, puis Section 2.1 nous donno ns quelqu es résultats de simulatio ns. Nous concluons Section 3. 2. Algorithme de gestion des adjacences Comme d ans OLSR, o n associe à chaq ue lien u ne m étrique de qualité. Cette m é- trique de q ualité est sans u nité. L orsque cette métrique p asse en dessous d’ un seuil bas le lien n’est plus utilisé, lorsqu’elle p asse au dessus d’un seuil haut le lien d evient de nouveau utilis able. Dans OLSR, cette métrique est mis à jour uniquem ent en fo nction des messages Hello perdus ou reçus. L ’idée de notr e a lgorithme est assez simple. Il s’agit d’ augmen ter la qu alité du lien lorsqu e la qualité du signal ra dio augm ente et in versement. Sous l’hy pothèse que la p uissance du signa l décr oit a vec la distance, on augmen te la métrique du lien lorsqu’ un noe ud se r approc he et on la diminue quand un no eud s’éloigne d e manière à dévalider le lien juste avant que le no eud sor te de la portée r adio. On u tilise a lors deux seuils ( ss_th r esh old_low et ss_th r esh old_hig h ) as- sociés à la puissance du signal (et non pas à la métrique d u lien). Lorsque la puissance du signal d u Hello reçu est en d essous du seu il bas ( ss_th r esho ld_low ), on diminue la m étrique de qualité. Lorsque la puissance du signal est entre les deux seuils, on est à la limite de la por tée radio, et on pr end en compte la pu issance d u sign al po ur sa voir si le noeud s’éloigne ou se rap proch e. Si la puissance du signal s’est nettement améliorée on au gmente la qualité du lien, si au con traire il y a une d étérioration nette on diminue la qualité du lien. E nfin, lorsq ue la puissance du signal est au dessus d u seuil haut ( ss_thr eshold_hig h ), on a une bonne qualité de lien radio et on augmente la métrique du lien (qu’il y ait dégradatio n ou non ). Nous donno ns ci-dessous, l’algo rithme en détail. Signal Strength(ss) based Hysteresis Alg orithm. . IF ther e does not e xist an entry in neighb or table Initialize Link_qua lity Link_pend ing ← true Sum_sig_ var = 0 ; (to acc umulate the signal variation) ELSE (if ther e is a lr ea dy an entry) IF ss > ss_thr eshold_hig h ; (goo d r e ception ; we r ewar d) Link_qua lity ← (1 - Hyst_ss_scaling ) * Link_q uality + Hyst_ss_scaling ELSE (punish, r ewar d or do nothing based on ss) IF Link_pend ing = false AND (Sum_ sig_var + = Last _ ss − ss ) ≥ ∆ (punish ; signa l str ength deterioration ≥ ∆ ) Link_qua lity = H y st _ ss _ scal ing ∗ Li nk _ q ual ity Sum_sig_ var = 0 ENDIF IF Link_pend ing = true AND (Sum_ sig_var + = ss − Last _ ss ) ≥ ∆ (r ewar d ; sign al str ength impr ovement ≥ ∆ ) Link_qua lity = min(HYST_THR ESHOLD_HIGH , (1 − H y st _ ss _ scali ng ) ∗ Link _ q ual i ty + H y st _ ss _ scaling ) Un Algorithme de Gestion des Adjacences basé sur la Puissance du Signal 3 Sum_sig_ var = 0 ENDIF ENDIF Change the status of Link if Link_q uality c r osses an y of the two thresholds an d r ein itialize Sum_sig_var ENDIF Dans l’alg orithme ci-de ssus, ss est la valeur de la puissance du signal du dernier Hello reçu ; La st_ss est la puissance d e l’avant der nier Hello reçu et Hyst_ss_scaling est un param ètre perm ettant de jouer sur la façon dont on augmente ou diminue la mé- trique de qualité du lien . Enfin ∆ est le p aramètre au quel est comp aré les d ifférences de puissance. Plus précisemen t, l’algorithme augmente ou diminue la qua lité d u lien si il y a une améloriation/détérior ation supérieure à ∆ d e la puissance du s ignal. Cette amélioration /déterioratio n peut courir sur plusieur s Hello succéssifs. 