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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.

 

Thématiques de recherche

 

Modélisation et performances (Urtzi Ayesta)

Nous développons des méthodes mathématiques et des outils logiciels pour l’évaluation des performances, l’optimisation et le contrôle des réseaux de communication et des systèmes distribués. L’objectif ultime est de contribuer à l’amélioration des réseaux de communication (protocoles, architectures, applications) en mettant particulièrement l’accent sur l’Internet, l’IoT, les réseaux embarqués et les systèmes sans fil.

Angles d’attaques : notre principal outil théorique est la modélisation, l’analyse et l’optimisation stochastique. La modélisation et l’analyse stochastiques ont été une méthode populaire pour analyser le comportement des algorithmes dans des réseaux complexes. En effet, le hasard est inhérent au réseau. Nous pouvons citer par exemple le comportement aléatoire des internautes : lorsqu’ils se connectent, ce qu’ils téléchargent, lorsqu’ils se déconnectent... Les changements de topologie dus à la mobilité de l’utilisateur ou à des défauts sont également aléatoires. Dans le contexte des systèmes embarqués, nous avons recours à des analyses déterministes ou stochastiques du pire cas afin d’obtenir des bornes resserrées sur le temps de réponse. De plus, les techniques d’optimisation fournissent les idées fondamentales pour une allocation efficace des ressources dans de tels réseaux.

 

Réseaux d’objets connectés sans fil et IoT (Adrien van den Bossche)

Un réseau de d’objets connectés performant passe nécessairement par une couche Liaison de Données de niveau 2 efficiente et adaptée d’une part aux caractéristiques des médiums immatériels sous-jacents (portée limitée, fort taux d’erreur, forte variabilité de connectivité, détection de collision complexe, existence de plusieurs canaux, portée plus ou moins importante des liens radio…), et d’autre part aux besoins des applications qui utilisent ce moyen de communication (débit garanti, latence réduite, durée de vie élevée des 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 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 des objets connectés pour l’aide et l’assistance 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. L’équipe a participé au développement de plusieurs outils de prototypage rapide de protocoles pour les réseaux de capteurs sans fil 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. Des travaux sont également menés sur la conception d’architecture de réseaux hybrides d’objets connectés intégrant des liens et des technologies variés (satellite, WPAN, WLAN, WMAN, WWAN…).

 

5G (Gentian Jakllari)

Du streaming HD sur les appareils mobiles à l’Internet des objets en passant par la ville intelligente, la croissance exponentielle de la demande mondiale de capacité sans fil met à rude épreuve l’infrastructure des réseaux sans fil. Dans le cadre de la cinquième génération de standards pour la téléphonie mobile (5G), l’équipe RMSESS travaille sur des réseaux et des architectures innovants capables de répondre aux besoins en capacité sans fil des 10 prochaines années. L’équipe RMESS intègre un large spectre de compétences telles que modélisation et analyse stochastiques, optimisation, simulation, prototypage, expérimentation. En les combinant à son expertise dans diverses architectures réseau - cellulaires, maillés, capteurs, réseaux satellites - et dans la conception cross-layer, elle est à même de proposer des solutions pouvant fournir des capacités Gbps aux utilisateurs et à l’internet des objets. Des résultats récents incluent des modèles théoriques et prototypes pour les réseaux intégrant les dernières avancées de la couche physique, telles que la radio cognitive et le physical-layer network coding, de nouvelles approches de routage pour les réseaux maillés, ou encore de nouvelles architectures pour transporter une grande quantité de données en exploitant les communications V2V. Nos recherches sont publiées dans des conférences de haut niveau (IEEE Infocom, ACM MSWiM, IEEE LCN, etc.) et revues (IEEE / ACM ToN, COMNET, IEEE TWC, etc.), et sont soutenues par des financements ANR, industriels et régionaux.

 

Réseaux par satellite (Riadh Dhaou)

