Mod lisation avec la Logique Floue,
cas de mod lisation dun algorithme
de Handover avec Wimax
Ing nierie des protocoles
Master 1 RT
1
Introduction Logique Floue
" La logique floue peut tre vue comme une th orie qui fait
face lincertitude des syst mes complexes, et comme une
th orie approximative.
" Elle a comme objectif de d velopper des m thodes qui
la r solution des
la r solution des
peuvent effectuer le raisonnement et
peuvent effectuer le raisonnement et
probl mes qui requi rent de lintelligence humaine.
" Elle permet aussi dexplorer une proc dure efficace entre la
pr cision et le co t de l laboration dun mod le approch
dun syst me complexe.
2
Syst me dinf rence floue
" Linf rence est le processus qui conduit des conclusions
partir dun ensemble de faits en utilisant un ensemble de
r gles.
" Le syst me dinf rence floue est un cadre de calcul fond sur
le concepts de la th orie des ensembles flous : les r gles Si-
le concepts de la th orie des ensembles flous : les r gles Si-
alors et raisonnement flou.
" Deux types de syst mes dinf rence floue peuvent tre mis en
Suvre : le type Mamdani et le type Sugeno. Les diff rences
entre ces deux syst mes dinf rence floue se trouvent dans
les cons quents de leurs r gles floues.
" Un syst me dinf rence floue Mamdani est compos des blocs
fonctionnels suivants :
3
Syst me dinf rence floue
4
Syst me dinf rence floue
5
Syst me dinf rence floue
6
Syst me dinf rence floue
7
Syst me dinf rence floue
8
Wimax Mobile / IEEE 802.16e
802.16
" Le Wimax mobile est une extension du standard IEEE 802.16.
"
les
r seau
IEEE
m tropolitain radio (WMAN) qui offre une large bande
passante permettant des d bits lev s et qui utilise des
techniques avanc es pour couvrir de langues distances.
techniques avanc es pour couvrir de langues distances
sp cifications
d finit
dun
" La version 802.16e inclut les sp cifications de la mobilit pour
des terminaux mobiles (comme la GSM et lUMTS), mais avec
des sp cificit s de passage par le r seau IP.
Il g re tout type de trafic gr ce sa flexibilit justifi e par ses
3 couches MAC (s curit , commune MAC, convergence) et
son utilisation du protocole IP.
"
9
Wimax Mobile / IEEE 802.16e
" Le Wimax mobile d finit 2 m canismes pour le Handover de
(pas de
niveau 2 : Hard Handover et Soft Handover
changement dadresse IP).
Il d finit plusieurs classes de services pour g rer la QoS entre
terminaux en classant chaque trafic par son type
terminaux en classant chaque trafic par son type.
Il utilise le protocole CMIP (Client Mobile IP) and PMIP (Proxy
Mobile IP) dans le cas du Handover de niveau 3 (changement
dadresse IP courante).
"
"
" Larchitecture du Wimax mobile est compos e :
- Stations mobiles qui communiquent librement (voir radio)
avec les stations de base (BS) qui jouent le r le de points
relais avec linfrastructure terrestre du r seau IP.
10
Wimax Mobile / IEEE 802.16e
Les
sont
pour
dacc s
de
g rent
r seau
leur
l ment
connect s
appel ASN-GW qui
BSs
-
(passerelle/Gateway)
connexion avec le r seau IP.
- Le NAP (Network Access Provider) est lentit qui fournit
plusieurs
radio
linfrastructure
fournisseurs de services r seaux. Elle peut contr ler un ou
plusieurs ASN (Access Service Network) qui est lespace
r seau compos de 1 ou plusieurs BSs et 1 ou plusieurs ASN-
GW.
- Le NSP (Network Service Provider) est lentit qui fournit la
connectivit IP et les services r seaux aux abonn s. Il contr le
1 ou plusieurs CSN (Connectivity Service Network) qui est le
cSur du r seau Wimax.
un
ou
11
Wimax Mobile / IEEE 802.16e
12
Handover
" D finition : le Handover ou le transfert intercellulaire est
l'ensemble des fonctions et des op rations mises en Suvre
entre une ou plusieurs stations de service et une station
mobile, pour permettre cette derni re de changer de cellule
et de b n ficier des services dune autre cellule au lieu de
lancienne.
