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

Gestion du Handover dans les réseaux hétérogènes mobiles et sans fil

Since 1990, networking and mobile technologies have made a phenomenal unprecedented progress. This progress has been experienced on multiple fronts in parallel; especially on the application level and the user's needs one. This rapid evolution of the technology imposed a need for the existence of heterogeneous environments where the coverage is ensured throughout the different available networks. The challenge with such architecture would be to provide the user with the ability to navigate through the different available networks in a transparent and seamless fashion. However, the navigation among different types of networks is commonly referred to as vertical Handover. The IEEE 802.21 standard offers a component that is called Media Independent Handover (MIH) which has a function that provides the capability of transmitting the state of the connection of the mobile nodes from the lower to upper layers. This layer would exist between layer 2 and layer 3 within the protocol architecture. The main role of MIH is to help the mobile node transfer without interrupt among different types of networks, but the logic of selection is left without implementation. In this context, we worked on the improvement of the Handover management by proposing a new architecture, called VHMC and based on MIH by offering new methods for selecting the destination network. The first solution is a new algorithm called Multiple Criteria Selection Algorithm (MCSA) based on multiple parameters of the quality of service. We used Network Simulator (NS2) for testing our approach and study the number of lost packets and lost time during Handover. The second solution is a new model for selecting the destination network based on fuzzy logic techniques. The distinctive characteristic of this model lies in the study of genuine Handover records taken from a Lebanese mobile operator called "Alfa". A third proposed solution for network selection is based on multiple linear regression theory.Depuis les années 90, la technologie réseau et radio mobile a fait l'objet de progrès phénoménaux. Cette avancée technologique s'est faite en parallèle du côté réseau, du côté application et du coté besoin de l’utilisateur. L’évolution rapide de la technologie a eu pour conséquence l’existence d’un environnement hétérogène où la couverture est assurée par la coexistence de plusieurs types de réseaux. Le défi soulevé par cette architecture est de pouvoir naviguer entre plusieurs réseaux d’une façon transparente. La navigation entre réseaux de types différents est connue sous le nom du Handover vertical. Le standard IEEE 802.21 offre une composante appelée Media Independent Handover (MIH) qui contient une fonction capable de transmettre l’état des liens du nœud mobile depuis les couches inférieures vers les couches supérieures. MIH s’intercale entre le niveau 2 et le niveau 3 dans la pile protocolaire. Le rôle principal de MIH est d’aider le nœud mobile à faire un transfert sans coupure entre des réseaux de types différents, mais la logique de sélection est laissée sans implémentation.Dans ce contexte nous avons travaillé sur l’amélioration de la gestion du Handover en proposant une nouvelle architecture appelée VHMC et basée sur MIH offrant des nouvelles méthodes de sélection du réseau destination. La première proposition est un nouvel algorithme nommé Multiple Criteria Selection Algorithm (MCSA) basé sur plusieurs paramètres de qualité du service. Nous avons utilisé le simulateur Network Simulator (NS2) pour évaluer nos propositions en étudiant le nombre de paquets perdus et le temps de latence du Handover durant la période du transfert. La deuxième contribution est un nouveau modèle de sélection du réseau destination basé sur la technique de la logique floue. La base d’inférence, qui est l’élément central de la décision de ce modèle, est déduit grâce à une étude basée sur un nombre élevé de cas de Handover réels collectés des serveurs de la compagnie de télécommunication libanaise "Alfa". Une troisième solution est proposée à travers un nouveau modèle de sélection du réseau destination basé sur la théorie de la régression linéaire multiple

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

Véhicules connectés contributions à la communication véhicule-réseau mobile et la localisation coopérative

