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.

Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques.

Métriques de routage dans les réseaux maillés sans fil

Ces dernières années, les technologies sans fil ont connu un essor fulgurant. Elles ont permis la mise en place de réseaux sans fil à hautes performances. Les réseaux maillées sans fil (RMSF) sont une nouvelle génération de réseaux sans fil qui offrent des débits élevés par rapport aux réseaux Wi-Fi (Wireless Fidelity) classiques et aux réseaux ad-hoc. Ils présentent de nombreux avantages telles que leur forte tolérance aux pannes, leur robustesse, leur faible coût etc. Les routeurs des RMSF peuvent disposer de plusieurs interfaces radio et chaque interface peut opérer sur plusieurs canaux distincts, c’est des RMSF multiples-radios, multiples-canaux. Ce type de réseau peut accroître de manière considérable les performances des RMSF. Cependant plusieurs problèmes subsistent et doivent être résolus notamment celui du routage. Le routage dans les RMSF demeure un défi majeur. Le but des protocoles de routage est de trouver les meilleures routes i.e. des routes qui maximisent les débits et minimisent les délais, lors de l’acheminement du trafic. La qualité des routes dans les RMSF peut être fortement affectée par les interférences, les collisions, les congestions etc. Alors les protocoles doivent être en mesure de détecter ces problèmes pour pouvoir en tenir compte lors de la sélection des routes. Plusieurs études ont été dédiées aux métriques et aux protocoles de routage dans les RMSF afin de maximiser les performances de celles ci. Mais la plupart ne prennent pas en considération toutes les contraintes telles que les interférences, le problème des stations cachées etc. Ce mémoire propose une nouvelle métrique de routage pour RMSF. Nous avons mis en place une nouvelle métrique de routage pour RMSF appelée MBP (Metric Based on Probabilities). Cette métrique est destinée aux RMSF mono-radio ou multiples-radios. Elle permet d’éviter les routes à forte ii interférence. Les résultats des simulations ont montré que MBP présente des améliorations par rapport à certaines métriques : ETT, WCETT et iAWARE qui sont connues dans le domaine.

Le support de VoIP dans les réseaux maillés sans fil WiMAX en utilisant une approche de contrôle et d'assistance au niveau MAC

Les réseaux maillés sans fil (RMSF), grâce à leurs caractéristiques avantageuses, sont considérés comme une solution efficace pour le support des services de voix, vidéo et de données dans les réseaux de prochaine génération. Le standard IEEE 802.16-d a spécifié pour les RMSF, à travers son mode maillé, deux mécanismes de planifications de transmission de données; à savoir la planification centralisée et la planification distribuée. Dans ce travail, on a évalué le support de la qualité de service (QdS) du standard en se focalisant sur la planification distribuée. Les problèmes du système dans le support du trafic de voix ont été identifiés. Pour résoudre ces problèmes, on a proposé un protocole pour le support de VoIP (AVSP) en tant qu’extension au standard original pour permettre le support de QdS au VoIP. Nos résultats préliminaires de simulation montrent qu’AVSP offre une bonne amélioration au support de VoIP.

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.

