Mthodologies pour la planification de rseaux locaux sansfil

Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil. Katia Runser Laboratoire CITI - INSA de Lyon Projet ARES – INRIA Directeurs de thèse : Jean-Marie Gorce, Md. C. , INSA de Lyon Stéphane Ubéda, Pr. , INSA de Lyon 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF adaptative Adaptation à la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème Heuristiques de planification Conclusions et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 2

1. 1. l Le problème w. LP (w. LAN Planning) Réseaux locaux sans-fil (w. LAN) en mode infrastructure. Point d’accès (AP) LAN Recherche de la Configuration des AP pour obtenir une Qualité de Service donnée. Point d’accès (AP) 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 3

1. 1. Le problème w. LP (w. LAN Planning) Services Configuration des AP l l Le nombre N Pour chaque AP k : l l 27/10/2005 La position pk=(x, y, z), La puissance d’émission P k. E , Le type d’antenne tk, La direction d’émission k, l Accès au réseau l l La couverture radio Limiter les interférences Garantir un débit minimal Améliorer les performances d’un système de localisation, de Vo. IP, … Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 4

1. 1. l Proposer une stratégie de planification automatique qui soit : l l l Nos objectifs Réaliste, Réalisable en un temps acceptable. Pour cela, il nous faut : l l l 27/10/2005 Un modèle de prédiction de couverture radio efficace et précis, Une modélisation réaliste du réseau, Une heuristique d’optimisation efficace. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 5

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF Adaptation à la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème Heuristiques de planification Conclusions et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 6

2. 1. l Prédiction de couverture radio Modèles existants : l Empiriques (COST 231) l l l Compromis précision / temps de calcul Prédictions en 3 D natives Discrets (modèles FDTD) l 27/10/2005 Rapides mais peu précis (EQM ~10 d. B) Déterministes (Lancer de rayon) l l Modèles issus de campagnes de mesures AP Récepteur Lents mais très précis Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 7

2. 1. Fourier Domain Par. Flow l l N pixels i+1, j i, j-1 f. W l f. N i, j+1 l f. E f. S Gorce et Ubéda. [2001, IEEE VTC] Time Domain Par. Flow O(N 3) Domaine fréquentiel : l i+1, j l l prédictions de l’état stationnaire à la fréquence Un grand système linéaire à résoudre. Comment ? l l 27/10/2005 modèle discret de résolution dr. Inversion directe : Non abordable pour de grands environnements O(N 6) Résolution itérative : O(N 3) Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 8

2. 1. Le concept Multi-Resolution Un MR-Bloc : l l 27/10/2005 Surface : Rectangle de NX. NY pixels Un jeu de flux entrant Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 9

2. 1. Le concept Multi-Resolution Un MR-Bloc : l l l Surface : Rectangle de NX. NY pixels Un jeu de flux entrant Un jeu de flux sortant Une matrice de propagation A ? Si NX = NY = 1 pixel l 27/10/2005 Pixel du modèle Par. Flow Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 10

2. 1. Le concept Multi-Resolution Un MR-bloc : l Peut être fusionné à un autre MR-bloc : l 27/10/2005 Où A est calculé à partir de B et C Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 11

2. 1. Le concept Multi-Resolution Phase de prétraitement l Calcul des N l l A partir des pixels Par. Flow Pyramide des MR-blocs : l N pour chaque MR-blocs 4 x 2 MR-blocs 2 x 2 l l Complexité en O(N 3) Indépendant de la position de la source 27/10/2005 MR-blocs 2 x 1 Pixels Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 12

2. 1. Le concept Multi-Resolution Phase de propagation : l Si B est une source, on calcule la source A en fusionnant B et C l Calcul et sauvegarde des flux internes à A 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Flux Internes 13

2. 1. Le concept Multi-Resolution Phase de propagation : 1. Agrégation montante des MR-blocs. 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 14

