Modélisation avec la Logique Floue, cas de modélisation d’un algorithme de Handover avec Wimax
Ingénierie des protocoles Master 1 RT
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Introduction Logique Floue
• La logique floue peut être vue comme une théorie qui fait face à l’incertitude des systèmes complexes, et comme une théorie approximative.
• Elle a comme objectif de développer des méthodes qui la résolution des la résolution des
peuvent effectuer le raisonnement et peuvent effectuer le raisonnement et problèmes qui requièrent de l’intelligence humaine.
• Elle permet aussi d’explorer une procédure efficace entre la précision et le coût de l’élaboration d’un modèle approché d’un système complexe.
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Système d’inférence floue
• L’inférence est le processus qui conduit à des conclusions à partir d’un ensemble de faits en utilisant un ensemble de règles.
• Le système d’inférence floue est un cadre de calcul fondé sur le concepts de la théorie des ensembles flous : les règles « Si- le concepts de la théorie des ensembles flous : les règles « Si- alors » et raisonnement flou.
• Deux types de systèmes d’inférence floue peuvent être mis en œuvre : le type Mamdani et le type Sugeno. Les différences entre ces deux systèmes d’inférence floue se trouvent dans les conséquents de leurs règles floues.
• Un système d’inférence floue Mamdani est composé des blocs
fonctionnels suivants :
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Système d’inférence floue
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Système d’inférence floue
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Système d’inférence floue
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Système d’inférence floue
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Système d’inférence floue
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Wimax Mobile / IEEE 802.16e
802.16
• Le Wimax mobile est une extension du standard IEEE 802.16. • les
réseau IEEE métropolitain radio (WMAN) qui offre une large bande passante permettant des débits élevés et qui utilise des techniques avancées pour couvrir de langues distances. techniques avancées pour couvrir de langues distances
spécifications
définit
d’un
• La version 802.16e inclut les spécifications de la mobilité pour des terminaux mobiles (comme la GSM et l’UMTS), mais avec des spécificités de passage par le réseau IP. Il gère tout type de trafic grâce à sa flexibilité justifiée par ses 3 couches MAC (sécurité, commune MAC, convergence) et son utilisation du protocole IP.
•
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Wimax Mobile / IEEE 802.16e
• Le Wimax mobile définit 2 mécanismes pour le Handover de (pas de
niveau 2 : Hard Handover et Soft Handover changement d’adresse IP). Il définit plusieurs classes de services pour gérer 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 d’adresse IP courante).
•
•
• L’architecture du Wimax mobile est composée :
- Stations mobiles qui communiquent librement (voir radio) avec les stations de base (BS) qui jouent le rôle de points relais avec l’infrastructure terrestre du réseau IP.
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Wimax Mobile / IEEE 802.16e
Les
sont
pour
d’accès
de gèrent
réseau leur
élément à connectés appelé ASN-GW qui
BSs - (passerelle/Gateway) connexion avec le réseau IP. - Le NAP (Network Access Provider) est l’entité qui fournit plusieurs radio l’infrastructure fournisseurs de services réseaux. Elle peut contrôler un ou plusieurs ASN (Access Service Network) qui est l’espace réseau composé de 1 ou plusieurs BSs et 1 ou plusieurs ASN- GW. - Le NSP (Network Service Provider) est l’entité qui fournit la connectivité IP et les services réseaux aux abonnés. Il contrôle 1 ou plusieurs CSN (Connectivity Service Network) qui est le cœur du réseau Wimax.
un
ou
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Wimax Mobile / IEEE 802.16e
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Handover
• Définition : le Handover ou le transfert intercellulaire est l'ensemble des fonctions et des opérations mises en œuvre entre une ou plusieurs stations de service et une station mobile, pour permettre à cette dernière de changer de cellule et de bénéficier des services d’une autre cellule au lieu de l’ancienne. La station mobile aura la possibilité de continuer sa communication en cours avec un minimum d’interruption, sachant que les deux cellules impliquées sont gérées par un ou plusieurs réseaux.
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Handover
• Le Hanover intervient dans trois cas :
- Une station mobile en mouvement passe d’une cellule à une autre. - Une indisponibilité signalée par la station de service. - Beaucoup d’interférences entre les stations mobiles dans les stations mobiles dans une même cellule.
