Efficient building management with IP-based wireless sensor network

Existing Building/Energy Management Systems (BMS/EMS) fail to convey holistic performance to the building manager. A 20% reduction in energy consumption can be achieved by efficiently operated buildings compared with current practice. However, in the majority of buildings, occupant comfort and energy consumption analysis is primarily restricted by available sensor and meter data. Installation of a continuous monitoring process can significantly improve the building systems’ performance. We present WSN-BMDS, an IP-based wireless sensor network building monitoring and diagnostic system. The main focus of WSN-BMDS is to obtain much higher degree of information about the building operation then current BMSs are able to provide. Our system integrates a heterogeneous set of wireless sensor nodes with IEEE 802.11 backbone routers and the Global Sensor Network (GSN) web server. Sensing data is stored in a database at the back office via UDP protocol and can be access over the Internet using GSN. Through this demonstration, we show that WSN-BMDS provides accurate measurements of air-temperature, air-humidity, light, and energy consumption for particular rooms in our target building. Our interactive graphical user interface provides a user-friendly environment showing live network topology, monitor network statistics, and run-time management actions on the network. We also demonstrate actuation by changing the artificial light level in one of the rooms.

High speed nonlinear optical components for next-generation optical communications

Electronic signal processing systems currently employed at core internet routers require huge amounts of power to operate and they may be unable to continue to satisfy consumer demand for more bandwidth without an inordinate increase in cost, size and/or energy consumption. Optical signal processing techniques may be deployed in next-generation optical networks for simple tasks such as wavelength conversion, demultiplexing and format conversion at high speed (≥100Gb.s-1) to alleviate the pressure on existing core router infrastructure. To implement optical signal processing functionalities, it is necessary to exploit the nonlinear optical properties of suitable materials such as III-V semiconductor compounds, silicon, periodically-poled lithium niobate (PPLN), highly nonlinear fibre (HNLF) or chalcogenide glasses. However, nonlinear optical (NLO) components such as semiconductor optical amplifiers (SOAs), electroabsorption modulators (EAMs) and silicon nanowires are the most promising candidates as all-optical switching elements vis-à-vis ease of integration, device footprint and energy consumption. This PhD thesis presents the amplitude and phase dynamics in a range of device configurations containing SOAs, EAMs and/or silicon nanowires to support the design of all optical switching elements for deployment in next-generation optical networks. Time-resolved pump-probe spectroscopy using pulses with a pulse width of 3ps from mode-locked laser sources was utilized to accurately measure the carrier dynamics in the device(s) under test. The research work into four main topics: (a) a long SOA, (b) the concatenated SOA-EAMSOA (CSES) configuration, (c) silicon nanowires embedded in SU8 polymer and (d) a custom epitaxy design EAM with fast carrier sweepout dynamics. The principal aim was to identify the optimum operation conditions for each of these NLO device configurations to enhance their switching capability and to assess their potential for various optical signal processing functionalities. All of the NLO device configurations investigated in this thesis are compact and suitable for monolithic and/or hybrid integration.

