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Thesis defense — Pierre Brunisholz — July 10

Wednesday 10 July 2019

Supports de communications ubiquitaires pour les réseaux à l’échelle de la ville

Soutenance prévue le mercredi 10 Juillet 2019 à 14h dans l’auditorium du bâtiment IMAG, 700 avenue Centrale, Domaine universitaire, 38400 Saint Martin d’Hères.

Résumé

Le Wi-Fi est omniprésent dans les villes, que ce soit par le nombre grandissant de point d’accès public, ou la déploiement massif de points d’accès privés, sous la forme de boxes d’opérateurs notamment. Si nous supposons que l’ensemble de ces points d’accès soient utilisables afin de permettre à n’importe quel appareil d’accéder à Internet, alors nous aurions potentiellement une couverture réseau sur l’ensemble de la ville. Ce postulat nous a conduit à nous demander si le Wi-Fi pouvait être utilisé comme réseau à l’échelle urbaine.

Ce réseau pourrait plus particulièrement être utilisé dans un contexte de mobilité. Or, le Wi-Fi n’a pas été conçu dans le but de gérer des utilisateurs mobiles, et les appareils doivent régulièrement changer de points d’accès lorsqu’ils n’ont plus de connectivité. Ce mécanisme, appelé handover, peut être long car les appareils doivent d’abord constater leurs pertes de connectivité avant de commencer à chercher le prochain point d’accès auquel s’associer. Il peut être particulièrement long pour des appareils comme les smartphones car ces derniers sont contraint en énergie et n’appliquent donc pas une politique de handover aggressive.

Dans ce contexte nous avons cherché à caractériser les applications possible sur le Wi-Fi lorsqu’un utilisateur est mobile, en fonction de la durée de handover de son équipement, de sa vitesse et de la densité des points d’accès présents dans la ville. Nous avons constaté que pour les utilisateurs se déplaçant à faible allure, l’impact de la durée de handover est faible au regard de la connectivité totale, ce qui leur permet d’utiliser des applications gourmandes en terme de bande passante tant que celles-ci possèdent un certain degré de tolérances aux déconnexions. Cependant lorsque la vitesse de déplacement augmente, la durée de handover dégrade progressivement la connectivité des utilisateurs, de telle sorte que ceux ayant une allure élevée ne peuvent plus espérer utiliser les différents points d’accès. En effet, les équipements passent alors plus de temps à effectuer des handovers qu’à échanger des données applicatives.

Les retransmissions jouant un rôle important dans la durée de handover, nous avons étudié finement leurs fonctionnement en 802.11. Pour cela nous avons mis en place un banc d’essai nous permettant d’observer les séquences de messages retransmis par différentes implémentations de 802.11 lorsque l’on fait subitement disparaitre le point d’accès. Nous avons comparé ces séquences avec celle décrite dans le standard, et nous avons constaté que le nombre de retransmissions maximal ainsi que l’augmentation de la fenêtre de contention n’étaient pas respectés. De plus, ces implémentations passent beaucoup de temps à tenter de retransmettre avant d’initier leurs procédures de handover. Les retransmissions sont aussi utilisées dans les algorithmes d’adaptation de débits afin de déterminer si le lien se dégrade. Or, lors de la contention, le nombres de pertes augmente avec la plus forte probabilité de collisions. Afin d’observer l’impact des retransmissions sur les algorithmes d’adaptation de débits lors de la contention, nous avons mis en place un banc d’essai composé d’une trentaine de stations identiques. Nous avons constaté que l’algorithme de contrôle de débit utilisé est sous optimal par rapport à l’utilisation d’une modulation unique.

Enfin, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’un tel réseau à l’échelle de la ville afin d’acheminer des données ayant une forte validité spatiale. Nous avons alors proposé un schéma d’adressage géographique exploitant l’infrastructure d’Internet. Il permet à la fois d’obtenir un découpage hiérarchique du monde, et d’avoir un préfixe hiérarchique des adresses, similaire à celui de CIDR. Nous montrons que ce schéma d’adressage peut être utilisé dans des adresses multicast pour envoyer des messages à destination de zones géographiques précises (surface minimale d’un mètre carré).

Abstract

Wi-Fi is everywhere in cities, whether through the growing number of public access points, or the massive private access points deployment, in the form of set-top boxes for the major part. If we assume that all these access points are usable in order to allow any device to access the Internet, then we would potentially have network coverage throughout the city. This assumption led us to wonder if Wi-Fi could be used as a city-wide network.

This network could, more specifically, be used in a context of mobility. However, Wi-Fi was not designed to manage mobile users, and devices have to often change their access points when they no longer have connectivity. This mechanism, called handover, can be long because devices must first detect their connectivity losses before they can start looking for the next access point to associate with. It can be particularly long for devices such as smartphones because they are energy constrained and therefore do not apply an aggressive handover policy.

In this context we tried to characterize the possible Wi-FI applications for a moving user, considering the handover duration, the user speed and the access points density in the city. We found that for slow-moving users, the impact of the handover is small compared to the their overall connectivity. This allows them to use bandwidth-intensive applications as long as they are to some extend delay-tolerant. However, when the user’s speed increases, the impact of handover’s duration gradually degrades the user’s connectivity, so that high speed users can no longer expect to use different access points. Fast moving devices spend more time performing handovers with new access points than transmitting application data.

Retransmissions play an important role in the duration of handover. In order to study in detail the retransmissions in 802.11, we have set up a testbed allowing us to observe the sequences of retransmitted messages using different implementations of 802.11 when we suddenly make the access point disappear. We compared these sequences with the one described in the standard, and we we found that the maximum number of retransmissions as well as the growth in the contention window were not respected. In addition, these implementations spend a lot of time trying to retransmit before initiating their handover procedures. Retransmissions are also used in the rate control algorithms to determine if the link is deteriorating. However, during contention, the number of losses increases with the higher probability of collisions. In order to observe the impact of retransmissions on the rate control algorithms during contention, we have set up a testbed composed of about thirty identical stations. We found that the rate control algorithm used underperforms compared to the use of a single modulation.

Finally, we proposed a geographical addressing scheme compliant with the Internet infrastructure. It allows to obtain both a hierarchical division of the world, and a hierarchical prefix for the addresses, similar to the one used in the CIDR format. We show that this addressing scheme can be used in multicast addresses to send messages to specific geographical areas (minimum area of one square meter).


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