Gestion des ressources dans les réseaux cellulaires sans fil

L’émergence de nouvelles applications et de nouveaux services (tels que les applications multimédias, la voix-sur-IP, la télévision-sur-IP, la vidéo-sur-demande, etc.) et le besoin croissant de mobilité des utilisateurs entrainent une demande de bande passante de plus en plus croissante et une difficulté dans sa gestion dans les réseaux cellulaires sans fil (WCNs), causant une dégradation de la qualité de service. Ainsi, dans cette thèse, nous nous intéressons à la gestion des ressources, plus précisément à la bande passante, dans les WCNs. Dans une première partie de la thèse, nous nous concentrons sur la prédiction de la mobilité des utilisateurs des WCNs. Dans ce contexte, nous proposons un modèle de prédiction de la mobilité, relativement précis qui permet de prédire la destination finale ou intermédiaire et, par la suite, les chemins des utilisateurs mobiles vers leur destination prédite. Ce modèle se base sur : (a) les habitudes de l’utilisateur en terme de déplacements (filtrées selon le type de jour et le moment de la journée) ; (b) le déplacement courant de l’utilisateur ; (c) la connaissance de l’utilisateur ; (d) la direction vers une destination estimée ; et (e) la structure spatiale de la zone de déplacement. Les résultats de simulation montrent que ce modèle donne une précision largement meilleure aux approches existantes. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au contrôle d’admission et à la gestion de la bande passante dans les WCNs. En effet, nous proposons une approche de gestion de la bande passante comprenant : (1) une approche d’estimation du temps de transfert intercellulaire prenant en compte la densité de la zone de déplacement en terme d’utilisateurs, les caractéristiques de mobilité des utilisateurs et les feux tricolores ; (2) une approche d’estimation de la bande passante disponible à l’avance dans les cellules prenant en compte les exigences en bande passante et la durée de vie des sessions en cours ; et (3) une approche de réservation passive de bande passante dans les cellules qui seront visitées pour les sessions en cours et de contrôle d’admission des demandes de nouvelles sessions prenant en compte la mobilité des utilisateurs et le comportement des cellules. Les résultats de simulation indiquent que cette approche réduit largement les ruptures abruptes de sessions en cours, offre un taux de refus de nouvelles demandes de connexion acceptable et un taux élevé d’utilisation de la bande passante. Dans la troisième partie de la thèse, nous nous penchons sur la principale limite de la première et deuxième parties de la thèse, à savoir l’évolutivité (selon le nombre d’utilisateurs) et proposons une plateforme qui intègre des modèles de prédiction de mobilité avec des modèles de prédiction de la bande passante disponible. En effet, dans les deux parties précédentes de la thèse, les prédictions de la mobilité sont effectuées pour chaque utilisateur. Ainsi, pour rendre notre proposition de plateforme évolutive, nous proposons des modèles de prédiction de mobilité par groupe d’utilisateurs en nous basant sur : (a) les profils des utilisateurs (c’est-à-dire leur préférence en termes de caractéristiques de route) ; (b) l’état du trafic routier et le comportement des utilisateurs ; et (c) la structure spatiale de la zone de déplacement. Les résultats de simulation montrent que la plateforme proposée améliore la performance du réseau comparée aux plateformes existantes qui proposent des modèles de prédiction de la mobilité par groupe d’utilisateurs pour la réservation de bande passante.

Genetic Programming meets Model-Driven Development

Genetic programming is known to provide good solutions for many problems like the evolution of network protocols and distributed algorithms. In such cases it is most likely a hardwired module of a design framework that assists the engineer to optimize specific aspects of the system to be developed. It provides its results in a fixed format through an internal interface. In this paper we show how the utility of genetic programming can be increased remarkably by isolating it as a component and integrating it into the model-driven software development process. Our genetic programming framework produces XMI-encoded UML models that can easily be loaded into widely available modeling tools which in turn posses code generation as well as additional analysis and test capabilities. We use the evolution of a distributed election algorithm as an example to illustrate how genetic programming can be combined with model-driven development. This example clearly illustrates the advantages of our approach – the generation of source code in different programming languages.

Understanding the indoor environment through mining sensory data - A case study

A wireless sensor network (WSN) is a group of sensors linked by wireless medium to perform distributed sensing tasks. WSNs have attracted a wide interest from academia and industry alike due to their diversity of applications, including home automation, smart environment, and emergency services, in various buildings. The primary goal of a WSN is to collect data sensed by sensors. These data are characteristic of being heavily noisy, exhibiting temporal and spatial correlation. In order to extract useful information from such data, as this paper will demonstrate, people need to utilise various techniques to analyse the data. Data mining is a process in which a wide spectrum of data analysis methods is used. It is applied in the paper to analyse data collected from WSNs monitoring an indoor environment in a building. A case study is given to demonstrate how data mining can be used to optimise the use of the office space in a building.

Parallel and distributed computing with Java

The Java language first came to public attention in 1995. Within a year, it was being speculated that Java may be a good language for parallel and distributed computing. Its core features, including being objected oriented and platform independence, as well as having built-in network support and threads, has encouraged this view. Today, Java is being used in almost every type of computer-based system, ranging from sensor networks to high performance computing platforms, and from enterprise applications through to complex research-based.simulations. In this paper the key features that make Java a good language for parallel and distributed computing are first discussed. Two Java-based middleware systems, namely MPJ Express, an MPI-like Java messaging system, and Tycho, a wide-area asynchronous messaging framework with an integrated virtual registry are then discussed. The paper concludes by highlighting the advantages of using Java as middleware to support distributed applications.

