Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services» SUN- Situated and Ubiquitous Networks On Mobility in emerging heterogenenous networks Projet Exploratoire ANR SUN (2006-2009) Présenté par Hakima Chaouchi (TSP: Coordonateur), Meriem Abid (Ginkgo Networks) Hakima Chaouchi, Leila Merghem, Nadia Boukhatem, Brigitte Kervella, Guy Pujolle, Hubert Zimmermann, Dominique Gaïti, Patrick Boras, Apostolia Papapostolou, Tara Ali Yahiya, Moez Esseghir, Ahmed Atiq, Meriem Kassar, Daniel Fernandes Macedo, Julien Rotrou, Shahab Ghasheti, Meriem Abid,, Phuoc Tran
Plan Contexte et motivations Objectifs et démarche Partie 1 (TSP, TPT, LIP6, UCOPIA) Support de la mobilité par l application de nouvelles fonctionnalités dans l approche réseau classique Partie 2 (UTT, LIP6, Ginkgo) Support de la mobilité par l application d une approche autonomique innovante Démonstrateur (Ginkgo, Ucopia) Conclusions/Résultats majeurs Perspectives 2
Contexte et motivations Contexte: Réseaux hétérogènes émergents. Cas des réseaux de l Internet des objets connectés par radio (IoTcR) Internet of Things connected by Radio (IoT) Internet étendue vers de nouveaux objets en plus des terminaux classiques Technologies support : RFID, capteurs, smart device, Technologies sans fils et mobiles, Technologies domotiques, Technologie RFID, un vecteur prometteur des futures applications Le contexte réseaux hétérogènes nécessite une meilleure prise en charge de la mobilité (Handover vertical/diagonal) De nouvelles approches autonomiques sont aujourd hui possibles pour mieux gérer des problèmes complexes tel que le handover -Richesse de la connectivité à l accès -Différentes informations utiles pour le choix de l accès -Prendre les avantages de cette hétérogénéité ITU 2005 3
Objectifs et démarche Objectifs: Amélioration du handover multi-technologie des utilisateurs mobiles dans ce contexte IoTcR Exploration de l interaction entre la Exploration des synergies possibles entre les RFID et les technologies d accès technologie RFID et les radio autres technologies Démarche: Exploration sans fil en réseau de nouvelles IP approches Exploration de fonctions support de de la décisions multicritères, de mobilité Quelles synergies entre les technologies pour un d information meilleur support de la mobilité? Explorer les possibilités d adaptation du processus de HO aux différents besoins du mobile schéma d échange Comment mieux considérer de nouveaux paramètres déclencheurs de handover horizontaux et verticaux? Comment mieux préparer le processus de handover Exploration de l approche autonomique Comment mieux gérer la complexité du handover multi-technologie, multiparamètres? 4
Problèmes de la gestion classique de la mobilité Network Architecture Link Layer Handoff (RSS based, Peu fiable due à la fluctuation du signal, Consommateur d energie due au processus de scan des canaux radio, Pas générique pour tous les réseaux hétérogènes) + Network Layer Handoff (Advertisement-based, Augmente la fréquence des messages RA, Gaspillage de bande passante, Hint-based basé sur les triggers du niveau liaison, Technology specific) Différents problèmes liés au délai du HO: -Manque de synchronisation entre le HO de niveau 2 et Niveau 3 -Manque de considération de paramètres autre que le signal radio dans la décision du HO -Manque de considération du mode de HO le plus approprié aux besoins -Manque d unification du système d échange des information - Différentes pistes: -- Anticipation du HO -- Récupération rapide des information de décision -- Connaissance de la localisation et de la direction -- décision multicritère -- Préparation du HO -- = Perturbation de la session jusqu à la reconnexion après le HO 5
Partie 1: Amélioration du handover par de nouvelles fonctionnalités dans l approche réseau classique Synchronisation du handover de niveau 2 et de niveau 3 Considération de différents paramètres déclencheurs de handover Réactivité aux déclencheurs de handover Handover Initiation 1 Handover Decision 2 Handover Execution 3 RFID and location aware handover Fuzzy logic based multi criteria decision function Probabilistic multi-criteria decision function Handover Pre-Selection module and extention of IEEE 802.21 information exchange architecture Context based handover Anticipated handover Cross layer approach et MIH 6
Problème: But RFID and location aware handover Mauvaise synchronisation du handover de niveau liaison et de niveau réseau. Impact sur les applications temps réel. Minimiser la durée du processus de Handover Energy-efficient Handover Global (Heterogeneous networks) Handover Proposition Dans le contexte de l IoTcR, Explorer l utilisation des technologies emérgentes de l IoTcR RFID (Radio Frequency Identification) et WSAN (Wireless Sensor Actuator Network) pour assister l initiation et l execution du handover Diminuer la phase de détection de mouvement Hint based (bassé sur les triggers de niveau 2, dépend de la technologie) Router advertisement based (gaspillage de la bande passante) Modifier l initiation du handover pour mieux l anticiper Handover Initiation 1 7
