E - Réseaux Grand Est

ÉTUDE DE LA CONNECTIVITÉ RADIO DANS
LES RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Kahina Ait Ali
Séminaire Région Grand Est (RGE)
Reims Jeudi 17 février 2011
RGE 2011
1
PLAN
Contexte
Modèle
de propagation radio Erceg
Modèle
de propagation radio pour réseaux
véhiculaires
Connectivité
radio dans les réseaux véhiculaires
Conclusion
2
ISWCS 2010
CONTEXTE
L’importance de la modélisation de la propagation des
ondes électromagnétiques dans l’étude des performances
des réseaux sans fil
Hypothèse erronée: la majorité des études faites sur les
réseaux ad hoc suppose un environnement non obstrué
• Modèles de propagation Free space ou two-ray ground
reflection
• La zone de transmission est modélisée par un cercle idéal
autour de chaque émetteur
• La puissance reçue dépend uniquement de la distance qui
sépare l’antenne émettrice de l’antenne réceptrice
RGE 2011
3
CONTEXTE
C
A
B
4
RGE 2011
CONTEXTE
Résultats
de simulation valides impliquent la
prise en compte de l’effet des obstacles dans la
modélisation de la propagation des ondes radio
Plus
important dans le cas d’environnements
obstrués
Réseaux
véhiculaires composés de véhicules se
déplaçant dans une ville (obstacles sont : les arbres,
les bâtiments …)
5
RGE 2011
CONTEXTE
VANET (Vehicular Ad hoc Network)
Véhicules s’échangeant des
informations dans le but d’améliorer
la sécurité et le confort des
conducteurs et des passagers
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RGE 2011
LE MODÈLE DE PROPAGATION ERCEG
Modèle
statistique du Path Loss défini pour
les environnements suburbains
Données
issues de mesures empiriques à travers
les États-Unis sur un grand nombre de macrocellules
Trois
catégories de terrain
• Catégorie A : vallonné avec une densité d’arbres forte à modérée
Path loss
• Catégorie B : plat avec densité d’arbres forte à modérée ou
vallonné avec faible densité d’arbres
• Catégorie C : plat avec faible densité d’arbres
RGE 2011
7
LE MODÈLE DE PROPAGATION ERCEG
Formule
du Path loss
PL = A + 10 γ log10(d/d0) + s
Avec
A = 20 log10(4πd0/λ)
γ = (a – bhb+ c/hb) + xσγ
s = y(µσ + zσσ)
x , y and z Variables Gaussiennes
d ≥ d0
Catégories de terrain
Paramètres du
modèle
A
B
C
a
4.6
4.0
3.6
b (in m-1)
0.0075
0.0065
0.0050
c (in m)
12.6
17.1
20.0
σγ
0.57
0.75
0.59
µσ
10.6
9.6
8.2
σσ
2.3
3.0
1.6
Valeurs des paramètres du modèle de propagation
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RGE 2011
MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Carte d’une ville réelle (environnement urbain)
Espace divisé en mailles de tailles égales
Informations statiques:
Type du terrain (route,
bâtiments, etc.)
Altitude
Informations dynamiques:
Poids d’attractivité des zones
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RGE 2011
MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Amélioration
et adaptation du modèle Ergec à notre
environnement et nos données numériques
• Véhicules équipés de dispositifs sans fil
• Catégorisation mailles (A, B ou C) en fonction du
pourcentage de bâtiments présents dans la maille
- Inférieur à 33% ⇒ catégorie C
- Entre 33% et 66% ⇒ catégorie B
- Autres cellules ⇒ catégorie A
• Calcul du Path loss en tenant compte de la hauteur du
sol en plus de celle des antennes
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RGE 2011
MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Calcul
du Path Loss (au centre de chaque maille)
• Déterminer l’ensemble des mailles situées entre
l’antenne émettrice (Tx) et l’antenne réceptrice (Rx)
• Déterminer la distance totale dt traversée par le signal
pour chaque catégorie de terrain
Rx
Tx
Mailles
traversées
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RGE 2011
MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Nouvelles
formules du Path Loss
PL =
γ=
1
d
∑
t =1
1
1
σσ= d ∑
d ≥ d0
20 log10(4πd/λ) + s
d < d0
γ td t
T
µσ = d ∑
A + 10γ log10(d/d0) + s
T
t =1
T
t =1
µ σt d t
σ
σt
d
t
γ, µσ et σσ: moyennes calculées sur toutes les catégories de terrain située entre
Tx et Rx
T∈ [1,3]: nombre de catégories de terrain
RGE 2011
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MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Environnement
de simulation
Application C++ "Territoire Mobile" représentant le
territoire de Belfort, nord-est de la France
Utilise diverses informations pour reproduire l’environnement
réel
Simulation
Modèle de mobilité
−
RGE 2011
des VANET
V-MBMM (Vehicular-Mask Based Mobility Model)
Modèles de propagation radio
−
Free space
−
Adaptation du modèle Erceg aux réseaux véhiculaires
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MODÈLE DE PROPAGATION POUR RÉSEAUX
VÉHICULAIRES
Calcul de la zone de couverture des mailles route
Zones de couverture de quelques véhicules
RGE 2011
14
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Graphe unidirectionnel G (V, E, t) généré toutes les T secondes
−
Sommets (S): véhicules
−
Arêtes (A): connections entre les véhicules qui sont à portée de
communication
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RGE 2011
Graphe de connections de la distribution initiale de100 véhicules dans un espace de 2500m*2500m.
