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Accueil du site > Français > Thèmes de recherche > Thème 6 - Architecture, systèmes et réseaux > Equipe RMESS

Equipe RMESS

Réseaux , Mobiles, Embarqués, Sans fil, Satellites
Responsable : Jean-Luc Scharbarg

 

Présentation générale

La convergence des réseaux de communication, en particulier au travers de l’ouverture des systèmes spécifiques, impose la maîtrise de leur performance à des fins de dimensionnement et d’intégration. L’originalité de notre approche vient de l’exploitation des spécificités des différents types de réseaux, par exemple au travers de solutions cross-layers, plutôt qu’une uniformisation qui conduirait à des solutions peu performantes. Nos activités portent donc sur l’architecture et les performances des réseaux avec comme domaines d’application privilégiés les réseaux embarqués, les réseaux par satellite et les réseaux sans fil. Les méthodes mises en oeuvre combinent solutions mathématiques (files d’attente, calcul réseau, …), simulations et expérimentations.

 

Problématique et résultats

Réseaux embarqués

Nous avons poursuivi nos études sur les réseaux avioniques civils AFDX. Un premier axe porte sur le calcul du délai de traversée. Nous avons considéré des approches complémentaires, l’approche par calcul réseau menée précédemment pour des besoins de certification conduisant à des bornes déterministes élevées.

  • Evaluation du délai moyen pour chaque flux transmis. Le nombre élevé de flux impose de réduire l’espace de simulation. A cet effet, nous exploitons une classification des flux en fonction de leur influence sur la distribution du délai du flux considéré.
  • Vérification de modèle. Elle permet d’obtenir la borne exacte du délai et le scénario y conduisant. Nous avons modélisé la configuration par des automates temporisés et utilisé l’outil UPPAAL. L’explosion combinatoire de cette approche limite la taille des problèmes. Elle aide toutefois à mieux comprendre le comportement du réseau AFDX.
  • Calcul réseau probabiliste. Il vise l’obtention d’une borne probabiliste du délai (dépassée avec une probabilité donnée). Elle est pertinente car les fonctions avioniques tolèrent la perte d’un petit nombre de trames. Elle a été appliquée en considérant des flux d’entrée asynchrones ; un modèle plus fin permettrait d’en augmenter les performances.
  • Une analyse d’ordonnançabilité fondée sur la méthode des trajectoires fournit une borne supérieure garantie du délai moins pessimiste que par calcul réseau. Cela permet en outre de rechercher un scénario défavorable pour le flux étudié. On encadre la borne exacte entre une valeur atteignable et une valeur supérieure garantie.

Un deuxième axe concerne le partage du réseau AFDX entre trafic avionique et non avionique. L’objectif est de permettre la comparaison de différentes politiques de service applicables dans le contexte d’un réseau AFDX de seconde génération.

Un dernier axe concerne l’extension de l’architecture réseau l’AFDX étant alors un réseau fédérateur intégrant des technologies de type bus de terrain (CAN ou Flexray) et sans fil. L’interconnexion monde avionique/monde ouvert pose des problèmes de qualité de service et de sécurité. On étend l’analyse de délais à des flux transmis sur plusieurs technologies, via des passerelles. Nous avons étudié, par simulation et par vérification de modèle, une architecture comprenant des bus CAN interconnectés par un réseau Ethernet. Nous étudions enfin le couplage entre contraintes de sécurité et de QoS dans un contexte hétérogène. Cette démarche s’appuie sur l’évaluation de la sécurité et des performances de bout en bout, du monde ouvert vers l’avionique (et inversement) en passant par l’AFDX.

Réseaux Mobiles et Sans Fil

  • Réseaux Mobiles Nous avons étudié l’allocation des ressources dans les réseaux WiMax dans la continuation de nos travaux précédents. Nous avons mis l’accent sur le lien entre couche physique, où l’on optimise l’efficacité spectrale et couche MAC, où l’on optimise la QoS des niveaux supérieurs. La définition de fonctions d’utilité permet un compromis efficace. On s’est enfin intéressé à l’interopérabilité entre réseaux WiFi et WiMAX en terme de protocoles et de continuité de service. Nous avons montré que des mécanismes de réservation de ressources permettaient une telle continuité.
  • Réseaux ad-hoc Les réseaux ad-hoc se caractérisent par la mobilité des nœuds, l’instabilité des liens et l’absence d’infrastructure. Nos premières études portaient sur les protocoles de routage s’adaptant aux conditions de mobilité et de densité ainsi qu’au routage multicast sur des réseaux de grande taille. Nous proposons des techniques multi-couches (cross-layer) que nous avons appliquées à TCP et au routage. Nous avons étudié le mécanisme de multidomiciliation sur SCTP et montré la nécessité de coordonner routage et transport. Nous avons également étudié l’adaptation au travers des métriques de mobilité. En se fondant sur la corrélation entre performances protocolaires et métriques nous proposons des adaptations adéquates.
  • Réseaux de capteurs Cette thématique présente des contraintes spécifiques liées aux faibles capacités des entités communicantes. Des solutions simples sont nécessaires pour en augmenter la durée de vie. Par exemple, dans le contexte du suivi de la chaîne du froid, nous avons proposé des protocoles applicatifs permettant de déceler des anomalies de température. Les solutions proposées sont auto-organisantes et ont montré toute leur efficacité grâce à des implantations en vraie grandeur. Un autre exemple applicatif concerne les réseaux de capteurs dédiés à l’habitat et au suivi des personnes dépendantes à domicile où nous proposons des solutions dynamiques économes en énergie, à qualité de service, auto-organisantes et proposant des capacités d’auto-localisation des nœuds.

