National audienceLes performances d'un réseau ad hoc utilisant 802.11 se dégradent quand la charge du réseau augmente. Cette surcharge du réseau peut provenir de sa densité ou du trafic généré. La perte de performance vient essentiellement du protocole MAC (Medium Access Control) mis en place dans le mode DCF du standard 802.11. On trouve dans la littérature plusieurs solutions au niveau MAC permettant de maintenir les performances telles que l'équité ou l'efficacité mais peu de ces solutions n'abordent le problème de l'équité et de l'efficacité conjointement. Dans cet article nous proposons un algorithme de backoff, SBA (Simple Backoff Algorithm), permettant d'obtenir un bon compromis équité-efficacité quand le réseau est surchargé. De plus, notre algorithme est simple car il ne s'appuie que sur des informations locales. L'analyse et les simulations montrent que SBA permet d'obtenir un meilleur compromis entre équité, efficacité et simplicité comparé à certains protocoles décrits dans la littérature

Guérin-Lassous, Isabelle

Razafindralambo, Tahiry

HAL - Lille 3

SBA : un algorithme simple de backoff pour les re´seauxad hocTahiry Razafindralambo, Isabelle Gue´rin-LassousTo cite this version:Tahiry Razafindralambo, Isabelle Gue´rin-Lassous. SBA : un algorithme simple de backoffpour les re´seaux ad hoc. David and Sebastien Tixeuil. 10e`me Rencontres Francophones surles Aspects Algorithmiques des Te´le´communications (AlgoTel’08), 2008, Saint-Malo, France.pp.1-4, 2008. <inria-00374445>HAL Id: inria-00374445https://hal.inria.fr/inria-00374445Submitted on 8 Apr 2009HAL is a multi-disciplinary open accessarchive for the deposit and dissemination of sci-entific research documents, whether they are pub-lished or not. The documents may come fromteaching and research institutions in France orabroad, or from public or private research centers.L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, estdestine´e au de´poˆt et a` la diffusion de documentsscientifiques de niveau recherche, publie´s ou non,e´manant des e´tablissements d’enseignement et derecherche franc¸ais ou e´trangers, des laboratoirespublics ou prive´s.SBA : un algorithme simple de backoff pourles re´seaux ad hocTahiry Razafindralambo1 et Isabelle Gue´rin Lassous21INRIA Lille-Nord Europe - LIFL (CNRS/USTL), 50, avenue Halley - 59650 Villeneuve d’Ascq, France2Universite´ de Lyon - LIP, 46 alle´e d’Italie - 69364 Lyon Cedex , FranceLes performances d’un re´seau ad hoc utilisant 802.11 se de´gradent quand la charge du re´seau augmente. Cette surchargedu re´seau peut provenir de sa densite´ ou du trafic ge´ne´re´. La perte de performance vient essentiellement du protocoleMAC (Medium Access Control) mis en place dans le mode DCF du standard 802.11. On trouve dans la litte´ratureplusieurs solutions au niveau MAC permettant de maintenir les performances telles que l’e´quite´ ou l’efficacite´ mais peude ces solutions n’abordent le proble`me de l’e´quite´ et de l’efficacite´ conjointement. Dans cet article nous proposonsun algorithme de backoff, SBA (Simple Backoff Algorithm), permettant d’obtenir un bon compromis e´quite´-efficacite´quand le re´seau est surcharge´. De plus, notre algorithme est simple car il ne s’appuie que sur des informations locales.L’analyse et les simulations montrent que SBA permet d’obtenir un meilleur compromis entre e´quite´, efficacite´ etsimplicite´ compare´ a` certains protocoles de´crits dans la litte´rature.1 IntroductionL’acce`s au me´dium radio fait partie des points durs dans les re´seaux ad hoc. Le standard 802.11† de´critun protocole d’acce`s au me´dium distribue´ appele´ DCF (Distributed Coordination Function) qui peut eˆtreutilise´ dans les re´seaux ad hoc. Cependant, cette me´thode d’acce`s pre´sente des proble`mes de performancestant au niveau de l’e´quite´ qu’au niveau de l’efficacite´ [CDGL05]. Ces proble`mes de performance sontparticulie`rement accrus quand le re´seau devient surcharge´.Plusieurs protocoles essayent de re´soudre soit le proble`me d’e´quite´ soit le proble`me d’efficacite´ maistre`s peu de solutions e´tudient le proble`me conjointement. La litte´rature montre que dans la plupart des cas,les proble`mes de performances de 802.11 proviennent de son algorithme de backoff, le Binary Exponen-tial Backoff (BEB). Plusieurs modifications de cet algorithme ont e´te´ propose´es. Il existe deux grandesclasses de modification de l’algorithme de backoff : les approches qui modifient