Méthodologies pour la planiﬁcation de réseaux locaux sans-fil

8/13/2019 Mthodologies pour la planification de rseaux locaux sans-fil

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N dordre 05 ISALAnne 2005

Thse

Mthodologies pour la planification

de rseaux locaux sans-fil.

Prsente devant

LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

pour obtenir

Le grade de docteur

Par

Katia Runser

Encadre parM. Jean-Marie Gorceet M. Stphane Ubda

Projet INRIA ARES, Laboratoire CITI, INSA de Lyon

Ecole doctorale : Informatique et Information pour la Socit

Spcialit : Tlcommunications

Soutenue le 27 octobre 2005 devant la Commission dexamen

Jury

Alexandre Caminada Professeur (UTBM, Belfort) RapporteurJean-Marie Gorce Matre de confrence (INSA, Lyon) Directeur de thseXavier Lagrange Professeur (ENST, Rennes) RapporteurDavid Simplot-Ryl Professeur (Universit de Lille) ExaminateurStphane Ubda Professeur (INSA, Lyon) Directeur de thse

Rodolphe Vauzelle Professeur (Universit de Poitiers) Examinateur


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Table des matires

0 Introduction 1

Partie I : Ingnirie des rseaux locaux sans-fil 8

1 La planification dun rseau wLAN 8

1.1 Le standard IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.1.1 Les normes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1.2 Les couches physiques 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.1.3 La couche MAC 802.11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.1.4 Le dploiement de rseaux sans-fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2 Variables et paramtres du problme wLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.1 Le nombre de points daccsN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.2 La position des AP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.2.3 Les paramtres antennaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3 Les objectifs de la planification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.1 Notations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.2 Les objectifs de couverture radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.3.3 Les objectifs de recouvrement et dinterfrences . . . . . . . . . . . . 281.3.4 Les objectifs de trafic et de qualit de service . . . . . . . . . . . . . 301.3.5 Rsum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311.3.6 Modlisation du comportement du rseau. . . . . . . . . . . . . . . . 33

1.4 Les formulations du problme wLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.1 Formulations gnriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.2 Modles utiliss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2 Outils et mthodes 46

2.1 La prdiction de couverture radio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.1.1 Le canal radio Indoor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.1.2 Les approximations circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.1.3 Les modles empiriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.1.4 Les modles dterministes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.1.5 Rsum et Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.2 Algorithmes doptimisation pour le problme wLP . . . . . . . . . . . . . . 542.2.1 La difficult du problme wLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.2.2 Loptimisation mono-objectif continue . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.2.3 Loptimisation mono-objectif combinatoire . . . . . . . . . . . . . . . 712.2.4 Loptimisation multiobjectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.3 Conclusions et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

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iv TABLE DES MATIRES

Partie II : Modlisation de la propagation dans les btiments 91

3 La mthode Multi-Rsolution FDPF adaptative 93

3.1 Dveloppements thoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.1.1 Lalgorithme temporel ParFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.1.2 Lalgorithme ParFlow dans le domaine frquentiel (FDPF). . . . . . 963.1.3 La modlisation par blocs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.1.4 Lapproche multi-rsolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.1.5 Dcoupage adaptatif de lenvironnement . . . . . . . . . . . . . . . . 1013.1.6 Implantation et performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.2 Mise en oeuvre pour les rseaux sans fil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.2.1 Lapproximation 2D / 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.2.2 Choix de la rsolutionR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 08

3.2.3 Les paramtres des matriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.2.4 Le processus de calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

4 Validation des prdictions 113

4.1 Rglage du simulateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.1.1 Environnements de test et protocole de mesures . . . . . . . . . . . . 1144.1.2 Modlisation un matriau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164.1.3 Modlisation deux matriaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.1.4 Synthse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.2 Mise en oeuvre de DIRECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.2.1 Modlisation un matriau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.2.2 Modlisation deux matriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1334.2.3 Modlisation trois matriaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.3 Rsultats et conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.3.1 Mode de validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1404.3.2 Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414.3.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Partie III : Stratgies de planification wLAN 146

5 Modlisation du problme wLP 147

5.1 Variables et contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.1.1 Placement des points daccs candidats . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475.1.2 Paramtres antennaires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.1.3 Cartes de couverture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1505.1.4 Reprsentation matricielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

5.2 Critres de planification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.2.1 Critres de couverture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525.2.2 Critres dinterfrences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.2.3 Critre de dbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1615.2.4 Critre de localisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1645.2.5 Fonction de cot agrge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169


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TABLE DES MATIRES

6 Heuristiques de planification 1716.1 Algorithmes mono-objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.1.1 Heuristique dterministe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

6.1.2 Mtaheuristique tabou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1756.1.3 Rsultats de planification avec la recherche mono-objectif tabou . . . 178

6.2 Algorithme multiobjectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.2.1 Heuristique multiobjectif tabou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1886.2.2 Rsultats de la recherche multiobjectifs . . . . . . . . . . . . . . . . 191

6.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

7 Conclusions 202

Annexes 208

1. Modle pour lestimation de bande passante 208

2. Publications 213

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Remerciements

Je remercie tout particulirement M. Jean-Marie Gorce et M. Stphane Ubda, mesdirecteurs de thse, pour leur disponibilit et la qualit de leur encadrement. Leurs analyseset dmarches scientifiques mont beaucoup appris au cours des trois annes passes aulaboratoire CITI. Je les remercie pour les changes fructueux qui ont largement contribu

au bon droulement de ces travaux de thse.Je remercie galement les membres de lquipe radio pour leurs conseils judicieux. Je

tiens galement remercier tous les membres du laboratoire CITI et tout particulirementmes co-bureaux (qui furent nombreux !) pour avoir contribu crer une ambiance detravail trs plaisante.

Je ne voudrais clore ces remerciements sans adresser une pense particulire monmari, mes parents et toute ma famille pour leur soutien tout au long de ce doctorat.

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CHAPITRE

0 Introduction

Contexte

Le problme de planification radio sinscrit dans un objectif global damlioration desperformances des outils de communication actuels. Quelle que soit leur nature, ces outilsse doivent de transmettre des donnes le plus rapidement possible tout en garantissantune rception limitant au maximum la perte dinformation. Il est dusage de classifier lestechniques de communication selon la nature du mdium de transmission utilis et de les

rpartir en deux grandes catgories : les technologies filaires et les technologies sans-fil.Les technologies filaires, utilisant des fils de cuivre ou des fibres optiques, sont actuelle-

ment bien matrises. Les ondes lectromagntiques sont guides dans des fils avec peu depertes de donnes. Par exemple, le taux derreur bit pour des transmission optiques SDHest de lordre de 1e9 pour un dbit qui peut atteindre 400Gbits/s. Les technologies ADSLpermettent datteindre des dbits minimaux de 16Mbits/s (ADSL2+ , ITU-T standardG.992.5) sur le lien descendant et de 800Kbits/s sur le lien montant avec de simples pairestorsades de cuivre. Il est galement possible dobtenir des transmissions garantissant untaux derreur bit de 1e7 pour des transmissions voix avec la technologie G.SHDSL pourdes dbits de transmission de 2.3Mbits/s.

Les technologies sans-fil se diffrencient par la nature de leur canal de communicationqui nest plus comparable un guide donde born limitant les pertes, mais constitu dunfluide illimit, lair. Le comportement de ce mdium de transmission dpend de la natureet des proprits de rflexion de lenvironnement dans lequel il se trouve. En effet, lesondes radio se propagent dans un environnement ouverto des phnomnes de rflexion,de rfraction, de diffraction et dinterfrences surviennent localement. Ce comportementalatoire limite les performances des technologies de transmission sans-fil en termes deporte de communication et de qualit de transmission.

Une communication radio ne peut tre tablie que si le rapport entre la puissance dusignal reu et le bruit environnant est suffisant pour permettre la dmodulation du signalpar le rcepteur. Du fait de la nature du mdium radio, il est difficile dobtenir une qualit

de communication semblable celle obtenue avec les technologies filaires. Lamliorationde ces performances passe par la mise en place de techniques de traitement du signal,daccs au mdium et de codages volus qui permettent aux quipements de sadapter auxvariations temporelles et spatiales du signal. Ces techniques vont garantir la comprhensiondu message dans un environnement bruit en diminuant la marge de puissance ncessairepour pouvoir linterprter.

Un systme de transmission, quil soit filaire ou non, se doit dtre utilisable quelle quesoit la nature de lenvironnement o on souhaite le dployer. Pour que ce systme atteigneses performances nominales voire optimales, il est ncessaire de le dployer en respectantdes contraintes inhrentes son mode de fonctionnement. Ainsi, pour un rseau filaire,il suffit de limiter la longueur des segments de communication pour que lattnuation du

signal le long du fil nempche pas la transmission. Pour des rseaux locaux, il nest pascompliqu de respecter cette condition aux vues des dimensions des btiments et de laporte de communication dun rseau filaire conventionnel.

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CHAPITRE 0. INTRODUCTION

Par contre, le dploiement de rseaux sans-fil prsente des contraintes plus complexes grer pour obtenir des conditions de transmission optimales. La rception du messageest tributaire de la qualit du lien radio qui elle mme est contrainte par la configuration

de lenvironnement (position et nature des murs, prsence de meubles.. ) et la position delmetteur. Il est clair que le choix de lemplacement et des caractristiques des metteursradio, compte tenu de la description de lenvironnement, est primordial pour le bon fonc-tionnement dun rseau sans-fil. Ce choix est le coeur du problme de planification radiotrait dans ce manuscrit.

