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Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil. Katia Runser Laboratoire CITI - INSA de Lyon Projet ARES – INRIA Directeurs de thèse :

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1 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, MdC., INSA de Lyon Stéphane Ubéda, Pr., INSA de Lyon

2 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 2 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF adaptative 2.2. Adaptation à la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème 3.2. Heuristiques de planification 4. Conclusions et perspectives

3 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Le problème wLP (wLAN Planning) Réseaux locaux sans-fil (wLAN) en mode infrastructure. Point daccès (AP) Point daccès (AP) LAN Recherche de la Configuration des AP pour obtenir une Qualité de Service donnée.

4 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Le problème wLP (wLAN Planning) Configuration des AP Le nombre N Pour chaque AP k : La position p k =(x, y, z), La puissance démission P k E, Le type dantenne t k, La direction démission k, Services Accès au réseau La couverture radio Limiter les interférences Garantir un débit minimal Améliorer les performances dun système de localisation, de VoIP, …

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

6 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 6 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF 2.2. Adaptation à la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème 3.2. Heuristiques de planification Conclusions 4. Conclusions et perspectives

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

8 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Fourier Domain ParFlow Gorce et Ubéda. [ 2001, IEEE VTC ] Time Domain ParFlow O(N 3 ) modèle discret de résolution dr. Domaine fréquentiel : prédictions de létat stationnaire à la fréquence Un grand système linéaire à résoudre. Comment ? Inversion directe : Non abordable pour de grands environnements O(N 6 ) Résolution itérative : O(N 3 ) i,ji,j+1i,j-1 i+1,j fEfE fWfW fNfN fSfS N pixels

9 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Le concept Multi-Resolution Un MR-Bloc : Surface : Rectangle de N X. N Y pixels Un jeu de flux entrant

10 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 10 Un MR-Bloc : Surface : Rectangle de N X. N Y pixels Un jeu de flux entrant Un jeu de flux sortant Une matrice de propagation A Si N X = N Y = 1 pixel Pixel du modèle ParFlow 2.1. Le concept Multi-Resolution ?

11 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 11 Un MR-bloc : Peut être fusionné à un autre MR-bloc : Où A est calculé à partir de B et C 2.1. Le concept Multi-Resolution

12 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Le concept Multi-Resolution Pixels MR-blocs 2x1 MR-blocs 2x2 Phase de prétraitement Calcul des N A partir des pixels ParFlow Pyramide des MR-blocs : N pour chaque MR-bloc Complexité en O(N 3 ) Indépendant de la position de la source MR-blocs 4x2

13 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 13 Phase de propagation : Si B est une source, on calcule la source A en fusionnant B et C Calcul et sauvegarde des flux internes à A Flux Internes 2.1. Le concept Multi-Resolution

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

15 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 15 Phase de propagation : Décomposition dun MR-bloc Calcul des flux entrant sur B et C à partir : des flux internes, de B et C 2.1. Le concept Multi-Resolution

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

17 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Couverture à 2.4 GHz Contrainte : dr << dr ~ 2cm à 2.4 GHz Pour un étage de 92.6 x 23 m, on obtient : Un environnement de 4630 x 1150 pixels 53 min. de prétraitement 18 s. de propagation à 2cm. (PC CPU à 3.4 GHz et 3 Go RAM)

18 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 18 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF 2.2. Adaptation à la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème 3.2. Heuristiques de planification 4. Conclusions et perspectives

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

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

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

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

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

24 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 24 Simulation : 10s Simulation : 0.5s Prétraitement : 28s Fréquence : 480 MHz dr : 10 cm CPU : 2.4GHz – 1Go RAM Couverture résolution 10 * 10 cm Couverture blocs homogènes

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

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

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

28 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Jeu de mesures Bâtiment : 30 x 80 mètres, 3 matériaux Mesures : 6 APs – IEEE b, 2.4 GHz 199 points de mesure par AP 300 échantillons par point Simulations : Fréquence = 480 MHz Pas dr = 10 cm Carte de couverture à la résolution de 60 x 60 cm BétonCloison Verre

29 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Résultats de calibration Modélisation à 1 et 2 matériaux Recherche exhaustive Facteurs datténuation : = 1.0 pour chaque matériau murs fins / dr Modélisation à 3 matériaux Calibration automatique (DIRECT) Indices de réfraction : EQM : Q = 5.3 dB BétonCloisonVerre n = 5.4n = 2.4n = 1.3

30 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Validation des simulations Environnements : CITI2: 40 mesures 3 AP Building G: 15 mesures 1 AP BuildingG

31 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Bilan Modèle de prédiction adapté à la planification wLAN : Réduction du temps de Prétraitement de 53 minutes à 18 secondes Propagation de 18 secondes à 0.5 seconde Bonne précision avec 5 à 6 dB dEQM Phase de calibration basée sur des mesures réelles.