La station mobile aura la possibilit de continuer
sa
communication en cours avec un minimum dinterruption,
sachant que les deux cellules impliqu es sont g r es par un
ou plusieurs r seaux.
13
Handover
" Le Hanover intervient dans trois cas :
- Une station mobile en mouvement passe dune cellule une
autre.
- Une indisponibilit signal e par la station de service.
- Beaucoup dinterf rences entre les stations mobiles dans
les stations mobiles dans
une m me cellule.
Beaucoup dinterf rences
Publicité
14
Handover
" Les types de Handover sont :
- Handover horizontal : entre deux cellules g r es par la
m me technologie (par exemple entre deux cellules WiMAX),
il est divis son tour en deux types :
+ Handover intra-domaine : entre deux cellules du m me
domaine r seau (par exemple entre deux cellules WiMAX
couvertes par deux stations de base g r es par la m me
passerelle ASN-GW).
+ Handover
inter-domaine : entre deux cellules de
domaines diff rents mais de la m me technologie (par
exemple entre deux cellules WiMAX couvertes par deux
stations de base g r es par deux passerelles ASN-GW
diff rentes).
15
Handover
- Handover diagonal : entre deux cellules g r es par deux
technologies propos es par le m me organisme (par exemple
entre IEEE 802.11 et IEEE 802.16 ou encore entre 3GPP-UMTS
et 3GPP-HSDPA).
- Handover vertical : entre deux cellules g r es par diff rentes
- Handover vertical : entre deux cellules g r es par diff rentes
technologies (par exemple entre WiMAX et UMTS).
16
Handover niveau 2 et niveau 3 dans le Wimax
mobile
" 2 types de protocoles de Handover de niveau 2 :
- Hard Handover appliqu dans le cas dune faible vitesse.
+ utilise le m canisme de break-before-make : interruption
de la connexion avec lancienne BS avant la connexion avec la
nouvelle BS.
nouvelle BS
- Soft Handover appliqu dans le cas dune grande vitesse.
+ utilise le m canisme de make-before-break : tablissement
de la connexion avec la nouvelle BS avant linterruption avec
lancienne BS.
17
Hard Handover
18
Soft Handover
19
Handover niveau 2 et niveau 3 dans le Wimax
mobile
" 2 types de protocoles de Handover de niveau 3 :
- CMIP: extension du protocole IP pour permettre la mobilit .
+ Permet lutilisateur de senregistrer dans un r seau
tranger et de se connecter par le biais de son r seau m re
via une combinaison de FA (Foreign Agent) et de HA (Home
via une combinaison de FA (Foreign Agent) et de HA (Home
Agent).
- PMIP : version am lior e de CMIP
+ Le protocole MIP est embarqu dans la station mobile, ce
qui provoque plus de complexit au niveau de cette derni re.
+ MIP est incompatible avec IP-sec sur lequel reposent les
passerelles VPN (Virtual Private Network) et les passerelles
NAT (Network Address Translator).
20
Handover niveau 2 et niveau 3 dans le Wimax
mobile
- PMIP : version am lior e de CMIP
introduit une entit fonctionnelle appel e Proxy MIP
+ Il
pour aider MIP traverser les passerelles VPN et NAT et pour
diminuer la complexit au niveau de la station mobile.
+ Le Proxy est install entre la station mobile et son
+ Le Proxy est install entre la station mobile et son
correspondant HA et joue le r le dinterm diaire entre les
deux.
21
CMIP
22
PMIP
23
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" La mobilit de niveau transport est propos e comme un
concurrent de la mobilit de niveau r seau pour mieux
supporter lint gration des services.