Les rseaux locaux sans-fil

Les rseaux locaux sans-fil (wireless LAN ou wLAN) permettent de transmettre desdonnes par les ondes lectromagntiques lintrieur de btiments et si besoin, lchelle

dun ensemble de btiments (campus, site industriel). Ils appartiennent la famille desrseaux sans-fil qui sont, comme le prsente la figure 1, classifis selon ltendue de leurzone de service. Cette figure prsente pour chaque classe les normes actuellement en vigueur.Des problmatiques de planification surviennent principalement dans des rseaux cellulaireso il est ncessaire de trouver les paramtres antennaires des stations de base et dans lesrseaux locaux sans-fil. Dans cette partie, nous bornerons notre prsentation la descriptiondes rseaux locaux sans-fil qui constituent le cadre applicatif de ces travaux de thse.

Fig.1 Catgories de rseaux sans-fil. (Source [1])

De par la nature du mdium radio, les rseaux sans-fil favorisent la mobilit des uti-lisateurs. Contrairement aux rseaux de type cellulaire, un rseau wLAN ne permet pasune vitesse de dplacement suprieure celle dun piton. Les utilisateurs sont quipsde terminaux divers : ordinateur portables, tlphones, assistants personnels, etc ... Deuxfamilles de standards ont t dfinies lheure actuelle :

HIPERLAN, propos par lETSI [2, 3]. 802.11, propos par lIEEE [4]

Les standards 802.11 et HIPERLAN ont t dfinis respectivement par des institutsamricain et europen. Cest le standard issu de lIEEE, 802.11, qui a t implant dans lesproduits commercialiss. Certains rsultats issu des travaux dHIPERLAN ont t intgrs

des extensions du standard 802.11.Les standards HIPERLAN et 802.11 prvoient deux modes de fonctionnement : le modead-hocet le mode infrastructure(cf. figure 2). En mode ad-hoc, chaque terminal mobile

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est un noeud actif du rseau qui est capable de dialoguer directement avec un autre noeuddu rseau, sans passer par un tiers de communication. Des travaux sont en cours pourproposer des algorithmes de routage multi-sauts pour permettre la communication entre

deux noeuds qui ne sont pas porte de communication [5]. Par exemple, dans la figure2-(1), la communication directe entre les terminaux A et C nest pas possible et ncessitelintervention du terminal B pour router linformation.

Fig.2 Rseau wLAN (1) en mode ad-hoc (2) en mode infrastructure

Le mode infrastructureutilise le mme principe de fonctionnement que les rseauxcellulaires. Des points daccs au rseau sont rpartis sur la zone couvrir et relis auLAN filaire. Les utilisateurs mobiles se connectent au point daccs qui leur fournit lacouverture radio pour accder au rseau. Dans la figure 2-(2) les terminaux A et B seconnectent au point daccs AP. La communication entre les deux terminaux est ralisepar lintermdiaire de ce point daccs. Si A et B ne sont pas connects aux mmes points

daccs, la communication est relaye par le rseau LAN. Lacronyme AP sera utilis dansla suite de ce document pour dsigner un point daccs.Le mode infrastructure propose un service de communication aux seules zones couvertes

par les AP. Pour pouvoir accder au rseau dans tout le btiment, il est ncessaire dedployer les AP de faon garantir la couverture radio par au moins un AP en chaquepoint du plan. Cette condition de fonctionnement est un des objectifs de base du problmede planification.

Le problme de planification de rseau locaux sans-fil ne se pose que pour le modeinfrastructure. Cest pourquoi dans la description ultrieure des technologies wLAN seulesles caractristiques propres ce mode de fonctionnement seront prsentes.

Plan des travaux de thse

Ce manuscrit de thse se dcompose en trois parties, chacune regroupant deux chapitres.La premire partie prsente le contexte, dfinit et analyse les problmatiques relatives lingnierie des rseaux locaux sans-fil. La seconde partie prsente les travaux mens autourde la prdiction de couverture radio par la proposition, la mise en oeuvre et la validationdun modle de prdiction original et performant. La troisime partie traite des solutionsalgorithmiques que nous avons dveloppes pour rsoudre le problme de planificationwLAN.

Le premier chapitre de cette thse introduit toutes les facettes du problme de plani-fication dun rseau wLAN. Nous commenons par dcrire les spcificits de la technologiewLAN IEEE 802.11 pour pouvoir dcrire plus particulirement le mode de dploiement

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actuel dun rseau de ce type. Ceci nous permet dintroduire les variables et objectifs quecomporte un processus de planification de rseau sans-fil. Cette tude nous a permis deconfronter les travaux de la littrature ayant dj abord cette problmatique pour mettre

en vidence les points durs du problme.

Le second chapitre prsente les outils ayant servi aux mthodes de planification pr-sentes au chapitre 1. Ces outils peuvent se dcomposer en deux familles : les modlesde prdiction de couverture radio et les algorithmes doptimisation. Le problme de pla-nification wLAN est un problme doptimisation difficile qui ncessite la mise en oeuvredalgorithmes de recherche labors. Les principaux modles de prdiction de couvertureradio et les algorithmes utiliss dans les mthodes existantes sont dcrits et analyss. Lapremire partie se termine par une conclusion qui prsente les amliorations et nouvellesproblmatiques qui rsultent de lanalyse de lexistant.

Dans la suite, nous traitons les trois points durs du problme de planification suivants :1. Lutilisation dun modle de prdiction de couverture radio fiable et adapt tout

type denvironnement clos (Indoor).

2. La proposition de critres de planification pour optimiser la couverture radio, lesinterfrences, le dbit rel et les performances dun systme de localisation.

3. La proposition dheuristiques doptimisation mono- et multiobjectif.

La deuxime partie de ce manuscrit sattache la prsentation et la validation desprdictions dun modle discret de prdiction de couverture radio. Cette partie a pourobjectif de prsenter le modle, sa mise en oeuvre et surtout danalyser ses performancesen vrifiant la qualit des prdictions obtenues.

Le troisime chapitre prsente un nouveau modle de prdiction de couverture radio,le modle Adaptative Multi-Resolution Frequency Domain ParFlow(MR-FDPF). Il com-mence par prsenter le modle MR-FDPF dun point de vue thorique. Puis, la mise enoeuvre dun tel modle pour lingnirie de dploiement de rseau wLAN est dcrite, nousamenant introduire un certain nombre dhypothses simplificatrices. De ce fait, un pro-cessus de calibration est introduit pour dune part compenser les artefacts crs par leshypothses simplificatrices et dautre part adapter les prdictions tout type denvironne-

ment de travail. Ce modle est particulirement flexible car partir dun jeu de mesures, ilest possible dadapter des paramtres de propagation pour prendre en compte la prsencede matriaux non standards au moment des prdictions.

Le quatrime chapitre sattache la validation des prdictions du modle. La premirepartie de ce chapitre prsente une recherche empirique des paramtres de propagation dusimulateur ncessaires la prdiction de la couverture de notre laboratoire. La qualit desprdictions en fonction du nombre de matriaux diffrents utiliss pour dcrire lenviron-nement de test est tudie. Cette recherche est ralise partir dun jeu de mesures relles.Les premiers rsultats obtenus nous permettent de quantifier linfluence des paramtres depropagation sur la qualit des simulations.

Le processus de calibration automatique est propos et test dans la seconde partie.La recherche des paramtres de propagation optimaux du modle MR-FDPF est ralise laide de lalgorithme doptimisation continue DIRECT. Nous montrons dans cette partie

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que cet algorithme permet de trouver les jeux de paramtres optimaux en un temps ac-ceptable si le nombre de matriaux est faible. La dernire partie de ce chapitre prsentela validation proprement parler des prdictions du simulateur une fois les paramtres de

propagation du simulateur fixs. Les prdictions sont testes dans dautres environnementset compares des mesures relles pour vrifier leur exactitude.

Le cinquime chapitre entame la dernire partie du manuscrit qui prsente les solutionsde planification que nous proposons. Ce chapitre dcrit notre modlisation discrte du pro-blme qui exploite directement les caractristiques du modle de prdiction de couvertureMR-FDPF. Le modle MR-FDPF se base sur un dcoupage gomtrique de lenvironne-ment de test pour calculer la couverture radio. Ce dcoupage est utilis dans ces travauxpour dfinir la position des points daccs candidats du processus de planification. Dansle mme chapitre, les diffrents critres de planification dfinis au cours de la thse sont

prsents. Ces critres permettent damliorer la couverture, de limiter les interfrences, degarantir un dbit par utilisateur ou encore damliorer un service de localisation de stationmobile.

Le dernier chapitre prsente les heuristiques de planification dveloppes au coursde cette thse. La premire heuristique dcrite est une heuristique dterministe qui vise noptimiser que la couverture radio. Cet algorithme est divis en deux tapes : une recherchecombinatoire et une recherche locale. La recherche locale est une recherche continue quilimite les trous de couverture pour converger vers une solution de planification stable. Cetalgorithme est illustr par quelques rsultats.

Pour grer plus de critres de planification, nous prsentons ensuite un algorithmegnrique doptimisation bas sur une heuristique tabou. Cette heuristique tabou a timplante pour pouvoir traiter les variables de position et de nombre dAP, mais galementles variables de puissance et de directivit. Cette heuristique optimise une fonction agrgedes critres de planification choisis. Elle est illustre par plusieurs scnarios de test oles critres de couverture, dinterfrences, de dbit et de localisation sont mis en oeuvre.Les rsultats prsents mettent en vidence la difficult obtenir une solution qui refltefidlement le souhait dun installateur rseau.

La dernire heuristique propose est une heuristique multiobjectif tabou. Nous avonschoisi de tester une telle mthode de recherche pour pouvoir proposer linstallateur unensemble de solutions optimales o chaque solution ralise un compromis diffrent entreles critres optimiser. Comme linstallateur ne sait pas exactement comment pondrer lescritres doptimisation dune fonction agrge, une telle stratgie de recherche fournit unensemble de solutions quil peut analyser et slectionner par la suite. Lheuristique multiob-

jectif dveloppe est illustre avec les mmes environnements de test pour loptimisationconjointe des critres de couverture, dinterfrences et de dbit.

