Models and Protocols for Resource Optimization in Wireless Mesh Networks

Wireless mesh networks are built on a mix of fixed and mobile nodes interconnected via wireless links to form a multihop ad hoc network. An emerging application area for wireless mesh networks is their evolution into a converged infrastructure used to share and extend, to mobile users, the wireless Internet connectivity of sparsely deployed fixed lines with heterogeneous capacity, ranging from ISP-owned broadband links to subscriber owned low-speed connections. In this thesis we address different key research issues for this networking scenario. First, we propose an analytical predictive tool, developing a queuing network model capable of predicting the network capacity and we use it in a load aware routing protocol in order to provide, to the end users, a quality of service based on the throughput. We then extend the queuing network model and introduce a multi-class queuing network model to predict analytically the average end-to-end packet delay of the traffic flows among the mobile end users and the Internet. The analytical models are validated against simulation. Second, we propose an address auto-configuration solution to extend the coverage of a wireless mesh network by interconnecting it to a mobile ad hoc network in a transparent way for the infrastructure network (i.e., the legacy Internet interconnected to the wireless mesh network). Third, we implement two real testbed prototypes of the proposed solutions as a proof-of-concept, both for the load aware routing protocol and the auto-configuration protocol. Finally we discuss the issues related to the adoption of ad hoc networking technologies to address the fragility of our communication infrastructure and to build the next generation of dependable, secure and rapidly deployable communications infrastructures

Protocoles de routage sans connaissance de voisinage pour réseaux radio multi-sauts

L'efficacité énergétique constitue l'objectif clef pour la conception des protocoles de communication pour des réseaux de capteurs radio multi-sauts. Beaucoup d'efforts ont été réalisés à différents niveaux de la pile protocolaire à travers des algorithmes d'agrégation spatiale et temporelle des données, des protocoles de routage efficaces en énergie, et des couches d'accès au médium avec des mécanismes d'ordonnancement permettant de mettre la radio en état d'endormissement afin d'économiser l'énergie. Pour autant, ces protocoles utilisent de façon importante des paquets de contrôle et de découverte du voisinage qui sont coûteux en énergie. En outre, cela se fait très souvent sans aucune interaction entre les différentes couches de la pile. Ces travaux de thèse s'intéressent donc particulièrement à la problématique de l'énergie des réseaux de capteurs à travers des protocoles de routage et d'accès au médium. Les contributions de cette thèse se résument de la manière suivante : Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la problématique de l'énergie au niveau routage. Dans cette partie, les contributions se subdivisent en deux parties. Dans un premier temps, nous avons proposé une analyse théorique de la consommation d'énergie des protocoles de routage des réseaux radio multi-sauts d'appréhender au mieux les avantages et les inconvénients des uns et des autres en présence des modèles de trafic variables, un diamètre du réseau variable également et un modèle radio qui permet de modéliser les erreurs de réception des paquets. À l'issue de cette première étude, nous sommes parvenus à la conclusion que pour être économe en énergie, un protocole de routage doit avoir des approches similaires à celle des protocoles de routage géographique sans message hello. Puis, dans un second temps, nous introduisons une étude de l'influence des stratégies de relayage dans un voisinage à 1 saut sur les métriques de performance comme le taux de livraison, le nombre de messages dupliqués et la consommation d'énergie. Cette étude est suivie par une première proposition de protocole de routage géographique sans message hello (Pizza-Forwarding (PF)) exploitant des zones de relayage optimisées et sans aucune hypothèse sur les propriétés du canal radio. Dans le but de réduire considérablement la consommation de PF, nous proposons de le combiner avec une adaptation d'un protocole MAC asynchrone efficace en énergie à travers une approche transversale. La combinaison de ces deux approches montre un gain significatif en terme d'économie d'énergie avec des très bon taux de livraison et cela quels que soient les scénarios et la nature de la topologique.Energy-efficient communication protocol is a primary design goal for Wireless Sensor Networks (WSNs). Many efforts have been done to save energy anywhere in the protocol stack through temporal and spatial data aggregation schemes, energy-aware routing protocols, activity scheduling and energy-efficient MAC protocols with duty cycle. However both control packets and beacons remain which induces a huge waste energy. Moreover, their design follows the classical layered approach with the principle of modularity in system development, which can lead to a poor performance in WSNs. This thesis focuses on the issues of energy in WSNs through energy-efficient routing and medium access control protocols. The constributions of this thesis can be summarized as follows: First, we are interested on the energy issues at the routing layer for multihop wireless sensor networks (WSNs). We propose a mathematical framework to model and analyze the energy consumption of routing protocols in multihop WSNs by taking into account the protocol parameters, the traffic pattern and the network characteristics defined by the medium channel properties, the dynamic topology behavior, the network diameter and the node density. In this study, we show that Beacon-less routing protocol should be a best candidate to save energy in WSNs. We investigate the performance of some existing relay selection schemes which are used by Beacon-less routing protocols. Extensive simulations are proposed to evaluate their performance locally in terms of packet delivery ratio, duplicated packet and delay. Then, we extend the work in multihop wiriless networks and develop an optimal solution, Enhanced Nearest Forwarding within Radius, which tries to minimize the per-hop expected number of retranmissions in order to save energy. We present a new beaconless routing protocol called Pizza-Forwarding (PF) without any assumption on the radio environment: neither the radio range nor symmetric radio links nor radio properties (shadowing, etc.) are assumed or restricted. A classical greedy mode is proposed. To overcome the hole problem, packets are forwarded to an optimal node in the two hop neighbor following a reactive and optimized neighborhood discovery. In order to save energy due to idle listening and overhearing, we propose to combine PF's main concepts with an energy-efficient MAC protocol to provide a joint MAC/routing protocol suitable for a real radio environment. Performance results lead to conclude to the powerful behavior of PFMAC.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Mobile Ad-Hoc Networks

Being infrastructure-less and without central administration control, wireless ad-hoc networking is playing a more and more important role in extending the coverage of traditional wireless infrastructure (cellular networks, wireless LAN, etc). This book includes state-of-the-art techniques and solutions for wireless ad-hoc networks. It focuses on the following topics in ad-hoc networks: quality-of-service and video communication, routing protocol and cross-layer design. A few interesting problems about security and delay-tolerant networks are also discussed. This book is targeted to provide network engineers and researchers with design guidelines for large scale wireless ad hoc networks