simplement l’utilisationdes feneˆtres de contention en s’appuyant sur les meˆmes me´canismes que 802.11 (MILD [BDSZ94] etDIDD [CBV+05] sont de telles solutions) et les approches plus complexes se reposant sur des informationsobtenues dans le voisinage comme par exemple MBFAIR [FBW02] qui modifie la feneˆtre de contentionen fonction des informations re´colte´es dans le voisinage a` deux sauts de chaque station. Il existe aussides modifications de la me´thode d’acce`s qui ne modifient pas l’algorithme de backoff mais rajoutent destemps d’attente supple´mentaires a` ceux fournis par 802.11. Les protocoles tels que MadMac [RGL07] etPNAV [CCMSR05] font partie de cette cate´gorie et mettent en œuvre des me´canismes complexes per-mettant d’accroıˆtre l’e´quite´ tout en maintenant une certaine efficacite´. Ces deux approches ne ne´cessitentaucune information autre que celles obtenues par le me´canisme d’e´coute active du me´dium contrairementa` EHATDMA [HP05] qui lui ne´cessite un e´change d’informations avant chaque transmission.Notre algorithme de backoff, SBA (Simple Backoff Algorithm), peut eˆtre conside´re´ comme une modifica-tion de l’algorithme de backoff et ne ne´cessite pas d’informations supple´mentaires comme MBFAIR. Unedescription plus comple`te de SBA est donne´e dans la section 2. Les re´sultats de simulations donne´s dans lasection 3 montrent que SBA permet d’obtenir un bon compromis e´quite´-efficacite´-simplicite´.† http ://www.ieee802.org/11/Tahiry Razafindralambo et Isabelle Gue´rin Lassous2 SBA : Simple Backoff AlgorithmContraintes, principes et motivations Pour la conception de SBA, nous avons respecte´ les restrictions ethypothe`ses suivantes : i) distribue´ : l’acce`s au me´dium doit eˆtre distribue´ de part la nature distribue´e, dyna-mique et mobile des re´seaux ad hoc ; ii) localite´ : les informations utilise´es doivent eˆtre uniquement localespour optimiser l’aspect distribue´ ; iii) l’e´quite´ est meilleure que l’efficacite´ quand le re´seau est surcharge´ :nous conside´rons que fournir de l’e´quite´ au niveau MAC est plus importante que fournir de l’efficacite´car si l’e´quite´ n’est pas fournie, le re´seau peut eˆtre de´connecte´ ; iv) rester efficace : meˆme si l’efficacite´n’est pas notre objectif principal, il reste important que le protocole d’acce`s soit efficace ; v) compatibi-lite´ et ge´ne´ricite´ : nous voulons un algorithme de backoff qui puisse eˆtre utilise´ avec diffe´rentes couchesphysiques, meˆme celles qui n’utilisent pas l’e´coute active du canal radio.Dans SBA, les me´canismes de base du mode DCF sont conserve´s sauf en ce qui concerne l’algorithmede backoff. Contrairement au Binary Exponential Backoff, SBA n’a que deux feneˆtres de contention, unepetite (CWmin) et une grande (CWmax). De notre point de vue, ces deux feneˆtres de contention sont suffi-santes pour re´soudre le proble`me de collision tout en maintenant une certaine efficacite´. Comme BEB, SBAutilise uniquement des informations locales telles que les transmissions avec succe`s et les collisions subiespour modifier la feneˆtre de contention. Cependant, la feneˆtre de contention n’est pas modifie´e apre`s chaquetransmission comme dans BEB. Ainsi, une meˆme feneˆtre de contention sera utilise´e pour toutes les trans-missions pendant une certaine pe´riode. `A la fin de cette pe´riode, le nombre de collisions et le nombre detransmissions correctes permettent de calculer la feneˆtre de contention a` utiliser pour la prochaine pe´riode.Les informations locales telles que le nombre de transmissions avec succe`s (Nsuc) et le nombre de colli-sions (Ncol) peuvent eˆtre utilise´es, par chaque station, pour estimer des probabilite´s sur l’e´tat du me´dium.Ces probabilite´s sont note´es P[occ], P[suc], P[col] et P[ f ree] et repre´sentent respectivement la probabilite´que le me´dium soit occupe´ par une autre station, la probabilite´ que le me´dium soit occupe´ par une transmis-sion correcte de la station, la probabilite´ que le me´dium soit occupe´ par une collision impliquant la stationou la probabilite´ que le me´dium soit libre. La probabilite´ que le me´dium soit occupe´ par une transmissioncorrecte de la station est donne´e par P[suc] = Tsuc∆ ou` Tsuc est une information locale qui repre´sente le tempscumule´ des transmissions correctes de la station pendant l’intervalle de temps ∆ conside´re´. De la meˆmemanie`re, on peut calculer P[col] = Tcol∆ ou` Tcol repre´sente le temps passe´ pour