Conservation de l'énergie sur des environnements de réseaux d'accès radio hétérogènes : vers des réseaux auto-organisants et verts

Since the last decades, environmental issues are becoming among the major concerns for most human activities, including the Information and Communication Technologies sector. This will surely influence upcoming networking technologies, architectures and usage practices. New approaches and methodologies are required in order to evaluate and to reduce the Carbon Footprint toward what is commonly denoted as Green Networks. Within the ICT sector, the main efforts are related to energy saving techniques. These efforts started in early stages within wireless technologies, mainly because of energy limitations on mobile devices such as mobile phones and wireless sensors. Additionally, because of health considerations, standardization bodies and government had set stringent policies and limits on electromagnetic radiation levels that can be emitted by radio stations. For these reasons, many academic and industrial research and development activities had led to a number of relatively energy efficient solutions. In this thesis, we consider energy efficiency in the context of Heterogeneous Wireless Access Networks. These are composed of multi-standards wireless network solutions, with non uniform topologies and cell sizes and Multi-Modal mobile terminals able to manage simultaneously different connections. The main contributions of our studies include the proposal of new optimization solutions regarding user association and scheduling techniques at both flow and packet levels for multi-homed mobile terminals. An overall context-based solution is also proposed in order to provide end-to-end energy efficient networking solutionsLa préservation de l’environnement et des ressources naturelles pour les prochaines générations est aujourd’hui considérée comme un des axes les plus prioritaires dans presque tous les secteurs économiques. Le secteur des Technologies de l’Information et de la Communication est loin d’être épargné de cette tendance écologique. Nous considérons dans cette thèse la problématique de la conservation d’énergie dans le contexte technologique actuel caractérisé par: •La coexistence d’une multitude de technologies d’accès sans fil offrant un environnement riche et dynamique • Des terminaux mobiles multimodaux • Limitations persistantes des sources d’énergie sur les terminaux mobiles. Dans ce contexte très riche, les possibilités offertes aux usagers sont à double tranchant. D’un côté, elles peuvent très bien améliorer la QoS en offrant toujours la meilleure connectivité en fonction du contexte de l’utilisateur. D’un autre côté, et sans une bonne optimisation de la consommation d’énergie sur le terminal, la disponibilité de celui-ci peut vite diminuer et donc faire baisser la QoE à cause de l’énergie nécessaire pour gérer plusieurs interfaces radio en parallèle. Nous considérons essentiellement les liens entre les stations de base (ou les point d’accès) et les terminaux mobiles. Notre objectif étant d’analyser la consommation d’énergie sur ces liens pour ensuite proposer des contributions permettant de mieux la maitriser. Nous focalisons essentiellement sur l’exploitation des multiples interfaces et du multi-flux pour étudier, analyser et proposer des solutions dynamiques et adaptatives d’ordonnancement, de sélection et de gestion d’interfaces minimisant la consommation d’énergi

Conception et Optimisation d’Architectures Réseaux pour les Systèmes de Communication Aéronautiques

Ce mémoire présente les travaux de recherche dans lesquels j’ai pu m’investir et contribuer notamment depuis mon arrivée à l’Enac en 2003. L’ensemble de ces contributions s’inscrit dans le domaine de la conception et l’optimisation des architectures des systèmes de communications de données sol bord aéronautiques. Ce domaine d’application présente beaucoup de spécificités particulières compte-tenu des règles drastiques visant à assurer la sécurité des vols, des distances entre les nœuds communicants, et de leur vitesse. Et bien sûr, les systèmes et solutions proposés doivent prendre en compte l’ensemble de ces contraintes. Dans le contexte de ce domaine d’application, j’ai pu contribuer principalement à trois axes : — les réseaux satellitaires, — la qualité de service et la sécurité, — les réseaux ad hoc. Comme illustré dans ce mémoire, au titre de ces contributions nous pouvons citer par exemple une architecture pour un système de communication aéronautique par satellite à qualité de service pour des flux hétérogènes, une architecture de sécurité adaptative, ou encore un nouveau moyen de communication sol bord multisaut basé sur un réseau ad hoc aéronautique. Ces contributions se sont le plus souvent inscrites dans le contexte de projets de recherche nationaux qui ont permis de financer des thèses

