Sureté de fonctionnement dans les WNCS Présenté par : Amine MECHRAOUI Directeur de thèse : M. Jean-Marc THIRIET Co-encadrante : Mme. Sylviane GENTIL JOURNEE ConecsSdF 24 Septembre 2009

PLAN Introduction Objectifs Le modèle cinématique et dynamique du robot L’intégration du réseau sans fil La stratégie de changement de station (Horizontal Handoff) Discussion d’une nouvelle stratégie d’aide à la décision et du diagnostic distribué Conclusion et perspectives Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Introduction Réseaux : Réseaux sans fils : Réseau sans fil Retard Gigues Pertes de paquets Déséquencement Réseaux sans fils : Mobilité Sensibilité Contrôleur Robot mobile Réseau sans fil Le travail menée ici rentre dans le cadre des systèmes commandés en réseau. Dans lequel on étudie un robot mobile qui communique avec une station via un réseau sans fil. La station fournie la vitesse linéaire et angulaire du robot et le robot envoie les mesures des différents capteurs. Cependant, assurer une QoC suffisante au robot n’est pas toujours garantie vue le comportement stochastique du réseau et les problèmes liés à ce comportement. En général les réseau que ce soir filaire ou sans fils introduisent des retards, des gigues, des pertes de paquets et un éventuel déséquencement. En plus de ça, les réseaux sans fils ajoutent d’autres problèmes : la mobilité, la sensibilité et l’instabilité. QoS QoC Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

La qualité de service (QoS) La QoS désigne la capacité à fournir un support de communication conforme aux exigences en matière de temps, de bande passante et aussi de garantir un niveau acceptable de pertes de paquets défini pour un usage défini. La QoS dépend essentiellement du : Débit Gigue Latence, délai ou temps de réponse Perte de paquets Déséquencement Avant tout, je vais définir quelque expressions utilisé le long de cet exposé. Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

La qualité de contrôle (QoC) La QoC désigne la capacité de garantir la stabilité, la performance et la robustesse d’un système. La qualité de control dépend de : La qualité de service du réseau L’algorithme de la commande La période d’échantillonnage Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Objectifs Zone couverte Zone non couverte Stratégie du Handoff On va étudier un scénario bien particulier qui est un environnement qui contient 3 stations avec un robot ou plus. Le robot peut être en vue d’une station, de deux station et dans ce cas le robot doit choisir la station qui lui garantie une QoS suffisante. Il peut aussi être en vue d’aucune station et dans ce cas il doit changer de contrôleur d’un controleur débarqué à un autre embarqué c’est ce que nous proposons. Et donc les objectifs de cette étude et de faire l’aide à la décision soit dans le cas de changement de station ou bien de changement de contrôleur et aussi diagnostiquer tout le système que ce soit le robot, la station ou le réseau. Réseau infrastructure Aide à la décision Diagnostic Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Modèle et commande d’un robot Modèle cinématique : Modèle dynamique : Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Modèle et commande d’un robot PI Calculs Capteurs Contrôleur Calculs PI [Toibero, 07] Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Simulations Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Intégration du réseau sans fil PI Calculs Capteurs Contrôleur Calculs Réseau sans fil PI Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Spécifications Réseau Wifi : Flux capteur : Flux contrôleur: 800000 bits/s Retry limit=0 Flux capteur : Guidé par le temps (Ts=30ms) Longueur de la trame 128 bits Retard > Ts, la trame est perdue Flux contrôleur: Guidé par les événements Trame pour calculer le retard Longueur 128bits Flux externe : Guidé par le temps (Te=30ms) Longueur de la trame variable 13/04/2017

Outil de simulation TrueTime : est un outil de simulation basé sur Matlab/Simulink pour la simulation des systèmes commandés en réseau en temps réel Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Simulations avec le réseau Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Stratégie du handover Zone couverte Zone non couverte S2 S1 S3 Autonome Réseau infrastructure Stratégie du Handover Switch de contrôleur Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Propositions Contrôleur débarqué : Contrôleur embarqué : Une station avec une bonne QoS : Sur-échantillonné Retry limit = 0 Deux stations ou plus : Horizontal Handoff (HHO) Contrôleur embarqué : Une station avec une mauvaise QoS Aucune station Contrôleur dégradé Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 15

La stratégie du Handoff Objectif : permettre à un véhicule mobile de changer de station tout en maintenant sa communication. Impact sur la QoS : Probabilité du rejet d’association; Probabilité d’interruption de communication; durée «d’interruption». Dégradation de la QoC Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

La stratégie du Handoff Les paramètres de la QoS considérés : RSSI Retard (D) La charge du réseau (NL) Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 17

La stratégie du Handoff To make a decision, the robot compute Network rating function Weighting function which enphasize the importance of each computing factor The normalised score of the interface NRF is between 0 and 1 We calculate NRFi and NRFj to choose the station that maximize the decision creteria Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 18

