Projet RISC - agence-nationale- · PDF fileAlgorithme LCA LCA LCC MOBIC MOBIC LCC HCC HCC LCC Nombre moyen de chefs de cluster stables ... Communications and Networking, 2010, Article

Projet RISC

Réseaux hétérogènes intelligents pour Situation de Crise

http://risc.univ-reims.fr/index.php?option=com_docman

Colloque « Télécommunications- réseaux du futur et services »

Introduction (1/4)

• Thème du projet – Système de communications à déploiement flexible pour nœuds hétérogènes

et gestion de QoS pour forces de sécurité civiles (pompiers, …)

• Contraintes opérationnelles – Nœuds à fonctions/capacités variables (com. et capteurs)

– Trafic : voix, données, vidéo

• Caractéristiques techniques visées dans RISC – Système numérique multidébit (qq kbits -> qq Mbit/s)

– Réseau tactique : ad hoc mobile

– Flexibilité : capteurs et nœuds de communications mobiles intégrés dans le même système de com. Partagent le même accès radio et le même réseau

Colloque « Télécommunications – réseaux du futur et services » - Rennes du 6 au 8 décembre 2010

Communications

radio

Médecin

Sapeur pompier

Capteur

Radio portative

Flammes

Introduction (2/4) – réseau ad hoc mobile

Introduction (3/4) – objectifs du projet

• Étude de techniques innovantes pour chacune des couches de l’empilement protocolaire – Couche physique

• ULB à sauts temporels : modélisation de l’interférence multi-utilisateurs

• ULB pour la localisation des nœuds

– Couche liaison de données

• Conception d’un MAC CDMA adaptée à l’hétérogénéité avec support de QoS, basé sur ULB

• Étude des performances du codage canal (CC, LDPC) sur canal ULB

• Algorithmes d’allocation de ressources

– Couche réseau

• Routage ad hoc avec gestion de QoS

• Codage de réseau

• Optimisation conjointe des couches L1, L2 et L3

• Mise en œuvre d’un simulateur logiciel


Introduction (4/4) - six partenaires

• Thales - coordinateur – Accès multiple ULB par impulsions (SP 2)

– Mise en cluster, allocation de ressource internes aux clusters (SP 2)

– Simulation des réseaux ad hoc (SP 4)

• AEC-RTS – PME Troyes – Aspects opérationnels (SP 1)

– Simulation des réseaux ad hoc (SP 4)

• Télécom ParisTech – Accès multiple ULB-IR & localisation (SP 2)

• ENSEA Cergy-Pontoise (ETIS) – Codage canal (LDPC) (SP 2)

– Allocation de ressources TDMA/CDMA pour l’ULB par impulsions (SP 2)

• Université de Reims Champagne-Ardenne (CReSTIC) – Codage de réseau (SP 2)

– Routage (SP 3)

• Université de Lille 1 (LIFL) – Routage (SP 3) Colloque « Télécommunications – réseaux du futur et services » - Rennes du 6 au 8 décembre 2010

Sous-projet 1 – scénarios et usages

• 4 scénarios opérationnels variés – Incendie (33 nœuds dont 12 statiques, indoor

4 étages, élongations < 100m)

– Attentat chimique (64 nœuds dont 57 statiques, mixte indoor/outdoor, élongations < 500m)

– Incident radiologique (74 nœuds mobiles), outdoor, élongations < 1200m)

– Troubles urbains (40 nœuds mobiles, outdoor, élongations < 50m)

• Zoom sur scénario incendie – Trafic réseau de type UDP : conférences VoIP,

données capteurs vitaux et thermiques, données positionnement, transferts d’images thermiques à basse périodicité, ordres urgents

– QoS : priorité opérationnelle, délai


Cuisine Salon – salle à manger

Escalier

1er étage

WC

Salle

de

bain

Chambre Chambre

Chambre

victime

BAtt1 BAli1

15m

10m

Sous-projet 2 – accès multiple (1/3)

• ULB asynchrone modulé en PAM/PPM et de codes TH/DS (1 code par émetteur)

• Calcul de la probabilité d’erreur – Approximation gaussienne inexacte => gaussienne généralisée (moments

d’ordre 2 et 4)

• Optimisation des codes – Critère de variance

– Proposition : critère de probabilité d’erreur

– Proportion de codes optimaux : TH nombreux codes / DS peu de codes


)1(

)3(,

1

)11(2

1 1

c

cs

i

c

e

PNP

21

0

2

,1

2

,1 s

N

q

nn NqCqCc

21

0

2

,1,1 s

N

q

nn NqCqCc


• Probabilité d’erreur théorique (en trait plein, sauf approximation gaussienne en pointillé) et pratique (en pointillé,)



• Multi-codes – Augmenter le débit alloué à un

utilisateur

– Apparition d’interférence entre les codes du même utilisateur

– Travail réalisé

• Calcul théorique de la variance de l’interférence multi-codes

• Évaluation théorique du nombre de codes à allouer pour chaque utilisateur en fonction de leur SINR et débit-cible


• Publications accès multiple – 1 papier de journal, 2 articles de conférences

Sous-projet 2 – codage canal (1/3)


• Evaluation de la capacité d’un lien basé sur le modèle de Gaussienne généralisée.