Communications par satellite

Les communications par satellite reposent sur des solutions spécialisées tirant profit de leur couverture mais souffrant de leur temps de propagation. Nos recherches s’organisent selon trois axes.

Nous nous sommes intéressés aux mécanismes de partage des ressources. Pour la voie retour, nous nous sommes focalisés sur les fonctions d’admission de connexion et sur les boucles d’allocation. Les difficultés proviennent de l’absence de modèles fiables de l’état du canal sur des périodes longues et sur l’imprévisibilité du trafic. Nous avons proposé des solutions robustes. Sur la voie aller, nous avons proposé des méthodes d’ordonnancement efficaces pour la technique DVB-S2.

Par ailleurs, nous nous sommes penchés sur la mise à plat des piles de protocoles optimisées pour la diffusion de la télévision. Nous avons montré que la solution IP est la plus pertinente, pouvant atteindre, y compris pour le service de télévision, des niveaux de performances comparables à ceux obtenus avec les architectures actuelles. De plus, l’ajout de nouveaux services est immédiat et transparent ; il se faisait au cas par cas. Nous avons montré enfin comment séparer proprement la signalisation liée au satellite de celle des applications.

Finalement, nous nous sommes attaqués à l’interopérabilité entre systèmes terrestres et satellitaires. Nous proposons des solutions fondées sur les standards IEEE 802.21 et des mécanismes visant à garantir la qualité de service lors du basculement d’un système à l’autre dans un contexte DVB/WiMax. IMS, fondé sur l’intégration par les services, a fait l’objet de plusieurs études. Nous couvrons ainsi intégralement le spectre des techniques de convergence permettant l’intégration des réseaux satellitaires dans un contexte plus vaste.

Thèmes d’études

Descriptifs des principaux thèmes de recherche abordés par l’équipe RMESS : réseaux embarqués, réseaux satellitaires, réseaux mobiles, réseaux haut débit, réseaux de capteurs et IoT.

Réseaux et Systèmes Embarqués

Domaine à fortes contraintes temporelles, l’embarqué est un domaine applicatif priviligié du cadre Toulousain. Nos travaux concernent surtout les réseaux avioniques, et particulièrement le réseau AFDX (Avionic Full DupleX) pour l’A380.

Sous-domaines :
- réseaux commutés
- équipements d’interconnexion
- réseaux embarqués hétérogènes

Etudes

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Réseaux Satellitaires

Les nouvelles générations de systèmes satellite ont ouvert la voie à de nouvelles applications, devant s’intégrer à d’autres réseaux de communication de plus en plus gouverné par IP. Nous nous attachons principalement aux architectures de réseaux satellites, le support de service et leur intégration avec d’autres réseaux.

Sous-domaines :
- systèmes géostationnaires DVB
- signalisation, encapsulation et "ordonnencement"
- nouvelle génération de GEOs
- mobilité et satellite
- intégration de services et convergence
- cross-layer

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Réseaux sans fil terrestre

L’explosion des technologies sans fil nous a conduit à étudier d’avantage les architectures de réseaux mobiles notamment dans leur interaction avec les systèmes satellites. Nos travaux ont gravité autour de l’allocation de ressources et la qualité de service de différentes architectures de réseaux mobiles (2G, 3G, 4G, wifi). D’autres études ont été menées sur l’optimisation de protocoles pour réseaux mobiles, les architectures de réseaux de capteurs ou les réseaux ad-hoc.

Sous-domaines :
- réseaux mobiles
- réseaux ad hoc

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Réseaux de capteurs sans fil et IoT

Un réseau de capteurs sans fil performant passe nécessairement par une couche Liaison de Données (niveau 2) efficiente et adaptée d’une part aux caractéristiques des médiums immatériels sous-jacents (portée limitée, mauvais taux d’erreur, forte variabilité de connectivité, détection de collision complexe, existence de plusieurs canaux…), et d’autre part aux besoins des applications qui utilisent ce moyen de communication (débit garanti, latence réduite, durée de vie du réseau sans fil élevée, nœuds autonomes et mobiles…). Notre expérience de plus de vingt ans dans les couches basses (1-2-3) des réseaux sans fil nous a tout naturellement amené à contribuer ces cinq dernières années à la conception de nouveaux protocoles de niveau 2 répondant à de nombreux verrous liés aux réseaux de capteurs sans fil, pour des applications variées dans les domaines de la surveillance d’installations industrielles d’une part et de la domotique et monitoring de la personne d’autre part. Nous avons notamment conçu des couches MAC répondant aux deux critères antinomiques de faible consommation énergétique et de respect de contraintes temporelles élevées. Associées à ces méthodes d’accès mono ou multi-canal performantes, nous avons également proposé des protocoles de localisation des nœuds mobiles sans fil autonomes pouvant travailler en environnement indoor. Le dénominateur commun de nos contributions est l’adéquation de ces protocoles de niveau 2 à des couches immatérielles sur lesquelles nous ne contribuons pas directement, mais que nous appréhendons le mieux possible dans une démarche où le cross-layering 1-2 est avantageusement utilisé. Nous nous attachons à concevoir des protocoles de niveau 2 les moins consommateurs d’énergie, donc en maximisant les périodes de sommeil des nœuds autonomes, ce qui nous amène à développer des solutions de rendez-vous basés sur une forte synchronisation MAC des entités communicantes. En ce qui concerne l’évaluation de performances, une large place est donnée au prototypage réel et à l’évaluation pragmatique des protocoles par l’utilisation de testbeds réels. L’équipe a participé au développement de plusieurs outils de prototypage rapide de protocoles pour les réseaux de capteurs sans fil (Freescale, Texas Instruments) et est désormais très orientée sur le développement de l’outil OpenWiNo permettant l’implémentation des protocoles, puis l’émulation et le test des nœuds en environnements contrôlés et réels.

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