2.1. Résultats de simulations Pour nos simulations, nous utilisons une im plémentation de OLSR du simulateur réseau NS version 2 [F AL 05]. Nou s montron s ici uniquemen t les résultats pour une topolog ie en chaîne. Elle con siste en un e série de 10 no euds statiques placés à 100 mètres les un s des autres. Un noeud mobile est in itialement placé à 10 mètres du premier no eud statique, et se met en m ouvement de manière à passer dev ant toute la cha îne d e noeu ds. La vitesse du noeud mo bile varie de 2 0km/h à 1 00km/h . Le noeud mobile tran smet alo rs deu x p aquets d e 5 12 octets tou tes les second es au pre- mier no eud de la chaîne. Nou s compa rons le PDR (Packet Delivery Ratio) définit comme le n ombre de p aquets reçus divisé par le n ombre de p aquets émis, po ur l’ algo- rithme d’OLSR (basé sur l’hystérésis) et notre prop re algorithme. Chaque point est la moyenne de 8 simu lations. A ces moyennes nous a ssocions un intervalle de confiance à 95% (une présentation plus exhaustives des résultats est donné e dans [ALI 07]). Les résultats de simulations sont p résentés sur les fig ures 1(a) et 1(b). Notre al- gorithme est clairement plus perfo rmant que celui d ’OLSR (noté Hy ster esis on Loss sur les figu res). Comme expliqué p lus hau t, la raison est q u’un n oeud statiqu e do it attendre 4 secondes a près que le no eud mobile so it sortie de sa portée rad io pou r que le lien soit d évalider . On voit que pou r n otre algorithm e, il y a un PDR p roche de 100% excepté pour les gra ndes vitesses. Ceci e st dû au fait qu e no tre algorithm e a été dimension né pour des vitesses moyennes (60km/h). La compa raison de l’overhead montre que notre algorithme n ’utilise pas plus de paquets de contrôle que le OLSR du RFC. En effet, nous n’utilison s pas de nouveau message de contrôle et n’aug menton s pas la fréquen ce des Hello . 4 CFIP 2008. 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 PDR Speed km/hr Comparison between Hysteresis on Loss(HOL) and Hysteresis on Signal(HOS) HOL HOS (a) Comparaison du PDR (b) Comparaison de l’ove rhead Figure 1 – Compa raisons d es PDR et de s overhead pour le pr otocole natif d’OLSR ( Hyster esis on Loss ) et notre algorithme ( Hyster esis on Sig nal ). 3. Conclusion Les résultats de simulations ont mo ntré q ue la prise en comp te de la puissance du signal rendait la gestion des adjacences p lus robuste et perm ettait d’anticiper les ruptur es d e liens, d iminuant ainsi n ettement les p ertes de p aquets. De plu s, celui-ci ne produit p as de m essages de c ontrôle supplémentaire. L es tra vaux en cours ont po ur but de do nner des règles de dim ensionnem ent d e notr e algorithm e. En effet, les perfor- mances sont étr oitement liées aux d ifférents paramètres de l’algor ithme, à la distance entre les n oeuds statiques et à la vitesse d es noeud s m obiles. Une co mparaison de notre algorithme et des autres protocoles de gestion des adjacences prenant en compte la puissance du signal est également planifié. 4. Bibliographie [ALI 07] A L I H . M . , N A I M I A . M . , B U SS O N A . , V È Q U E V . , « An ef fi cient link manag ement algorithm for high mobility mesh networks », MobiW ac ’07 : Pr oceedings of the 5th A C M international workshop on Mob ility ma nag ement and wireless access , Ne w Y ork, NY , US A, 2007, A CM, p. 42–49. [Cla 03] C L A U S E N ( E D ) T. , ( E D ) P . J . , « Optimized Link State Routing protocol (OLSR) », October 2003, RFC 3626, Experimental. [CRI 04] C R I S O S T O M O S . , S A R G E N T O S . , B R A N D AO P., P R I O R R . , « I mprov ing A ODV with preempti ve local route repair », W ir el ess A d-Hoc Networks, 2004 International W orkshop on , mai/juin 2004, p. 223–227 . [F AL 05] F A L L K . , E D I T O R K . V . , « The ns Manual », UC Berkeley and LBL and USC /ISI and Xerox P ARC., http ://www .isi. edu/nsnam/ns/n s-documentation.html, January 2005. [RAI ] R A I S I N G H A N I V . T. , I Y E R S . , « Cross-Layer Design Optimizations in W ireless Proto- col Stacks ».