• Codes LDPC pour l’ULB :

• Métriques de décodage pour décodage itératif.

• Evolution de densité des codes LDPC pour l’ULB.

évaluation des seuils de performances codes réguliers et irréguliers.

• Design de Codes LDPC quasi-cycliques compatibles en débit :

• Structure basée protographes.

• Evaluation des performances versus paramètre de forme.



• Développement d’une stratégie combinée AMC / HARQ : • Métrique d’adaptation basée sur l’information mutuelle mesurée au récepteur

1. Faible dépendance du paramètre de forme des interférences.

2. Facilité de mise en œuvre de l’estimateur au récepteur :

• Utilisation de la séquence d’apprentissage du canal.

• Pas d’abaque ni de projection sur formule de capacité approchée.

3. Robustesse aux erreurs d’estimation.

• Stratégie développée pour optimisation du compromis délai-débit: • Phase initiale : transmission rendement initial ou adapté à la capacité du lien

sans interférence.

• Sélection du nombre de blocs à retransmettre basée sur la mesure d’interférence via l’estimation de la capacité (QoS cible prédéfinie).


• Publications – 1 article de conférence, 1 journal en préparation.


Légende * gaussien o Laplacien

Sous-projet 2 – allocation de ressources

radio (1/3)

• Contexte envisagé : réseau clusterisé

• Contraintes pour la mise en clusters – stabilité en présence de mobilité

– rapidité de mise en cluster


Algorithme LCA LCA LCC MOBIC MOBIC LCC HCC HCC LCC

Nombre moyen de chefs de cluster stables

13,6 13,7 12,7 14,1 10,5 13,5

Durée de vie moyenne pour les chefs de cluster stables

372 546 92,7 524 55,0 621

Durée de formation moyenne des chefs de cluster stables

0,11 0,08 2,52 0,31 1,89 0,03

Chefs de cluster

Nœuds

passerelles

• Simulations algorithmes HCC / LCA / MOBIC (avec/sans LCC) – 50 nœuds, 100% mobilité aléatoire, 30*30 km², portée 5km, v[1000; 2000] km/h

– HCC+LCC sélectionné pour le SP4


radio (2/3)


• Allocation de ressources pour un accès de type TDMA/CDMA :

• ULB : pas d’allocation de puissance considérée.

Allocation de time-slot pour chaque utilisateur.

• Proposition d’un algorithme d’allocation de time-slots par maximisation du débit totale (Max Sum-Rate).

problème inhérent de famine due aux liens rejetés lors de l’allocation.

• Proposition d’un algorithme d’allocation de time-slots avec constrainte de taux de réjection


radio (3/3)


Sous-projet 2 – codage de réseau (1/3)


• Choix pour le codage de réseau : RLNC

– Random : indépendance vis-à-vis des changements de topologie du réseau

– Linear : simplicité de mise en œuvre (algèbre linéaire sur corps finis)

– Network Coding : Augmentation du débit théorique en multicast

Utilisation des routes disjointes entre source et destinataires sans interférence

Protocole peu complexe



• Apports académiques [GG10,GG11] :

– Codage de réseau basé sur la théorie des matroïdes

– Matroïdes = généralisation du concept d’indépendance linéaire

– Obtention de bornes sur les tailles et capacités des codes

Random Affine Network Coding et codes correcteurs dédiés

Étude du routage au travers des codes binaires

– Analyse du compromis débit/complexité du codage de réseau avec générations et chevauchement

[GG10] M. Gadouleau et A. Goupil. Binary codes for packet error and packet

loss correction in store and forward. In Proc. SCC’ 10, jan. 2010.

[GG11] M. Gadouleau et A. Goupil. A matroïd Framework for Noncoherent

Random Network Communications. In IEEE Trans. Inform. Theory, fév. 2011.



• Implantation d’un protocole pour le RLNC

– Possibilité d’acquittement vers le voisinage direct

– Découpage des messages en générations

– Utilisation de tampons au niveau des nœuds

– Protocole limitant le trafic lié à la signalisation

• Optimisation de la taille des générations et des tampons

– Étude du compromis complexité/efficacité

Sous-projet 3 – routage (1/3)


• Sélection type de routage – Réactif : Intuitivement plus adapté aux scénarios proposés

• Auto configuration simplifiée : pas d’initialisation

• BP plus grande pour les données (moins de messages de contrôle)

– Perspective : étude routages proactif et géographiques

• Analyse comparative – AODV : comme routage réactif de

référence,

– Gradient : diffusion

– Cluster

• Publications : 5 articles de conférences + 2 en cours de soumissions



• Cluster Based Routing – Définition

• MaxC [Nolot et al., 2009/2010]

– Optimisation / Implémentation • Gain optimisation : 50 % de BP

sur les messages de contrôle

• Analyse – Comparaison

• AODV comme référence

• Gradient

• Réseaux statiques / mobiles

– CBR peu convainquant • [Romaszko et al., 2010]



• AODV based – Définition d’une QoS spécifique

• Voisinages réalistes, fonction du type de données transmises (vidéo / voix / data)