RÉSUMÉ Véhicules connectés, ou « connected vehicles », est un nouveau paradigme des systèmes de transport intelligents (STI) qui vise à améliorer la sécurité et l’efficacité du trafic routier en utilisant les communications sans fil. Les communications des véhicules connectés (ou, V2X) englobent les communications sans fil entre véhicules et infrastructures (V2I), entre véhicule et véhicule (V2V), et entre les véhicules et les dispositifs sans fil (V2D). Considéré comme la norme de facto pour les communications V2X, le DSRC/WAVE est le principal standard de communication sans fil spécifiquement conçu pour les communications véhiculaires. L’efficacité du DSRC/WAVE pour les communications V2V et V2I a été prouvée par de nombreuses études et bancs d'essai dans le monde réel. En ce qui concerne la communication V2V, le passage au stade de déploiement à grande échelle est prévu à l’horizon 2020. En ce qui a trait à la communication V2I, bien que le déploiement d’une infrastructure DSRC (RSU) soit critique pour plusieurs applications STI, il n'y a toujours pas de plan pour son déploiement à grande échelle, essentiellement en raison de la nécessité d'investissements publics considérables. Avec les progrès réalisés au niveau des dernières versions du réseau mobile 4G LTE-A, les réseaux mobiles émergent comme l'une des principales technologies pour les communications V2I. En effet, le réseau mobile LTE-A permet aujourd’hui un plus grand débit (100Mb/s - 1Gb/s) avec relativement un faible délai (10ms) grâce à une évolution au niveau de l’architecture du réseau et l’introduction de nouvelles technologies telles que la densification du réseau à l'aide de petites cellules, relais (fixes et mobiles), la connectivité double (Dual Connectivity, DC), l’agrégation de porteuses (Carrier Aggregation, CA), etc.; des évolutions qui ouvrent la voie vers la 5G à l’horizon 2020 avec la promesse d’un débit encore plus élevé (10Gb/s) et d’un plus faible délai (1ms), ce qui renforce ainsi la tendance pour une future intégration véhicule et réseau mobile. Afin d’atteindre une plus grande efficacité spectrale, les petites cellules sont largement adoptées par les opérateurs de réseaux mobiles, dans les réseaux dits hétérogènes (HetNets), comme une solution clé pour désengorger le trafic au niveau des macrocellules et améliorer la capacité et la couverture du réseau d’accès. Cependant, bien que l’utilisation des petites cellules soit une solution intéressante pour les communications V2I, étant donné leur faible portée, cela provoque des relèves fréquentes qui mènent à une surcharge élevée de signalisation vers le réseau cœur. De plus, étant donné que les petites cellules sont généralement connectées au réseau cœur via une connexion Internet, celle-ci devient le goulot d'étranglement pour la relève et le transfert de données. D’où l’importance de compléter un maximum de relève localement. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l’étude de l’intégration véhicule infrastructure. L'objectif général est de proposer une architecture pour véhicule connecté basée sur la localisation coopérative, la communication V2I et la gestion de relève pour une meilleure intégration VANET – réseau mobile. Cette thèse fait état de trois principales contributions. 1. La première contribution concerne la proposition d’algorithmes de localisation coopérative, basés sur une approche ensembliste, qui permettent d’améliorer la précision de localisation. Le premier algorithme appelé (CLES) est un algorithme générique pour la localisation coopérative basée sur une approche ensembliste. Le deuxième algorithme, appelé (CLEF), est une application de l’algorithme CLES à la localisation par approche des signatures. De plus, nous caractérisons leur précision en évaluant la réduction du diamètre maximal et l’aire du polygone en fonction de différents paramètres tels que le nombre de polygones, la configuration géométrique, la proximité du nœud par rapport à la frontière de son polygone, et l’incertitude sur les mesures de distances. 2. La deuxième contribution porte sur la sélection des passerelles mobiles pour connecter efficacement les véhicules aux petites cellules du réseau mobile. Nous formulons le problème de sélection des passerelles mobiles sous forme d’un problème de programmation linéaire binaire multi-objectif (MO-BIP). Ensuite, nous évaluons l’efficacité de l’algorithme au niveau du temps de calcul pour différents degrés de connectivité et un nombre variable de véhicules. 3. La troisième contribution concerne la gestion de la relève dans les petites cellules du réseau mobile (LTE-A) afin de supporter efficacement les communications des véhicules connectés et réduire la surcharge de signalisation vers le réseau cœur. Pour ce faire, nous proposons un nouveau schéma basé sur le transfert local de trafic en utilisant les liens X2 et les nœuds d’ancrage. Trois procédures sont proposées, à savoir: 1) intra-domaine, 2) inter-domaines, 3) et K-sauts inter-domaines. Ensuite, en utilisant un modèle analytique, nous évaluons l’efficacité du schéma proposé.