Association optimale d'utilisateurs dans un réseau cellulaire hétérogène

Actuellement, le nombre d’utilisateurs voulant accéder aux réseaux cellulaires ne cesse de croître remarquablement. Cette observation est d’ailleurs illustrée dans plusieurs rapports techniques sous forme de courbes. D’un autre côté, la demande des utilisateurs en termes de ressources est de plus en plus exigeante et les ressources demandées sont la plupart du temps volumineuses, pour les applications telles que les jeux en réseaux ou encore les vidéos. Il a donc été constaté, il y a plusieurs années, que l’application du réseau conventionnel n’est plus appropriée pour les évolutions technologiques dont le monde fait face aujourd’hui. Ainsi, les industriels et les académiciens ont développé l’idée d’exploiter l’hétérogénéité des réseaux cellulaires, où différents types de cellules sont embarquées dans le même réseau. Le but de l’utilisation des petites cellules conjointement avec des macrocellules conventionnelles est donc de pouvoir servir le maximum d’utilisateurs possible tout en satisfaisant la qualité de service qu’ ils exigent. De plus, l’exploitation de cette hétérogénéité s’avère moins onéreuse comparée au cas où d’autres macrocellules seraient ajoutées aux réseaux. Cependant, les réseaux HetNets engendrent plusieurs complexités et défis importants. Parmi eux sont le problème d’équilibrage de la charge et de sélection cellulaire entre la macrocellule et les petites cellules, un problème qui est dû notamment à la disparité de leur puissance de transmission, de leur couverture, à la quantité de ressources qui y sont disponibles. Un deuxième défi important est la gestion de la mobilité de l’utilisateur lorsqu’il traverse une région picocellulaire ou femtocellulaire surtout si la vitesse de l’utilisateur est élevée. Le troisième point important à considérer est l’interférence mesurée par les utilisateurs associés aux petites cellules à partir des macrocellules. Cette interférence est due principalement au fait que les utilisateurs sont forcés de s’associer aux petites cellules en présence de macrocellules avoisinantes. Par conséquent, dans cette thèse, nous tentons de trouver une solution pour les trois points énumérés précédemment, soit, la selection cellulaire, le transfert intercellulaire et la réduction de l’interférence dans un réseau HetNet. Dans une première partie, pour répondre au problème d’association de nature NP-complet dans HetNet, nous proposons des algorithmes heuristiques. Plus précisément, deux algorithmes y sont étudiés. Le premier est une technique d’association basée sur l’extension dynamique de la couverture picocellulaire. Le deuxième algorithme quant à lui est une technique d’association de l’utilisateur se reposant sur le gain en équité qu’il mesurerait de la cellule voisine potentielle. Nous constatons alors, qu’en plus d’être moins complexe à réaliser, les algorithmes heuristiques proposés donnent une meilleure performance compare aux méthodes générales proposées dans la littérature si on se focalise sur la diminution de l’inéquité de la charge cellulaire et sur l’homogénéité de la distribution des utilisateurs dans le réseau. Dans une deuxième partie, notre objectif est d’optimiser l’équité des utilisateurs dans le HetNet et de réduire l’interférence mesurée par l’utilisateur associé aux femtocellules étendues. Dans cette optique, nous exploitons une fois de plus, la technique d’extension de la couverture cellulaire. Ainsi, nous proposons une technique optimale d’extension coordonnée de couverture cellulaire qui calcule les biais optimaux des cellules en tenant compte des paramètres jugés les plus importants pour l’atteinte de l’optimalité. Nous prouvons que, comparée à certaines méthodes précédemment étudiées dans la littérature, la technique que nous proposons résulte en une meilleure amélioration de l’équilibrage de la charge, de l’équité entre les utilisateurs ainsi que du débit réalisable de chaque utilisateur. Dans une troisième partie, nous tentons d’améliorer l’expérience de transfert intercellulaire d’un utilisateur en considérant un scénario où ce dernier traverse une couverture femtocellulaire. Le transfert intercellulaire étant l’une des techniques de gestion de la mobilité dans les réseaux cellulaires. Ainsi, nous proposons une technique basée sur l’utilité dont l’idée principale est de concevoir de nouvelles fonctions d’utilité via une function objective spécifique qui tient compte de l’exigence de l’utilisateur. Par la suite, le biais de transfert est déduit et inséré dans les politiques de décision de transfert. Nous en concluons qu’un gain élevé est obtenu en ce qui concerne la probabilité d’assignation à la femtocellule tout en maintenant un nombre acceptable de transferts intercellulaire