la station dans des collisions.Comme SBA utilise une meˆme feneˆtre de contention durant chaque intervalle de temps ∆, une approxi-mation de la probabilite´ pour que le me´dium soit libre est donne´e par P[ f ree] = (Ncol+Nsuc)×(cw+DIFS)∆ ou`cw est la dure´e moyenne du backoff utilise´ durant la pe´riode et DIFS est la dure´e du DCF InterFrameSpace de´crite dans 802.11. `A partir des trois probabilite´s pre´ce´dentes il est possible d’estimer la valeur deP[occ] = 1− (P[suc]+P[col]+P[ f ree]). Notons que quand la station ne transmet pas elle conside`re que leme´dium est occupe´ car les autres stations peuvent re´ellement l’occuper.L’utilisation de seulement deux feneˆtres de contention nous force a` limiter le nombre de stations utilisantla petite feneˆtre de contention pour re´duire le nombre de collisions. De plus, nous essayons de faire ensorte que dans chaque pe´riode, au moins une station utilise cette petite feneˆtre de contention dans un soucid’efficacite´. Ainsi, nous n’adaptons pas la feneˆtre de contention en fonction du nombre de stations encompe´tition mais nous adaptons le nombre de stations utilisant chaque feneˆtre de contention.Protocole Le fonctionnement de SBA est pre´sente´ dans l’algorithme 1 qui de´crit les transitions entreles deux feneˆtres de contention. Cet algorithme montre comment les statistiques calcule´es dans la sectionpre´ce´dente sont utilise´es pour influer sur les transitions.L’algorithme 1 est divise´ en deux cas principaux donne´s a` la ligne 1 et a` la ligne 9. Si la condition dela ligne 1 est ve´rifie´e, cela signifie que l’occupation correcte de la station est infe´rieure a` l’occupation desautres stations et donc la station utilisera CWmin pour la pe´riode suivante (ligne 2). Dans le cas contraire,la station utilisera CWmax (ligne 10). Le but ici est de re´soudre certains proble`mes se posant sur les troispaires ou les stations cache´es asyme´triques. La condition de la ligne 1 ne prend pas en compte la charge dure´seau. Cette charge est conside´re´e a` la ligne 6. Quand le re´seau est charge´, la probabilite´ P[ f ree] est faible(infe´rieure a` s) et la probabilite´ de collision P[col] augmente. Dans ce cas, la station doit utiliser CWmax pourre´duire la contention sur le re´seau. La condition pre´sente´e a` la ligne 3 de l’algorithme 1 utilise un tirageale´atoire quand la probabilite´ de collision P[col] est supe´rieure a` r. Ce tirage ale´atoire permet de re´duire leSBA: Simple Backoff Algorithmnombre de stations pouvant utiliser CWmin quand la probabilite´ de collision devient e´leve´e, comme dans lecas des stations cache´es.Le dimensionnement des parame`tres ∆, s, r, CWmin et CWmax ne sera pas donne´ ici par manque de place.Ce dimensionnement est fait de manie`re analytique. Cependant, les parame`tres ayant le plus d’influencesont CWmin et CWmax. Plus le rapport CWmin/CWmax sera proche de 1 plus le protocole sera e´quitable a` courtterme. De plus, si CWmin et CWmax sont petits, la re´solution des collisions devient difficile et l’efficacite´ peuten eˆtre affecte´. ∆ doit eˆtre choisi de fac¸on a` ce que chaque station puisse transmettre un paquet, la valeur de∆ est donc lie´e a` la valeur de CWmax et a` la taille maximum de paquet. s est le temps libre recherche´ entredeux transmissions et peut eˆtre choisi comme dans [HRGD05].1: if (P[suc]≤ P[occ]+P[ f ree]) then2: CW = CWmin3: if (P[col] > r && rand{0,1}==1) then4: CW = CWmax5: end if6: if (P[ f ree]≤ s && P[col] > 0) then7: CW = CWmax8: end if9: else10: CW = CWmax11: end ifSIFS 10µsDIFS 50µsbackoff slot 20µsCWmin 31CWmax 1023Physical header 192µsData rate 11 MbpsARP protocol disabledRouting protocol static∆ 0.2ss 0.15r 0.5Traffic backlogged / CBR / UDPPacket size random [600 ;1400] bytesSynchronization randomMobility noneTAB. 