----------ABSTRACT Connected Vehicles are a new intelligent transportation paradigm that uses wireless communications to improve traffic safety and efficiency. It has received a great deal of attention in recent years, across many communities. While the DSRC is widely recognized as the de facto standard for V2V, other wireless technologies are required for large-scale deployment of V2I communications. Thanks to its high data rates and large scale deployment, the LTE-A enhanced by small cells densification, is positioned as one of the major candidate technologies for V2I communications. However, using LTE-A small cells for V2I communications is challenging due to their small coverage which lead to frequent handoffs and more signaling overhead. Thanks to recent advances in LTE-A Releases-10/11/12, the 4G LTE-Advanced (LTE-A) mobile network appears as one of the major candidate technologies for V2I communications. In fact, the LTE-A promises to deliver reduced connection setup time and lower latency (10ms) and higher data rates (up to 1Gbps) by using new physical layer technologies and new network elements and functions such as, network densification using Small Cells (SCs), Dual Connectivity (DC), Relaying functionality, Carrier Aggregation (CA), Device to Device (D2D) communication, etc.; developments that pave the way to 5G in the Horizon 2020, with the promise of an even higher data rates (more than 10 Gbps) and even much lower latency (1ms), which reinforces the trend for future integration between VANET and mobile networks for V2I communications. Although the macrocell will remain the major Radio Access Network (RAN) element for wide-area coverage and high-mobility users, it is no longer sufficient to meet user's demand in many high-density areas. Indeed, due to the proliferation of mobile devices and applications, mobile data demand continues to grow exponentially. Small cells, which include microcells, picocells, and femtocells, are widely recognized as a key solution for enhancing RAN capacity and coverage. They are increasingly used by mobile operators, in the so-called Heterogeneous Network (HetNet), to offload traffic from their macrocells. A HetNet is typically composed of several layers (macrocells, small cells), and in some cases different access technologies (e.g., LTE-A, UMTS, WiFi). SCs densification involves deploying more small coverage base stations in high demand areas to bring higher spectral efficiency per coverage area. Nevertheless, the SCs deployment faces a number of problems relevant to mobility handling that have to be addressed. More specifically, the use of SCs with limited coverage causes frequent handovers that lead to high signaling overhead toward the core network. In addition, since the small cells are generally connected to the EPC via a network Internet connection, this one becomes the bottleneck for handovers and data forwarding, hence the importance of completing a maximum of handover locally. This thesis therefore aims to propose solutions for VANETs and mobile networks integration. The main contributions of this thesis are summarized as follows: The first contribution concerns the proposed cooperative localization algorithms, based on a set-membership approach which improves the location accuracy. The first algorithm called (CLES) is a generic algorithm for cooperative localization based on a set-membership approach. The second algorithm called (CLEF) is an application of CLES algorithm to fingerprinting localization. In addition, we characterize their accuracy by evaluating the reduction of the maximum diameter and the area of the polygon depending on various parameters such as the number of polygons, the geometric configuration, the nearest node in relation to the boundary of the polygon, and the uncertainty of distance measurements. The second contribution concerns the selection of mobile gateways to effectively connect vehicles to small cells of the mobile network. In fact, while each vehicle may directly uses its LTE-A interface for V2I communications, we argue that by selecting a limited number of GWs, we can effectively reduce the mobility signaling overhead. Hence, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay the traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The selection problem is formulated as a multi-objective binary linear programming problem. Using linear programming solver, we show that, for realistic number of vehicles per small cell and GW connectivity degree, the execution time is relatively short. As a third contribution of this thesis, we focus on challenges relevant to mobility for VANETs using LTE-A network. Specifically, a novel architecture that integrates VANET and 4G LTE-A Heterogeneous Network for enhanced mobility in LTE-A small cells is introduced. First, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The problem is formulated as a multi-objective binary programming problem. Then, for seamless mobility of connected vehicles, we propose a local k-hops anchor-based mobility scheme with three procedures, namely intra-domain, k-hops inter-domain and inter-domain procedures. Numerical results show the effectiveness of the proposed mobility schemes for reducing the generated signaling load towards the core network

