Access method and routing in aeronautical ad hoc networks
Méthode d'accès et routage dans un réseau ad hoc aéronautique
Résumé
The communication systems used in civil aviation are subject to an ever increasing capacity demand because of the air traffic growth and the development of new services. In this context, the AANETs (Aeronautical Ad-hoc NETworks) are studied as an innovative communication solution that would complement existing systems. An AANET is an ad hoc network in which the nodes are aircraft. It makes use of direct inter-aircraft communications to transmit data beyond the radio range by using a chain of relays. The objective of this thesis is to propose a solution to two complex problematics present in AANETs : the channel access management and the routing. Previous studies have shown the feasibility of such networks, and a communication architecture based on CDMA (Code Division Multiple Access) has been proposed in the literature. The CDMA allows concurrent receptions between users. However, no spreading code assignment method have been specified. In order to solve this problem on large scale networks such as AANETs, we propose to improve an existing method : the RP-CDMA (Random Packet CDMA). We then describe the innovative routing protocol that we have designed: NoDe-TBR (Node Density TBR). In the TBR (Trajectory Based Routing) paradigm, the packets are forwarded along a geographical path (geopath), specified by the sender. We specify through NoDe-TBR a method to compute these paths. In this protocol, the geopaths are computed as geodesics which take into account the actual node density. This approach has been selected because it should have the benefits of geographic routing (very low overhead) while being robust to the specific conditions encountered in AANETs (mobility, uneven aircraft density). To assess the performances of our propositions, we have developed models for the simulator Omnet++. We have used an approach based on the replay of actual aircraft trajectories in order to take into account the variety of constraints applied to the movements of the aircraft. The simulated data traffic represents bidirectional communications between aircraft and ground stations. Our simulations shows that the modification we propose for RP-CDMA improve the overall performances of the system. The simulations results also shows that NoDe-TBR outperforms more classical routing methods in terms of reachability and delay, while generating less overhead.
Les systèmes de communication de l'aviation civile sont soumis à une demande de capacité toujours croissante pour répondre à l'augmentation du nombre de vols et au développement de nouveaux services. Dans ce contexte, les réseaux ad hoc aéronautiques, aussi appelés AANET (Aeronautical Ad-hoc NETwork), sont étudiés comme une solution de communication innovante et complémentaire des systèmes existants. Un AANET est un réseau ad hoc dont les nœuds sont des avions. Il exploite les capacités de communication directe entre les nœuds pour transmettre des données au delà de la portée radio en utilisant une chaîne de nœuds relais. Cette thèse a pour objectif de proposer des solutions à deux problématiques complexes dans les réseaux ad hoc en tenant compte des contraintes spécifiques aux AANET : la gestion de l'accès au canal et le routage des données. La faisabilité de tels réseaux a déjà été démontrée dans la littérature, et une architecture de communication basée sur le CDMA (Code Division Multiple Access) a été proposée afin de pouvoir discriminer des transmissions concurrentes entre plusieurs utilisateurs. Cependant, aucune méthode d'attribution des codes d'étalement n'a été spécifiée. Pour résoudre ce problème dans un réseau à grande échelle tel qu'un AANET, nous proposons d'améliorer une méthode existante : le RP-CDMA (Random Packet CDMA). Nous présentons ensuite le protocole de routage novateur que nous avons conçu : NoDe-TBR (Node Density TBR). Dans le paradigme de routage TBR (Trajectory Based Routing), les paquets sont transférés de manière à suivre un chemin géographique appelé geopath, spécifié par l'émetteur. Nous avons conçu à travers NoDe-TBR une méthode pour déterminer ces chemins dans un AANET. Dans ce protocole, les geopath sont calculés en tant que géodésiques qui prennent en compte la densité effective des avions. Cette approche a été choisie car elle devrait présenter les avantages des algorithmes de routage géographique (très faible signalisation générée) tout en étant robuste aux conditions spécifiques rencontrées dans les AANET (mobilité, densité d'avions non uniforme). Afin d'évaluer les performances des solutions que nous proposons, nous avons développé des modèles avec le simulateur Omnet++. Nous avons utilisé une approche basée sur le rejeu de trajectoires réelles d'avions afin de rendre compte au mieux de la diversité des contraintes qui s'y appliquent. Le trafic de données simulé représente des communications bidirectionnelles entre des avions en vol et des services de contrôle au sol. Nos simulations mettent en évidence que les modifications que nous avons apportées au RP-CDMA améliorent les performances globales du système. Ces simulations montrent aussi que l'algorithme NoDe-TBR est sensiblement plus performant que des algorithmes de routage classiques en termes de délai et de joignabilité, tout en générant un volume négligeable de messages de signalisation.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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