Improving CS-4 user data rate in GPRS enabled devices by using a BLER co-processor

The General Packet Radio Service (GPRS) was developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit switched radio network. The main applications for GPRS are in transporting IP datagram’s from the user’s mobile Internet browser to and from the Internet, or in telemetry equipment. A simple Error Detection and Correction (EDC) scheme to improve the GPRS Block Error Rate (BLER) performance is presented, particularly for coding scheme 4 (CS-4), however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel, improving throughput and the user’s application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable hardware solution for a GPRS BLER co-processor is discussed that has been currently implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA) and presented in this paper.

Blind channel estimation for multi-rate multicarrier DS/CDMA communications

Multi-rate multicarrier DS/CDMA is a potentially attractive multiple access method for future wireless communications networks that must support multimedia, and thus multi-rate, traffic. Several receiver structures exist for single-rate multicarrier systems, but little has been reported on multi-rate multicarrier systems. Considering that high-performance detection such as coherent demodulation needs the explicit knowledge of the channel, based on the finite-length chip waveform truncation, this paper proposes a subspace-based scheme for timing and channel estimation in multi-rate multicarrier DS/CDMA systems, which is applicable to both multicode and variable spreading factor systems. The performance of the proposed scheme for these two multi-rate systems is validated via numerical simulations. The effects of the finite-length chip waveform truncation on the performance of the proposed scheme is also analyzed theoretically.

Blind channel estimation in multi-rate multicarrier DS-CDMA systems

Multi-rate multicarrier DS-CDMA is a potentially attractive multiple access method for future broadband wireless multimedia networks that must support integrated voice/data traffic. This paper proposes a subspace based channel estimation scheme for multi-rate multicarrier DS-CDMA, which is applicable to both multicode and variable spreading factor systems. The performance of the proposed scheme for these two multi-rate systems is compared via numerical simulations.

Improving transmission reliability of low-power medium access control protocols using average diversity combining

Embedded computer systems equipped with wireless communication transceivers are nowadays used in a vast number of application scenarios. Energy consumption is important in many of these scenarios, as systems are battery operated and long maintenance-free operation is required. To achieve this goal, embedded systems employ low-power communication transceivers and protocols. However, currently used protocols cannot operate efficiently when communication channels are highly erroneous. In this study, we show how average diversity combining (ADC) can be used in state-of-the-art low-power communication protocols. This novel approach improves transmission reliability and in consequence energy consumption and transmission latency in the presence of erroneous channels. Using a testbed, we show that highly erroneous channels are indeed a common occurrence in situations, where low-power systems are used and we demonstrate that ADC improves low-power communication dramatically.

A real-time measurement system for long-life flood monitoring and warning applications

A flood warning system incorporates telemetered rainfall and flow/water level data measured at various locations in the catchment area. Real-time accurate data collection is required for this use, and sensor networks improve the system capabilities. However, existing sensor nodes struggle to satisfy the hydrological requirements in terms of autonomy, sensor hardware compatibility, reliability and long-range communication. We describe the design and development of a real-time measurement system for flood monitoring, and its deployment in a flash-flood prone 650 km2 semiarid watershed in Southern Spain. A developed low-power and long-range communication device, so-called DatalogV1, provides automatic data gathering and reliable transmission. DatalogV1 incorporates self-monitoring for adapting measurement schedules for consumption management and to capture events of interest. Two tests are used to assess the success of the development. The results show an autonomous and robust monitoring system for long-term collection of water level data in many sparse locations during flood events.

Enabling actor model for crowd sensing and IoT

The cloud is playing a very important role in wireless sensor network, crowd sensing and IoT data collection and processing. However, current cloud solutions lack of some features that hamper the innovation a number of other new services. We propose a cloud solution that provides these missing features as multi-cloud and device multi-tenancy relying in a whole different fully distributed paradigm, the actor model.