Étude de l'Urbanisation des Accès Virtuels et Stratégie de Métamorphose de Réseaux

Virtualization was originally introduced in networks to reduce maintenance and deployment costs. It has experienced tremendous growth and reshaped the landscape of IT and ITC networks. Virtualization permits the sharing of physical resources for instantiating isolated virtual machines despite the fact that it is drawing its resources from the same physical hardware. More recently NFV (Network Functions Virtualization) appeared, it allows to virtualize entire classes of network functions node in blocks that can connect to create communication services. In this thesis we virtualize the access network nodes, namely Wi-Fi access points. The Wi-Fi became one of the hot-topic technology for mobile operators, it allows them to offload some of the customers’ data traffic via hotspots. The problem that arises in such a mechanism is the existing wireless standards, and mobile devices connection management software have not been developed for this purpose. The Hotspot2.0 standard was created to overcome this limitation, by making the Wi-Fi experience similar to the cellular in terms of roaming, transparency and security. We have in our work, applied the concept of NFV by virtualizing these brand new Wi-Fi access points. One of the problems that we faced is the high security required by such standard, including the provisioning of client credentials in public areas. In our thesis we propose an innovative architecture for the repatriation of these credentials through NFC terminals. These same terminals will be used for access points’ urbanization by allowing users to create their own Wi-Fi virtual access point on the fly. The last aspect of this thesis is related to the management of virtualized entities changing communication patterns of legacy networks. In this context, SDN (Software Defined Network) emerged in data centers to redefine the way we think about networks, and is designed for virtualized environments. In this thesis we brought SDN to the edge of the network in our Wi-Fi virtual access points. More than a new paradigm of networks communications, we will see that NFV/SDN in Wi-Fi networks will in the near future make Wi-Fi networks more flexible, open and scalable.La virtualisation, originalement introduite dans les réseaux pour en réduire les coûts de maintenance et de déploiement, a connu une explosion fulgurante remodelant le paysage des réseaux informatiques et télécoms. La virtualisation permet la mutualisation des ressources physiques pour instancier des machines virtuelles complétement isolées mais puisant leurs ressources du même matériel physique. Plus récemment le NFV (Network Functions Virtualisation) est apparu, et a permis de virtualiser des classes entières de fonctions de nœud de réseau dans des blocs qui peuvent se connecter pour créer des services de communication. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour virtualiser les nœuds des réseaux d’accès, à savoir les points d’accès Wi-Fi. Le Wi-Fi est devenu la technologie de tous les enjeux pour les opérateurs mobile. Cette technologie leur permet notamment d’y délester une partie du trafic de données clients via des hotspots. Le problème qui se pose dans un tel mécanisme est que les normes Wi-Fi existantes ainsi que les logiciels de gestion de connexion d’un appareil mobile n’ont pas été développés dans l’optique du hotspot. A cet effet, la norme Hotspot2.0 a été créée, pour rendre l’expérience Wi-Fi similaire à celle du cellulaire en termes d’itinérance, de transparence et de sécurité. Nous avons dans nos travaux, appliqué le concept de NFV en virtualisant ces points d’accès Wi-Fi de nouvelle génération. La problématique face à laquelle nous avons été confrontés est la forte sécurité imposée par de tels dispositifs exigeants notamment l’enregistrement et l’installation de certificats de sécurité clients dans les lieux publics. Dans notre thèse nous proposons une architecture innovante permettant le rapatriement de ces éléments de sécurité à travers des bornes NFC. Ces mêmes bornes, dans une volonté d’urbanisation des points d’accès, permettront aux utilisateurs de créer leurs propres points d’accès Wi-Fi virtuels à la volée. Enfin, le dernier aspect de cette thèse touche à la problématique de gérance des entités virtualisées changeant les schémas de communication des réseaux traditionnels. Dans ce contexte, SDN (Software Defined Network) a émergé dans les datacenters pour redéfinir la façon de penser les réseaux plus en adéquation avec le contexte virtualisé. Cette thèse reprend le SDN pour l’appliquer en périphérie de réseaux sur les points d’accès Wi-Fi virtuels que nous avons créés. Plus qu’un nouveau paradigme de communications réseaux, nous verrons que l’introduction des concepts NFV/SDN aux réseaux Wi-Fi permettra dans un avenir proche de rendre les réseaux Wi-Fi plus souples, plus ouverts et plus évolutifs