Analyse mathématique, méthode de calcul de la gigue et applications aux réseaux Internet

RÉSUMÉ Internet, ces dernières années, sert de support de communication à un grand nombre d’applications. L’évolution des réseaux à haut débit ont facilité le progrès des applications multimédia comme la voix sur IP, la vidéo streaming ou la vidéo interactive en temps réel... La variation de la disponibilité des ressources du réseau ne peut pas garantir une bonne qualité à tout moment pour ces services. C’est dans ce contexte que les travaux de ce projet de doctorat s’inscrivent et précisément dans le cadre de l’optimisation de la qualité de service (QoS). Les mécanismes de contrôle de QoS sont variés. On retrouve le contrôle de délai, assuré par la stratégie d’ordonnancement des paquets. Le contrôle de débit, quant à lui, fait en sorte que le débit de la source soit égal à la bande passante disponible dans le réseau. Excepté que les applications vidéo, surtout en temps réel, sont très sensibles à la variation du délai, appelée la gigue. En effet, la qualité perçue par les clients des vidéos en ligne dépend étroitement de la gigue. Une augmentation de la gigue engendre principalement des problèmes de démarrage retardé de la vidéo, des interruptions au cours de la vidéo et des distorsions de la résolution. L’objectif de cette thèse est d’étudier le paramètre de la gigue, qui demeure peu étudiée dans la littérature sur les réseaux IP, ainsi que d’envisager l’impact de l’augmentation de ce paramètre sur la vidéo transmise sur IP, l’une des applications les plus populaires de nos jours. Toutefois, au-delà des difficultés de la modélisation du trafic et du réseau, cet objectif majeur pose de nombreuses problématiques. Comment calculer la gigue analytiquement pour un trafic modélisé par des distributions généralisées au niveau paquet ? Est-ce que les modèles proposés sont suffisamment simples et faciles à calculer ? Comment intégrer ces nouvelles formalisations pour le contrôle des performances ? Comment l’estimation analytique peut- elle minimiser le trafic des paquets de contrôle des connexions vidéo? Nous explorons tout d’abord le calcul de la gigue dans des files d’attente avec des trafics autres que le trafic Poisson. Ce dernier est largement utilisé pour modéliser le trafic sur Internet étant donnée sa simplicité en échange de la imprécision. L’idée pour le calcul de la gigue est d’utiliser, d’une part la même formule que le cas du Poisson mais en intégrant d’autres distributions, et d’autre part des approximations et des hypothèses quand la caractérisation analytique du temps de transit n’est pas possible. Nous adoptons la simulation pour valider les modèles approximatifs. L’ensemble de simulations montre que la gigue moyenne calculée par notre modèle et celle obtenue par simulation coïncident avec des intervalles de confiance adéquats. De plus, le temps de calcul estimé pour évaluer la gigue est minime, ce qui facilite l’utilisation des formules proposées dans des outils de contrôle et en optimisation.-----------ABSTRACT In recent years, we have witnessed the huge use of the Internet Protocol for delivering multimedia trafic. Developments in broadband networks led the progress in multimedia applications such as voice over IP, video streaming or real-time videos. However, the stochastic nature of the networks, in particular mobile networks, make it difficult to maintain a good quality at all times. The research of this PhD thesis deals with the improvement of the quality of service (QoS) for this kind of applications. Current network protocols provide multiple QoS control mechanism. Congestion control and transmission delay optimization are provided by packet scheduling strategies and bandwidth planning. Moreover, flow control adjusts the mismatch between the video server rate and the receiver available bandwidth. Nevertheless, video applications, in particular interactive videos, are very sensitive to delay variation, commonly called jitter. Indeed, the customers’ perceived video quality depends on it. A jitter increase may cause a large video start-up delay, video interruptions and a decrease of image quality. The main objective of this thesis is the study of jitter, which is not much studied in the IP literature. We also examine the impact of the increase of this parameter on video transmission. However, beyond the difficulties of modeling traffic and network, this major objective raises many other issues. How to calculate jitter analytically for traffic models with general distributions? Are the proposed models sufficiently simple and easy to calculate? How to integrate these new formalizations into performance monitoring? How can the analytical estimate minimize the traffic control packets exchange for each video connection? We first explore the jitter calculation in queues with traffic other than Poisson traffic, that was widely used to model Internet traffic because of its simplicity. The idea is to compute jitter with the same formula for the Poisson traffic case, but with other distributions. For this, we need some approximations and assumptions when the analytical characterization of the transit time is not possible. We adopt simulations to validate the approximate models. The set of simulations shows that the average jitter calculated by our model and by simulation coincide within an appropriate confidence intervals. Moreover, the execution time to evaluate jitter is small, which facilitates the use of the proposed formulas in control tools and in optimization models. We then study the possibility of exploiting this analytical results to control jitter buffers, an important component in the video transmission. We find that it is possible to evaluate its performances analytically by estimating jitter inside this type of buffer