La stratégie du Handoff Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 19

Effet de la charge du réseau sur la QoC du robot 13/04/2017

Effet de la charge du réseau sur la QoC 13/04/2017

Simulations (Handover) The robot communicates first with S1, its continues its trajectory until the robot detects the second station. In this case, Khepera excutes the proposed algorithm and makes decision to change or not the station according to the proposed criterion. In this case, with NL=0 for each station, the handoff depends only on the distance between the robot and the station. The robot change the station only if the RSSI of the current station is poor S1 S2 S3 Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 22

Simulation(Handover) In this figures, The simulations is made under the assumption that the NLs1=0.8 and NLs2=0.2. In this case, the robot decides to change the station according to the RSSI of both stations and the network load which influence comparing with the first case the moment of changing the station. When the robot is out of range of all station, it keeps the last values of the angular and linear velocity which is not a good solution because it can result in an important error with respect to the reference and cause problemes especially in the case of obstacles. S1 S2 S3 Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 23

Switch de contrôleur On-board Off-board As the solution of this problem, we propose to switch to a degraded embedded controller to reduce computing and the energy consumption. As the robot moves outward towards another control station, the signal strength decreases. The low value of RSSI is sensed by the mobile robot, which then requests the station for an estimation of next way-point. The control station sends the trajectory information as well as broadcasts the “standby” message to all control stations in the infrastructure to minimize the time of connection of robot for the next cell. Thus, a PAN slot is reserved in advance for the coming robot as the trajectory is already estimated. The robot in this case choose or not to change its controller. This proposition permits to maintain a sufficient QoC despite a degradation of the QoS. Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 24

Propositions Utilisation des réseaux bayésiens pour : Aide à la décision (Handover) Diagnostic de la dégradation de la QoS et la QoC Pronostic de la dégradation de la QoS et QoC Pourquoi utiliser cet outil : L’aspect stochastique La dépendance Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 25

C’est quoi un RB? Un réseau bayésien est défini par : un graphe G : P(V1) V1 Un réseau bayésien est défini par : un graphe G : orienté acyclique, un espace probabilisé fini ( ,Z,P), un ensemble de variables aléatoires associées aux nœuds du graphe et définies sur ( ,Z,P), tel que : P(V3|V1) P(V2|V1) V3 V2 V4 P(V4|V1,V2) V5 P(V5|V4) Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 26

Théorie des probabilités Modélisation Théorie des probabilités Théorie des graphes Réseaux bayésiens Probabilité A posteriori V1 V2 V3 V4 V5 P(V1) V1 V2 V3 P(V3|V1) P(V2|V1) V4 V5 Normal Dégradé … P(V4|V2,V3) Journée ConecsSdF P(V5|V4) 13/04/2017 13/04/2017 27

Calcul de probabilités a posteriori P(V1) Théorème de Bayes : V1 P(V3|V1) P(V2|V1) V2 V3 Loi marginale : V4 P(V4|V2,V3) Loi jointe : V5 P(V5|V4) Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 28

Diagnostic Aide à la décision Pronostic Réseau bayésien local PMoteur Probabilités a priori pour le prochain cycle Probabilités a posteriori Réseau bayésien local Nouvelles évidences Apprentissage Rassemblement des données Nouvelles observations Application Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Communication sans fil Diagnostic Décision Pronostic Probabilités a priori pour le prochain cycle PMoteur Probabilités a posteriori Réseau bayésien local Nouvelles évidences Rassemblement des données Station Nouvelles observations Probabilités marginales a priori Communication sans fil Probabilités a priori pour le prochain cycle PMoteur Probabilités a priori pour le prochain cycle PMoteur Probabilités a priori pour le prochain cycle PMoteur Probabilités a posteriori Probabilités a posteriori Probabilités a posteriori Réseau bayésien local Réseau bayésien local Réseau bayésien local … Nouvelles évidences Nouvelles évidences Nouvelles évidences Rassemblement des données Rassemblement des données Rassemblement des données Nouvelles observations Nouvelles observations Nouvelles observations Robot 1 Robot 2 Robot i Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 30/32

N P(QoSi) … P(QoSs) Station Robot i Journée ConecsSdF 13/04/2017

Etape quatitative Hypothèse : 40%<pertes<60% QoS=Bonne 1 Dégradé mauvaise Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 32

L’effet de pertes de paquets sur la QoC Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 33

L’effet de pertes de paquets sur la QoC QoS=Bonne QoS=dégradé QoS=mauvaise QoC=Bonne 1 0.75 QoC=dégradé 0,125 QoC=mauvaise Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017 34

Conclusion Stratégie de changement de station (Handover) et switch entre contrôleurs Etude de l’effet de la charge du réseau sur la QoC Etude de l’effet des pertes de paquets sur la QoS et la QoC Utilisation des RB comme outils pour l’aide à la décision et le diagnostic distribué. Journée ConecsSdF 13/04/2017 13/04/2017

Perspectives Déterminer toutes les probabilités a priori en étudiant statistiquement le système réel ou en utilisant des outils de simulation. Prévoir la dégradation de QoC et QoS (pronostic) en utilisant les DRB distribué. Implémenter la stratégie de l’aide à la décision, diagnostic distribué et pronostic distribué sur le système réel. 13/04/2017 13/04/2017

MERCI ! 13/04/2017 13/04/2017 37/32