Beaucoup d’interférences
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Handover
• Les types de Handover sont :
- Handover horizontal : entre deux cellules gérées par la même technologie (par exemple entre deux cellules WiMAX), il est divisé à son tour en deux types :
+ Handover intra-domaine : entre deux cellules du même domaine réseau (par exemple entre deux cellules WiMAX couvertes par deux stations de base gérées par la même passerelle ASN-GW). + Handover
inter-domaine : entre deux cellules de domaines différents mais de la même technologie (par exemple entre deux cellules WiMAX couvertes par deux stations de base gérées par deux passerelles ASN-GW différentes).
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Handover
- Handover diagonal : entre deux cellules gérées par deux technologies proposées par le même organisme (par exemple entre IEEE 802.11 et IEEE 802.16 ou encore entre 3GPP-UMTS et 3GPP-HSDPA). - Handover vertical : entre deux cellules gérées par différentes - Handover vertical : entre deux cellules gérées par différentes technologies (par exemple entre WiMAX et UMTS).
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Handover niveau 2 et niveau 3 dans le Wimax mobile
• 2 types de protocoles de Handover de niveau 2 :
- Hard Handover appliqué dans le cas d’une faible vitesse. + utilise le mécanisme de break-before-make : interruption de la connexion avec l’ancienne BS avant la connexion avec la nouvelle BS. nouvelle BS - Soft Handover appliqué dans le cas d’une grande vitesse. + utilise le mécanisme de make-before-break : établissement de la connexion avec la nouvelle BS avant l’interruption avec l’ancienne BS.
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Hard Handover
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Soft Handover
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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 mobilité. + Permet à l’utilisateur de s’enregistrer dans un réseau étranger et de se connecter par le biais de son réseau mère 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 améliorée de CMIP + Le protocole MIP est embarqué dans la station mobile, ce qui provoque plus de complexité au niveau de cette dernière. + MIP est incompatible avec IP-sec sur lequel reposent les passerelles VPN (Virtual Private Network) et les passerelles NAT (Network Address Translator).
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Handover niveau 2 et niveau 3 dans le Wimax mobile
- PMIP : version améliorée de CMIP introduit une entité fonctionnelle appelée Proxy MIP + Il pour aider MIP à traverser les passerelles VPN et NAT et pour diminuer la complexité au niveau de la station mobile. + Le Proxy est installé entre la station mobile et son + Le Proxy est installé entre la station mobile et son correspondant HA et joue le rôle d’intermédiaire entre les deux.
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CMIP
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PMIP
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• La mobilité de niveau transport est proposée comme un concurrent de la mobilité de niveau réseau pour mieux supporter l’intégration des services.
• La gestion de la mobilité 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 étendu avec DAR constituent le protocole MSCTP (Mobile SCTP).
• MSCTP est proposé dans le but d’éviter les interruptions des services observées avec TCP et UDP pendant le changement de l’adresse IP par le mobile. C’est un protocole de niveau transport similaire à TCP (Transmission Control Protocol).
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• La différence majeure avec TCP est le Multi-homing. Il gère plusieurs adresses IP au niveau des terminaux en conservant la connexion point à point intacte.
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• Fonctionnement du protocole MSCTP :
le terminal mobile - Au début, dans son réseau mère, implantant le protocole MSCTP, choisit une seule adresse IP comme adresse primaire utilisée pour l’échange des messages avec un correspondant. Les autres adresses IP que possède le mobile sont utilisées seulement pour les retransmissions. - Durant une communication entre une MS et son son Durant une communication entre une MS et correspondant localisé dans un réseau externe. Au cours du déplacement de la MS du réseau mère vers un réseau étranger, et en passant par la zone de Handover (dans le début de la zone de couverture du réseau étranger), le mobile reçoit une adresse IP du réseau étranger soit par le contact d’un serveur DHCP existant dans ce réseau, ou par la configuration automatique de l’adresse IPv4. Il poursuit sa communication avec son correspondant via son réseau mère.