Ces dernières années ont vu évoluer les réseaux par satellite, des premiers réseaux composés de satellites géostationnaires, utilisés à des fins de diffusion aux futures constellations de satellites à orbites basses ou à très haut débit. A travers ces évolutions, la question du fonctionnement harmonieux entre composantes satellite et composantes terrestre s’est posée de façon récurrente. L’équipe RMESS cherche des solutions adaptées pour l’utilisation de liens satellite pour des communications que ce soit dans le cadre d’architectures de réseaux actuelles (largement en mode IP) ou futures tels que les réseaux logiciels (SDN), les réseaux orientés contenu (CDN, ICN), ou encore la 5ième génération de réseaux de mobiles (5G) intégrant le contexte IoT (Internet of Things). Les travaux, menés au travers des études et en partie au travers des thèses, s’orientent désormais vers la mise en œuvre de techniques réseaux de moins en moins spécifiques au monde satellite. Un des piliers forts (et historiques) de l’activité de l’équipe dans le domaine réseau est sans conteste celui de la gestion des ressources. Elle se décline selon deux axes traditionnels que sont les méthodes d’accès et l’ordonnancement. Ainsi, des travaux liés à la gestion des ressources et à la qualité de service se focalisent toujours sur la couche accès au gré des évolutions des couches physiques. Les protocoles de transport terrestres voient leurs performances sensiblement dégradées dans un environnement satellite, du fait de leur dépendance forte au temps d’aller-retour. L’équipe RMESS mène dans ce domaine des travaux depuis plusieurs années, et son expertise en ce domaine est forte et couvre des compétences des niveaux proches de la couche physique aux niveaux service. De plus, l’avènement de solutions de multihoming adaptées à des scénarios hybrides terrestre-satellite, ouvrent la voie à l’expérimentation de solutions innovantes de partage de charge ou de routage dynamique de contenu qui se placent dans un contexte d’hybridation de réseaux. L’utilisation de plusieurs liens est en effet aujourd’hui une pratique courante. Les méthodes exploitées dans nos travaux de recherche relèvent de la modélisation et de l’analyse stochastiques, de l’optimisation, de la simulation, du prototypage, et de l’expérimentation. Les résultats de nos recherches sont brevetés ou publiés dans des conférences et revues de haut niveau, et sont soutenus par des financements nationaux et européens avec une forte implication industrielle.

 

Réseaux Embarqués et Systèmes Cyber-Physiques (Katia Jaffres-Runser)

Cette thématique regroupe des travaux qui illustrent une expertise pointue dans le domaine des réseaux embarqués et des systèmes temps-réels, que ce soit au niveau de leur conception, de l’évaluation de leur performance ou de leur optimisation. Au travers d’une collaboration étroite avec l’industrie avionique, l’équipe a travaillé sur des problématiques concrètes de dimensionnement des réseaux embarqués et des systèmes avioniques. Elle a participé notamment à l’élaboration de méthodes mathématiques de certification du réseau AFDX, le standard avionique actuel pour les communications de type contrôle commande dans l’avion. Pour ces réseaux critiques, il est nécessaire de calculer une borne supérieure sûre sur le délais de bout-en-bout dans le réseau. Les méthodes développée se basent sur le calcul réseau, le modèle checking ou la méthode des trajectoires. L’équipe s’intéresse actuellement à l’extension de ces méthodes aux fonctionnalités avancées des nouveaux standards. Ces standard permettent d’introduire des mécanismes de qualité de service pour que des réseaux déterministes puissent transporter un traffic additionnel non temp-réel tel que la vidéo ou l’audio. Des technologies Ethernet telles qu’AVB ou TSN sont étudiées en particulier. L’équipe a aussi réalisé des travaux liés à l’analyse du déterminisme pour d’autres types de réseaux embarqués tels que les réseaux embarqués automobiles ou les réseaux de bord satellite. Un nouvel axe de recherche s’intéresse actuellement aux réseaux embarqués programmables et à l’utilisation de langages de programmation de haut niveau tels que P4 ou DPDK pour créer et paramétrer des réseaux déterministes à la demande. Dans le cadre des systèmes cyber physique, l’équipe s’intéresse également au déploiement de réseaux sans-fil maillés déterministes. Les normes récentes de l’IEEE et de l’IETF permettent de déployer des capteurs capables de communiquer de façon synchrone sur quelques sauts. Ainsi, il devient envisageable de déployer des réseaux d’objets maillés qui interagissent avec le reste du système cyber-physique en temps borné. L’équipe s’intéresse également dans ce contexte à extraire des bornes pire cas sur le délai de communication de bout-en-bout. L’accent est porté alors à la fourniture d’un service de transfer qui présente un taux de perte quasi-inexistant. Pour ce faire, des modèles stochastiques du réseau ont été définis et optimisés pour extraire des configurations de réseau performantes, voire Pareto-optimales. Dans le cadre de la mise en oeuvre de ces réseaux sans-fil déterministes, l’équipe s’intéresse aussi de près à la problématique de synchronisation des réseaux d’objets et à la validation des protocoles le permettant. Les résultats liés à ces travaux trouvent leur application dans différents domaines tels que l’industrie du futur, les systèmes cyber-physiques ou encore la conception de réseaux embarqués sans-fil critiques.

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