1: Re´sume´ des parame`tres de simulation.Algorithme 1: SBA3 Re´sultats de simulationsDans cette section, nous pre´sentons quelques re´sultats de simulations de SBA. Le simulateur utilise´ estNS-2‡ et le tableau 1 re´sume les parame`tres de simulation que nous avons utilise´s. Nous comparons SBAavec 802.11, MBFAIR, MadMac et PNAV.Cellule de communication Dans cette simulation, toutes les stations sont a` porte´e de communication.La figure 1(a) trace le de´bit global obtenu sur le re´seau en fonction du nombre de stations pre´sentes dansla cellule de communication. Le principal proble`me dans ce sce´nario provient de la charge qui augmentequand le nombre de stations augmente. La figure 1(a) montre que SBA est plus efficace que la plupartdes protocoles que nous avons teste´s a` partir de quelques nœuds. Il est inte´ressant de noter que meˆme siSBA est conc¸u pour les re´seaux ad hoc , il est plus efficace que 802.11 qui lui est conc¸u pour les cellulesde communication. Les performances obtenues par MadMac sont meilleures que celles obtenues par SBA.Cependant, la diffe´rence est faible et montre que la restriction a` l’utilisation d’informations locales n’affectepas fortement les performances. De plus, pour des performances tre`s proches de celles de MadMac, SBAne ne´cessite pas une e´coute permanente du me´dium ce qui rend possible son utilisation dans les re´seaux decapteurs§.Re´seaux ale´atoires Nous pre´sentons ici des re´sultats de simulations sur des re´seaux ale´atoires. Dans cestopologies, la position des stations est tire´e ale´atoirement dans une surface de 500m× 500m. La porte´ede communication de chaque station est fixe et de 150m. Les sources et les destinations des flux sontchoisies ale´atoirement. Pour mesurer l’efficacite´ sur ces sce´narios, nous calculons le de´bit global obtenusur le re´seau. Pour mesurer l’e´quite´, nous utilisons le coefficient de variation comme me´trique d’e´quite´.Cette me´trique est le rapport entre l’e´cart-type et la valeur moyenne. Quand le coefficient de variation este´leve´ cela signifie que la dispersion autour de la moyenne est e´leve´e. La figure 1(b) montre les re´sultats de‡ http ://www.isi.edu/nsnam/ns/§ Ce point sera de´veloppe´ dans les travaux futursTahiry Razafindralambo et Isabelle Gue´rin Lassous 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 0  5  10  15  20  25  30  35  40 Debit global (kbps)  # stations MadMacPNAV802.11MBFAIRSBADIDDMadMacPNAV 802.11 MBFAIR SBA DIDD (a) Cellule de communication. 14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000802.11MBFAIRSBAMadMacPNAV802.11MBFAIRSBAMadMacPNAV 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9Debit global (kbps)Coefficient de variationDebit globalCoefficient de variation(b) Re´seaux ale´atoires 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 30  40  50  60  70  80Debit global (kbps)Taux d’erreur paquet (%)SBAMadMac, 802.11, PNAVMBFAIR802.11SBAPNAVMadMacMBFAIR(c) Erreur au niveau physiqueFIG. 1:simulation pour un re´seau de 200 stations avec 150 flux. Cette figure montre que SBA permet d’obtenirle meilleur compromis entre e´quite´ et efficacite´ compare´ aux autres protocoles teste´s. Nous avons lance´plusieurs autres sce´narios ale´atoires et les re´sultats obtenus sont toujours les meˆmes : SBA permet d’avoirle meilleur compromis entre e´quite´ et efficacite´. Cette diffe´rence est d’autant plus prononce´e quand le re´seaudevient dense ou quand le nombre de flux augmente.Influence des erreurs au niveau physique Nous pre´sentons les re´sultats de simulations quand des erreursau niveau du me´dium radio sont introduites. Nous avons lance´ une simulation avec deux stations, une sourceet une destination, et avons introduit des erreurs ale´atoirement sur chaque paquet, incluant les acquittements.Le de´bit obtenu par la station en fonction du taux d’erreur paquet est trace´ sur la figure 1(c). Quand le tauxd’erreur paquet augmente, SBA permet d’avoir de meilleures performances que les autres protocoles teste´s.Ce comportement est duˆ au fait que, dans SBA, l’adaptation de la feneˆtre de contention ne se fait pas apre`schaque transmission. Quand le taux de collisions est faible, SBA est moins efficace que 802.11 et MadMac a`cause de l’alternance possible entre l’utilisation de CWmin et CWmax quand la station ne subit pas de collisiondurant ∆.4 ConclusionDans cet article, nous avons propose´ un algorithme de backoff pour les re´seaux ad hoc. Cet algorithmeassocie´ aux me´canismes de 802.11 nous a permis de concevoir un protocole appele´ SBA (Simple BackoffAlgorithm), simple, e´quitable et efficace pour les re´seaux ad hoc. Les re´sultats de simulations pre´sente´smontrent que SBA permet d’obtenir un bon compromis e´quite´ efficacite´. Nous cherchons maintenant a`mieux dimensionner les parame`tres de SBA suivant le contexte d’utilisation.Re´fe´rences[BDSZ94] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang. MACAW : a media access protocol for wirelessLAN’s. In ACM SIGCOMM, pages 212–225, London, United Kingdom, 1994.