Eléments d Architecture R max R max R safe Handover Initiation 1 3-Level Architecture WLAN RFID tag deployment RFID Database (tag ID, tag location) WSANs WSAN Database (routing information) Sensor node Actuator node 8
Eléments d Architecture Déploiement des tags RFID Pour la inférer le mouvement du terminal mobile multi mode MMN (muni d un lecteur RFID) Corrélation de l ID des tags avec les points d accès avec meilleur RSS Prédiction du prochain Point d attachement du MMN Intérêt RSS scanning n est plus nécessaire Router Advertisement n est plus nécessaire WSANs : réseaux de capteurs/actuateur Pour capturer le mouvement du terminal mobile multi mode MMN (muni d un lecteur RFID) Réseau Overlay pour controler le processus de handover et optimiser l échange des messages Intérêt Handover Initiation 1 Lecture des RFID tag uniquement en zone de handover Meilleure utilisation de la bande passante et de l énérgie du mobile Métriques Précision de prédiction = Facteur des paramètres de déploiement des tags RFID Délai du handover = Facteur du délai de lecture des RFID par le MMN Consommation d énergie 9
Performance Evaluation - Prediction accuracy - Energy consumption Time response Handover Initiation 1 Tag Reading Period Tag Reading Period 10
Nouveaux paramètres de décision de handover Handover Décision 2 Classique: RSS Nouveaux: QoS (BW, Delay, ) Cout Localisation Exploration des interactions possibles des RFID avec le réseau d accès sans fil et IP 11
Information de localisation Exploration de la combinaison de l information RFID avec la localisation indoor Amélioration de la précision de localisation sous certaines configuration de déploiement des tags RFID Exploration de la localisation réseau d un objet RFID à travers un réseau IP Extension de la signalisation SIP pour localiser un objet RFID 12
Fonction de décision multicritères basée sur la logique floue Méthode de décision multicritères basée sur la logique floue minimisation des handovers inutiles (i.e. effet ping-pong) Résultats de simulation : Scénario : Handover Décision 2 Déclenchement d un VHo uniquement (Handover > 0.85) : si signal et bande passante faibles si MT à forte mobilité se déplace aux bords de la cellule 13
Fonction de décision multicritère probabiliste Handover Décision 2 Récupération des informations considérées par la fonction de décision (ex. IEEE 802.21, ANDSF, etc) Utilisation de la méthode probabiliste de Neyman-Pearson Probablistic method Test of hypothesis Likelihood ratio calculation Analyse de la stabilité de la fonction comparé à d autres fonctions multicritères (Fonction d utilité, fonction à base de logique floue) Ping-pong rate 0.30 0.27 0.24 0.21 0.18 0.15 0.12 0.09 0.06 0.03 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Number of handover executions 14
Procédé de pre-selection des fonctions de décision, de procédure et protocole de HO Unification d échange d information: Handover Décision 2 Extension IEEE 802.21 Besoin d un système homogène d échange d information et de supervision des événements (Approche cross layer) Besoin d un processus de pre-selection des algorithmes, fonctions et paramètres de gestion de handover et de mobilité Proposition d une extension du schéma IEEE 802.21 Link Monitor commands MICS QoS Adaptation events Notification event Selected Handover Decision Function MIES Configuration Commands Notification event Handover Process Information Starting Application Policy Engine MIIS Adaptive Application Selected Mobility Protocol (FMIP, HIP, MIP, ) MIH Services Mobility Protocol Selector Notification event Notification event Decision Function Selector Higher layers Information Preselection parameters Handover Pre-selector To remote MIH enabled device Enhanced MIH WiFi WiMAX 3G Lower layers (MAC, PHY) 15
Mode d execution du Handover Handover Execution 3 Transfert du contexte de Handover Transfert du contexte d Authentication Anticipation du Handover Anticipated MIP Anticipated HIP Cross layer and Media Independent HO 16
Conclusions Partie 1 Amélioration du handover par de nouvelles fonctionnalités dans l approche réseau classique Proposition du RFID-assisted handover et anticipation du handover Propositions de systèmes mixtes de localisation RFID/sans fil/ip Analyse de différentes Fonctions de décision de hadover multicritères Proposition d un module de pré-selection de Handover Extention du modèle d échange d information IEEE 802.21 17