Contribution au domaine de la conception d’objets communicants embarqués basse consommation et autonomes en énergie

This report proposes a synthesis of my research and teaching activities. Since 2008, as associate professor at the University of Nice Sophia Antipolis, I did my research into the MCSOC team from the LEAT laboratory. For nearly 15 years, my activity is focused on the design of embedded communicating objects, with a strong emphasis for high level approach allowing, early in the design flow, to model and optimize the performance as well as the consumed energy. Those system-level approaches are more and more relevant over the last few years and become a must-have solution for designing efficient embedded systems. My activity on energy harvesting for autonomous systems brings an original contribution to this domain and has a national and international impact. This document is organized in two parts: the first part is a synthesis of my research and teaching activity, while the second one presents in details my research work, putting in evidence my contributions and innovative aspects. The manuscript ends with a scientific overview as well as some perspectives.Ce manuscrit présente une synthèse de mes travaux de recherche. Depuis septembre 2008, date de ma nomination en tant que Maître de Conférences à l’Université de Nice Sophia Antipolis, j’ai effectué mes travaux de recherche au sein de la thématique MCSOC (Modélisation, Conception Système d’Objets Communicants) du laboratoire LEAT (Université de Nice Sophia Antipolis, UMR CNRS 7248). Depuis maintenant près de 15 ans, mes travaux de recherche s’intéressent au domaine de la conception d’objets communicants embarqués avec une évolution forte vers des approches de haut niveau d’abstraction permettant tôt dans le flot de conception, de modéliser et d’optimiser les performances et la consommation d’énergie. Ces approches de niveau système n’ont cessé de prendre de l’ampleur ces dernières années et s’installent aujourd’hui comme une solution incontournable du domaine de la conception de systèmes embarqués. Mes travaux plus spécifiques sur l’autonomie énergétique de ces systèmes apportent une contribution originale au domaine et ont un rayonnement national et international. Ce document est organisé en deux parties : la première partie propose une synthèse des travaux de recherche et d’enseignement ; la seconde présente de manière détaillée mes travaux de recherche en mettant en avant toutes ses contributions et originalités. Le manuscrit s’achève par un bilan scientifique ainsi que quelques perspectives de recherche

Conception d'un modèle architectural collaboratif pour l'informatique omniprésente à la périphérie des réseaux mobiles