Design Optimization and Security For Communication Networks

In this work we introduce a new mathematical tool for optimization of routes, topology design, and energy efficiency in wireless sensor networks. We introduce a vector field formulation that models communication in the network, and routing is performed in the direction of this vector field at every location of the network. The magnitude of the vector field at every location represents the density of amount of data that is being transited through that location. We define the total communication cost in the network as the integral of a quadratic form of the vector field over the network area. With the above formulation, we introduce a mathematical machinery based on partial differential equations very similar to the Maxwell's equations in electrostatic theory. We show that in order to minimize the cost, the routes should be found based on the solution of these partial differential equations. In our formulation, the sensors are sources of information, and they are similar to the positive charges in electrostatics, the destinations are sinks of information and they are similar to negative charges, and the network is similar to a non-homogeneous dielectric media with variable dielectric constant (or permittivity coefficient). In one of the applications of our mathematical model based on the vector fields, we offer a scheme for energy efficient routing. Our routing scheme is based on changing the permittivity coefficient to a higher value in the places of the network where nodes have high residual energy, and setting it to a low value in the places of the network where the nodes do not have much energy left. Our simulations show that our method gives a significant increase in the network life compared to the shortest path and weighted shortest path schemes. Our initial focus is on the case where there is only one destination in the network, and later we extend our approach to the case where there are multiple destinations in the network. In the case of having multiple destinations, we need to partition the network into several areas known as regions of attraction of the destinations. Each destination is responsible for collecting all messages being generated in its region of attraction. The complexity of the optimization problem in this case is how to define regions of attraction for the destinations and how much communication load to assign to each destination to optimize the performance of the network. We use our vector field model to solve the optimization problem for this case. We define a vector field, which is conservative, and hence it can be written as the gradient of a scalar field (also known as a potential field). Then we show that in the optimal assignment of the communication load of the network to the destinations, the value of that potential field should be equal at the locations of all the destinations. Another application of our vector field model is to find the optimal locations of the destinations in the network. We show that the vector field gives the gradient of the cost function with respect to the locations of the destinations. Based on this fact, we suggest an algorithm to be applied during the design phase of a network to relocate the destinations for reducing the communication cost function. The performance of our proposed schemes is confirmed by several examples and simulation experiments. In another part of this work we focus on the notions of responsiveness and conformance of TCP traffic in communication networks. We introduce the notion of responsiveness for TCP aggregates and define it as the degree to which a TCP aggregate reduces its sending rate to the network as a response to packet drops. We define metrics that describe the responsiveness of TCP aggregates, and suggest two methods for determining the values of these quantities. The first method is based on a test in which we drop a few packets from the aggregate intentionally and measure the resulting rate decrease of that aggregate. This kind of test is not robust to multiple simultaneous tests performed at different routers. We make the test robust to multiple simultaneous tests by using ideas from the CDMA approach to multiple access channels in communication theory. Based on this approach, we introduce tests of responsiveness for aggregates, and call it CDMA based Aggregate Perturbation Method (CAPM). We use CAPM to perform congestion control. A distinguishing feature of our congestion control scheme is that it maintains a degree of fairness among different aggregates. In the next step we modify CAPM to offer methods for estimating the proportion of an aggregate of TCP traffic that does not conform to protocol specifications, and hence may belong to a DDoS attack. Our methods work by intentionally perturbing the aggregate by dropping a very small number of packets from it and observing the response of the aggregate. We offer two methods for conformance testing. In the first method, we apply the perturbation tests to SYN packets being sent at the start of the TCP 3-way handshake, and we use the fact that the rate of ACK packets being exchanged in the handshake should follow the rate of perturbations. In the second method, we apply the perturbation tests to the TCP data packets and use the fact that the rate of retransmitted data packets should follow the rate of perturbations. In both methods, we use signature based perturbations, which means packet drops are performed with a rate given by a function of time. We use analogy of our problem with multiple access communication to find signatures. Specifically, we assign orthogonal CDMA based signatures to different routers in a distributed implementation of our methods. As a result of orthogonality, the performance does not degrade because of cross interference made by simultaneously testing routers. We have shown efficacy of our methods through mathematical analysis and extensive simulation experiments.

Packet classification by multi-level cutting of the classification space: An algorithmic-architectural solution for IP packet classification in next generation networks

Traditionally, the Internet provides only a “best-effort” service, treating all packets going to the same destination equally. However, providing differentiated services for different users based on their quality requirements is increasingly becoming a demanding issue. For this, routers need to have the capability to distinguish and isolate traffic belonging to different flows. This ability to determine the flow each packet belongs to is called packet classification. Technology vendors are reluctant to support algorithmic solutions for classification due to their non-deterministic performance. Although CAMs are favoured by technology vendors due to their deterministic high lookup rates, they suffer from the problems of high power dissipation and high silicon cost. This paper provides a new algorithmic-architectural solution for packet classification that mixes CAMs with algorithms based on multi-level cutting the classification space into smaller spaces. The provided solution utilizes the geometrical distribution of rules in the classification space. It provides the deterministic performance of CAMs, support for dynamic updates, and added flexibility for system designers.