• Prise en compte historique d’état des liaisons (point à point ou bout en bout)

• Gestion des chemins multiples

– Extension QoS basé sur AODV • Définition / implémentation

• OMNET++ v4, dépôt APP en cours

• Études comparatives – Réseaux statiques / mobiles /

RISC like

– Nombreux paramètres • Densité, vitesse, tailles data, chemin

multiple

• Méthode QoS, Qualité de réception

[Romaszko, Carle 2010]

Sous-projet 4 – simulation (1/2)

• Réalisation : simulation haute fidélité OMNeT [Massin et al. 2010]

• Modélisation des messages – au niveau bit (PHY+)

– au niveau symbole en bande de base (PHY)

• Toutes couches OSI modélisées – focus sur couches 2 et 1 – Couches application / transport / réseau

– Couche liaison : SAR, files d’attente, MAC TDMA/CDMA clusterisé, HARQ, mise en slot

– Couche physique : modem, FEC (LDPC/CC), gestion accès multiple temps/code

• Modèle de canal – Bruit (interférence multi-utilisateurs + bruit thermique) gaussien généralisé

– Atténuation selon l’environnement (modélisation qualitative/quantitative)


[Massin et al. 2010] R. Massin, C. Lamy-Bergot, C. J. Le Martret, et R. Fracchia, « OMNeT++-Based Cross-Layer Simulator for Content Transmission over Wireless Ad Hoc Networks », EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2010, Article ID 502549.

Sous-projet 4 – simulation (2/2)

• Protocole HARQ intégré au niveau couche liaison – voie de retour (ACK/NACK) allocation de ressources

– fenêtre d’anticipation avec répétition sélective (délais réseau ad hoc)


Fenêtre sur liens 12 et 23 pour une communication 2 bonds 13

• Vidéo de démonstration

Conclusions (1/3)

• Sorties du SP1 – Définition de scénarios opérationnels réalistes qui impliquent des forces des

secours publics dans la résolution de crises variées

• Sorties du SP2 – Modélisation analytique de l’interférence multi-utilisateurs dans les

communications ULB par impulsions (UWB-IR)

• Calcul de la probabilité d’erreur symbole moyenne en mono-code

• Définition d’un critère pour la recherche des codes optimaux

• Calcul théorique de la variance de l’interférence multi-codes

– Analyse de performances et optimisation du codage canal pour l’UWB-IR

– Définition d’une stratégie conjointe HARQ-IR/AMC pour l’UWB-IR

– Définition d’une stratégie d’allocation de ressources pour l’UWB-IR

– Étude du codage de réseau et définition d’un protocole pour le codage de réseau linéaire aléatoire


Conclusions (2/3)

• Sorties du SP3 – Définition d’un protocole de routage avec support de la QoS multicritères

– Étude comparative (Cluster, AODV, Gradient) sur réseaux statiques et mobiles, analyse sur scénarios type RISC

– Implémentation OMNeT++

• Sorties du SP4 – Définition et implémentation d’une chaîne de simulation système (OMNeT++)

– Simulation du réseau RISC basé sur l’ UWB-IR dans un contexte opérationnel

• Suppression de la difficulté de modéliser les transmissions UWB-IR (canal non gaussien) par des tables de correspondances

• Mise en œuvre optimisations inter-couches (AMC/HARQ, LLR adaptés aux transmissions UWB-IR) dans les simulations de réseau

• Modélisation déterministe de l’environnement radio (murs, étages)


Conclusions (3/3)


• Publications

Publications multipartenaires

Publications monopartenaires

Revues à comité de lecture

1 2 (+1) International

Communications (conférence)

3 5 (+3)

France

Communications (conférence)

1 + colloque ANR STIC de janvier 2010

1

• Quelques perspectives – Extension aux transmissions multi-codes des résultats obtenus sur l’UWB-IR

– Extension de la stratégie AMC/HARQ aux constellations PAM d’ordre supérieures

– Amélioration du mécanisme de communication entre les clusters

– Intégration du codage de réseau à l’empilement protocolaire

– Étude localisation multi-couche et routage géographique

Backup

Messages balise (Allocation de ressources)

Trame MAC CDMA/TDMA

Messages à accès aléatoire

Messages REQUETE d’ALLOCATION Messages HELLO

Messages de données

AE AE

AE AE

B AA AA

Temps

Codes

DONNEES

DONNEES

DONNEES

DONNEES

DONNEES

DONNEES

DONNEES

DONNEES

Sous-projet 4 – simulation

• Accès Multiple par Répartition Temporelle (AMRT = TDMA)

• Trois types de slots – Balise : allocation de ressources

– Accès aléatoire : détection de voisinage, construction des clusters et allocation de ressources

– Données : transmission de données


• Comparaison TH-PAM / DS-PAM – Avec codes optimaux existants

– Avec codes optimaux théoriques


Documents

Projet RISC - agence-nationale- · PDF fileAlgorithme LCA LCA LCC MOBIC MOBIC LCC HCC HCC LCC Nombre moyen de chefs de cluster stables ... Communications and Networking, 2010, Article