[CBV+05] P. Chatzimisios, A.C. Boucouvalas, V. Vitsas, A. Vafiadis, A. Oikonomidis, and P. Huang. A simple andeffective backoff scheme for the IEEE 802.11 MAC protocol. In CITSA, USA, July 2005.[CCMSR05] C. Chaudet, G. Chelius, H. Meunier, and D. Simplot-Ryl. Adaptive Probabilistic NAV to Increase Fair-ness in Ad Hoc 802.11 MAC. AHSWN Journal, 2(2), June 2005.[CDGL05] C. Chaudet, D. Dhoutaut, and I. Gue´rin-Lassous. Performance Issues with IEEE 802.11 in Ad HocNetworking. IEEE Comm. Mag., 43(7) :110–116, July 2005.[FBW02] Z. Fang, Brahim Bensaou, and Y. Wang. Performance evaluation of a fair backoff algorithm for IEEE802.11 DFWMAC. In MOBIHOC, pages 48–57, Lausanne, Switzerland, 2002.[HP05] J. He and H. K. Pung. Fairness of Medium Access Control Protocols for Multi-hop Ad Hoc WirelessNetworks. Computer Networks, 48(6) :867–890, 2005.[HRGD05] M. Heusse, F. Rousseau, R. Guillier, and A. Duda. Idle Sense : an Optimal Access Method for HighThroughput and Fairness in Rate Diverse Wireless LANs. In ACM SIGCOMM, USA, 2005.[RGL07] T. Razafindralambo and I. Gue´rin-Lassous. Increasing Fairness and Efficiency using the MadMac Proto-col in Ad Hoc Networks. Ad Hoc Networks Journal, 6(3), 2008.

SBA : un algorithme simple de backoff pour les réseaux ad hoc

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SBA : un algorithme simple de backoff pour lesréseaux ad hoc. 10ème Rencontres Francophones sur les Aspects Algorithmiques des Télécommunica-tions (AlgoTel’08), 2008, Saint-Malo, France. pp.1-4. ￿inria-00374445￿SBA : un algorithme simple de backoff pourles réseaux ad hocTahiry Razafindralambo1 et Isabelle Gúerin Lassous21INRIA Lille-Nord Europe - LIFL (CNRS/USTL), 50, avenue Halley - 59650 Villeneuve d’Ascq, France2Université de Lyon - LIP, 46 allée d’Italie - 69364 Lyon Cedex , FranceLes performances d’un réseaud hocutilisant 802.11 se dégradent quand la charge du réseau augmente. Cette surchargedu réseau peut provenir de sa densité ou du trafic généré. La perte de performance vient essentiellement du protocoleMAC (Medium Access Control) mis en place dans le mode DCF du standard 802.11. On trouve dans la littératureplusieurs solutions au niveau MAC permettant de maintenir ls performances telles que l’équité ou l’efficacité maispeude ces solutions n’abordent le problème de l’équité et del’efficacité conjointement. Dans cet article nous proposonsun algorithme debackoff, SBA (Simple Backoff Algorithm), permettant d’obtenir un bon compromis équité-efficacitéquand le réseau est surchargé. De plus, notre algorithme est simple car il ne s’appuie que sur des informations locales.L’analyse et les simulations montrent que SBA permet d’obtenir un meilleur compromis entre équité, efficacité etsimplicité comparé à certains protocoles décrits dansl littérature.1 IntroductionL’accès au médium radio fait partie des points durs dans les réseauxad hoc. Le standard 802.11† décritun protocole d’accès au médium distribué appelé DCF (Distributed Coordination Function) qui peut êtreutilisé dans les réseauxad hoc. Cependant, cette méthode d’accès présente des problèmes de performancestant au niveau de l’équité qu’au niveau de l’efficacité [CDGL05]. Ces problèmes de performance sontparticulièrement accrus quand le réseau devient surchargé.Plusieurs protocoles essayent de résoudre soit le problème d’équité soit le problème d’efficacité maistrès peu de solutions étudient le problème conjointement. La littérature montre que dans la plupart des cas,les problèmes de performances de 802.11 proviennent de sonalg rithme debackoff, le Binary Exponen-tial Backoff (BEB). Plusieurs modifications de cet algorithme ont été proposées. Il existe deux grandesclasses de modification de l’algorithme debackoff: les approches qui modifient simplement l’utilisationdes fenêtres de contention en s’appuyant sur les mêmes mécanismes que 802.11 (MILD [BDSZ94] etDIDD [CBV+05] sont de telles solutions) et les approches plus complexes se reposant sur des informationsobtenues dans le voisinage comme par exemple MBFAIR [FBW02]qui modifie la fenêtre de contentionen fonction des informations récoltées dans le voisinageà d ux sauts de chaque station. Il existe aussides modifications de la méthode d’accès qui ne modifient pasl’algorithme debackoffmais rajoutent destemps d’attente supplémentaires à ceux fournis par 802.11. Les protocoles tels que MadMac [RGL07] etPNAV [CCMSR05] font partie de cette catégorie et mettent enœuvre des mécanismes complexes per-mettant d’accroı̂tre l’équité tout en maintenant une certaine efficacité. Ces deux approches ne nécessitentaucune information autre que celles obtenues par le mécanisme d’écoute active du médium contrairementà EHATDMA [HP05] qui lui nécessite un échange d’informations avant chaque transmission.Notre algorithme debackoff, SBA (Simple Backoff Algorithm), peut être considéré comme une modifica-tion de l’algorithme debackoffet ne nécessite pas d’informations supplémentaires comme MBFAIR. Unedescription plus complète de SBA est donnée dans la section 2. Les résultats de simulations donnés dans lasection 3 montrent que SBA permet d’obtenir un bon compromiséquité-efficacité-simplicité.