Réseaux Mobiles

Ce document couvre les techniques d’accès multiple dans les réseaux WiFi, en particulier les protocoles CSMA/CA et leurs variantes, ainsi que les mécanismes de coordination et de gestion des collisions. Il s’adresse aux étudiants en Master professionnel MBDS et à toute personne souhaitant comprendre le fonctionnement des accès au canal dans les réseaux sans fil WiFi.

Architecture WiFi

Le WiFi peut fonctionner selon deux modes principaux :

• Mode infrastructure : les stations communiquent via un point d'accès (AP) centralisé.
• Mode ad hoc : les stations communiquent directement entre elles sans point d'accès. Chaque nœud peut agir comme routeur pour relayer les données entre stations non directement accessibles.

Un exemple de mode ad hoc est le réseau Bluetooth, appelé piconet. Dans un piconet, un appareil maître initie la communication avec plusieurs esclaves (jusqu’à 8). Plusieurs piconets peuvent être interconnectés pour former un scatternet, regroupant jusqu’à 10 piconets.

Le WiFi utilise la bande de fréquence 2,4 GHz (bande ISM) autorisée pour un usage sans licence sous certaines contraintes :

• Puissance d’émission limitée, plus basse en extérieur.
• Utilisation de techniques d’étalement de spectre pour réduire les perturbations.

En France, seuls 4 canaux sur 13 sont disponibles pour le WiFi en intérieur avec une puissance maximale de 100 mW. Bluetooth utilise 79 canaux avec des puissances plus faibles (10 mW en intérieur, 4 mW en extérieur).

CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

Le WiFi utilise une technique d’accès au canal appelée CSMA/CA, où plusieurs stations tentent d’accéder à un même canal sans coordination centralisée. Chaque station écoute le canal avant de transmettre :

• Si le canal est occupé, la transmission est différée.
• Si le canal est libre pendant un intervalle appelé DIFS (Distributed Inter Frame Space), la station peut transmettre.

Les collisions surviennent lorsque plusieurs stations transmettent simultanément. Contrairement aux erreurs de transmission affectant une seule station, les collisions détruisent plusieurs trames simultanément, même si elles ne se chevauchent que partiellement.

Le standard IEEE 802.11 définit deux modes MAC :

• DCF (Distributed Coordination Function) : basé sur CSMA/CA avec deux extensions : le mécanisme de contention et la réservation du canal via RTS/CTS. Utilisable en mode infrastructure et ad hoc, adapté aux transmissions sans QoS.
• PCF (Point Coordination Function) : basé sur une interrogation périodique par le point d’accès, sans collisions, adapté aux services temps réel, utilisable uniquement en mode infrastructure.

En mode ad hoc, seul le DCF est utilisé.

Fonctionnement du DCF : CSMA/CA

Une station souhaitant transmettre procède ainsi :

1. Elle écoute le canal. Si le canal est occupé, elle attend.
2. Si le canal est libre pendant un intervalle DIFS, elle peut transmettre.
3. Pour réduire les collisions, un mécanisme de contention est mis en place : chaque station choisit un temps d’attente aléatoire (backoff) avant de transmettre.
4. Le backoff est calculé dans une fenêtre de contention (CW) qui double après chaque collision (backoff exponentiel).
5. La détection de collision se fait par l’absence d’acquittement (ACK).

Espaces inter-trames définis par WiFi

• SIFS (Short Inter Frame Space) : 28 µs, utilisé pour séparer les transmissions d’un même dialogue (ex : Fragment-ACK). Prioritaire, seule une station peut transmettre après SIFS.
• PIFS (Point Coordination IFS) : 78 µs, utilisé par le point d’accès pour accéder au canal avant les stations.
• DIFS (Distributed IFS) : 128 µs, utilisé par une station voulant commencer une nouvelle transmission.
• EIFS (Extended IFS) : intervalle le plus long, utilisé par une station recevant un paquet incompris pour éviter les collisions futures.

Mécanisme de contention (Backoff)

Après la fin d’une transmission, plusieurs stations peuvent vouloir émettre simultanément. Pour éviter les collisions, chaque station choisit un nombre aléatoire entre 0 et CW (Contention Window) et attend ce nombre de slots avant de transmettre.