An agent-based control mechanism for WFQ in IP networks

This paper presents a new packet scheduling scheme called agent-based WFQ to control and maintain QoS parameters in virtual private networks (VPNs) within the confines of adaptive networks. Future networks are expected to be open heterogeneous environments consisting of more than one network operator. In this adaptive environment, agents act on behalf of users or third-party operators to obtain the best service for their clients and maintain those services through the modification of the scheduling scheme in routers and switches spanning the VPN. In agent-based WFQ, an agent on the router monitors the accumulated queuing delay for each service. In order to control and to keep the end-to-end delay within the bounds, the weights for services are adjusted dynamically by agents on the routers spanning the VPN. If there is an increase or decrease in queuing delay of a service, an agent on a downstream router informs the upstream routers to adjust the weights of their queues. This keeps the end-to-end delay of services within the specified bounds and offers better QoS compared to VPNs using static WFQ. This paper also describes the algorithm for agent-based WFQ, and presents simulation results. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Packet classification by multi-level cutting of the classification space

Traditionally, the Internet provides only a “best-effort” service, treating all packets going to the same destination equally. However, providing differentiated services for different users based on their quality requirements is increasingly becoming a demanding issue. For this, routers need to have the capability to distinguish and isolate traffic belonging to different flows. This ability to determine the flow each packet belongs to is called packet classification. Technology vendors are reluctant to support algorithmic solutions for classification due to their nondeterministic performance. Although content addressable memories (CAMs) are favoured by technology vendors due to their deterministic high-lookup rates, they suffer from the problems of high-power consumption and high-silicon cost. This paper provides a new algorithmic-architectural solution for packet classification that mixes CAMs with algorithms based on multilevel cutting of the classification space into smaller spaces. The provided solution utilizes the geometrical distribution of rules in the classification space. It provides the deterministic performance of CAMs, support for dynamic updates, and added flexibility for system designers.

A Scalable and Programmable Modular Traffic Manager Architecture

A key issue in the design of next generation Internet routers and switches will be provision of traffic manager (TM) functionality in the datapaths of their high speed switching fabrics. A new architecture that allows dynamic deployment of different TM functions is presented. By considering the processing requirements of operations such as policing and congestion, queuing, shaping and scheduling, a solution has been derived that is scalable with a consistent programmable interface. Programmability is achieved using a function computation unit which determines the action (e.g. drop, queue, remark, forward) based on the packet attribute information and a memory storage part. Results of a Xilinx Virtex-5 FPGA reference design are presented.

Decentralizing IP mobility management in future networks

The massive adoption of sophisticated mobile devices and applications led to the increase of mobile data in the last decade, which it is expected to continue. This increase of mobile data negatively impacts the network planning and dimension, since core networks are heavy centralized. Mobile operators are investigating atten network architectures that distribute the responsibility of providing connectivity and mobility, in order to improve the network scalability and performance. Moreover, service providers are moving the content servers closer to the user, in order to ensure high availability and performance of content delivery. Besides the e orts to overcome the explosion of mobile data, current mobility management models are heavy centralized to ensure reachability and session continuity to the users connected to the network. Nowadays, deployed architectures have a small number of centralized mobility anchors managing the mobile data and the mobility context of millions of users, which introduces issues related to performance and scalability that require costly network mechanisms. The mobility management needs to be rethought out-of-the box to cope with atten network architectures and distributed content servers closer to the user, which is the purpose of the work developed in this Thesis. The Thesis starts with a characterization of mobility management into well-de ned functional blocks, their interaction and potential grouping. The decentralized mobility management is studied through analytical models and simulations, in which di erent mobility approaches distinctly distribute the mobility management functionalities through the network. The outcome of this study showed that decentralized mobility management brings advantages. Hence, it was proposed a novel distributed and dynamic mobility management approach, which is exhaustively evaluated through analytical models, simulations and testbed experiments. The proposed approach is also integrated with seamless horizontal handover mechanisms, as well as evaluated in vehicular environments. The mobility mechanisms are also speci ed for multihomed scenarios, in order to provide data o oading with IP mobility from cellular to other access networks. In the pursuing of the optimized mobile routing path, a novel network-based strategy for localized mobility is addressed, in which a replication binding system is deployed in the mobility anchors distributed through the access routers and gateways. Finally, we go further in the mobility anchoring subject, presenting a context-aware adaptive IP mobility anchoring model that dynamically assigns the mobility anchors that provide the optimized routing path to a session, based on the user and network context. The integration of dynamic and distributed concepts in the mobility management, such as context-aware adaptive mobility anchoring and dynamic mobility support, allow the optimization of network resources and the improvement of user experience. The overall outcome demonstrates that decentralized mobility management is a promising direction, hence, its ideas should be taken into account by mobile operators in the deployment of future networks.