" La gestion de la mobilit dans le niveau transport est prise en
charge exclusivement par le protocole SCTP (Stream Control
charge exclusivement par le protocole SCTP (Stream Control
Transmission Protocol) et son extension DAR (Dynamic
Address Reconfiguration). SCTP tendu avec DAR constituent
le protocole MSCTP (Mobile SCTP).
" MSCTP est propos dans le but d viter les interruptions des
services observ es avec TCP et UDP pendant le changement
de ladresse IP par le mobile. Cest un protocole de niveau
transport similaire TCP (Transmission Control Protocol).
24
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" La diff rence majeure avec TCP est le Multi-homing. Il g re
plusieurs adresses IP au niveau des terminaux en conservant
la connexion point point intacte.
25
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" Fonctionnement du protocole MSCTP :
le terminal mobile
- Au d but, dans son r seau m re,
implantant le protocole MSCTP, choisit une seule adresse IP
comme adresse primaire utilis e pour l change des messages
avec un correspondant. Les autres adresses IP que poss de le
mobile sont utilis es seulement pour les retransmissions.
- Durant une communication entre une MS et
son
son
Durant une communication entre une MS et
correspondant localis dans un r seau externe. Au cours du
d placement de la MS du r seau m re vers un r seau
tranger, et en passant par la zone de Handover (dans le
d but de la zone de couverture du r seau tranger), le mobile
re oit une adresse IP du r seau tranger soit par le contact
dun serveur DHCP existant dans ce r seau, ou par la
configuration automatique de ladresse IPv4. Il poursuit sa
communication avec son correspondant via son r seau m re.
26
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" Fonctionnement du protocole MSCTP :
est devenue
- La station mobile est maintenant capable d tablir la liaison
avec son correspondant en utilisant sa deuxi me adresse IP.
son r seau de
accessible depuis
Elle
rattachement et le r seau tranger dans lequel elle a eu sa
deuxi me adresse IP.
- Ensuite, le mobile envoie son correspondant via son r seau
m re sa deuxi me adresse IP pour
linformer de son
existence. Le correspondant ajoute la nouvelle adresse IP la
liste des identifiants de la connexion avec la station mobile et
r pond avec un acquittement
sa
communication avec son correspondant via son r seau m re).
(le mobile poursuit
27
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" Fonctionnement du protocole MSCTP :
- Puis, quand le mobile commence quitter la zone de
couverture de son r seau domicile ( la fin de la zone de
couverture du r seau domicile dans la zone du Handover o
Publicité
le service du r seau tranger devient meilleur que celui du
r seau domicile), il notifie son correspondant dassigner la
nouvelle adresse IP (la deuxi me) comme adresse IP primaire
la place de la premi re, ce que le correspondant lapprouve
en r pondant avec un acquittement, et la nouvelle adresse IP
devient ladresse de communication de base de la station
mobile.
correspondant dassigner
28
Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
" Fonctionnement du protocole MSCTP :
- A partir de ce moment, le mobile et son correspondant
changent tous leurs messages travers le r seau tranger et
plus via le r seau domicile.
- Et finalement, quand le mobile quitte d finitivement la zone
de couverture du r seau domicile vers la zone de couverture
de couverture du r seau domicile vers la zone de couverture
du r seau tranger (apr s la zone de Handover), il informe
son correspondant de supprimer la premi re adresse IP de
lassociation ce que le correspondant confirme avec un
acquittement. Il poursuit alors sa communication avec son
correspondant travers le r seau tranger.
29
Algorithme d cisionnel fond sur la logique
floue
" Un algorithme de Handover doit tre capable de prendre la
d cision finale du Handover en se r f rant des param tres
dentr e.
"
" Nous tudions dans cette section un algorithme adaptatif
multi-crit res multi-attributs pour la d cision du Handover.
Il int gre la logique floue
Il int gre la logique floue en raison de la capacit inh rente de
raison de la capacit inh rente de
cette m thode de mod lisation r soudre des probl mes
pr sentant l'impr cision et le fait que de nombreux termes
utilis s pour d crire les signaux radio sont flous par nature.