La fenêtre CW est donnée par :

CW = 2^k - 1

où k augmente à chaque collision. Les valeurs typiques sont :

• 802.11a/g : CWmin = 15, CWmax = 1023
• 802.11b : CWmin = 31, CWmax = 1023

Le temps de backoff est :

TBackoff = Rand[0, CW] × Ts

avec Ts (durée d’un slot) variant selon la norme :

• 802.11a : 9 µs
• 802.11b : 20 µs
• 802.11g : 10 µs

Exemple de transmission en DCF avec CSMA/CA pur

Une station écoute le canal, attend un DIFS, puis choisit un backoff aléatoire. Si le canal reste libre pendant ce temps, elle transmet sa trame, puis attend un ACK. En cas d’absence d’ACK, elle retransmet après un backoff plus long.

Débit effectif

Le débit effectif est inférieur au débit physique (11 Mb/s ou 54 Mb/s) à cause des en-têtes, des délais DIFS, backoff, et acquittements.

CSMA/CA avec RTS/CTS

Le mécanisme RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) est une extension de CSMA/CA visant à réduire les collisions, notamment dues au problème des stations cachées.

Fonctionnement :

1. La station émettrice envoie un paquet RTS court indiquant la source, la destination et la durée de la transmission.
2. La station destinataire répond par un paquet CTS si le canal est libre, confirmant la réservation.
3. Après réception du CTS, la station émet ses données.
4. La bonne réception est confirmée par un paquet ACK.
5. Les autres stations, en écoutant RTS ou CTS, mettent à jour leur indicateur NAV (Network Allocation Vector) et s’abstiennent de transmettre pendant la durée réservée.

Problème des stations cachées

Une station cachée est une station qui ne peut pas détecter la transmission d’une autre station mais qui peut interférer avec elle. Le mécanisme RTS/CTS permet de résoudre ce problème :

• La station émettrice envoie RTS.
• La station réceptrice répond par CTS.
• Les stations cachées, en recevant RTS ou CTS, savent que le canal est occupé et attendent.

Les trames RTS et CTS étant courtes, le risque de collision est réduit.

Gestion des brouillages et fragmentation

• En cas de brouillage (ex : micro-ondes), la station émettrice détecte l’absence d’ACK et retransmet après un backoff aléatoire.
• Pour limiter la perte de longs paquets, ceux-ci sont fragmentés en paquets plus courts, augmentant la probabilité de transmission correcte.

Exercices d’applications

Exercice 1 : Comparaison CSMA/CA pur et CSMA/CA avec RTS/CTS

Une station A transmet à 1 Mbps des trames de 1500 octets utiles à une station B. Données :

• Backoff moyen : 20 µs
• Temps de propagation négligeable
• En-tête + CRC : 34 octets
• Trames CTS et ACK : 14 octets
• Trame RTS : 20 octets
• Données de synchronisation dans chaque trame : 24 octets
• Durées : TDIFS = 128 µs, TSIFS = 28 µs

Calculs des temps de transmission

Temps de transmission des trames :

• TrRTS = 192 µs + (20 × 8) / 10^6 s = 352 µs
• TrCTS = TrACK = 192 µs + (14 × 8) / 10^6 s = 304 µs
• TrData = 192 µs + ((1500 + 34) × 8) / 10^6 s = 12,464 ms

Temps total avec RTS/CTS :

T = TDIFS + 3 × TSIFS + TBO + TrRTS + TrCTS + TrData + TrACK = 13 558 µs

Temps total sans RTS/CTS :

T = TDIFS + TSIFS + TBO + TrData + TrACK = 12 846 µs

Débit effectif

Débit effectif = (taille utile en bits) / temps de transmission

• Avec RTS/CTS : Deff = (1500 × 8) / 13 558 µs = 885 Kbps
• Sans RTS/CTS : Deff = (1500 × 8) / 12 846 µs = 934 Kbps

Efficacité (en % du débit brut de 1 Mbps) :

• Avec RTS/CTS : 88,5 %
• Sans RTS/CTS : 93,4 %

Conclusion : en situation normale avec peu de collisions, CSMA/CA pur est plus efficace.

Impact des collisions (p = 0,2)

• Mauvaise transmission RTS : TRTS = TDIFS + TBO + TrRTS + TSIFS + 20 µs = 548 µs
• Mauvaise transmission données : Tdata = TDIFS + TBO + TrData + TSIFS + 20 µs = 12 660 µs

Temps moyen de retransmission :

Avec RTS/CTS :

T = 13 558 + 548 × p = 13 667,6 µs

Sans RTS/CTS :

T = 12 846 + 12 660 × p = 14 112 µs

Débit effectif avec p=0,2 :

• Avec RTS/CTS : 878 Kbps (chute de 0,7 %)
• Sans RTS/CTS : 850 Kbps (chute de 9 %)

Le mécanisme RTS/CTS devient avantageux dès que la probabilité de collision dépasse environ 6 %.