IP/optical integration in access network infrastructures: key issues on resource provisioning

This thesis contributes to the advancement of Fiber-Wireless (FiWi) access technologies, through the development of algorithms for resource allocation and energy efficient routing. FiWi access networks use both optical and wireless/cellular technologies to provide high bandwidth and ubiquity, required by users and current high demanding services. FiWi access technologies are divided in two parts. In one of the parts, fiber is brought from the central office to near the users, while in the other part wireless routers or base stations take over and provide Internet access to users. Many technologies can be used at both the optical and wireless parts, which lead to different integration and optimization problems to be solved. In this thesis, the focus will be on FiWi access networks that use a passive optical network at the optical section and a wireless mesh network at the wireless section. In such networks, two important aspects that influence network performance are: allocation of resources and traffic routing throughout the mesh section. In this thesis, both problems are addressed. A fair bandwidth allocation algorithm is developed, which provides fairness in terms of bandwidth and in terms of experienced delays among all users. As for routing, an energy efficient routing algorithm is proposed that optimizes sleeping and productive periods throughout the wireless and optical sections. To develop the stated algorithms, game theory and networks formation theory were used. These are powerful mathematical tools that can be used to solve problems involving agents with conflicting interests. Since, usually, these tools are not common knowledge, a brief survey on game theory and network formation theory is provided to explain the concepts that are used throughout the thesis. As such, this thesis also serves as a showcase on the use of game theory and network formation theory to develop new algorithms.

Modeling and worst-case dimensioning of cluster-tree wireless sensor networks

Time-sensitive Wireless Sensor Network (WSN) applications require finite delay bounds in critical situations. This paper provides a methodology for the modeling and the worst-case dimensioning of cluster-tree WSNs. We provide a fine model of the worst-case cluster-tree topology characterized by its depth, the maximum number of child routers and the maximum number of child nodes for each parent router. Using Network Calculus, we derive “plug-and-play” expressions for the endto- end delay bounds, buffering and bandwidth requirements as a function of the WSN cluster-tree characteristics and traffic specifications. The cluster-tree topology has been adopted by many cluster-based solutions for WSNs. We demonstrate how to apply our general results for dimensioning IEEE 802.15.4/Zigbee cluster-tree WSNs. We believe that this paper shows the fundamental performance limits of cluster-tree wireless sensor networks by the provision of a simple and effective methodology for the design of such WSNs.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Conception des réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Généralement, les problèmes de conception de réseaux consistent à sélectionner les arcs et les sommets d’un graphe G de sorte que la fonction coût est optimisée et l’ensemble de contraintes impliquant les liens et les sommets dans G sont respectées. Une modification dans le critère d’optimisation et/ou dans l’ensemble de contraintes mène à une nouvelle représentation d’un problème différent. Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de conception d’infrastructure de réseaux maillés sans fil (WMN- Wireless Mesh Network en Anglais) où nous montrons que la conception de tels réseaux se transforme d’un problème d’optimisation standard (la fonction coût est optimisée) à un problème d’optimisation à plusieurs objectifs, pour tenir en compte de nombreux aspects, souvent contradictoires, mais néanmoins incontournables dans la réalité. Cette thèse, composée de trois volets, propose de nouveaux modèles et algorithmes pour la conception de WMNs où rien n’est connu à l’ avance. Le premiervolet est consacré à l’optimisation simultanée de deux objectifs équitablement importants : le coût et la performance du réseau en termes de débit. Trois modèles bi-objectifs qui se différent principalement par l’approche utilisée pour maximiser la performance du réseau sont proposés, résolus et comparés. Le deuxième volet traite le problème de placement de passerelles vu son impact sur la performance et l’extensibilité du réseau. La notion de contraintes de sauts (hop constraints) est introduite dans la conception du réseau pour limiter le délai de transmission. Un nouvel algorithme basé sur une approche de groupage est proposé afin de trouver les positions stratégiques des passerelles qui favorisent l’extensibilité du réseau et augmentent sa performance sans augmenter considérablement le coût total de son installation. Le dernier volet adresse le problème de fiabilité du réseau dans la présence de pannes simples. Prévoir l’installation des composants redondants lors de la phase de conception peut garantir des communications fiables, mais au détriment du coût et de la performance du réseau. Un nouvel algorithme, basé sur l’approche théorique de décomposition en oreilles afin d’installer le minimum nombre de routeurs additionnels pour tolérer les pannes simples, est développé. Afin de résoudre les modèles proposés pour des réseaux de taille réelle, un algorithme évolutionnaire (méta-heuristique), inspiré de la nature, est développé. Finalement, les méthodes et modèles proposés on été évalués par des simulations empiriques et d’événements discrets.

