Projet RISC. Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services»

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1 Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services» Projet RISC Réseaux hétérogènes intelligents pour Situation de Crise

2 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

3 Introduction (2/4) réseau ad hoc mobile Communications radio Médecin Sapeur pompier Capteur Radio portative Flammes

4 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

5 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)

6 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 Cuisine Salon salle à manger statiques, mixte indoor/outdoor, élongations victime < 500m) Incident radiologique (74 nœuds mobiles), WC BAtt1 BAli1 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 Salle de bain 10m Chambre Chambre Chambre 1er étage Escalier 15m

7 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) 1 1 Ns P1 c (3 ) P e i, 2 (1 1 ) c c (1 ) Optimisation des codes Critère de variance Nc 1 q C q C q N 1, n 1, n s Proposition : critère de probabilité d erreur Nc 1 q C q C q N 1, n 1, n s Proportion de codes optimaux : TH nombreux codes / DS peu de codes

8 Sous-projet 2 accès multiple (2/3) Probabilité d erreur théorique (en trait plein, sauf approximation gaussienne en pointillé) et pratique (en pointillé,)

9 Sous-projet 2 accès multiple (3/3) 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

10 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.

11 Sous-projet 2 codage canal (2/3) 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).

12 Sous-projet 2 codage canal (3/3) Légende * gaussien o Laplacien Publications 1 article de conférence, 1 journal en préparation.

13 Sous-projet 2 allocation de ressources radio (1/3) Nœuds passerelles Contexte envisagé : réseau clusterisé Contraintes pour la mise en clusters stabilité en présence de mobilité rapidité de mise en cluster Chefs de cluster 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 Algorithme LCA LCA LCC MOBIC MOBIC LCC HCC HCC LCC Nombre moyen de 13,6 13,7 12,7 14,1 10,5 13,5 chefs de cluster stables Durée de vie moyenne pour les chefs de cluster stables , ,0 621 Durée de formation moyenne des chefs de cluster stables 0,11 0,08 2,52 0,31 1,89 0,03

14 Sous-projet 2 allocation de ressources 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

15 Sous-projet 2 allocation de ressources radio (3/3)

16 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

17 Sous-projet 2 codage de réseau (2/3) 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 [GG11] M. Gadouleau et A. Goupil. A matroïd Framework for Noncoherent Random Network Communications. In IEEE Trans. Inform. Theory, fév

18 Sous-projet 2 codage de réseau (3/3) 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

19 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

20 Sous-projet 3 routage (2/3) 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]

21 Sous-projet 3 routage (3/3) 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]

22 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

23 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) Vidéo de démonstration Fenêtre sur liens 1 2 et 2 3 pour une communication 2 bonds 1 3

24 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

25 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)

26 Conclusions (3/3) Publications International France Revues à comité de lecture Communications (conférence) Communications (conférence) Publications Publications multipartenaires monopartenaires 1 2 (+1) 3 5 (+3) 1 + colloque ANR STIC de janvier 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

27 Backup

28 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 Codes AE AE AE AE DONNEES DONNEES DONNEES DONNEES Trame MAC CDMA/TDMA B AA AA DONNEES DONNEES DONNEES DONNEES Temps Messages balise (Allocation de ressources) Messages à accès aléatoire Messages de données Messages HELLO Messages REQUETE d ALLOCATION

29 Sous-projet 2 accès multiple (3/4) Comparaison TH-PAM / DS-PAM Avec codes optimaux existants Avec codes optimaux théoriques