Partie 2: Amélioration du handover par l application d une approche autonomique innovante -- Motivations Complexité grandissante de la gestion de la mobilité dans les IoTcRs L approche autonomique vise à: Réduire la complexité et favoriser la scalabilité en décentralisant les connaissances et les décisions Améliorer le handover en injectant des informations sur la localisation d objets par RFID 18
Axes d exploration L architecture autonomique SUN Amélioration du handover en injectant des informations sur la localisation d objets par RFID Sélection d algorithmes de décision du HO selon le contexte Déclenchement du HO par anticipation Préparation du HO par transfert anticipé du contexte utilisateur Validation de l approche par la réalisation d une maquette 19
Architecture autonomique SUN L architecture autonomique SUN est basée sur: Le plan de connaissance Le plan de pilotage Ces 2 plans sont distribués à l aide de: L agent Ginkgo La vue située 20
Architecture autonomique SUN Plan de connaissances Dédié uniquement à la connaissance et à sa gestion Fonctions: Représentation de la connaissance: Modèle objet sous forme d ontologie Diffusion de la connaissance à base de vue située Périodiquement Sur événement Plan de pilotage Dédié à la prise de décision et aux actions Basé sur les informations de contexte acquises par le plan de connaissance 21
Sélection d algorithmes de décision Selon le contexte choisir l algorithme de décision le plus adéquat Plusieurs critères de pré-sélection permettent de choisir le «bon» algorithme : Le type de handover (horizontal vs. vertical) Le niveau de la batterie Type d application (temps-réel ou non temps-réel) Localisation des objets par RFID La vitesse du terminal mobile 22
Exemple de sélection d algorithmes de décision Scénario proposé: déplacement d un patient de son domicile à l hôpital Algorithmes de décision choisis selon le contexte: Algorithme basé sur la logique floue et AHP pour le trajet domicile/hôpital en ambulance à vitesse élevée Algorithme basé sur une fonction de coût pour le trajet domicile/hôpital en ambulance à vitesse faible Algorithme basé sur l utilité pour le déplacement à l intérieur de l hôpital 23
Algorithme basé sur la logique floue et AHP Algorithme de décision multicritères du handover vertical prenant en compte la localisation du terminal et des points d accès et se déroulant en trois phases : 1. détection du besoin de handover, 2. Pré-sélection des points d accès en fonction de leur position 3. décision multicritère basée sur la méthode AHP Préférences de l utilisateur, QoS de l application et des réseaux, coût du réseau niveau de la batterie du terminal 24
Algorithme basé sur une fonction de Processus de décision multicritères de handover vertical basé sur trois comportements Comportement de monitoring Comportement de décision Comportement de sélection Fonction de sélection multicritères coût Coût, bande passante, RSS, type du réseau 25
Algorithme basé sur une fonction de Simulations sur Matlab coût Étude de performances en comparant notre approche avec d autres approches de décision multicritères 26
Algorithme basé sur une fonction d utilité Fonction d utilité multi-critères combinée à l aide d une somme pondérée Le handover est initié si: L utilité du réseau d accès associé est mauvaise C u n _ asso Th Le score d un réseau candidat est supérieure au score du réseau associé n _ C best n _ u C asso u H La sélection du «meilleur» réseau d accès suit la même condition Validation par réalisation d une maquette 27
Déclenchement du HO par anticipation Déclencher le handover pour anticiper une dégradation/coupure Algorithme de décision basé sur l utilité pour les handovers horizontaux Validation par maquette Sans anticipation Avec anticipation 28
Transfert anticipé de contexte Le transfert anticipé du contexte utilisateur permet de minimiser le temps d exécution du HO en évitant : Une réauthentification Le calcul du profil utilisateur et de ses propriétés Le transfert anticipé du contexte est décidé au vu de la localisation de l objet par RFID Est réalisé à l aide de contrôleurs Ucopia Validation par maquette 29
Conclusions Partie 2 La mobilité est un enjeu clé dans les réseaux IoTcR L approche autonomique a pour objectif de faciliter l interconnexion de différents objets afin de permettre de collecter de l information et d embarquer de l intelligence Nous avons élaboré une approche autonomique s appuyant sur les nouvelles informations introduites par les IoTcR pour: - Sélection d algorithmes de décision du HO selon le contexte - Déclenchement du HO par anticipation - Préparation du HO par transfert anticipé du contexte utilisateur Nous avons démontré la faisabilité de cette approche par la réalisation d une maquette 30