Une architecture parallèle distribuée et tolérante aux pannes pour le protocole interdomaine BGP au cœur de l’Internet

L’augmentation du nombre d’usagers de l’Internet a entraîné une croissance exponentielle dans les tables de routage. Cette taille prévoit l’atteinte d’un million de préfixes dans les prochaines années. De même, les routeurs au cœur de l’Internet peuvent facilement atteindre plusieurs centaines de connexions BGP simultanées avec des routeurs voisins. Dans une architecture classique des routeurs, le protocole BGP s’exécute comme une entité unique au sein du routeur. Cette architecture comporte deux inconvénients majeurs : l’extensibilité (scalabilité) et la fiabilité. D’un côté, la scalabilité de BGP est mesurable en termes de nombre de connexions et aussi par la taille maximale de la table de routage que l’interface de contrôle puisse supporter. De l’autre côté, la fiabilité est un sujet critique dans les routeurs au cœur de l’Internet. Si l’instance BGP s’arrête, toutes les connexions seront perdues et le nouvel état de la table de routage sera propagé tout au long de l’Internet dans un délai de convergence non trivial. Malgré la haute fiabilité des routeurs au cœur de l’Internet, leur résilience aux pannes est augmentée considérablement et celle-ci est implantée dans la majorité des cas via une redondance passive qui peut limiter la scalabilité du routeur. Dans cette thèse, on traite les deux inconvénients en proposant une nouvelle approche distribuée de BGP pour augmenter sa scalabilité ainsi que sa fiabilité sans changer la sémantique du protocole. L’architecture distribuée de BGP proposée dans la première contribution est faite pour satisfaire les deux contraintes : scalabilité et fiabilité. Ceci est accompli en exploitant adéquatement le parallélisme et la distribution des modules de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Dans cette contribution, les fonctionnalités de BGP sont divisées selon le paradigme « maître-esclave » et le RIB (Routing Information Base) est dupliqué sur plusieurs cartes de contrôle. Dans la deuxième contribution, on traite la tolérance aux pannes dans l’architecture élaborée dans la première contribution en proposant un mécanisme qui augmente la fiabilité. De plus, nous prouvons analytiquement dans cette contribution qu’en adoptant une telle architecture distribuée, la disponibilité de BGP sera augmentée considérablement versus une architecture monolithique. Dans la troisième contribution, on propose une méthode de partitionnement de la table de routage que nous avons appelé DRTP pour diviser la table de BGP sur plusieurs cartes de contrôle. Cette contribution vise à augmenter la scalabilité de la table de routage et la parallélisation de l’algorithme de recherche (Best Match Prefix) en partitionnant la table de routage sur plusieurs nœuds physiquement distribués.