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Partie I : Ingnirie des rseaux

locaux sans-fil

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CHAPITRE

1 La planification dun rseau

wLAN

Comme prsent dans lintroduction, cest dans le mode de fonctionnement infrastruc-tureque se pose le problme de planification dun rseau local sans-fil. Ce problme, r-frenc par la suite sous lacronyme problme wLP (wireless LAN Planning), est dfinicomme suit :

Definition 1 Le problme wLP a pour objectif de dterminer la configuration des pointsdaccs du rseau de faon garantir un niveau de qualit de services (QoS) aux utilisateurs.

Ce problme de planification est similaire celui pos depuis 10 ans dans les rseauxcellulaire et largement trait dans la littrature ([6, 7, 8, 9]). Dans cette partie, ce problmeest utilis comme lment de comparaison pour prsenter les principales caractristiquesde la planification dun rseau wLAN.

La planification dun rseau sans-fil est un problme doptimisation dont les variablessont donnes par lensemble des configurations possibles des points daccs et les objectifspar la description mathmatique des services que le rseau doit offrir. Ce chapitre commencepar une prsentation du standard IEEE 802.11, ce qui nous permet dintroduire les variablesdu problme de planification dcrites par la suite. La dernire partie prsente les objectifsque lon peut dfinir pour la planification automatique dun rseau wLAN. Ces objectifscorrespondent des services offerts par le rseau wLAN.

1.1 Le standard IEEE 802.11

La famille de normes IEEE 802.11 dfinit une architecture cellulaire. Les terminauxmunis dune carte dinterface rseau 802.11 sassocient un point daccs (mode infra-structure) ou entre eux (mode ad-hoc) pour former respectivement un BSS (Basic ServiceSet) ou un IBSS (Independent Basic Service Set). La zone occupe par les terminaux dunBSS est dnomme BSA (Basic Set Area) ou cellule. En mode infrastructure, on parleraplus communment de cellule par analogie avec les rseaux cellulaires qui prsentent ga-

lement un point daccs centralis.Un groupe de BSS peut tre inter-connect par un systme de distribution qui relieles points daccs (AP) entre eux. On dsigne cet ensemble de BSS par le terme dESS(Extended Service Set). Le choix du systme de distribution nest pas impos par la norme.On utilise communment des rseaux Ethernet. Un ESS peut fournir une passerelle daccsvers dautres rseaux fixes prsents dans lenvironnement.

Comme tous les standards de lIEEE, 802.11 dfinit les deux premires couches du mo-dle OSI. Lune des caractristiques essentielles est quil dfinit une couche MAC (MediumAccess Control) commune toutes les couches physiques. Ainsi, diffrentes couches phy-siques peuvent tre dveloppes sans quil soit ncessaire de modifier le protocole daccsau rseau. Ainsi, depuis la premire version de la norme 802.11 propose en 1997, plu-

sieurs extensions prsentant principalement des amliorations de la couche physique ontt proposes. Le paragraphe suivant prsente brivement les caractristiques des normesproposes par lIEEE.

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CHAPITRE 1. LA PLANIFICATION DUN RSEAU WLAN

Bande de frquences Nombre de Canaux PIRE

2.4 GHz 2402 MHZ 2483,5 MHz 14 de largeur 22 MHz (DSSS / OFDM)

79 de largeur 1MHz (FHSS) 100 mW

5 GHz 5150 MHz 5350 MHz 8 de largeur 20 MHz (OFDM) 200 mW

Tab.1.1 Bandes de frquences et canaux wLAN pour la France (Source : ART)

1.1.1 Les normes

La toute premire version de la norme 802.11 a t propose en 1997 [10]. Elle dcrit les

couches physiques et MAC pour une vitesse de transmission allant jusqu 2Mbits/s dansla bande des 900 MHz. Les extensions de cette norme sont les suivantes :

802.11 - La version de 1999 passe dans la bande ISM (Industrial, Science andMedicine) des 2.4 GHz avec toujours des dbits atteignant 2Mbits/s. La bande defrquences utilise est partage avec dautres types de rseaux sans fils (Bluetoothen particulier) ainsi que diverses applications exploitant les radio-frquences.

802.11b [11] ajoute la description dune couche physique amliore proposant desdbits de 5.5 et 11Mbits/s.

802.11a [12] permet datteindre des vitesses de transmission de 54 Mbits/s enexploitant une technologie OFDM. Elle travaille dans une bande de frquences centreautour de 5GHz.

802.11g[13] utilise la mme technologie de transmission que 802.11a mais 2.4GHzet permet galement datteindre des vitesses de 54 Mbits/s. Cette norme a t d-veloppe pour garantir une compatibilit avec les quipements 802.11b. Ainsi, unquipement 802.11b pourra communiquer jusqu 11 Mbits/s dans un rseau din-frastructure 802.11g.

802.11e introduit des garanties de qualit de service dans 802.11. Cette extensionde la norme nest pas encore finalise.

802.11hsapplique aux normes dfinies dans la bande des 5GHz et dfinit une poli-tique de contrle de puissance et dallocation dynamique de frquences. Cette exten-sion permet de respecter les limites de puissance imposes dans les diffrents pays etde limiter les interfrences sil y a cohabitation avec dautres systmes de radiocom-

munication, notamment les radars. 802.11fpropose un protocole dinteroprabilit entre des points daccs de diffrents

constructeurs (Inter Access Point Protocol) qui permet notamment de raliser unchangement de cellule (handover) sil y a mobilit du terminal.

802.11idfinit un standard dnomm Robust Security Networking qui prsente unevolution notoire de la version initiale du protocole de scurit, le WEP, car ellepermet dempcher lintrusion dutilisateurs indsirables sur le rseau.

802.11n est actuellement en cours de dveloppement. Elle permettra dici lanne2007 datteindre des dbits de lordre de 500 Mbits/s. Les deux propositions actuel-lement en lice sont bases sur une couche physique de type MIMO (Multiple InputMultiple Output).

Le tableau 1.1 rpertorie les caractristiques des deux bandes de frquences alloues enFrance par lAutorit de Rgulation des Tlcommunications pour les rseaux wLAN.

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1.1.2 Les couches physiques 802.11

Selon lextension de la norme employe, ce nest pas le mme type de couche physique

qui est utilis. Une architecture de couche physique dfinit : le format des trames transmises sur le canal, la technique de transmission, le type de modulation utilis.Six architectures de couche physique ont t dfinies lheure actuelle : FHSS, DSSS,

IR, HR-DSSS, OFDM-2.4GHz et OFDM-5GHz. Les deux premires versions du standard802.11 (1997 et 1999) dfinissent les trois couches physiques dnommes FHSS, DSSS etIR. La technologie IR (Infra Red), travaillant avec des ondes infrarouges, a t trs peumise en oeuvre. Cest pourquoi nous ne la dtaillerons pas ici.

Les couches FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) et DSSS (Direct SequenceSpread Spectrum) ont t proposes pour la bande de frquence des 900 MHz et la bande

de frquence des 2.4 GHz. Actuellement, seule la bande 2.4GHz est utilise pour ces deuxarchitectures. Ces deux couches physiques proposent des dbits dmission de 1 Mbits/s et2 Mbits/s.

Fig.1.1 Rpartition des canaux (1) dans la bande ISM, (2) dans la bande 5GHz.

La couche FHSS

Cette couche est base sur une technique de transmission dite saut de frquences(Frequency Hopping). La bande de frquences est divise en une srie de canaux de 1 MHzde large. Ainsi, en France, la bande des 2.4 GHz tant comprise entre 2.402 GHZ et 2.483GHz, 79 canaux sont dfinis (cf. Tab. 1.1). Au cours dune mme transmission, lmetteurchange rgulirement de canal selon une squence pseudo alatoire connue du rcepteur.Cette squence rpartit uniformment le signal sur toute la bande de frquences et diminuela probabilit dinterfrence avec dautres signaux mis. Chaque point daccs possde sapropre squence configure manuellement par linstallateur.

La couche FHSS transmet la trame binaire par modulation de frquence (GFSK -

Gaussian Frequency Shift Keying). Cette modulation fait varier la frquence de la porteuseFc de plus ou moins fd pour reprsenter les symboles transmettre. Ainsi, pour obtenirun dbit de 1Mbits/s , deux frquences sont utilises :

Fc+ fd pour transmettre un bit 1, Fc fd pour transmettre un bit 0.

Pour doubler le dbit, 4 frquences sont dfinies pour transmettre des symboles compossde deux bits (00, 01, 11 et 10).

La couche DSSS

La couche DSSS rpartit le signal transmettre sur toute la largeur du canal laide de

la technique Direct Sequence Spread Spectrum. Le canal radio est plus large quen FHSS.Il vaut 22 MHz. Cette technique dtalement de spectre est une technique issue des tech-nologies de transmission radar. Elle permet de rpartir la densit spectrale de puissance

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du signal mis bande troite sur une bande de frquences plus large. Le signal est talsur la bande 22 MHz en ladditionnant un code dit pseudo-noise (cf. Fig 1.2-(1)). Cecode est compos dune squence de bits +1 et -1 au dbit plus important. Cette addition

a pour effet dans le domaine spectral dtaler le signal sur toute la bande de frquencescomme prsent dans la figure 1.2-(2). Le code utilis par tous les points daccs est le codede Barker.