2. 1. Le concept Multi-Resolution Phase de propagation : l Décomposition d’un MR -bloc l Calcul des flux entrant sur B et C à partir : l l 27/10/2005 des flux internes, de B et C Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 15

2. 1. Le concept Multi-Resolution Phase de propagation : 1. 2. l Agrégation montante des MR-blocs. Décomposition descendante vers les blocs voulus. Complexité en O(N² log 2(N)) 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 16

2. 1. l l Couverture à 2. 4 GHz Contrainte : dr << → dr ~ 2 cm à 2. 4 GHz Pour un étage de 92. 6 x 23 m, on obtient : l l l 27/10/2005 Un environnement de 4630 x 1150 pixels 53 min. de prétraitement (PC CPU à 3. 4 GHz et 3 Go RAM) 18 s. de propagation à 2 cm. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 17

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF Adaptation à la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème Heuristiques de planification Conclusions et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 18

2. 2. Adaptation au WLAN Pour réduire le temps de calcul : 1. Modification de la résolution dr, 2. Structure ‘adaptative’ de la pyramide MRFDPF, 3. Calibration du modèle. 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 19

2. 2. l Modification du pas dr Augmentation de dr l Complexité ~(1/dr)2 l Couverture à 2 cm inutile -> Précision voulue P ~ 1 m Puissance moyenne sur 1 m² réaliste, on impose l § l P ≥ sim dr ≤ sim /6 ≤ P / 6 i. e. si P ~ 1 m alors dr=10 cm La fréquence de simulation fsim l l sim Multiple de la fréquence réelle P ≥ sim fsim ≥ c 0/P ; fsim = 480 MHz 1 m P=1 m 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 20

1. 2 MR-FDPF Adaptatif l l Création des MR-blocs de la pyramide Blocs Homogènes Bh : l l Les premiers blocs homogènes en matériau obtenus lors de la propagation descendante. Bh sont grands : l 27/10/2005 Calcul rapide des couvertures à cette résolution Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 21

2. 2. l MR-FDPF Adaptatif Heuristique de découpage du plan : l l Selon la plus grande discontinuité Compromis entre : l l l 27/10/2005 La taille des blocs homogènes, La durée du prétraitement, La taille de la pyramide en mémoire. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil i c 22

2. 2. l MR-FDPF Adaptatif Heuristique de découpage du plan : l l Selon la plus grande discontinuité Compromis entre : l l l 27/10/2005 Bh La taille des blocs homogènes, La durée du prétraitement, La taille de la pyramide en mémoire. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil i c 23

Prétraitement : 28 s Fréquence : 480 MHz dr : 10 cm Couverture résolution 10 * 10 cm Simulation : 10 s Couverture blocs homogènes Simulation : 0. 5 s 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 24 CPU : 2. 4 GHz – 1 Go RAM

2. 2. l Réduire les erreurs de prédictions : l l l Calibration des simulations Calibration rapide, Calibration fine. A partir de : l l l Mesures : Prédictions MR-FDPF : Calibration rapide : l 27/10/2005 Offset de mise à l’échelle : Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 25

2. 2. l Calibration des simulations Calibration fine l Relaxer les paramètres de propagation des N matériaux du plan : l Indices de propagation n = (n 1, . . , n. N) l l Coefficients d’affaiblissement = ( 1, . . , m) Minimisation de l’erreur quadratique moyenne (EQM) : 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 26

2. 2. l Calibration fine : l l l Calibration automatique 1 Evaluation d’EQM : 1 minute, Calcul prétraitement + couverture. DIRECT : Dividing RECTangle l Algorithme de recherche directe à motifs. [Jones et al. , 1993] l l 27/10/2005 Fonctions continues à plusieurs variables. Recherche globale et locale. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 27