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Métriques
estimées et analysées :
Degré des nœuds : possibilité ou non d ’établir des
communications entre véhicules distants
Durée des connections : fréquence de changement de la topologie
du réseau
Taux de nœuds dominés : approximation de la redondance de
messages
Formation de clusters: les véhicules ont tendance à se déplacer en
groupes.
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RGE 2011
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Paramètres
de simulation
Centre ville de Belfort (espace de 2500m*2500m)
Nombre de véhicules varie de 50 à 400
Vitesse maximale 15m/s
Modèle de propagation qui tient compte des obstacles (TC:
Terrain Characteristics)
Modèle de propagation simpliste, cercle parfait autour de
l’émetteur (TR: Transmission Range)
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RGE 2011
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Distribution
des degrés des noeuds
30%
40%
TR_50VEH
TR_200VEH
TR_400VEH
20%
15%
10%
5%
Node percentage
25%
Node percentage
TC_50VEH
TR_100VEH
35%
TC_100VEH
30%
TC_200VEH
TC_400VEH
25%
20%
15%
10%
5%
0%
0%
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Node degree
(a) TR
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Node degree
(b) TC
Les résultats avec TR sont optimistes, les connexions entre nœuds sont
dans le cas réel (TC) moins importantes.
Contrairement aux estimations, les communications sont plus difficiles
à établir
RGE 2011
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CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Durée moyenne des connections vs. Densité des nœuds
60
TR
Average lifetime
50
TC
40
30
20
10
0
50
100
200
400
Number of vehicles
• La valeur de la durée des connections obtenue avec TR (48s) est le double de la
valeur obtenue avec TC (24s)
• L’impact des obstacles est aussi important que celui de la mobilité (durée de
vie des connections réduite de moitié)
RGE 2011
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CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Taux
de nœuds dominés vs. Densité des nœuds
40%
Dominant nodes rate
35%
30%
TR
TC
25%
20%
15%
10%
5%
0%
50
100
200
400
Number of vehicles
• Avec 50 véhicules, 9 nœuds dominés avec TR vs. 7 nœuds avec TC
• Avec 400 véhicules, 144 nœuds dominés avec TR vs. 116 nœuds avec TC
20
RGE 2011
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Formation
de clusters
21
RGE 2011
Deux fragments
Trois clusters – nombre maximum de
sauts à partir du clusterhead = 2
CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Formation
de clusters
30
25
Number of groups
Number of vehicles per group
70
TR-FRG
TC-FRG
TR-CLS
TC-CLS
20
15
10
5
TR-FRG
60
TC-FRG
TR-CLS
50
TC-CLS
40
30
20
10
0
0
50
100
200
50
400
200
400
Number of vehicles
Number of vehicles
Number of groups vs. Vehicles density
100
Average number of vehicles per group
• Faible densité : résultats obtenus sont pratiquement similaires
• Forte densité : différence entre TR et TC plus notable
• TR: réseau plus connecté ⇒ moins de fragments et de clusters (optimiste)
• TC: réseau moins connecté ⇒ amplifie le problème de la fragmentation et la
formation de clusters
RGE 2011
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CONNECTIVITÉ RADIO DANS LES
RÉSEAUX VÉHICULAIRES
Impact
100%
6
AODV-TR
GPSR-TR
AODV-TC
GPSR-TC
80%
70%
AODV-TR
GPSR-TR
AODV-TC
GPSR-TC
5,5
5
hops number
90%
Packet delivry ratio
sur les protocoles de routage
60%
50%
40%
30%
4,5
4
3,5
3
2,5
2
20%
1,5
10%
1
0%
60
80
100
120
Number of vehicles
Packets delivery ratio vs. Number of vehicles.
60
80
100
120
Number of vehicles
Average hop counts vs. Number of vehicles.
Diminution du taux de livraison et du nombre de sauts causée par
l’effet des obstacles sur les signaux radio
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RGE 2011
CONCLUSION
Définition d’un modèle de propagation radio pour réseaux
véhiculaires
Etude de la connectivité radio entre véhicules en milieu urbain
Espace plat non obstrué
Considération des caractéristiques de l’environnement
En ignorant l’effet des obstacles, les résultats sur la connectivité
sont réellement optimistes avec un taux d’erreur de 2 comparé à
la réalité
⇒ Les réseaux VANET ne peuvent être simulés avec confiance sans
une modélisation réaliste des connexions radio.
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QUESTIONS ?
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