Fig. 1.2 talement du signal DSSS : (1) Addition binaire du code et du signal (2)Dtalement spectral

Pour que les points daccs ninterfrent pas entre eux, chaque AP se voit attribuer uncanal de communication. Aprs talement, le canal radio occupe une bande spectrale 22MHz. Or, daprs le tableau 1.1, 14 canaux sont dfinis sur la bande de frquences ISM.Comme le prsente la figure 1.1, les canaux se recouvrent. En observant la forme du spectredu signal 802.11b aprs talement et modulation reprsent sur la figure 1.3, on observeque le rapport signal sur interfrences entre deux canaux adjacents espacs de 5 MHz est

quasi nul. Cest en utilisant deux canaux espacs dau moins 22 MHz que lon arrivera obtenir jusqu 30 dB de rapport signal sur interfrences.

Fig. 1.3 Gabarit des spectres aprs talement et modulation des signaux 802.11b et802.11g.

De ce fait, lattribution des canaux aux points daccs prsents dans un btiment devientdlicate car lutilisation de deux canaux adjacents pour deux AP qui couvrent la mmezone cr des interfrences importantes.

Ainsi, si lon souhaite travailler avec des canaux totalement disjoints, on ne possdeque 3 frquences rpartir sur le jeu de points daccs dploys. Ce problme dallocationde frquences(FAP : Frequency Assignment Problem) est un problme souvent trait dans

la littrature [14] car il survient galement dans les rseaux cellulaires.La couche DSSS transmet la trame tale sur une porteuse laide dune modulationde phase. Chaque bit 0 ou 1 est alors reprsent par une variation de la phase de la

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porteuse. Pour transmettre 1Mbits/s, la modulation est une modulation binaire (DBPSK :Differentiate Binary Phase Shift Keying) o chaque bit correspond une phase de laporteuse. Pour transmettre 2Mbits/s, quatre phases sont utilises pour transmettre

1Mbits/s des symboles de deux bits (DQPSK : Differentiate Quadrature Phase ShiftKeying).

La couche HR-DSSS [11]

Lextension 802.11b modifie la couche DSSS pour proposer des dbits supplmentairesde 5.5 Mbits/s et 11 Mbits/s. Pour les dbits de 1Mbits/s et 2Mbits/s, la squence dta-lement est la mme que celle dfinie pour DSSS (squence de Barker). Par contre, pouratteindre les dbits suprieurs, la technique CCK (Complementary Code Keying) est uti-lise. Cette technique utilise une architecture compose dun code dtalement de 8 chipset associe une modulation I/Q. Les chips sont mis une vitesse dun million de chips

la seconde. Chaque symbole transmis est reprsent par un code CCK particulier. Latechnique de cration des codes produit des codes dtalement quasi-orthogonaux, ce quidiminue les effets nfastes du multi-trajet et des interfrences.

La couche OFDM [12]

Une autre augmentation de dbit a t obtenue en dfinissant dans 802.11a une nouvellecouche physique base sur la technique de transmission OFDM dans la bande de frquencesdes 5GHz. Avec cette couche physique, il est possible dobtenir des vitesses de transmissionallant jusqu 54 Mbits/s. Au vu du succs commercial des quipements travaillant dansla bande des 2.4 GHz, la mme architecture de couche physique base sur la technique de

transmission OFDM a t dfinie dans la bande 2.4GHz [13].OFDM divise un signal srie haut dbit en plusieurs sous signaux dbit plus faibleet les transmet simultanment sur 48 frquences porteuses. Le fait denvoyer des symbolesplus longs est un moyen de lutter contre le phnomne de chemins multiples. En effet,plus la distance de propagation dune onde est importante, plus il y a de chance quellese rflchisse ou quelle diffracte sur des obstacles. Au niveau du rcepteur, les diffrentschemins crs par le trajet de londe mise vont arriver avec des retards de phase diffrentspuisque la distance parcourue nest pas la mme. Il en rsulte un talement temporel ducanal qui rend la dmodulation du signal plus complexe.

Fig.1.4 Rcapitulatif de larchitecture des couches physiques IEEE 802.11

Lapproche traditionnelle qui tend diminuer la taille des bits transmis pour augmenterle dbit savre tre particulirement affecte par le phnomne des trajets multiples. Eneffet, si la dure des symboles transmis est infrieure la dure dtalement temporel du

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canal, il ne sera pas possible de comprendre un message o plusieurs symboles arrivs des moments diffrents se chevauchent au niveau du rcepteur. Or, les technologies wLANsont implantes dans des btiments o la densit des obstacles favorise lapparition de

multi-trajet. OFDM permet de palier ce problme en mettant en parallle des signauxplus longs en dure sur plusieurs porteuses. Lagrgation de plusieurs canaux lents permetde transmettre plus robustement des signaux sur un canal sensible aux trajets multiples.

Diffrentes techniques de modulation de phase (BPSK, QPSK, QAM...) sont dfinies enfonction du dbit dmission voulu. La figure 1.4 prsente les types de modulation utilisspour chaque dbit.

Les douze canaux frquentiels de la bande 5 GHz, prsents dans la figure 1.1, ne serecouvrent pas et lensemble des canaux est exploitable pour lallocation des frquences auxpoints daccs. Par contre, lextension 802.11g exploite les mmes techniques (OFDM etmodulations associes) mais dans la bande de frquences 2.4 GHz. Si lon observe la formedu spectre obtenu aprs talement et modulation du signal 802.11g de la figure 1.3, onse rend compte que lon est confront au mme problme de recouvrement spectral quen802.11b, ce qui interdit dallouer deux canaux adjacents deux AP voisins.

De plus, si lon compare le spectre 802.11g et le spectre 802.11b, on se rend compteque le recouvrement entre deux canaux espacs de plus de 22 MHz (4 canaux) est plusimportant en 802.11g que celui observ en 802.11b. Il en rsulte que les performances dunrseau planifi en 802.11g dpendent encore plus dune allocation optimale des canaux etde la minimisation du recouvrement entre les zones de services des AP quun rseau en802.11b.

Cette mme figure 1.4 rcapitule les diffrentes technologies daccs, les types de mo-dulation et les dbits atteints pour chaque norme 802.11.

Rapidit de modulation et qualit du signal

Pour connaitre la vitesse de transmission et la taille dun paquet reu par la couchephysique, le dbit de transmission de lentte contenant ces informations est fix 1Mbits/s pour FHSS, DSSS et HR-DSSS et 6Mbits/s pour OFDM. Ainsi, lors de la r-ception dun paquet, il est possible par la lecture de lentte dadapter la couche physique la rapidit de modulation qui a permis dencoder le paquet. Le choix de la vitesse detransmission est rgi par la technique de modulation employe par le fabricant. Ainsi, pourque lon puisse comprendre tous les symboles transmis, il faut un rapport signal sur inter-

frences (SIR) suprieur un seuil donn et un niveau de puissance reue suprieur unevaleur limite.

Par exemple, la carte Lucent Orinoco PCMCIA Silver/Gold base sur la norme802.11b change de dbit dmission avec les seuils de rapport SIR et de puissance reueprsents dans le tableau 1.2.

1 Mbits/s 2 Mbits/s 5.5 Mbits/s 11 Mbits/s

Seuils puissance reue -94 dBm -91 dBm -87 dBm -82 dBmSeuils SIR 4 dB 7 dB 11 dB 16 dB

Tab.1.2 Puissance et SIR Seuils pour la carte IEEE 802.11b Lucent Orinoco

PCMCIASilver/Gold

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1.1.3 La couche MAC 802.11

Cette couche met en place le protocole daccs au canal. La couche MAC de IEEE

802.11 propose deux modes daccs au canal : Distributed Coordination Function (DCF) : Un mode daccs au canal dit comptitionqui propose un accs quitable au canal radio dont la gestion est ralisede faon totalement distribue entre les noeuds du rseau. Ce mode peut aussi bientre utilis en mode ad-hoc quen mode infrastructure.

Point Coordination Fonction (PCF) : Un mode daccs au canal dans lequelles stations de base ont la charge de la gestion de laccs au canal dans leur zonede couverture pour les mobiles qui leur sont rattachs. Ce protocole appartient la famille des protocoles dits rservation. Il ne peut tre utilis pour des rseauxad-hoc multi-sauts puisquil ny a pas de noeud fixe qui puisse prendre en charge lacoordination du rseau.

Ces deux modes daccs sont dcrits brivement dans les deux paragraphes suivants.

Le mode PCF

PCF, le mode daccs sans contention, est un mode daccs complmentaire au DCF.Il est utilis pour implmenter des services temps rel, comme la transmission de voix oude vido. Ce systme met en oeuvre un accs contrl au mdium laide dun systme derservation. Un point daccs fonctionnant en mode PCF est une station qui dispose de lafonction de coordination. La fonction de coordination utilise une structure temporelle desuper-trameprsente dans la figure 1.5.

Fig.1.5 Structure temporelle de la super-trame PCF

Cette super-trame permet de rgir le partage du temps daccs au canal de communi-cation entre les deux priodes suivantes :

la priode sans contention (CFP : Contention Free Period) : Dans cet intervalle de

temps, laccs au mdium est rgl par un multiplexage temporel du canal pour lescommunications gres par la fonction de coordination.

la priode de contention(CP : Contention Period) : Cest dans cet intervalle de tempsque les stations demandent la fonction de coordination de pouvoir mettre dans lapriode CFP. Laccs au mdium radio dans cette priode se ralise alors en modeDCF.

Il faut souligner que le mode PCF est une option de 802.11 et que peu de rseauxlutilisent. En effet, mme en mode infrastructure, laccs en mode DCF permet dobtenirun dbit de transmission bien meilleur que le mode PCF.

Le mode DCF

Ce mode daccs permet de donner la parole aux diffrents noeuds du rseau par la miseen place dune technique daccs distribue proche des techniques daccs comptition

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que lon peut trouver dans les communications filaires (Ethernet, 802.3). DCF dispose dedeux modes de fonctionnement : laccs en mode station de base et le mode RTS/CTS.Le mode RTS/CTS a t conu pour palier au problme des noeuds cachs survenant

principalement en mode ad-hoc. Il est prsent la fin de cette partie. Une description deson fonctionnement et une valuation de ses performances la fois par la modlisation etlexprimentation sont prsentes dans la thse de Dominique Dhoutaut [15].