† http ://www.ieee802.org/11/Tahiry Razafindralambo et Isabelle Guérin Lassous2 SBA : Simple Backoff AlgorithmContraintes, principes et motivations Pour la conception de SBA, nous avons respecté les restrictions ethypothèses suivantes :i) distribué : l’accès au médium doit être distribué de part la nature distribuée, dyna-mique et mobile des réseauxad hoc; ii) localité : les informations utilisées doivent être uniquement localespour optimiser l’aspect distribué ;iii) l’équité est meilleure que l’efficacité quand le réseaust surchargé :nous considérons que fournir de l’équité au niveau MAC est plus importante que fournir de l’efficacitécar si l’équité n’est pas fournie, le réseau peut être d´econnecté ;iv) rester efficace : même si l’efficacitén’est pas notre objectif principal, il reste important que le protocole d’accès soit efficace ;v) compatibi-lité et généricité : nous voulons un algorithme debackoffqui puisse être utilisé avec différentes couchesphysiques, même celles qui n’utilisent pas l’écoute active du canal radio.Dans SBA, les mécanismes de base du mode DCF sont conservésauf en ce qui concerne l’algorithmede backoff. Contrairement auBinary Exponential Backoff, SBA n’a que deux fenêtres de contention, unepetite (CWmin) et une grande (CWmax). De notre point de vue, ces deux fenêtres de contention sont suffi-santes pour résoudre le problème de collision tout en maintena t une certaine efficacité. Comme BEB, SBAutilise uniquement des informations locales telles que lestransmissions avec succès et les collisions subiespour modifier la fenêtre de contention. Cependant, la fenêtr de contention n’est pas modifiée après chaquetransmission comme dans BEB. Ainsi, une même fenêtre de contention sera utilisée pour toutes les trans-missions pendant une certaine période.À la fin de cette période, le nombre de collisions et le nombredetransmissions correctes permettent de calculer la fenêtrd contention à utiliser pour la prochaine période.Les informations locales telles que le nombre de transmission avec succès (Nsuc) et le nombre de colli-sions (Ncol) peuvent être utilisées, par chaque station, pour estimer des probabilités sur l’état du médium.Ces probabilités sont notéesP[occ], P[suc], P[col] et P[ f ree] et représentent respectivement la probabilitéque le médium soit occupé par une autre station, la probabilité que le médium soit occupé par une transmis-sion correcte de la station, la probabilité que le médium soit occupé par une collision impliquant la stationou la probabilité que le médium soit libre. La probabilit´e que le médium soit occupé par une transmissioncorrecte de la station est donnée parP[suc] = Tsuc∆ oùTsucest une information locale qui représente le tempscumulé des transmissions correctes de la station pendant l’intervalle de temps∆ considéré. De la mêmemanière, on peut calculerP[col] = Tcol∆ oùTcol représente le temps passé pour la station dans des collisions.Comme SBA utilise une même fenêtre de contention durant chaque intervalle de temps∆, une approxi-mation de la probabilité pour que le médium soit libre est donnée parP[ f ree] = (Ncol+Nsuc)×(cw+DIFS)∆ oùcw est la durée moyenne dubackoffutilisé durant la période etDIFS est la durée duDCF InterFrameSpacedécrite dans 802.11.