" L'algorithme donne aux utilisateurs la possibilit d'influencer
le r sultat du Handover en sp cifiant les pr f rences des
utilisateurs telles que : les pr f rences des usagers du r seau
sans fil et la QoS requise.
30
Param tres dentr e
" Plusieurs param tres dentr e sont d finis dans ce travail, ils
sont divis s en deux classes : les attributs et les crit res.
" Les attributs :
- Type de Handover : cest le type de Handover qui sera
ex cut par la station mobile lors de son passage entre deux
cellules WiMAX Le type peut tre de niveau 3 (changement
cellules WiMAX. Le type peut tre de niveau 3 (changement
dadresse IP) ou de niveau 2 (pas de changement de ladresse
IP).
- Type de Trafic : cest le type de trafic chang entre une
station mobile et sa correspondante pendant le Handover.
Dans ce travail nous avons consid r 3 types de trafic : Vid o,
VoIP et Data.
31
Param tres dentr e
" Les crit res :
- Meilleur signal re u : avant le processus du Handover, la MS
va d tecter un ou plusieurs signaux provenant des BSs situ es
en voisinage. Le signal le plus puissant re u est le meilleur
choisi par le mobile.
Charge de la station de base cest le taux doccupation de
- Charge de la station de base : cest le taux doccupation de
ressources appartenant la station de base candidate durant
le Handover.
- Timer : il est int gr dans la MS. Son r le est daccorder un
certain temps au mobile pour quil puisse r essayer de se
reconnecter une BS apr s sa premi re tentative de
connexion n gative qui indique que la BS est occup e.
32
Param tres dentr e
" Les crit res :
- Vitesse : cest la vitesse de la MS en d placement durant le
Handover.
- Autre signal re u et autre charge de BS : dans le cas o le
type de Handover entre les deux cellules est de niveau 2, la
vitesse du mobile
vitesse du mobile en d placement est lev e, et le trafic est
d placement est lev e, et le trafic est
sensible au d lai. Nous d cidons dutiliser, ce moment l , le
m canisme FBSS durant le Handover. Gr ce ce m canisme,
le mobile peut se connecter avec plusieurs stations de base en
m me temps. Donc les deux param tres : autre signal re u et
autre charge de BS, seront ceux de ces stations de base
ajout es dans le Diversity Set.
33
Algorithme propos
34
Algorithme propos
" Au d but, quand la MS va ex cuter un Handover, elle mesure
dabord les puissances des signaux re us (RSS) des BSs
voisines, et choisit la BS ayant le meilleur RSS. Si le niveau du
le mobile va
meilleur signal choisi nest pas acceptable,
le niveau du
reprendre les mesures des signaux. Sinon, si
signal est acceptable, nous allons v rifier le type de Handover,
signal est acceptable, nous allons v rifier le type de Handover,
ensuite le type de trafic utilis , et enfin la charge de la BS.
35
Algorithme propos
" Si le pourcentage de la charge de la BS nest pas acceptable,
alors un Timer sera d clench pour permettre la MS de re-
v rifier la disponibilit de la BS. Si le Timer expire et que la BS
nest toujours pas disponible, la MS va proc der de nouveau
la premi re tape de la mesure des signaux. Sinon, si la BS
sera disponible avant lexpiration du Timer ou m me avant
sera disponible avant lexpiration du Timer ou m me avant
son d clenchement, nous passerons l tape suivante de
lalgorithme : d couverte du type de Handover.
36
Algorithme propos
"
Lors de l tape de d couverte du type de Handover, si le choix
de niveau 3, alors apr s la
est fix sur un Handover
v rification de la charge de la BS,
la MS peut d cider
dex cuter le Handover avec le protocole PMIP ou MSCTP.
Mais si le choix sest fix sur un Handover de niveau 2 et que
la charge de la BS est acceptable, nous allons, en plus, v rifier
la vitesse du mobile Si la vitesse est faible, ou le type de trafic
la vitesse du mobile. Si la vitesse est faible, ou le type de trafic
est Data, alors nous d ciderons dex cuter le Hard Handover.