Le mode DCF est compos des lments suivants :

le mcanisme CSMA/CA, le tirage alatoire de backoff, les dures IFS.

Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA/CA). Dans lesrseaux filaires, lorsquun metteur souhaite envoyer un signal sur le canal, il est capablede dtecter la prsence dune communication coexistante sur le mdium de transmission.En effet, sil met un signal sur le canal filaire et quil ne retrouve pas son propre messagesur le cble, il peut en dduire quil y a eu une collision avec un signal galement prsentsur le mdium. Cette dtection de collision est la base de la technique daccs CSMA/CD(Collision Detection). En CSMA/CD, sil y a dtection de collision, lmetteur cherche mettre nouveau ses donnes aprs un temps dattente alatoire. La dtection de collisionest possible car la distance de transmission dans un cble est limite de sorte que les niveaux

de puissance de tous les signaux mis sur le support sont du mme ordre de grandeur.

La transmission dans lenvironnement radio ne permet pas dutiliser la mme techniquedaccs car dans un environnement ouvert, lattnuation des ondes est bien plus importanteque dans un cble de transmission. Ainsi, si deux metteurs distants A et B transmettentune trame simultanment et quils cherchent dtecter une collision, ils mesureront unsignal identique celui quils mettent (SE) car le niveau de puissance du signal de lautremetteur (SI) nest pas suffisamment puissant pour modifier le signal mis (SE). Du pointde vue dun metteur, il ny a donc jamais de collision dans une transmission radio.

En pratique, les collisions se passent toujours au niveau des rcepteurs qui reoiventplusieurs signaux en mme temps. La premire caractristique du mode DCF est dutiliserdes acquittements pour stipuler que le message a bien t reu. Si lacquittement ne parvientpas lmetteur, celui-ci retransmet les paquets non acquitts.

Ethernet prvoit dobserver ltat du canal avant dmettre ses donnes. Si le canal estlibre, alors la trame est mise. Si une collision est dtecte, la trame est r-mise aprs unedure dattente alatoire. Or, avec le mdium radio, il nest pas possible de dtecter lescollisions. Par consquent, un autre mcanisme qui conditionne lautorisation dmission at dfinit cherche sassurer que le mdium radio est rellement libre avant dmettre.

Le principe retenu en mode DCF est dattendre une priode de dure alatoire appelebackoff avant dmettre. Si pendant cette dure alatoire aucune communication nest

dtecte sur le mdium, on considre que le mdium est libre et on met sa trame. Lafigure 1.6 schmatise ce qui se passe lorsque deux mobiles porte de communicationveulent mettre vers un troisime et que le canal devient libre.

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Fig.1.6 Accs au canal en mode DCF. Source [15]

Le backoff est tir alatoirement par chaque station qui souhaite accder au canal quand

celui-ci est libre. Le mode de tirage du backoff est prsent plus loin. Dans la figure 1.6,cest la station 1 qui accde en premier au canal car elle a tir un backoff plus petit que lastation 2. La station 2 se rend alors compte de lactivit sur le canal et va attendre la finde la transmission en cours. Elle se met en mode defering. Le rcepteur va acquitter sonmessage laide dune trame ACK reue par les deux stations. La station 2 va alors sortirdu mode defering et dcrmenter le reste de son backoff. Sil ny a pas dautre missiondtecte pendant ce temps, elle met ses donnes.

Le Tirage alatoire du backoff. Cest un moyen de lutter contre les collisions dans lanorme 802.11. Nous prsentons son calcul car cest un lment cl du modle dvaluationde performance du mode DCF exploit dans la dfinition du critre de planification de QoSprsent dans la partie 5.2.3. Le temps de backoff est calcul de la faon suivante :

BackoffTime=Random() aSlotTime

La quantit aSlotTime reprsente la dure dun slot de temps dfini par la couchephysique qui vaut par exemple 20 s en DSSS. Random() reprsente un nombre alatoirechoisi entre 0 et la taille de la fentre de contention CW.

La taille de la fentre de contention CWvarie avec le nombre de retransmissions depaquets. Sa valeur initiale est aCWmin et sil y a chec de transmission dun paquet,CWest multiplie par 2. La valeur du backoff est alors tire au sort dans une plus grandefentre. Laugmentation de la taille CWest borne par la valeur aCWmax. Si au boutde nbEssaisMaxle paquet nest pas transmis avec succs, il est abandonn et la stationtraite le paquet suivant dans sa file dattente.

Les dures IFS. La norme IEEE 802.11 dfinit des temps intertrame variables qui per-mettent de faire varier la priorit daccs au mdium de certains paquets. Plus lintertrameest courte pour une station, plus son accs est prioritaire car le temps mis pour accderau mdium est plus faible. On retrouve ces dures sur le schma de communication de lafigure 1.6. Les quatre dures IFS utilises dans la norme 802.11 sont les suivantes :

SIFS(Short Inter-Frame Spacing) : cest la dure la plus courte. Elle permet laccus

de rception de prcder toute autre transmission qui pourrait dbuter en mmetemps. De la sorte, on garantit que laccus de rception soit transmis avant toutautre paquet en attente.

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PIFS(Point coordination Inter-Frame Spacing) : cette dure est utilise pour lenvoidun paquet en mode daccs PCF.

DIFS(Distributed Inter-Frame Spacing) : cette dure est plus longue que les dures

SIFS et PIFS. DIFS est utilis avant lenvoi dun paquet en mode daccs DCF.EIFS(Extented Inter-Frame Spacing) : cette dure est utilise si la couche PHY in-

dique que la trame reue est errone. EIFS assure la transmission daccuss de r-ception dautre stations. Cest la dure la plus longue parmi tous les IFS. Si pendantun temps EIFS il y a rception dune trame correcte, EIFS est stopp et la stationrepasse en mode daccs normal en attendant DIFS.

Les dures IFS sont des lments importants de lvaluation de performances de 802.11car leurs valeurs influent directement sur lutilisation globale de la bande passante par lesstations.

Le mcanisme RTS/CTS. Ce mcanisme optionnel est une technique de contrle du

canal par change de paquets dappel. Il est li la situation des noeuds cachs dcritsdans la figure 1.7. Dans cette figure, de par la prsence dun obstacle, on observe que lesstations A et C voient toutes les deux la station centrale B tandis quelles ne se voient pasentre elles. Ainsi, quand la station A communique avec la station B, la station C ne senaperoit pas. De ce fait, C trouvera le canal libre et mettra des donnes si elle le souhaite,donnes qui entreront en collision avec la communication de A vers B.

Fig.1.7 Disposition de noeuds cachs.

Cest pour empcher les consquences nfastes de cette configuration que le mcanisme

RTS/CTS a t mis en place. Avant denvoyer un paquet de donnes, la station sourceenvoie la station destination un paquet spcial dappel RTS (Request To Send). Si cepaquet est reu par la station destinataire, cette dernire rpond par un paquet CTS (ClearTo Send). Si la station source reoit convenablement ce dernier paquet, elle peut prendrela main la fin de la transmission du CTS et envoyer son paquet de donnes. Cest cepaquet CTS qui sera la fois reu par A et C et qui permettra C dtre au courant dela future communication qui engagera B et une autre station. Si la communication entreA et B est correcte, un accus de rception est envoy par la station destinataire B. Ainsi,C qui reoit galement laccus de rception, sait que le mdium radio est libre. Sil y achec de transmission soit du RTS, soit du CTS ou absence daccus de rception, toute laprocdure est reprise.

Un autre mcanisme, le vecteur dallocation NAV (Network Allocation Vector), est as-soci au RTS/CTS. Il a pour rle damliorer le contrle de laccs au canal. Les paquetsRTS et CTS portent dans leurs champs une indication spcifique qui donne la dure du

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cycle de transmission complet (RTS/CTS, trame de donnes et accus de rception). Cecipermet aux stations dans le voisinage de connatre la dure du cycle complet de la trans-mission venir. A la rception du RTS ou du CTS, chaque station met jour son vecteur

dallocation NAV. Une station ne peut transmettre de trame avant la fin complte du cyclede transmission.

1.1.4 Le dploiement de rseaux sans-fil

Avec lexpansion des rseaux wLAN depuis le dbut des annes 2000, un nombre sanscesse croissant dintgrateurs rseaux sinvestissent dans le dploiement de rseaux locauxsans-fil. Avec leur expertise, ils ont mis en place un processus de dploiement en 3 tapes :

1. Mesure et analyse du site,

2. Installation du rseau : positionnement des AP et allocation des canaux,

3. Tests de fonctionnement.Lanalyse du site client passe par la mise en place temporaire de points daccs de test et

par la mesure de leur couverture radio. Ces mesures sont alors analyses par lexpert radioqui choisit les positions permettant de couvrir la totalit de la surface. Or, pour sassurerde la fourniture du service dans tout le btiment, les experts ont tendance surestimervolontairement le nombre de points daccs.

Cette surestimation du nombre de points daccs a pour effet de rendre lallocationde canaux trs dlicate. En effet, la taille des zones de recouvrement entre les diffrenteszones de services des points daccs est alors trop importante pour trouver facilement unesolution au problme dallocation de canaux. Cette surestimation a donc un effet naturelde dgradation du service.

Lapparition de la norme 802.11a 5GHz a permis de trouver une solution temporaireau problme de planification et dallocation de canaux. En effet, les installateurs ont alorsdiminu la densit des points daccs en 802.11b pour introduire un second rseau fonc-tionnant 5 Ghz et ainsi amliorer le service de couverture sans pour autant dgrader lerseau par la prsence dinterfrences.