Études des systèmes de communications sans-fil dans un environnement rural difficile

Les systèmes de communication sans fil, ayant de nombreux avantages pour les zones rurales, peuvent aider la population à bien s'y établir au lieu de déménager vers les centres urbains, accentuant ainsi les problèmes d’embouteillage, de pollution et d’habitation. Pour une planification et un déploiement efficace de ces systèmes, l'atténuation du signal radio et la réussite des liens d’accès doivent être envisagées. Ce travail s’intéresse à la provision d’accès Internet sans fil dans le contexte rural canadien caractérisé par sa végétation dense et ses variations climatiques extrêmes vu que les solutions existantes sont plus concentrées sur les zones urbaines. Pour cela, nous étudions plusieurs cas d’environnements difficiles affectant les performances des systèmes de communication. Ensuite, nous comparons les systèmes de communication sans fil les plus connus. Le réseau sans fil fixe utilisant le Wi-Fi ayant l’option de longue portée est choisi pour fournir les communications aux zones rurales. De plus, nous évaluons l'atténuation du signal radio, car les modèles existants sont conçus, en majorité, pour les technologies mobiles en zones urbaines. Puis, nous concevons un nouveau modèle empirique pour les pertes de propagation. Des approches utilisant l’apprentissage automatique sont ensuite proposées, afin de prédire le succès des liens sans fil, d’optimiser le choix des points d'accès et d’établir les limites de validité des paramètres des liens sans fil fiables. Les solutions proposées font preuve de précision (jusqu’à 94 % et 8 dB RMSE) et de simplicité, tout en considérant une multitude de paramètres difficiles à prendre en compte tous ensemble avec les solutions classiques existantes. Les approches proposées requièrent des données fiables qui sont généralement difficiles à acquérir. Dans notre cas, les données de DIGICOM, un fournisseur Internet sans fil en zone rurale canadien, sont utilisées. Wireless communication systems have many advantages for rural areas, as they can help people settle comfortably and conveniently in these regions instead of relocating to urban centers causing various overcrowding, habitation, and pollution problems. For effective planning and deployment of these technologies, the attenuation of the radio signal and the success of radio links must be precisely predicted. This work examines the provision of wireless internet access in the Canadian rural context, characterized by its dense vegetation and its extreme climatic variations, since existing solutions are more focused on urban areas. Hence, we study several cases of difficult environments affecting the performances of communication systems. Then, we compare the best-known wireless communication systems. The fixed wireless network using Wi-Fi, having the long-range option, is chosen to provide wireless access to rural areas. Moreover, we evaluate the attenuation of the radio signal, since the existing path loss models are generally designed for mobile technologies in urban areas. Then, we design a new path loss empirical model. Several approaches are then proposed by using machine learning to predict the success of wireless links, optimize the choice of access points and establish the validity limits for the pertinent parameters of reliable wireless connections. The proposed solutions are characterized by their accuracy (up to 94% and 8 dB RMSE) and simplicity while considering a wide range of parameters that are difficult to consider all together with conventional solutions. These approaches require reliable data, which is generally difficult to acquire. In our case, the dataset from DIGICOM, a rural Canadian wireless internet service provider, is used