Conclusions du projet (1/2) Exploration de différentes approches d amélioration du handover dans un réseau hétérogène (IoTcR) Les technologies émergentes tels que les RFID peuvent être exploitées pour apporter des informations utiles aux fonctions de décision et mieux anticiper le HO (~60 ms) L analyse des métriques de prédiction, de délai de handover et de consommation d énergie montrent que des paramètres de déploiements des tags RFID doivent être bien choisis Dans ce contexte hétérogène, il est nécessaire de considérer des fonctions de décision multicritère minimisant le ping pong pour mieux gérer les handover 31
Conclusions du projet (2/2) Exploration de l interaction de la technologie RFID avec les réseaux sans fil et IP pour fournir l information de localisation utile aussi pour l anticipation du handover Il est important d assoir une architecture unificatrice d échange d information à travers ces technologies hétérogènes Exploration des modes d exécution du handover (transfert de contexte, anticipation) Proposition d un module de pré-sélection de handover pour bien choisir les paramètres, les fonctions de décision en fonction des besoins L approche autonomique est applicable pour la prise en charge du handover 32
Résultats Majeurs Ces travaux sont publiés dans différentes conférences et journaux 6 livrables publics (Etat de l art, besoins, architectures, validations) 27 articles de conférences 5 articles de Journaux 4 publications de chapitres de livre, 1 Livre collectif 3 thèses de doctorat soutenues Suite au projet, quelques initiatives Organisation d un Workshop SUN 2009 au LIP6 Organisation d un workshop «Internet of Things: issues and Challenges» avec IFIP WMNC 2009, Pologne Participation à l initiative InterCarnot sur l Internet des Objet et réseaux de capteurs Nouvelles Collaborations internationales Participation au montage du projet européen COST WiNeMo : Wireless Networking for moving objects (2009-2013) Animation d un cours sur l Internet des objets (Master of Science) Quelques publications A. Papapostolou, H. Chaouchi: Handoff Management Relying on RFID Technology. IEEE WCNC 2010 Ahmed A., Merghem-Boulahia L., and Gaïti, D. An Intelligent Agent Based Scheme for Vertical Handover Management across Heterogeneous Networks, Annals of telecommunications, special Issue on NGN, 2010 Kassar Meriem, Kervella Brigitte and Pujolle Guy, Architecture of an Intelligent Inter-system Handover Management Scheme, FGCN 2007, Jeju Island, Korea - December 2007. A. Papapostolou and H. Chaouchi, RFID-assisted Indoor Localization and the Impact of Interference on its Performance, in the SI on RFID Technology, Systems and Applications of Journal of Network and Computer Applications (ELSEVIER), April 2010. P.N. TRAN, N. Boukhatem, Design and Implementation of IP-based RFID Location Systems, JCOMSS - Journal of Communications Software and Systems 2008 M. Abid, A. Ahmed, L. Merghem-Boulahia, M. Esseghir, D. F. Macedo, M. Kassar and B. Kervella, A knowledge plane for mobility management in Internet of things connected by radio, IADIS Telecommunications, Networks and Systems 2010 (TNS 2010) H. Chaouchi Internet of Things, connecting objects, Edited book, ISTE/Willey 2010 33 Liste complète (rapport finale SUN)
Perspectives Scientifiques Analyser en plus de la faisabilité, la complexité et le passage à l échelle des approches proposées Explorer plus de synergies entre les technologies hétérogènes de l IoTcR 34
Perspectives Industrielles L autonomique progresse dans la recherche académique sur les réseaux mais peine à pénétrer l industrie des réseaux. Les PME Ginkgo et Ucopia peuvent servir de pont entre la recherche et l industrie Avec le projet SUN, la société Ginkgo a : Amélioré sa plateforme autonomique en support d applications de type hand-over Renforcé son argumentaire vis à vis des industriels des réseaux en faveur de l utilisation de la plateforme autonomique Ginkgo Avec le projet SUN, la société Ucopia a : Apporté une nouvelle fonctionnalité dans les contrôleurs Ucopia pour gérer les handovers dans une entreprise Ucopia peut également, à partir des résultats du projet SUN, intégrer des informations en provenance de RFID rattachés au contrôleur 35
Vidéo du démonstrateur SUN Démarrer la vidéo 36
Hakima Chaouchi, Leila Merghem, Nadia Boukhatem, Brigitte Kervella, Guy Pujolle, Hubert Zimmermann, Dominique Gaïti, Patrick Boras, Apostolia Papapostolou, Tara Ali Yahiya, Moez Esseghir, Ahmed Atiq, Meriem Kassar, Daniel Fernandes Macedo, Julien Rotrou, Shahab Ghasheti, Meriem Abid,, Phuoc Tran Colloque «Télécommunicationsréseaux du futur et services» SUN- Situated and Ubiquitous Networks On Mobility in emerging heterogenenous networks Projet Exploratoire ANR SUN (2006-2009) Présenté par Hakima Chaouchi (TSP: : Coordonateur), Meriem Abid (Ginkgo Networks)