̀A partir des trois probabilités précédentes il est possible d’estimer la valeur deP[occ] = 1− (P[suc]+P[col]+P[ f ree]). Notons que quand la station ne transmet pas elle considèrequ lemédium est occupé car les autres stations peuvent réellement l’occuper.L’utilisation de seulement deux fenêtres de contention nous f rce à limiter le nombre de stations utilisantla petite fenêtre de contention pour réduire le nombre de collisions. De plus, nous essayons de faire ensorte que dans chaque période, au moins une station utilisecette petite fenêtre de contention dans un soucid’efficacité. Ainsi, nous n’adaptons pas la fenêtre de contention en fonction du nombre de stations encompétition mais nous adaptons le nombre de stations utiliant chaque fenêtre de contention.Protocole Le fonctionnement de SBA est présenté dans l’algorithme 1qui décrit les transitions entreles deux fenêtres de contention. Cet algorithme montre comment les statistiques calculées dans la sectionprécédente sont utilisées pour influer sur les transitions.L’algorithme 1 est divisé en deux cas principaux donnés àla ligne 1 et à la ligne 9. Si la condition dela ligne 1 est vérifiée, cela signifie que l’occupation correcte de la station est inférieure à l’occupation desautres stations et donc la station utiliseraCWmin pour la période suivante (ligne 2). Dans le cas contraire,la station utiliseraCWmax (ligne 10). Le but ici est de résoudre certains problèmes se posant sur les troispaires ou les stations cachées asymétriques. La conditioe la ligne 1 ne prend pas en compte la charge duréseau. Cette charge est considérée à la ligne 6. Quand le réseau est chargé, la probabilitéP[ f ree] est faible(inférieure às) et la probabilité de collisionP[col] augmente. Dans ce cas, la station doit utiliserCWmaxpourréduire la contention sur le réseau. La condition présentée à la ligne 3 de l’algorithme 1 utilise un tiragealéatoire quand la probabilité de collisionP[col] est supérieure àr. Ce tirage aléatoire permet de réduire leSBA: Simple Backoff Algorithmnombre de stations pouvant utiliserCWmin quand la probabilité de collision devient élevée, commedans lecas des stations cachées.Le dimensionnement des paramètres∆, , r, CWmin etCWmax ne sera pas donné ici par manque de place.Ce dimensionnement est fait de manière analytique. Cependant, les paramètres ayant le plus d’influencesontCWmin etCWmax. Plus le rapportCWmin/CWmaxsera proche de 1 plus le protocole sera équitable à courtterme. De plus, siCWmin etCWmaxsont petits, la résolution des collisions devient difficile et l’efficacité peuten être affecté.∆ doit être choisi de façon à ce que chaque station puisse transmettre un paquet, la valeur de∆ est donc liée à la valeur deCWmax et à la taille maximum de paquet.s est le temps libre recherché entredeux transmissions et peut être choisi comme dans [HRGD05].1: if (P[suc] ≤ P[occ]+P[ f ree]) then2: CW = CWmin3: if (P[col] > r && rand{0,1}==1) then4: CW = CWmax5: end if6: if (P[ f ree]≤ s && P[col] > 0) then7: CW = CWmax8: end if9: else10: CW = CWmax11: end ifSIFS 10µsDIFS 50µsbackoff slot 20µsCWmin 31CWmax 1023Physical header 192µsData rate 11 MbpsARP protocol disabledRouting protocol static∆ 0.2ss 0.15r 0.5Traffic backlogged / CBR / UDPPacket size random [600 ;1400] bytesSynchronization randomMobility noneTAB . 1: Résumé des paramètres de simulation.Algorithme 1: SBA3 Résultats de simulationsDans cette section, nous présentons quelques résultats de simulations de SBA. Le simulateur utilisé estNS-2‡ et le tableau 1 résume les paramètres de simulation que nous av ns utilisés. Nous comparons SBAavec 802.11, MBFAIR, MadMac et PNAV.Cellule de communication Dans cette simulation, toutes les stations sont à portée de communication.La figure 1(a) trace le débit global obtenu sur le réseau en fonction du nombre de stations présentes dansla cellule de communication. Le principal problème dans cecénario provient de la charge qui augmentequand le nombre de stations augmente. La figure 1(a) montre que SBA est plus efficace que la plupartdes protocoles que nous avons testés à partir de quelques nœuds. Il est intéressant de noter que même siSBA est conçu pour les réseauxad hoc, il est plus efficace que 802.11 qui lui est conçu pour les cellulesde communication. Les performances obtenues par MadMac sont meilleures que celles obtenues par SBA.Cependant, la différence est faible et montre que la restriction à l’utilisation d’informations locales n’affectepas fortement les performances. De plus, pour des performances très proches de celles de MadMac, SBAne nécessite pas une écoute permanente du médium ce qui rend possible son utilisation dans les réseaux decapteurs§.Réseaux aĺeatoires Nous présentons ici des résultats de simulations sur des rés aux aléatoires. Dans cestopologies, la position des stations est tirée aléatoirement dans une surface de 500m× 500m. La portéede communication de chaque station est fixe et de 150m. Les sources et les destinations des flux sontchoisies aléatoirement. Pour mesurer l’efficacité sur ces scénarios, nous calculons le débit