Des travaux [16, 17] ont propos et analys diffrents choix que peut faire linstallateurlors du dploiement. Ces choix permettent de le guider sur le positionnement des pointsdaccs et le choix de leurs caractristiques. Nanmoins, trs vite, des algorithmes de pla-nification automatique bass sur la prdiction de la couverture radio ont t proposs. Eneffet, la nature empirique du dploiement radio ne permet pas de faire face la complexitintrinsque du problme. La principale difficult qui ne peut tre prise en compte par un

dploiement manuel est lantagonisme des deux objectifs que sont la couverture radio et laminimisation des interfrences.

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1.2 Variables et paramtres du problme wLP

1.2.1 Le nombre de points daccs N

La planification dun rseau cellulaire a pour objectif de dployer des rseaux de com-munication mobiles grande chelle. Chaque station de base (BTS) implanter prsenteun cot important pour loprateur de radiocommunications. Cest pourquoi, il est impor-tant, lors du dploiement de ce type dinfrastructure, de minimiser les cots dinstallation.Ces cots dinstallation sont principalement proportionnels au nombre de stations de baseinstalles. Ainsi, la majorit des algorithmes de planification cellulaire considrent que lenombre de BTS est une variable du problme ([18, 19, 20, 21, 22, 7]).

Le dploiement dun rseau wLAN est bien moins onreux. En effet, son tendue estplus petite car il est ralis lchelle dun btiment ou dun campus. De plus, le cotdachat dun point daccs est bien plus faible ( 70 ) que celui dune station de baseGSM (

300000). Le montant de linvestissement pour installer un rseau wLAN na pas

de commune mesure avec les dpenses relatives la mise en place dun rseau de tlphoniemobile.

Il semble ainsi, de prime abord, que la minimisation du nombre de points daccs ne soitplus un objectif essentiel du dploiement wLAN. Cest pourquoi les travaux prsents dans[23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32] fixent le nombre de points daccs dans les algorithmesde recherche. Ces travaux se distinguent de la suite par deux caractristiques : lobjectifest dassurer la couverture avec un nombre dAP est fix lavance. Le choix dlicat dunombre dAP relve alors de lexpertise de linstallateur qui va planifier le rseau.

Pourtant, lorsque le nombre de points daccs est surestim, la configuration de pointsdaccs obtenue conduit un fonctionnement fortement dgrad par les interfrences entre

canaux. Comme nous lavons soulign dans la description des techniques de dploiementempiriques (1.1.4), il est ncessaire de choisir un nombre juste de points daccs. Cestpourquoi, les travaux prsents dans [33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44] considrentle nombre de point daccs comme une variable du problme.

Si le nombre de points daccs N est fix et que lon travaille avec un ensemble discretdes positions candidates de tailleM, le cardinal de lespace des solutions vaut CNM. Le faitde considrer le nombre de points daccs Ncomme une variable du problme complexifiela recherche car lespace des solutions devient bien plus important. En effet, sil est possiblede dfinir une borne maximale Nmaxdu nombre de points daccs, le cardinal de lespacede recherche est :

Card(E) =N=Nmax

N=1

CNM

1.2.2 La position des AP

La principale variable du problme wLP est la position physique des points daccs.Pour chaque AP, il est ncessaire de dterminer ses coordonnes (x,y,z) dans le btiment.La troisime variable z nest pas dfinie quand les prdictions de couverture radio sontplanaires. Selon la formulation du problme wLP, ces trois variables de position sont soitcontinues, soitdiscrtes. Dans ce dernier cas de figure, le problme wLP cherche une rpar-tition des AP en slectionnant un sous-ensemble de positions parmi un ensemble discret depositions candidates.

Lespace des positions des antennes est paradoxalement bien plus grand pour la plani-fication wLAN que pour la planification cellulaire [8, 9]. En effet, en GSM, il existe peude lieux dimplantation autoriss, le choix des positions candidates tant non seulement

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contraint par la gographie des lieux, mais galement par lobtention dautorisations dim-plantation des stations de base. Cest pourquoi on retrouvera plus souvent en planificationcellulaire un ensemble de positions discrtes de stations de base pour lesquelles il faudra

trouver la meilleure configuration antennaire possible. Le choix de la configuration anten-naire permet de palier au faible degr de libert que comportent les variables de position[18].

En planification wLAN, ce sont les premiers travaux qui ont considr un espace continudes positions [33, 25, 23, 26, 24, 31]. Avec laugmentation de la surface planifier, laformulation discrte des positions sest avre bien plus abordable et ce pour deux raisons :

1. la diminution de la taille de lespace de recherche,

2. la similarit des positions candidates prsentes dans une mme pice.

En effet, on se rend compte sur la figure 1.8 que la diffrence entre les couvertures radiode 2 AP prsents dans la mme pice est faible lchelle du btiment. On peut alors

considrer quun point daccs prsent au centre dune pice est reprsentatif des autrespositions candidates de la pice et ainsi passer dun espace continu des positions unespace discret.

Fig.1.8 Comparaison des cartes de couverture simules de deux points daccs prsentsdans la mme pice.

Les autres articles de la bibliographie [35, 34, 27, 24, 37, 36, 40, 38, 41, 39, 42, 43, 29, 44]dfinissent un espace discret des positions candidates.

1.2.3 Les paramtres antennaires

Il est possible de choisir 3 types de paramtres antennaires pour modifier la carte decouverture dun metteur k:

1. la puissance dmission : Pk

2. lazimut : k

3. le tilt : k

Le tilt et lazimut dune antenne sont dfinis partir du systme de coordonnes sph-riques. En planification cellulaire, ces trois paramtres sont exploits et ont une importancesignificative. Ce nest pas tant la puissance dmission qui est intressante sur une station

de base GSM mais surtout lazimut et le tilt. Lazimut permet dorienter les secteurs versdes zones prcises du plan et le tilt permet de rgler la taille de la zone de couverturede lantenne. Un tilt lev cre une petite cellule tandis quune antenne faiblement tilte

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prsente une porte de communication importante. Ce type de cellule peut alors crer deszones de rsurgence du signal grande distance. En planification cellulaire, le tilt per-met dobtenir des cellules connexes et ainsi de diminuer les interfrences occasionnes par

celles-ci. Adel Jediditudie en dtails cette problmatique dans ses travaux de thse [18].

Fig.1.9 Simulation du rayonnement en champ libre dune antenne directionnelle wLAN(G0= 4dBi, ouverture = 60) obtenue avec WILDE (cf.partie 2.3).

Les points daccs wLAN sont quips dantennes moins volues que les stations debase GSM. Il existe des points daccs quips dantennes omnidirectionnelles ou directives.Le diagramme de rayonnement azimutal dune antenne directionnelle peut sassimiler uneantenne quasi-omnidirectionnelle pour laquelle il existe un gain plus important (+3dB +5dB) sur une moiti du diagramme comme le prsente la figure 1.9.

Il nest pas possible dincliner une antenne et ainsi de faire varier son tilt. Cette variableimportante de la planification cellulaire nest pas exploitable en planification wLAN.

Il est possible de modifier la puissance dmission dun point daccs par paliers, lesquelssont dfinis par les constructeurs.Les seuls paramtres antennaires wLAN sont : lazimut k, la puissance dmission Pk.Modifier la positionp = (px, py)dun point daccs permet de compenser ce manque de

paramtres antennaires. En effet, le dplacement Indoor permet de jouer sur le diagrammede rayonnement du fait de la rpartition plus dense des obstacles (murs, portes...). Laposition des points daccs est donc un des principaux paramtres rgler.

Stamatelos et Ephremides[24] font partie des premiers chercheurs avoir propos uneformulation au problme de planification wLAN en 1996. Ils ont alors dj pris en compte

la puissance dmission en dfinissant une variable pcontinue. Bahri et Chamberland [41],Wong et al. [35] recherchent la fois la position et la puissance dmission du nombreminimal de points daccs. Lensemble des puissances dmission est discret pour eux.

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Les seuls travaux qui mettent en oeuvre la directivit des AP sont proposs par Aguadoet al.[30]. Lobtention de la direction dmission est traite comme un problme partentire o lon recherche lorientation optimale des Nmetteurs dans un ensemble discret

dorientations possibles. Ce scnario doptimisation considre que la position, le nombre etla puissance des AP sont dj fixs.

En rsum. Une configuration de points daccs se compose toujours :

* du nombre de points daccs : N* de la position de chaque point daccs : (p1, . . . , pk, . . . , pN)

Les variables suivantes peuvent tre exploites :* la puissance dmission des points daccs : (P1E, . . . , P

k, . . . , P NE)* lazimut des point daccs : (1, . . . , k, . . . , N)

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1.3 Les objectifs de la planification

Au-del de lobjectif initial dassurer la couverture radio en tout point, la planification

doit permettre doptimiser le rseau relativement des critres plus labors. Cette sectionprsente les objectifs de planification que lon dfinit usuellement pour obtenir une certainequalit de services de la part du rseau wLAN. Un objectif de planification est dfini commesuit :

Definition 2 Un objectif de planification est une mesure des performances du rseau sans-fil optimiser pour un type de service donn.

La mesure choisie peut tre plus ou moins complexe calculer et mettre en jeu desmodles plus ou moins prcis pour dcrire le service choisi. Nous commenons par prsenterles notations utiliss dans la suite du manuscrit. Puis, une prsentations des objectifs deplanification dfinis dans la littrature est propose. Ces objectifs permettent doptimiserla couverture, le recouvrement et la rpartition du dbit dans un rseau. Cette section setermine par la prsentation de deux modles qui permettent destimer le dbit offert auxutilisateurs du rseau et de quantifier la puissance des interfrences. Ces modles serontutiliss dans la mise en oeuvre de nos propres critres.