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• Fonctionnement du protocole MSCTP :
est devenue
- La station mobile est maintenant capable d’établir la liaison avec son correspondant en utilisant sa deuxième adresse IP. son réseau de accessible depuis Elle rattachement et le réseau étranger dans lequel elle a eu sa deuxième adresse IP. - Ensuite, le mobile envoie à son correspondant via son réseau mère sa deuxième adresse IP pour l’informer de son existence. Le correspondant ajoute la nouvelle adresse IP à la liste des identifiants de la connexion avec la station mobile et répond avec un acquittement sa communication avec son correspondant via son réseau mère).
(le mobile poursuit
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• Fonctionnement du protocole MSCTP :
- Puis, quand le mobile commence à quitter la zone de couverture de son réseau domicile (à la fin de la zone de couverture du réseau domicile dans la zone du Handover où le service du réseau étranger devient meilleur que celui du réseau domicile), il notifie son correspondant d’assigner la nouvelle adresse IP (la deuxième) comme adresse IP primaire à la place de la première, ce que le correspondant l’approuve en répondant avec un acquittement, et la nouvelle adresse IP devient l’adresse de communication de base de la station mobile.
correspondant d’assigner
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Handover niveau 3+ avec le protocole MSCTP
• Fonctionnement du protocole MSCTP :
- A partir de ce moment, le mobile et son correspondant échangent tous leurs messages à travers le réseau étranger et plus via le réseau domicile. - Et finalement, quand le mobile quitte définitivement la zone de couverture du réseau domicile vers la zone de couverture de couverture du réseau domicile vers la zone de couverture du réseau étranger (après la zone de Handover), il informe son correspondant de supprimer la première adresse IP de l’association ce que le correspondant confirme avec un acquittement. Il poursuit alors sa communication avec son correspondant à travers le réseau étranger.
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Algorithme décisionnel fondé sur la logique floue
• Un algorithme de Handover doit être capable de prendre la décision finale du Handover en se référant à des paramètres d’entrée.
•
• Nous étudions dans cette section un algorithme adaptatif multi-critères multi-attributs pour la décision du Handover. Il intègre la logique floue Il intègre la logique floue en raison de la capacité inhérente de raison de la capacité inhérente de cette méthode de modélisation à résoudre des problèmes présentant l'imprécision et le fait que de nombreux termes utilisés pour décrire les signaux radio sont flous par nature. • L'algorithme donne aux utilisateurs la possibilité d'influencer le résultat du Handover en spécifiant les préférences des utilisateurs telles que : les préférences des usagers du réseau sans fil et la QoS requise.
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Paramètres d’entrée
• Plusieurs paramètres d’entrée sont définis dans ce travail, ils
sont divisés en deux classes : les attributs et les critères.
• Les attributs :
- Type de Handover : c’est le type de Handover qui sera exécuté par la station mobile lors de son passage entre deux cellules WiMAX Le type peut être de niveau 3 (changement cellules WiMAX. Le type peut être de niveau 3 (changement d’adresse IP) ou de niveau 2 (pas de changement de l’adresse IP). - Type de Trafic : c’est le type de trafic échangé entre une station mobile et sa correspondante pendant le Handover. Dans ce travail nous avons considér 3 types de trafic : Vidéo, VoIP et Data.
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Paramètres d’entrée
• Les critères :
- Meilleur signal reçu : avant le processus du Handover, la MS va détecter un ou plusieurs signaux provenant des BSs situées en voisinage. Le signal le plus puissant reçu est le meilleur choisi par le mobile. Charge de la station de base c’est le taux d’occupation de - Charge de la station de base : c’est le taux d’occupation de ressources appartenant à la station de base candidate durant le Handover. - Timer : il est intégré dans la MS. Son rôle est d’accorder un certain temps au mobile pour qu’il puisse réessayer de se reconnecter à une BS après sa première tentative de connexion négative qui indique que la BS est occupée.