2. 2. l Bâtiment : l l Jeu de mesures l 30 x 80 mètres, 3 matériaux l l 6 APs – IEEE 802. 11 b, 2. 4 GHz 199 points de mesure par AP 300 échantillons par point Cloison 27/10/2005 l l Mesures : l Simulations : l Fréquence = 480 MHz Pas dr = 10 cm Carte de couverture à la résolution de 60 x 60 cm Verre Béton Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 28

2. 2. l Modélisation à 1 et 2 matériaux l l l Résultats de calibration Recherche exhaustive Facteurs d’atténuation : l = 1. 0 pour chaque matériau → murs fins / dr Modélisation à 3 matériaux l l l 27/10/2005 Calibration automatique (DIRECT) Indices de réfraction : EQM : Béton Cloison Verre n = 5. 4 n = 2. 4 n = 1. 3 Q = 5. 3 d. B Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 29

2. 2. l Validation des simulations Environnements : l l 27/10/2005 CITI 2: l 40 mesures l 3 AP Building G: l 15 mesures l 1 AP Building. G Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 30

2. 2. l Bilan Modèle de prédiction adapté à la planification w. LAN : l Réduction du temps de l l l Prétraitement de 53 minutes à 18 secondes Propagation de 18 secondes à 0. 5 seconde Bonne précision avec 5 à 6 d. B d’EQM l 27/10/2005 Phase de calibration basée sur des mesures réelles. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 31

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF adaptative Adaptation à la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème Heuristiques de planification Conclusions et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 32

3. 1. l Formulation discrète : l l Modélisation : variables M positions candidates des AP Puissance P et direction ψ d’émission discrets Une solution : Choix des positions : l l 27/10/2005 Utilisation du découpage adaptatif de la méthode MR-FDPF, Un AP candidat au centre des blocs homogènes. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 33

3. 1. Modélisation : variables Amin = 3 x 3 m Amax = 9 x 9 m Blocs à l’intérieur du bâtiment 2336 blocs homogènes 267 positions candidates 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 34

3. 1. l Modélisation : couvertures Cartes de couverture : l l l 27/10/2005 Liste des blocs homogènes à couvrir { Bl, l [1. . Nc] } Flk : Puissance reçue au bloc Bl de l’AP k Fl. BS : Puissance du signal le plus fort (‘Best Server’) au bloc Bl Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 35

3. 1. l Modélisation : critères Forme générique des critères définis : P l Avec : l l 27/10/2005 x fmesl la fonction de mesure associée au bloc Bl. l = Al / Atot le pourcentage de la surface totale du bloc Bl Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 36

3. 1. l Modélisation : critères Critères d’optimisation : l Couverture l l l Interférences l l Garantit un débit minimal Localisation : l 27/10/2005 Minimise le recouvrement entre cellules Débit l l Couverture homogène Couverture à seuil progressif améliore les performances d’un service de localisation Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 37

3. 1. l Modélisation : critères Couverture à seuil progressif fslope: l Pénalise les blocs mal couverts l fmesl : s’applique à Fl. BS l l 27/10/2005 Sm = Seuil à 1 Mbps SM = Seuil à 11 Mbps / 54 Mbps Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 38

3. 1. l Modélisation : critères Critère d’interférences finterf. l l Minimiser le recouvrement entre les zones de service l Favorise l’allocation des canaux, Répartition des signaux reçus au bloc Bl [thèse Jedidi 04]: l h signaux utiles, les signaux interférents supérieurs au seuil de bruit Sm Pénaliser les blocs où l’interférent le plus fort est plus puissant que le bruit en réception. l l l A utiliser avec un critère de couverture : N optimal. 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 39

3. 1. l Critère de débit l l l Modélisation : critères fmes pénalise un bloc si le débit fournit est inférieur à un débit minimal ds Estimation du trafic d’un AP: l Evaluation des performances de la couche MAC 802. 11 : modèle de Lu et Valois (2005) l Débit réel dul d’un utilisateur de la zone de service à R Mbits/s (R = 1, 2, . . . 11 Mbits/s) l Distribution uniforme des utilisateurs. A utiliser avec un critère d’interférences + couverture 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 40