global obtenusur le réseau. Pour mesurer l’équité, nous utilisons le coefficient de variation comme métrique d’équité.Cette métrique est le rapport entre l’écart-type et la valeur moyenne. Quand le coefficient de variation estélevé cela signifie que la dispersion autour de la moyenne est ´ l vée. La figure 1(b) montre les résultats de‡ http ://www.isi.edu/nsnam/ns/§ Ce point sera développé dans les travaux futursTahiry Razafindralambo et Isabelle Guérin Lassous 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 0  5  10  15  20  25  30  35  40 Debit global (kbps)  # stations MadMacPNAV802.11MBFAIRSBADIDDMadMacPNAV 802.11 MBFAIR SBA DIDD (a) Cellule de communication. 14500 15000 15500 16000 16500 17000 17500 18000 18500 19000802.11MBFAIRSBAMadMacPNAV802.11MBFAIRSBAMadMacPNAV 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9Debit global (kbps)Coefficient de variationDebit globalCoefficient de variation(b) Réseaux aléatoires 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 30  40  50  60  70  80Debit global (kbps)Taux d’erreur paquet (%)SBAMadMac, 802.11, PNAVMBFAIR802.11SBAPNAVMadMacMBFAIR(c) Erreur au niveau physiqueFIG . 1:simulation pour un réseau de 200 stations avec 150 flux. Cette figure montre que SBA permet d’obtenirle meilleur compromis entre équité et efficacité compar´e ux autres protocoles testés. Nous avons lancéplusieurs autres scénarios aléatoires et les résultatsobtenus sont toujours les mêmes : SBA permet d’avoirle meilleur compromis entre équité et efficacité. Cette diff´ rence est d’autant plus prononcée quand le réseaudevient dense ou quand le nombre de flux augmente.Influence des erreurs au niveau physique Nous présentons les résultats de simulations quand des erreursau niveau du médium radio sont introduites. Nous avons lancé u e simulation avec deux stations, une sourceet une destination, et avons introduit des erreurs aléatoirement sur chaque paquet, incluant les acquittements.Le débit obtenu par la station en fonction du taux d’erreur paquet est tracé sur la figure 1(c). Quand le tauxd’erreur paquet augmente, SBA permet d’avoir de meilleuresperformances que les autres protocoles testés.Ce comportement est dû au fait que, dans SBA, l’adaptation de la fenêtre de contention ne se fait pas aprèschaque transmission. Quand le taux de collisions est faible, SBA est moins efficace que 802.11 et MadMac àcause de l’alternance possible entre l’utilisation deCWmin etCWmaxquand la station ne subit pas de collisiondurant∆.4 ConclusionDans cet article, nous avons proposé un algorithme debackoffpour les réseauxad hoc. Cet algorithmeassocié aux mécanismes de 802.11 nous a permis de concevoir un protocole appelé SBA (Simple BackoffAlgorithm), simple, équitable et efficace pour les réseaux d hoc. Les résultats de simulations présentésmontrent que SBA permet d’obtenir un bon compromis équitéefficacité. Nous cherchons maintenant àmieux dimensionner les paramètres de SBA suivant le contexte d’utilisation.Références[BDSZ94] V. Bharghavan, A. Demers, S. Shenker, and L. Zhang.MACAW : a media access protocol for wirelessLAN’s. In ACM SIGCOMM, pages 212–225, London, United Kingdom, 1994.[CBV+05] P. Chatzimisios, A.C. Boucouvalas, V. Vitsas, A. Vafiadis, A. Oikonomidis, and P. Huang. A simple andeffective backoff scheme for the IEEE 802.11 MAC protocol. In CITSA, USA, July 2005.[CCMSR05] C. Chaudet, G. Chelius, H. Meunier, and D. Simplot-Ryl. Adaptive Probabilistic NAV to Increase Fair-ness in Ad Hoc 802.11 MAC.AHSWN Journal, 2(2), June 2005.[CDGL05] C. Chaudet, D. Dhoutaut, and I. Guérin-Lassous. Performance Issues with IEEE 802.11 in Ad HocNetworking. IEEE Comm. Mag., 43(7) :110–116, July 2005.[FBW02] Z. Fang, Brahim Bensaou, and Y. Wang. Performance evaluation of a fair backoff algorithm for IEEE802.11 DFWMAC. InMOBIHOC, pages 48–57, Lausanne, Switzerland, 2002.[HP05] J. He and H. K. Pung. Fairness of Medium Access ControlP tocols for Multi-hop Ad Hoc WirelessNetworks.Computer Networks, 48(6) :867–890, 2005.[HRGD05] M. Heusse, F. Rousseau, R. Guillier, and A. Duda. Idle Sense : an Optimal Access Method for HighThroughput and Fairness in Rate Diverse Wireless LANs. InACM SIGCOMM, USA, 2005.[RGL07] T. Razafindralambo and I. Guérin-Lassous. Increasing Fairness and Efficiency using the MadMac Proto-col in Ad Hoc Networks.Ad Hoc Networks Journal, 6(3), 2008.

SBA : un algorithme simple de backoff pour les réseaux ad hoc

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