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Paramètres d’entrée
• Les critères :
- Vitesse : c’est la vitesse de la MS en déplacement durant le Handover. - Autre signal reçu et autre charge de BS : dans le cas où le type de Handover entre les deux cellules est de niveau 2, la vitesse du mobile vitesse du mobile en déplacement est élevée, et le trafic est déplacement est élevée, et le trafic est sensible au délai. Nous décidons d’utiliser, à ce moment là, le mécanisme FBSS durant le Handover. Grâce à ce mécanisme, le mobile peut se connecter avec plusieurs stations de base en même temps. Donc les deux paramètres : autre signal reçu et autre charge de BS, seront ceux de ces stations de base ajoutées dans le Diversity Set.
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Algorithme proposé
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Algorithme proposé
• Au début, quand la MS va exécuter un Handover, elle mesure d’abord les puissances des signaux reçus (RSS) des BSs voisines, et choisit la BS ayant le meilleur RSS. Si le niveau du le mobile va meilleur signal choisi n’est pas acceptable, le niveau du reprendre les mesures des signaux. Sinon, si signal est acceptable, nous allons vérifier le type de Handover, signal est acceptable, nous allons vérifier le type de Handover, ensuite le type de trafic utilisé, et enfin la charge de la BS.
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Algorithme proposé
• Si le pourcentage de la charge de la BS n’est pas acceptable, alors un Timer sera déclenché pour permettre à la MS de re- vérifier la disponibilité de la BS. Si le Timer expire et que la BS n’est toujours pas disponible, la MS va procéder de nouveau à la première étape de la mesure des signaux. Sinon, si la BS sera disponible avant l’expiration du Timer ou même avant sera disponible avant l’expiration du Timer ou même avant son déclenchement, nous passerons à l’étape suivante de l’algorithme : découverte du type de Handover.
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Algorithme proposé
•
Lors de l’étape de découverte du type de Handover, si le choix de niveau 3, alors après la est fixé sur un Handover vérification de la charge de la BS, la MS peut décider d’exécuter le Handover avec le protocole PMIP ou MSCTP. Mais si le choix s’est fixé sur un Handover de niveau 2 et que la charge de la BS est acceptable, nous allons, en plus, vérifier 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 déciderons d’exécuter le Hard Handover. En revanche, si la vitesse est élevée et que le trafic est de type vidéo ou VoIP, alors la MS va mesurer la RSS et la charge des BSs sont acceptables, nous déciderons d’appliquer le FBSS entre les BSs concernées par le Handover.
ces deux dernières métriques
voisines.
Si
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Fuzzification
• L’étape de fuzzification transforme les valeurs d’entrée en degrés
d’appartenance,
en
de
et
fonctions noms d’appartenance dans les fonctions.
• Les critères d’entrée: RSS, charge de BS, Timer, et vitesse, sont fuzzifiés en utilisant les fonctions d’appartenance prédéfinies. • Chaque fonction d’appartenance est assignée à plusieurs Chaque fonction d’appartenance est assignée à plusieurs ensembles flous, par exemple les valeurs de la fonction vitesse consistent aux : «Elevé», termes sont mis en «Moyen» et «Faible». Ces ensembles d’appartenance fonctions des avec correspondance gaussiennes correspondantes.
linguistiques
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Fuzzification
• Pour la variable RSS, nous allons définir trois fonctions d’appartenance pour les couvertures de rayon respectivement égal à 1, 3 et 10 km, et chacune des fonctions est assignée à trois ensembles flous.
• Pour le trafic, nous utilisons trois types, donc pour la variable charge de BS, nous définissons trois fonctions d’appartenance charge de BS, nous définissons trois fonctions d’appartenance pour les trois types, avec trois ensembles flous pour chaque fonction.
• Ensuite pour la variable Timer nous définissons une seule fonction d’appartenance attribuée à deux ensembles flous. • Enfin pour la variable vitesse nous définissons une seule
fonction d’appartenance.
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Fuzzification
Fonctions d’appartenance RSS pour un rayon de couverture de BS = 1 , 3 et 10 km
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Fuzzification
Fonctions d’appartenance charge de BS pour les trafics: Vidéo, VoIP et Data
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Fuzzification
Fonctions d’appartenance Timer et Vitesse
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Fonctions d’appartenance en ensembles flous
Nom de fonction
Limites de la variable
Limites de l’ensemble flou Elevé
Maximum d’appartenance à Elevé
Limites de Moyen
Max app à Moyen
Limites de Faible
Max app à 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 % (vidéo)
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
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entre 0 et 130
entre 80 et 100
entre 85 et 100
entre 90 et 100
entre 85 et 100
entre 90 et 100
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
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Evaluation des règles
• Les valeurs d’entrée fuzzifiées sont utilisées pour évaluer les règles et obtenir la décision du Handover flou (Fuzzy Handover Decision : FHD).