1.3.1 Notations

Un objectif de planification peut soit sappliquer une portion du plan, soit unensemble discret de points de tests. Dans la suite du mmoire, nous dsignons par :

P le plan qui reprsente lenvironnement en 2 dimensions de taille NX

NY,bl, l [1..NP] un point de test positionn labscisseil [1..NX]et lordonne jl [1..NY] ,ETP lensemble des points de test de cardinalNP,EAP lensemble des AP candidats de cardinalM,

Une zone rectangulaire du plan Pest dsigne par le terme de bloc. Elle est reprsentedans la figure 1.10 et dfinie comme suit :

Definition 3 Un blocBl est une zone rectangulaire dont le coin haut gauche se situe a lapositionp= (px, py) et dont les dimensions sont donnes pars= (nx,ny).

Fig.1.10 Reprsentation du point de test bl et du bloc Bl.

Dans la suite du manuscrit, les notations suivantes sont utilises :

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Fkl la puissance reue en dBm enbl de lAP k ,FBSl = maxk[1,N]F

kl la puissance en dBm du signal le plus fort (Best Serveur) enbl,

Akl =Pk

Fkl lattnuation en dB du signal mis par lAPk en bl,

ABSl = mink[1,N]Akl lattnuation en dB du signal le plus fort (Best Serveur) en bl,Pnl la puissance du bruit en dBm en bl,Sq seuil de qualit en dBm,SN Rl =F

BSl Pnl le rapport signal sur bruit en dB en bl,

N Il le nombre dinterfrents en bl.SI Rl le rapport signal sur interfrences en dB en bl,

Pour un utilisateur mobile, le rapport signal sur interfrences au point bl a pour formegnrale :

(SI Rl)mW = FBSl

(Pn)mW+ (P Il)mW(1.1)

P Il reprsente la puissance en mWdes signaux qui interfrent avec le signal utile aupoint bl. Le dtail du calcul de la puissance des interfrents est dtaill ci-aprs la page35.

Definition 4 Une carte de couverture

Cest une reprsentation en deux dimensions de la

puissance du signal Best ServeurFBSl en chaque point du plan :

C = {FBSl , bl ETP} (1.2)

Definition 5 La cellule Ck est forme par lensemble des points couverts par le pointdaccsk au-dessus du seuil de qualitSq et o cet AP est Best Serveur :

Ck = {bl/Fkl Sq ; Fkl > Fml m EAP} (1.3)

1.3.2 Les objectifs de couverture radioLe premier service que doit offrir un rseau est la fourniture daccs. Pour un rseau

sans-fil, du fait de la nature du mdium radio utilis, il est ncessaire de garantir un accsaux utilisateurs sur tout le btiment en proposant un canal de communication de qualit.

Il est possible de formuler mathmatiquement un critre de couverture partir deplusieurs grandeurs drives de lestimation de la puissance reue et du bruit ambiant aupointbl.

Dfinition de la couverture radio

La grandeur communment utilise est base sur la notion de couverture radio. Un

pointbl du plan P est couvert par le rseau si la puissance du signalFkl quil reoit depuisau moins un point daccs k du rseau est suffisante pour pouvoir comprendre le message

transmis. Cette condition sexprime par lquation 1.4 :

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bl P couvert k EAP tq. Fkl Pnl + S (1.4)

Dans lquation 1.4, Sreprsente le rapport signal sur bruit minimal qui permette degarantir un taux derreur acceptable et EAP lensemble des points daccs prsents sur leplanP. On dsigne par le terme trous de couvertureles portions du plan qui ne respectentpas la contrainte de couverture.

Bahri et Chamberland [41], Wong et al. [35], Prommak et al. [36], Amaldi et al. [44]dcrivent le problme de planification laide dun programme linaire. Ils imposent unecontrainte dure de couvertureo tous les points du plan doivent satisfaire la conditionde lquation 1.4. Lobjectif principal de planification est soit la minimisation du nombrede points daccs, soit lobtention dune qualit de service adquate. La contrainte de

couverture garantit labsence de trou de couverture.

Maximisation de la surface couverte

Frhwirt et Brisset [34], Anderson et McGeehan [33] et He et al. [28] proposent demaximiser le nombre de points du plan couverts. Frhwirt et Brisset et He et al.travaillent avec un nombre de points daccs constant tandis quAnderson et McGeehanminimisent le nombre dAP. Le mme objectif est prsent par Stamatelos et Ephremides[24] sous la forme dune minimisation du nombre de points de test non couverts avec Nfixe.

Maximisation de la couverture globale

Mateus et al. [29] dfinissent un critre de couverture qui maximise la somme despuissances reuesen chaque point de test. Maksuriwong et al. [39] proposent de maxi-miser le rapport signal sur bruit moyen obtenu pour tout le plan. Ces deux critresne garantissent pas labsence de trous de couverture. En effet, la somme des puissancesreues ou le SNR moyen ne rendent pas compte de la prsence ou non de ces trous.

Optimisation conjointe de la couverture globale et locale

Sherali et al.[25] proposent un critre unique qui minimise la fois lattnuation

moyenne du signal et lattnuation maximale de chaque point de test . Le critredoptimisationf minimiser agrge deux objectifs f1et f2comme prsent dans lquation1.5.

Minimiser f = . f1+ (1 ) . f2 (1.5)

Le premier objectiff1 est donn par :

f1 =NPl=1

wl

ABSl + max(0, ABSl Amax)

(1.6)

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Il calcule la moyenne pondre des attnuations obtenues en chaque point de test et yajoute un terme de pnalit (max(0, ABSl Amax)). Ce terme est nul quand lattnuationABSl de lAP Best Serveur au pointl est infrieure lattnuation maximale tolre Amax,

cest--dire quand la contrainte de couverture est respecte. Cette pnalit renforce le cotdes solutions qui prsentent des trous de couverture. Le critre f1 favorise le choix desolutions prsentant une puissance moyenne reue leve.

Le second objectiff2 est donn par :

f2= maxl=1...NP

wl

ABSl + max(0, ABSl Amax)

(1.7)

Il recherche la plus grande attnuation prsente parmi tous les points de test. Ce critrepermet de pnaliser des solutions qui prsentent des trous de couverture et donc doptimiser

localement la couverture radio. Cette plus grande attnuation est galement pondre parle terme de pnalisation seuil ( max(0, ABSl Amax)).

Les coefficients de pondration wl, l [1, NP] permettent daccorder plus ou moinsdimportance une zone du plan. La fonction objectif prsente un paramtre qui permetde dfinir quel objectif prime dans la recherche dune solution.

Unbehaun et Kamenetsky [27], Aguado et al. [30] et Ji et al. [31] rutilisent la mmedfinition du critre de couverture dans leurs travaux.

Les objectifs de couverture seuil

He et al. [28] utilisent un critre de couverture dfini dans lquation 1.8. Ce critre

calcule la valeur moyenne de la puissance qui manque dans les trous de couverture. Pourtous les points de test bl de lensemble des points de test ETP, on calcule lcart entre lapuissance reueFBSl et la puissance minimale requise Sq si et seulement si la contraintede couverture nest pas respecte.

fseuil= 1/NP .

NPl=1

max

0, Sq FBSl

(1.8)

Nous proposons de formuler ce critre comme la valeur moyenne dune fonction de

mesurede la couverture radiofmes

l :

fseuil= 1/NP .

NPl=1

fmesl (1.9)

Le critre propos par He et al. [28] prsente alors une fonction de mesure de la formefmesl = max

0, Sq FBSl

. Les choix que nous avons effectus pour dfinir un critre de

couverture nous ont men tudier plusieurs variantes de la fonction fmes. Ces variantessont reprsentes sur la figure 1.11.

La figure 1.11-(a) reprsente la fonction de mesure qui associe un poids de 1 chaquepoint non couvert. Cette fonction de mesure permet de calculer le pourcentage de surfacenon couverte.

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Fig.1.11 Reprsentation des fonctions de mesure de couverture seuil.

La figure 1.11-(b) reprsente la fonction de mesure deHe et al.On observe quelle nestpas borne quand FBSl tend vers. Ce type de fonction peut alors tre biaise par desvariations locales de la puissance. Ainsi, un seul point non couvert un niveau trs faiblepeut entraner une pnalisation trop forte.

Pour palier cette valuation peu discriminante, il peut tre intressant de borner lavaleur de fmeslpar une valeur maximale comme prsent sur la figure 1.11-(c) pour que lapnalisation soit identique partir dun seuil Smin donn. Dans la dfinition du critre decouverture que nous prsentons au chapitre 5, nous exploitons ce formalisme pour dfinirune fonction de mesure de la couverture adquate.

Wertz et al. [42] ont galement propos un critre bas sur une fonction de mesure detype rampe (cf. figure 1.11-(c)). Leur fonction est inverse car leur critre principal est

maximiser. Elle value chaque point de test par une valeur comprise entre 0 et 1. Endessous de la puissance minimale requiseSmin, la contribution du point de test lobjectifglobal est nulle. A partir dune puissance suprieure Smax, la contribution du point detest est borne [0, 1].

Lobjectif global est de maximiser la contribution moyenne calcule avec cette fonctionde mesure. Le fait de borner la contribution permet de diminuer le biais introduit par lesvaleurs extrmes de puissance.

La valeur de est fixe en fonction du poids que lon affecte au point de test courantbl. Les auteurs ont dfini 6 valeurs de = (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0) permettant de dfinir 6zones de service. Les points de test pourvus dune valeur de = 1.0auront une contributionplus importante que des points avec une valeur de plus faible. Cette fonction dvaluation

de la couverture permet de diffrencier des zones de service et den tenir compte au momentde la planification du rseau.