Le progrès des technologies de communication pair-à-pair et sans fil a de plus en plus permis l’intégration de dispositifs portables et omniprésents dans des systèmes distribués et des architectures informatiques de calcul dans le paradigme de l’internet des objets. De même, ces dispositifs font l'objet d'un développement technologique continu. Ainsi, ils ont toujours tendance à se miniaturiser, génération après génération durant lesquelles ils sont considérés comme des dispositifs de facto. Le fruit de ces progrès est l'émergence de l'informatique mobile collaborative et omniprésente, notamment intégrée dans les modèles architecturaux de l'Internet des Objets. L’avantage le plus important de cette évolution de l'informatique est la facilité de connecter un grand nombre d'appareils omniprésents et portables lorsqu'ils sont en déplacement avec différents réseaux disponibles. Malgré les progrès continuels, les systèmes intelligents mobiles et omniprésents (réseaux, dispositifs, logiciels et technologies de connexion) souffrent encore de diverses limitations à plusieurs niveaux tels que le maintien de la connectivité, la puissance de calcul, la capacité de stockage de données, le débit de communications, la durée de vie des sources d’énergie, l'efficacité du traitement de grosses tâches en termes de partitionnement, d'ordonnancement et de répartition de charge. Le développement technologique accéléré des équipements et dispositifs de ces modèles mobiles s'accompagne toujours de leur utilisation intensive. Compte tenu de cette réalité, plus d'efforts sont nécessaires à la fois dans la conception structurelle tant au matériel et logiciel que dans la manière dont il est géré. Il s'agit d'améliorer, d'une part, l'architecture de ces modèles et leurs technologies de communication et, d'autre part, les algorithmes d'ordonnancement et d'équilibrage de charges pour effectuer leurs travaux efficacement sur leurs dispositifs. Notre objectif est de rendre ces modèles omniprésents plus autonomes, intelligents et collaboratifs pour renforcer les capacités de leurs dispositifs, leurs technologies de connectivité et les applications qui effectuent leurs tâches. Ainsi, nous avons établi un modèle architectural autonome, omniprésent et collaboratif pour la périphérie des réseaux. Ce modèle s'appuie sur diverses technologies de connexion modernes telles que le sans-fil, la radiocommunication pair-à-pair, et les technologies offertes par LoPy4 de Pycom telles que LoRa, BLE, Wi-Fi, Radio Wi-Fi et Bluetooth. L'intégration de ces technologies permet de maintenir la continuité de la communication dans les divers environnements, même les plus sévères. De plus, ce modèle conçoit et évalue un algorithme d'équilibrage de charge et d'ordonnancement permettant ainsi de renforcer et améliorer son efficacité et sa qualité de service (QoS) dans différents environnements. L’évaluation de ce modèle architectural montre des avantages tels que l’amélioration de la connectivité et l’efficacité d’exécution des tâches. Advances in peer-to-peer and wireless communication technologies have increasingly enabled the integration of mobile and pervasive devices into distributed systems and computing architectures in the Internet of Things paradigm. Likewise, these devices are subject to continuous technological development. Thus, they always tend to be miniaturized, generation after generation during which they are considered as de facto devices. The success of this progress is the emergence of collaborative mobiles and pervasive computing, particularly integrated into the architectural models of the Internet of Things. The most important benefit of this form of computing is the ease of connecting a large number of pervasive and portable devices when they are on the move with different networks available. Despite the continual advancements that support this field, mobile and pervasive intelligent systems (networks, devices, software and connection technologies) still suffer from various limitations at several levels such as maintaining connectivity, computing power, ability to data storage, communication speeds, the lifetime of power sources, the efficiency of processing large tasks in terms of partitioning, scheduling and load balancing. The accelerated technological development of the equipment and devices of these mobile models is always accompanied by their intensive use. Given this reality, it requires more efforts both in their structural design and management. This involves improving on the one hand, the architecture of these models and their communication technologies, and, on the other hand, the scheduling and load balancing algorithms for the work efficiency. The goal is to make these models more autonomous, intelligent, and collaborative by strengthening the different capabilities of their devices, their connectivity technologies and the applications that perform their tasks. Thus, we have established a collaborative autonomous and pervasive architectural model deployed at the periphery of networks. This model is based on various modern connection technologies such as wireless, peer-to-peer radio communication, and technologies offered by Pycom's LoPy4 such as LoRa, BLE, Wi-Fi, Radio Wi-Fi and Bluetooth. The integration of these technologies makes it possible to maintain the continuity of communication in the various environments, even the most severe ones. Within this model, we designed and evaluated a load balancing and scheduling algorithm to strengthen and improve its efficiency and quality of service (QoS) in different environments. The evaluation of this architectural model shows payoffs such as improvement of connectivity and efficiency of task executions

Long-Wave Infrared Digital Holography

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