• Puisque nous avons huit paramètres d’entrée répartis 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 règles dans notre base des règles sera : 3 puiss 6 + 2 puiss 2 = 729 + 4 = 733.
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Règles d’inférence
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Règles d’inférence
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Règles d’inférence
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Règles d’inférence
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Règles d’inférence
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Défuzzification
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Exemple pratique
• L’étape de fuzzification transforme les valeurs d’entrée en noms des fonctions d’appartenance et en degrés d’appartenance dans les fonctions.
• Par exemple, lors du déplacement d’une MS qui va effectuer un Handover ; à un moment donné elle est localisée dans une cellule d’un rayon de couverture égal à 3 km ; et le meilleur RSS qu’elle détecte avant le Handover est égal à -125 dBm.
• En se référant à la Fonction d’appartenance RSS pour un rayon de couverture de BS = 3 km), la valeur -125 dBm correspond à l’ensemble d’appartenance «Elevé» avec un degré = 0.25, et correspond aussi à l’ensemble d’appartenance «Moyen» avec un degré = 1. Ensuite, par exemple, la MS va effectuer un Handover de niveau 2, et elle est en train d’échanger un trafic de type vidéo.
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Exemple pratique
• Supposant aussi que la charge de la BS choisie pour le Handover est de 81% ; donc en se référant à la figure 51 (Fonction d’appartenance charge de BS pour le trafic Vidéo), la valeur 81% va correspondre à l’ensemble d’appartenance «Elevé» avec un degré = 0.1, et va correspondre aussi à l’ensemble d’appartenance «Moyen» avec un degré = 0.9. l’ensemble d’appartenance «Moyen» avec un degré = 0.9.
• Nous proposons aussi qu’au moment du Handover, la vitesse du mobile sera égale à 65 km/h. En se référant à la figure Fonction d’appartenance Vitesse, la vitesse choisie va correspondre à l’ensemble d’appartenance «Elevé» avec un degré = 0.3, et va correspondre à l’ensemble d’appartenance «Moyen» avec un degré = 0.7.
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Exemple pratique
• A ce stade là, le mécanisme qui sera normalement appliqué durant le Handover sera le FBSS. Après le Handover, la MS va mesurer d’autres signaux des BSs voisines ; et supposant qu’elle a détecté un signal acceptable égal à 120 dBm d’une BS couvrant une cellule de 10 km de rayon ; dans ce cas en se référant à la figure 50 (Fonction d’appartenance RSS pour un référant à la figure 50 (Fonction d’appartenance RSS pour un rayon de couverture de BS = 10 km), la valeur du signal va correspondre à l’ensemble d’appartenance «Elevé» avec un degré = 1. Et finalement la charge de l’autre BS = 90% ; en se référant à la figure 51 (Fonction d’appartenance charge de BS pour la valeur 90% va correspondre à l’ensemble d’appartenance «Elevé» avec un degré = 1.
le trafic Vidéo),
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Exemple pratique
• Donc la partie qui suit, nous allons passer à l’étape d’évaluation des règles ; et pour cela nous allons appliquer les règles d’inférence sur la combinaison des variables d’entrée que nous venons de présenter en fonction de leurs fonctions d’appartenance, pour pouvoir obtenir des résultats en sortie.
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Exemple pratique
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Exemple pratique
• Nous allons maintenant exposer toutes les combinaisons possibles de chaque entrée avec la fonction d’appartenance correspondante, et comparer chaque combinaison obtenue avec la table des règles pour obtenir la FHD ; et le degré correspondant sera le minimum des degrés d’appartenance correspondants (Dans la suite E sera l’abréviation de «Elevé» et correspondants (Dans la suite E sera l’abréviation de «Elevé» et M sera l’abréviation de «Moyen»).
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Exemple pratique
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Exemple pratique
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Exemple pratique
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