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF Adaptation pour la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème : variables et critères Heuristiques de planification Résultats et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 41

Heuristiques 3. 2. Problème w. LP : problème Multicritère. Algorithme mono-objectif + Fonction de coût fagr agrégée Algorithme multiobjectif Une solution unique + Choix des coefficients de fagr a priori Plusieurs solutions + Sélection d’une solution a posteriori Heuristique tabou mono-objectif Heuristique tabou multiobjectif 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 42

3. 2. l l l Approche mono-objectif Critère agrégé : Choix des coefficients i avant le lancement de la recherche. Ajout d’une contrainte de couverture 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 43

3. 2. l Métaheuristique tabou [Glover, 86]: l l l Approche mono-objectif Recherche locale qui accepte la dégradation de la solution courante Sc Liste tabou : Historique des mouvements -> Evite le bouclage Implantation l l 27/10/2005 Taille dynamique de la liste tabou, Pas de critère d’aspiration. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 44

3. 2. l Approche mono-objectif Exemple d’optimisation : l variables : l l l position, nombre d’AP N environnement Foch : 258 candidats critères : l l l interférences (h=2) débit (ds = 256 kbits/s, 200 utilisateurs) contrainte de couverture Tests réalisés : 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 45

3. 2. Approche mono-objectif 64 Kbps 128 Kbps Le gradient des critères influence aussi la recherche 256 Kbps 27/10/2005 d. B Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 46

3. 2. l Approche mono-objectif Temps de traitement l l 27/10/2005 258 cartes de couverture l # 4 minutes Recherche tabou : l 1 itération : 1. 5 s l 715 itérations en moyenne l # 18 minutes Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 47

3. 2. l l l Recherche de plusieurs solutions Surface de compromis Dominance au sens de Pareto : l l l Approche multicritère Surface de compromis x domine y si : Front de Pareto Optimal FPT Front de Pareto Pratique FPP 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 48

3. 2. l Approche multicritère Heuristique tabou multicritère : l l 27/10/2005 Front de recherche Fc : K solutions courantes, K recherches tabou en parallèle, 1 liste tabou par solution, Obtention d’un Front de Pareto Pratique Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 49

3. 2. Approche multicritère Sélection des de rang de Pareto = 1 Pareto Pratique Débutà de : Front courant et Front Calcul du voisinage Front Courant. Mise jourl’itération du solutions Fronti du de Pareto Pratique FPTR de f 2 Fc V(Fc) FPT 27/10/2005 K = 3 solutions courantes, Rmax = 2 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil f 1 50

3. 2. Approche multicritère Sélection solutions Front R Courant Fc solutions de rang dedu Pareto =2 Mise à jourdes desnouvelles K listes tabou f 2 Fc 1 V(Fc) FPT 2 3 27/10/2005 K = 3 solutions courantes, Rmax = 2 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil f 1 51

3. 2. l Approche multicritère Convergence de FPP vers FPT. l l l 21 itérations, 87 secondes. finterf l Critères : fslope et finterf (h=0) Variables : positions 129 positions candidates, N = 3 AP 18 solutions non dominées 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil fslope 52

3. 2. l Optimisation de 3 critères : l l Approche multicritère fslope, finterf (h=2), fdébit (ds = 256 k, 200 nœuds), Rmax = 2 et K = 15, Front optimal pratique : 1202 solutions Sélection de q solutions dans le Front de Pareto pratique : l 27/10/2005 Critère de niche : Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 53

3. 2. Approche multicritère 1 itération : 7 minutes avec 38583 évaluations 6 FPP au bout fdebit de 500 itérations 0 0 0 finterf 27/10/2005 30 fslope Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 54