En revanche, si la vitesse est lev e et que le trafic est de type
vid o ou VoIP, alors la MS va mesurer la RSS et la charge des
BSs
sont
acceptables, nous d ciderons dappliquer le FBSS entre les BSs
concern es par le Handover.
ces deux derni res m triques
voisines.
Si
37
Fuzzification
" L tape de fuzzification transforme les valeurs dentr e en
degr s
dappartenance,
Publicité
en
de
et
fonctions
noms
dappartenance dans les fonctions.
" Les crit res dentr e: RSS, charge de BS, Timer, et vitesse, sont
fuzzifi s en utilisant les fonctions dappartenance pr d finies.
" Chaque fonction dappartenance est assign e plusieurs
Chaque fonction dappartenance est assign e plusieurs
ensembles flous, par exemple les valeurs de la fonction
vitesse consistent aux
: Elev ,
termes
sont mis en
Moyen et Faible . Ces ensembles
dappartenance
fonctions
des
avec
correspondance
gaussiennes correspondantes.
linguistiques
38
Fuzzification
" Pour la variable RSS, nous allons d finir trois fonctions
dappartenance pour les couvertures de rayon respectivement
gal 1, 3 et 10 km, et chacune des fonctions est assign e
trois ensembles flous.
" Pour le trafic, nous utilisons trois types, donc pour la variable
charge de BS, nous d finissons trois fonctions dappartenance
charge de BS, nous d finissons trois fonctions dappartenance
pour les trois types, avec trois ensembles flous pour chaque
fonction.
" Ensuite pour la variable Timer nous d finissons une seule
fonction dappartenance attribu e deux ensembles flous.
" Enfin pour la variable vitesse nous d finissons une seule
fonction dappartenance.
39
Fuzzification
Fonctions dappartenance RSS pour un rayon de couverture de BS = 1 , 3 et 10 km
40
Fuzzification
Fonctions dappartenance charge de BS pour les trafics: Vid o, VoIP et Data
41
Fuzzification
Fonctions dappartenance Timer et Vitesse
42
Fonctions dappartenance en ensembles flous
Nom de
fonction
Limites de
la variable
Limites de
lensemble flou
Elev
Maximum
dappartenance
Elev
Limites
de Moyen
Max app
Moyen
Limites
de Faible
Max app
Faible
RSS en dBm
(1 km)
entre -150 et -60
entre -110
et -60
entre -90
et -60
entre -120 et -90
entre -110 et -
100
entre -150 et -
110
entre -150 et -
130
RSS en dBm
(3 km)
entre -170 et -80
entre -130
et -80
entre -110
et -80
entre -140 et -
110
entre -130 et -
120
entre -170 et -
130
entre -170 et -
150
RSS en dBm
(10 km)
entre -190 et -
100
entre -150
et -100
entre -130
et -100
entre -160 et -
130
entre -150 et -
140
entre -190 et -
150
entre -190 et -
170
Charge BS en
% (vid o)
entre 50
et 100
Charge BS en
% (VoIP)
entre 50
et 100
Charge BS en
% (Data)
entre 50
et 100
Timer
en sec
Vitesse en
km/h
entre 0
et 6
entre 0
et 130
entre 80
et 100
entre 85
et 100
entre 90
et 100
entre 85 et 100
entre 90 et 100
Publicité
entre 95 et 100
entre 65
et 85
entre 70
et 90
entre 75
et 95
entre 75
et 80
entre 80
et 85
entre 85
et 90
entre 2 et 6
entre 3 et 6
entre 60
et 130
entre 80 et 110
entre 30 et 80
entre 50 et 60
entre 50
et 70
entre 50
et 75
entre 50
et 80
entre 0
et 3
entre 0
et 50
entre 50
et 65
entre 50
et 70
entre 50
et 75
entre 0
et 2
entre 0
et 30
43
Evaluation des r gles
" Les valeurs dentr e fuzzifi es sont utilis es pour valuer les
r gles et obtenir la d cision du Handover flou (Fuzzy Handover
Decision : FHD).