Routage adaptatif et stabilité dans les réseaux maillés sans fil

Grâce à leur flexibilité et à leur facilité d’installation, les réseaux maillés sans fil (WMNs) permettent un déploiement d’une infrastructure à faible coût. Ces réseaux étendent la couverture des réseaux filaires permettant, ainsi, une connexion n’importe quand et n’importe où. Toutefois, leur performance est dégradée par les interférences et la congestion. Ces derniers causent des pertes de paquets et une augmentation du délai de transmission d’une façon drastique. Dans cette thèse, nous nous intéressons au routage adaptatif et à la stabilité dans ce type de réseaux. Dans une première partie de la thèse, nous nous intéressons à la conception d’une métrique de routage et à la sélection des passerelles permettant d’améliorer la performance des WMNs. Dans ce contexte nous proposons un protocole de routage à la source basé sur une nouvelle métrique. Cette métrique permet non seulement de capturer certaines caractéristiques des liens tels que les interférences inter-flux et intra-flux, le taux de perte des paquets mais également la surcharge des passerelles. Les résultats numériques montrent que la performance de cette métrique est meilleure que celle des solutions proposées dans la littérature. Dans une deuxième partie de la thèse, nous nous intéressons à certaines zones critiques dans les WMNs. Ces zones se trouvent autour des passerelles qui connaissent une concentration plus élevé du trafic ; elles risquent de provoquer des interférences et des congestions. À cet égard, nous proposons un protocole de routage proactif et adaptatif basé sur l’apprentissage par renforcement et qui pénalise les liens de mauvaise qualité lorsqu’on s’approche des passerelles. Un chemin dont la qualité des liens autour d’une passerelle est meilleure sera plus favorisé que les autres chemins de moindre qualité. Nous utilisons l’algorithme de Q-learning pour mettre à jour dynamiquement les coûts des chemins, sélectionner les prochains nœuds pour faire suivre les paquets vers les passerelles choisies et explorer d’autres nœuds voisins. Les résultats numériques montrent que notre protocole distribué, présente de meilleurs résultats comparativement aux protocoles présentés dans la littérature. Dans une troisième partie de cette thèse, nous nous intéressons aux problèmes d’instabilité des réseaux maillés sans fil. En effet, l’instabilité se produit à cause des changements fréquents des routes qui sont causés par les variations instantanées des qualités des liens dues à la présence des interférences et de la congestion. Ainsi, après une analyse de l’instabilité, nous proposons d’utiliser le nombre de variations des chemins dans une table de routage comme indicateur de perturbation des réseaux et nous utilisons la fonction d’entropie, connue dans les mesures de l’incertitude et du désordre des systèmes, pour sélectionner les routes stables. Les résultats numériques montrent de meilleures performances de notre protocole en comparaison avec d’autres protocoles dans la littérature en termes de débit, délai, taux de perte des paquets et l’indice de Gini.

On optimal computation of MPLS label binding for multipoint-to-point connections

Most network operators have considered reducing Label Switched Routers (LSR) label spaces (i.e. the number of labels that can be used) as a means of simplifying management of underlaying Virtual Private Networks (VPNs) and, hence, reducing operational expenditure (OPEX). This letter discusses the problem of reducing the label spaces in Multiprotocol Label Switched (MPLS) networks using label merging - better known as MultiPoint-to-Point (MP2P) connections. Because of its origins in IP, MP2P connections have been considered to have tree- shapes with Label Switched Paths (LSP) as branches. Due to this fact, previous works by many authors affirm that the problem of minimizing the label space using MP2P in MPLS - the Merging Problem - cannot be solved optimally with a polynomial algorithm (NP-complete), since it involves a hard- decision problem. However, in this letter, the Merging Problem is analyzed, from the perspective of MPLS, and it is deduced that tree-shapes in MP2P connections are irrelevant. By overriding this tree-shape consideration, it is possible to perform label merging in polynomial time. Based on how MPLS signaling works, this letter proposes an algorithm to compute the minimum number of labels using label merging: the Full Label Merging algorithm. As conclusion, we reclassify the Merging Problem as Polynomial-solvable, instead of NP-complete. In addition, simulation experiments confirm that without the tree-branch selection problem, more labels can be reduced