Plan 1. Introduction 1. 1. 2. Prédiction de couverture radio 2. 1. 2. 2. 3. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF Adaptation à la planification w. LAN. Stratégies de planification w. LAN 3. 1. 3. 2. 4. Le problème de planification w. LAN Modélisation du problème Heuristiques de planification Conclusions et perspectives 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 55

Conclusions 4. l Prédiction de couverture radio pour le w. LAN : l Mise en œuvre du modèle MR-FDPF dédié au problème w. LP : l l 27/10/2005 Modélisation complète des phénomènes de propagation. Temps de calcul faible (t < 1 s). Un processus de calibration automatique a été proposé. Les performances du modèle ont été validées par des mesures. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 56

4. l Conclusions Stratégies de planification : l l l Formulation discrète avec prise en compte la géométrie du bâtiment. Modélisation de plusieurs objectifs de planification. Proposition de deux heuristiques de résolution l l 27/10/2005 Monocritère tabou : rapide mais délicate à paramétrer. Multicritère tabou : propose un éventail de solutions réalisables mais plus longue. Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 57

4. l Perspectives Prédiction de couverture radio l l Validation pour d’autres environnements Amélioration de la calibration automatique Passage au 3 D Stratégies de planification l l l 27/10/2005 Validation expérimentale des critères Modification ‘à la volée’ des i de la recherche monocritère Amélioration du temps de traitement de la recherche multicritères Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 58

4. l Perspectives Gestion dynamique du réseau : l l l Adaptation des paramètres (puissance, fréquence) Ajout / suppression d’AP Les stratégies multicritères : l l w. LAN Ad hoc / réseaux de capteurs : l 27/10/2005 Plusieurs configurations des nœuds maîtres dans les réseaux de capteurs (maximisation de la durée de vie du réseau). Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 59

Publications Conférences Internationales. l [1] G. De La Roche, R. Rebeyrotte, K. Runser and J. -M. Gorce, "A new strategy for indoor propagation fast computation with MR-FDPF algorithm. " in IEEE IASTED (ARP), Banff, Alberta, Canada, July 2005. l [2] J. -M. Gorce and K. Runser, "Assessment of a frequency domain TLM like approach for 2 D simulation of Indoor propagation. " in IEEE IMACS, Paris, France, July 2005. l [3] K. Runser and J. -M. Gorce, "Assessment of a new indoor propagation prediction model based on a multi-resolution algorithm" in Proceedings of the IEEE VTC Spring 2005, Stockholm, Sweden, May 2005. l [4] K. Runser, E. Jullo and J. -M. Gorce, "Wireless LAN planning using the multi-resolution FDPF propagation model" in Proceedings of IEE ICAP, Exeter, UK, Vol. I, pp. 80 -83, April 2003. l [5] J. -M. Gorce, E. Jullo and K. Runser, "An adaptative multi-resolution algorithm for 2 D simulations of indoor propagation" in Proceedings of IEE ICAP, Exeter, UK, Vol. I, pp. 216 -219, April 2003. Best paper award on Propagation. Conférences Nationales. l [6] G. De La Roche, R. Rebeyrotte, K. Runser and J. -M. Gorce, "Prédiction de couverture radio pour les réseaux locaux sans-fil par une approche 2 D multi-résolution. " in Actes des 14èmes journées nationales micro-ondes, Mai 2005. l [7] K. Runser, P. Buhr, G. De La Roche and J. -M. Gorce, "Validation de la méthode de prédiction de couverture radio MR-FDPF" in Actes des 6 e Rencontres Francophones Algo. Tel 2004, Batz sur Mer, France, pp. 21 -26, Mai 2004. l [8]K. Runser, S. Ubeda and J. -M. Gorce, "Optimisation de réseaux locaux sans fils" in 5 e congrès de la Société Française de Recherche Opérationnelle et d'Aide à la Décision, Avignon, France, pp. 205 -251, February 2003. 27/10/2005 Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 60