Exercice 2 : Ordre d’accès dans un réseau WiFi à 54 Mbps

Dans un réseau de 5 stations (A, B, C, D, E), chaque station envoie une trame unique de 2000 octets (incluant RTS, CTS, ACK et synchronisation). Durées :

• Chaque trame dure 6 slots
• Espacement inter-trames : 1 slot
• Durée d’un slot : 200 µs
• Instants d’émission : A=0 µs, B=2 µs, C=4 µs, D=1 µs, E=13 µs
• Backoff (en slots) : tA=[0,3,7,2], tB=[6,7,5,1], tC=[2,4,6,1], tD=[4,2,5,1], tE=[4,2,1,0]

Les stations écoutent le canal et attendent leur tour selon le backoff et le NAV. Le débit effectif calculé pour chaque station est :

• DA = 13,3 Mbps
• DB = 2 Mbps
• DC = 7,27 Mbps
• DD = 3,47 Mbps
• DE = 4 Mbps

On observe une différence notable entre le débit théorique de 54 Mbps et les débits réels, ainsi qu’entre les stations elles-mêmes.

Exercice 3 : Déploiement WiFi sur un campus

Pour couvrir un campus avec WiFi, il faut :

• Éviter que deux points d’accès utilisant les mêmes canaux aient des zones de couverture qui se chevauchent, afin d’éviter les interférences.
• Ne pas placer deux points d’accès proches sur le même canal.
• Utiliser les 13 canaux disponibles, chacun occupant 22 MHz et espacés de 5 MHz.
• Espacer les canaux utilisés de 25 à 30 MHz pour éviter les interférences.

Une bonne sélection de canaux permet d’optimiser la couverture et la qualité du réseau.

Glossaire des termes clés

• AP (Access Point) : Point d’accès central dans un réseau WiFi en mode infrastructure.
• Ad hoc : Mode de fonctionnement WiFi sans point d’accès, où les stations communiquent directement.
• CSMA/CA : Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, protocole d’accès au canal WiFi.
• DCF : Distributed Coordination Function, mode de coordination distribué basé sur CSMA/CA.
• PCF : Point Coordination Function, mode de coordination centralisée par le point d’accès.
• RTS : Request To Send, trame courte pour réserver le canal avant la transmission.
• CTS : Clear To Send, trame de réponse autorisant la transmission.
• ACK : Acknowledge, trame d’acquittement confirmant la bonne réception.
• Backoff : Temps d’attente aléatoire avant transmission pour éviter les collisions.
• CW (Contention Window) : Fenêtre de contention pour le backoff, qui varie exponentiellement.
• DIFS : Distributed Inter Frame Space, intervalle d’attente avant une nouvelle transmission.
• SIFS : Short Inter Frame Space, intervalle court entre transmissions d’un même dialogue.
• EIFS : Extended Inter Frame Space, intervalle utilisé après réception d’un paquet non compris.
• NAV : Network Allocation Vector, indicateur virtuel de réservation du canal.
• Station cachée : Station qui ne détecte pas une autre station mais peut provoquer des collisions.
• Piconet : Réseau Bluetooth avec un maître et plusieurs esclaves.
• Scatternet : Ensemble de plusieurs piconets interconnectés.

Points clés à retenir

• Le WiFi utilise principalement le protocole CSMA/CA pour gérer l’accès au canal sans collision.
• Le mécanisme RTS/CTS réduit les collisions, notamment dues aux stations cachées, mais ajoute une surcharge qui peut diminuer le débit en cas de faible probabilité de collision.
• Les espaces inter-trames (SIFS, PIFS, DIFS, EIFS) organisent les priorités d’accès au canal.
• Le backoff exponentiel permet de réduire les collisions en augmentant le temps d’attente après chaque collision.
• La fragmentation des paquets améliore la fiabilité des transmissions radio.
• Le choix des canaux et la planification des points d’accès sont essentiels pour éviter les interférences dans un déploiement WiFi.
• Le débit effectif est toujours inférieur au débit physique à cause des protocoles de contrôle et des délais.