32 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 32 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF adaptative 2.2. Adaptation à la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème 3.2. Heuristiques de planification 4. Conclusions et perspectives

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

34 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Modélisation : variables 267 positions candidates A min = 3x3 m A max = 9x9 m Blocs à lintérieur du bâtiment 2336 blocs homogènes

35 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Modélisation : couvertures Cartes de couverture : Liste des blocs homogènes à couvrir { B l, l [1..N c ] } F l k : Puissance reçue au bloc B l de lAP k F l BS : Puissance du signal le plus fort (Best Server) au bloc B l

36 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Modélisation : critères Forme générique des critères définis : Avec : fmes l la fonction de mesure associée au bloc B l. l = A l / A tot le pourcentage de la surface totale du bloc B l P x

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

38 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Modélisation : critères Couverture à seuil progressif f slope : Pénalise les blocs mal couverts fmes l : sapplique à F l BS S m = Seuil à 1Mbps S M = Seuil à 11Mbps / 54 Mbps

39 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Modélisation : critères Critère dinterférences f interf. Minimiser le recouvrement entre les zones de service Favorise lallocation des canaux, Répartition des signaux reçus au bloc B l [thèse Jedidi 04] : h signaux utiles, les signaux interférents supérieurs au seuil de bruit S m Pénaliser les blocs où linterférent le plus fort est plus puissant que le bruit en réception. A utiliser avec un critère de couverture : N optimal.

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

41 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 41 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF 2.2. Adaptation pour la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème : variables et critères 3.2. Heuristiques de planification 4. Résultats et perspectives

42 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Heuristiques Problème wLP : problème Multicritère. Algorithme mono-objectif + Fonction de coût f agr agrégée Algorithme multiobjectif Une solution unique + Choix des coefficients de f agr a priori Plusieurs solutions + Sélection dune solution a posteriori Heuristique tabou mono-objectifHeuristique tabou multiobjectif

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

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

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

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

47 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche mono-objectif Temps de traitement 258 cartes de couverture # 4 minutes Recherche tabou : 1 itération : 1.5 s 715 itérations en moyenne # 18 minutes

48 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère Recherche de plusieurs solutions Surface de compromis Dominance au sens de Pareto : x domine y si : Front de Pareto Optimal F PT Front de Pareto Pratique F PP Surface de compromis

49 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère Heuristique tabou multicritère : Front de recherche F c : K solutions courantes, K recherches tabou en parallèle, 1 liste tabou par solution, Obtention dun Front de Pareto Pratique

50 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère FcFc V(F c ) K = 3 solutions courantes, R max = 2 F PT f2f2 f1f1 Début de litération i : Front courant et Front de Pareto PratiqueCalcul du voisinage du Front Courant. Mise à jour du Front de Pareto Pratique F PT Sélection des solutions de rang de Pareto R = 1

51 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère f2f2 f1f1 FcFc V(F c ) K = 3 solutions courantes, R max = 2 F PT Sélection des nouvelles solutions du Front Courant F c Mise à jour des K listes tabou Sélection des solutions de rang de Pareto R = 2

52 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère Convergence de F PP vers F PT. Critères : f slope et f interf (h=0) Variables : positions 129 positions candidates, N = 3 AP 18 solutions non dominées 21 itérations, 87 secondes. f interf f slope

53 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère Optimisation de 3 critères : f slope, f interf (h=2), f débit (d s = 256k, 200 nœuds), R max = 2 et K = 15, Front optimal pratique : 1202 solutions Sélection de q solutions dans le Front de Pareto pratique : Critère de niche :

54 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil Approche multicritère f debit f slope f interf itération : 7 minutes avec évaluations F PP au bout de 500 itérations

55 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 55 Plan 1. Introduction 1.1. Le problème de planification wLAN 2. Prédiction de couverture radio 2.1. Méthode de prédiction Multi-Résolution FDPF 2.2. Adaptation à la planification wLAN. 3. Stratégies de planification wLAN 3.1. Modélisation du problème 3.2. Heuristiques de planification 4. Conclusions et perspectives

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

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

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

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

60 27/10/2005Méthodologies pour la planification de réseaux locaux sans-fil 60 Publications Conférences Internationales. [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 [2] J.-M. Gorce and K. Runser, "Assessment of a frequency domain TLM like approach for 2D simulation of Indoor propagation." in IEEE IMACS, Paris, France, July [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 [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 [5] J.-M. Gorce, E. Jullo and K. Runser, "An adaptative multi-resolution algorithm for 2D simulations of indoor propagation" in Proceedings of IEE ICAP, Exeter, UK, Vol. I, pp , April Best paper award on Propagation. Conférences Nationales. [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 2D multi-résolution." in Actes des 14èmes journées nationales micro-ondes, Mai [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 6e Rencontres Francophones AlgoTel 2004, Batz sur Mer, France, pp , Mai [8]K. Runser, S. Ubeda and J.-M. Gorce, "Optimisation de réseaux locaux sans fils" in 5e congrès de la Société Française de Recherche Opérationnelle et d'Aide à la Décision, Avignon, France, pp , February 2003.


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