Les objectifs de couverture avec prise en compte dun modle de

canal radio

Pour pouvoir modliser de faon plus fine le canal radio indoor, Cheung et Murch [26]ont propos dintroduire un critre de couverture qui minimise la valeur moyenne dela probabilit de coupureP. Ils dfinissent la probabilit de coupure Pout(i, j)au pointbl en fonction de lestimation du rapport signal bruit SN Rl et de la nature du canalindoor.

Le premier canal modlis est un canal de Rayleigh et la probabilit de coupure associeest donne par lquation 1.10. Le second canal modlis et prsent dans lquation 1.11tient compte des interfrences co-canal.

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Pout(i, j) = 1 exp 0

SN Rl

(1.10)

Pout(i, j) = 1 Ii=1

i

+ i

(1.11)

0 reprsente le rapport signal bruit minimal.I est le nombre dinterfrents co-canal prsents au point bl, i = SN Rl/SNRil le

rapport signal sur interfrences entre le signal Best Serveur et le ime interfrent co-canalet un coefficient de protection.

He et al.proposent dans [28] un second critre quiminimise le taux derreur bit enchaque point de test. Le BER (Bit Error rate) est dfini par le rapport entre le nombre debits mal reus et le nombre total de bits envoys. Une valeur seuil de BER est fixe. Unesolution de planification est value en sommant les points o ce BER seuil est atteint.

Lestimation du taux derreur bit est ralise pour un canal CDMA large bande et uncanal CDMA bande troite. Une telle estimation passe par le calcul en chaque point detest de la rponse impulsionnelle du canal. Ce calcul peut-tre ralis laide de simulationsde lancer de rayons mais il est trs coteux. Pour diminuer les cots de calcul de la rponseimpulsionnelle au moment de la planification, une simulation complte du canal radio dechaque systme CDMA a t ralise sur un environnement de test donn.

A partir des rponses impulsionnelles obtenues, des lois dapproximation du BER enfonction du rapport signal bruit ont t dfinies. Dans la modlisation dun systme bande troite, seule la composante la plus forte de la rponse impulsionnelle a t prise encompte. Pour la modlisation du systme large bande, les deux premires impulsions sontmodlises.

Les objectifs dfinis par Cheung et Murch et He et al. permettent de modliser plusfinement le comportement du canal radio. Leur efficacit dpend nanmoins de lexactitudedu modle utilis. Le modle de probabilit de coupure deCheung et Murchest thorique etna pas t valid par des tests rels. Le modle de BER propos par He et al.a lavantagedtre adapt lenvironnement indoor qui a permis de le dfinir.

Finalement, dans ces approches, le critre bas sur le niveau de signal est remplacpar un critres bas sur le BER, qui est une fonction monotone du rapport signal bruit.

Les fonctions de mesure dfinies la figure 1.11 peuvent galement tre utilises pour cecritre. La principale diffrence pour sa mise en oeuvre tient dans la ncessit destimer leniveau dinterfrences en chaque point, ce qui est coteux.

1.3.3 Les objectifs de recouvrement et dinterfrences

Le deuxime critre de planification communment rencontr a rapport aux interf-rences. En effet, la dgradation du dbit fourni par le canal radio peut tre lie unrapport signal sur interfrences trop faible.

Comme il a t prsent dans la description de la technologie IEEE 802.11, il est pos-sible doptimiser lutilisation des ressources spectrales en rpartissant au mieux les canaux

affects aux AP prsents sur le site. Lallocation de ces canaux est un problme doptimi-sation combinatoire qui peut se rduite au problme NP-complet de coloriage de graphes.Il est communment rfrenc par lacronyme FAP (Frequency Assignment Problem).

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En planification cellulaire, ce problme a t trait intensivement dans la littraturecar la taille dun rseau cellulaire et le nombre de canaux GSM rendent lallocation decanaux trs difficile. Il est le plus souvent trait aprs la phase de planification du rseau.

En planification wLAN, le nombre de canaux et dAP prsents est moins important et desheuristiques plus simples donnent de bons rsultats pour le FAP[14].

Quelques travaux, dont ceux de Mathar et al. [6] ont propos de raliser de faonconjointe la fois lallocation des canaux et la planification du rseau. Il en est de mme enplanification wLAN o Bahri et Chamberlain [41], Mateus et al. [29], Molina et Gonzalez[43], Lee et al. [38], Prommak et al. [36] et Wertz et al. [42] proposent de rajouter desvariables permettant dallouer les canaux aux points daccs dans le processus de planifi-cation.

Le problme conjoint de planification et dallocation des canaux est formul laide dunprogramme linaire ayant pour objectif principal de minimiser le nombre de points daccsou de rpartir de faon homogne des ressources en bande passante. La forme gnrale dela contrainte sur les interfrences est donne par :

SI Rl (SI Rl)min (1.12)

Cette quation est gnralement applique au lien descendant, cest--dire au niveaude la puissance reue par le rcepteur mobile et en considrant que seules les stations debase sont des lments actifs du rseau.

La contrainte de SIR peut galement tre exploite, comme lont propos Wong etal.[35], sur le lien montant en utilisant les valeurs de puissances reues par le point daccs.Wong et al.ont trait le problme de planification wLAN pour la technologie CDMA. Cette

technologie est particulirement sensible aux interfrences et il est ncessaire de garantirun SIR minimal aussi bien sur le lien montant que sur le lien descendant. Leurs travauxne cherchent pas allouer des canaux au moment de la planification puisque le systmeCDMA ne prsente pas de multiplexage frquentiel.

Les travaux de Stamatelos et Ephremides [24] et dAguado et al. [30] dfinissent unobjectif principal qui a pour but de rduire le recouvrement entre les zones de service despoints daccs sans pour autant raliser lallocation des canaux. Si la taille des zones derecouvrement entre des points daccs voisins est faible en surface, il sera bien plus aisdallouer des canaux par la suite.

Stamatelos et Ephremidesproposent de minimiser la fois la taille de la surface non

couverte et la taille de la zone interfre. Cette minimisation est ralise en dfinissantune fonction unique agrge (cf. Eq. 1.5). La zone interfre est dfinie par lensemble despoints o la contrainte de lquation 1.12 nest pas satisfaite.

Un objectif qui cherche maximiser lcart entre le signal Best ServeurFBSl et le signalinterfrent le plus fort a t propos par Aguado et al.[30]. Il est dfini par :

f = 1

NP

NPl=1

mink[1,N],kBS

| FBSl Fkl | (1.13)

Cet objectif est agrg en une seule fonction avec lobjectif de couverture dfini par

Sherali et al. (cf. Eq. 1.5). Le problme de planification tel quils lont dfini cherche slectionner des solutions qui couvrent tout lenvironnement et qui minimisent le recouvre-ment entre les zones de service des AP.

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1.3.4 Les objectifs de trafic et de qualit de service

Seuls les travaux les plus rcents dfinissent des problmatiques de qualit de service. Ils

rpondent la ncessit de fournir des rseaux sans-fil qui garantissent une bande passanteaux utilisateurs.Les premires estimations de bande passante ont t ralises laide de la loi de

Shannon-Hartley :dul = B. log2(1 + SN Rl) (1.14)

Le dbit dul utilis au point blest calcul connaissant la bande passante du signalBetle rapport signal bruit S N Rl.

Adickes et al.[37] ont propos en 2002 dintgrer un objectif de QoS pour un ensemble depoints, les TTP (Traffic Test Points), qui possdent une demande de trafic que le rseau doitfournir. Ce placement des points de trafic sinspire des travaux de planification cellulaire.Lestimation de la capacit que peut fournir un point daccs est calcule partir de la loide Shannon-Hartley. La fonction objectif de trafic calcule le pourcentage de points TTPpour lesquels la contrainte de capacit minimale est remplie. La fonction de cot de traficest optimise en mme temps que deux autres critres de couverture. La loi de Shannon-Hartley est une autre forme de critre de couverture. Dans le modle propos par Adickeset al., la capacit des points daccs nest pas prise en compte et il est possible de trouverdes solutions o un AP ne pourra fournir assez de bande passante tous les TTP quilcouvre.

Les travaux ultrieurs formulent le problme laide dun programme linaire et sas-surent que le trafic total demand par lensemble des TTP couverts par un AP nexcde

pas sa capacit. Prommak et al. [36] ont fix la capacit dabsorption de trafic dun pointdaccs CAP =C0, avec = 0.9et C0 le dbit le plus lev que peut fournir lAP (en802.11b,C0= 11 Mbits/s). Le coefficient permet de prendre en compte la perte de dbitdue aux techniques daccs au canal radio (couche MAC). Nous allons voir ci-aprs quecette capacit est encore grandement surestime.

En 2004, Molina et Gonzalez[43] combinent un critre de couverture et un critre detrafic. Ce dernier vrifie galement que la demande des TTP nexcde pas la capacit dupoint daccs fixe. De mme, Bahri et Chamberland[41] imposent la mme contrainte detrafic dans un programme linaire qui minimise le nombre de points daccs.

Les deux travaux proposs par Lee et al. [38] et Amaldi et al. [44] sont les premiers

avoir choisi de dfinir comme objectif principal doptimisation un critre de qualit deservice. Ils ont dfini un modle qui a pour objectif de rpartir le mieux possible entre lesTTP le dbit fourni par les points daccs. La couverture et le recouvrement sont pris encompte par la mise en place de contraintes.

Lee et al. [38] dfinissent la mme contrainte de capacit sur les points daccs CAP =C0, mais leur objectif principal est de minimiser pour obtenir une rpartition uniformedu trafic sur les points daccs.

Amaldi et al. [44] se placent dans le contexte des rseaux wLAN et considrent quunseul canal est utilis dans le rseau pour tous les points daccs. Lanalyse quils ont effectuedu protocole daccs CSMA/CA les a mens dfinir une mesure qualitative de la capacitdu rseau. Un utilisateur pourra accder au rseau si tous ses interfrents s

Méthodologies pour la planiﬁcation de réseaux locaux sans-fil

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