" Puisque nous avons huit param tres dentr e r partis comme
suit : six avec trois ensembles flous pour chacun, et deux (type
de Handover et Timer) avec deux ensembles flous pour chacun,
de Handover et Timer) avec deux ensembles flous pour chacun,
alors le nombre maximal possible des r gles dans notre base
des r gles sera : 3 puiss 6 + 2 puiss 2 = 729 + 4 = 733.
44
R gles dinf rence
45
R gles dinf rence
46
R gles dinf rence
47
R gles dinf rence
48
R gles dinf rence
49
D fuzzification
50
Exemple pratique
" L tape de fuzzification transforme les valeurs dentr e en noms
des fonctions dappartenance et en degr s dappartenance
dans les fonctions.
" Par exemple, lors du d placement dune MS qui va effectuer un
Handover ; un moment donn elle est localis e dans une
cellule dun rayon de couverture gal 3 km ; et le meilleur RSS
quelle d tecte avant le Handover est gal -125 dBm.
" En se r f rant la Fonction dappartenance RSS pour un rayon
de couverture de BS = 3 km), la valeur -125 dBm correspond
lensemble dappartenance Elev avec un degr = 0.25, et
correspond aussi lensemble dappartenance Moyen avec
un degr = 1. Ensuite, par exemple, la MS va effectuer un
Handover de niveau 2, et elle est en train d changer un trafic
de type vid o.
51
Exemple pratique
" Supposant aussi que la charge de la BS choisie pour le
Handover est de 81% ; donc en se r f rant la figure 51
(Fonction dappartenance charge de BS pour le trafic Vid o), la
valeur 81% va correspondre lensemble dappartenance
Elev avec un degr = 0.1, et va correspondre aussi
lensemble dappartenance Moyen avec un degr = 0.9.
lensemble dappartenance Moyen avec un degr = 0.9.
" Nous proposons aussi quau moment du Handover, la vitesse
du mobile sera gale 65 km/h. En se r f rant la figure
Fonction dappartenance Vitesse,
la vitesse choisie va
correspondre lensemble dappartenance Elev avec un
degr = 0.3, et va correspondre lensemble dappartenance
Moyen avec un degr = 0.7.
52
Exemple pratique
" A ce stade l , le m canisme qui sera normalement appliqu
durant le Handover sera le FBSS. Apr s le Handover, la MS va
mesurer dautres signaux des BSs voisines ; et supposant
quelle a d tect un signal acceptable gal 120 dBm dune BS
couvrant une cellule de 10 km de rayon ; dans ce cas en se
r f rant la figure 50 (Fonction dappartenance RSS pour un
r f rant la figure 50 (Fonction dappartenance RSS pour un
rayon de couverture de BS = 10 km), la valeur du signal va
correspondre lensemble dappartenance Elev avec un
degr = 1. Et finalement la charge de lautre BS = 90% ; en se
r f rant la figure 51 (Fonction dappartenance charge de BS
pour
la valeur 90% va correspondre
lensemble dappartenance Elev avec un degr = 1.
le trafic Vid o),
53
Exemple pratique
" Donc la partie qui suit, nous allons passer l tape d valuation
des r gles ; et pour cela nous allons appliquer les r gles
dinf rence sur la combinaison des variables dentr e que nous
venons de pr senter en fonction de leurs
fonctions
dappartenance, pour pouvoir obtenir des r sultats en sortie.
54
Exemple pratique
55
Exemple pratique
" Nous allons maintenant exposer toutes les combinaisons
possibles de chaque entr e avec la fonction dappartenance
correspondante, et comparer chaque combinaison obtenue
avec la table des r gles pour obtenir la FHD ; et le degr
correspondant sera le minimum des degr s dappartenance
correspondants (Dans la suite E sera labr viation de Elev et
correspondants (Dans la suite E sera labr viation de Elev et
M sera labr viation de Moyen ).
56
Exemple pratique
57
Exemple pratique
58
Exemple pratique
59