Gestion de la mobilité pour l'internet du futur centré autour de l'information

L'Internet d'aujourd'hui a traversé série de changements évolutionnaires dans les quarante ou cinquante dernières années. Il a été conçu pour un réseau avec des nœuds fixes. Au début, le modèle de communication de l'Internet a été basé sur le réseau téléphonique (considéré comme 1er Génération Internet). Plus tard, il a été mis à jour comme un modèle client-serveur où la communication des systèmes d'échanger des données sur des liaisons dédiées. Cette 2ème génération Internet, au cours des années, a été contestée par de nombreux problèmes tels que la congestion du réseau, panne de chemin, les attaques DOS, gestion de la mobilité pour les réseaux sans fil, etc. Les utilisateurs d'Internet recherchent toujours des informations, indépendamment de la localisation (nœud ou serveur) où il se trouve ou stockées. Cette approche est la base d'une architecture où l'information est considérée comme l'unité primaire. Ces réseaux, en général, sont appelés en tant que Network of Information (NetInf), où l'information prend une position centrée remplaçant l'approche centrée sur nœud comme dans l'Internet aujourd'hui. Les problèmes rencontrés par l'Internet aujourd hui, mentionné ci-dessus, peuvent être traitées avec une approche unificatrice en mettant l'information au centre de l'architecture du réseau. À l'échelle mondiale, cette conception de l'architecture réseau est nommée Future Information Centric Internet . En parallèle, l'utilisation de l'Internet mobile a été augmentée durant la dernière décennie. Il a été environ 1,2 milliard abonnements de mobile broad band pour 2,4 milliards d utilisateurs d'Internet en 2011. En raison d augmentation de l'efficacité spectrale et ubiquitaire disponibilité de la connectivité cellulaire, la mobilité et la connectivité transparente est désormais considérée comme des produits de base la vie quotidienne. Néanmoins, en cas d'Internet, les solutions de mobilité basées sur IP ne peuvent pas rattraper son retard dans la performance avec l'évolution rapide des réseaux cellulaires. Par conséquent, l'un des principaux objectifs pour l'internet du futur est de concevoir des systèmes de gestion de mobilité qui permettent de surmonter les problèmes dans les réseaux sans fil tels que handover et la gestion de la localisation, multihoming, sécurité, etc. Dans cette thèse, nous avons proposé une solution de gestion de mobilité dans les réseaux sans fil dans le cadre du Information Centric Networking (ICN) en général et dans le contexte ne NetInf en particulier. NetInf est une architecture du Futur Internet basée sur le concept du ICN. Nous proposons un nœud mobile qui s appelle NetInf Mobile Node (NetInf MN). L'architecture de ce nœud est compatible avec l'architecture d'Internet basée sur TCP/TP. Cette conception de l'architecture travaille en collaboration avec Central Control Unit (CCU) pour améliorer les performances en cas de handover dans les réseaux sans fil. La Virtual Node Layer (VNL) algorithme explique comment les différents modules de NetInf MN et des unités CCU travaillé ensemble. La modèle mathématique basé sur Théorie de Jeu et Renforcement Learning (CODIPAS-RL) montre comment handover et data relaying sont géré dans les réseaux sans fil. Les résultats des simulations montrent que le modèle proposé réalise à la fois de Nash et de Stackelberg équilibres alors que le CODIPAS-RL régime atteint un optimum global. Enfin, comme un exemple de cas d'utilisation de l'architecture NetInf, nous proposons le NetInf Email Service qui ne requiert pas des serveurs et ports dédiés contrairement au service e-mail existante. L'utilisation de clés asymétriques comme l'ID de l'utilisateur est la caractéristique unique proposée pour ce service. Le NetInf Email service architecture présenté, explique comment différents éléments architecturaux travail ensemble. Nous discuter des défis différents et des besoins relatifs à ce service. Le prototype développé pour NetInf sera utilisée pour la mise en œuvre de ce serviceThe contemporary Internet ecosystem today has gone through series of evolutionary changes during the last forty or fifty years. Though it was designed as a network with fixed nodes, it has scaled well enough with the development of new technologies both in fixed and wireless networks. Initially, the communication model of the Internet was based on the telephone network (and can be considered as the 1st Generation Internet). Later, its transition as a client-server model made it a network where communication systems exchange data over dedicated links. This 2nd Generation Internet, over the years, has been challenged by many problems and issues such as network congestion, path failure, DOS attacks, mobility issues for wireless networks, etc. The Internet users always look for some information, irrespectively where it is located or stored. This approach is the basic building block for a network architecture where information is considered as the premier entity. Such networks, in general, are termed as Information Centric Network (ICN), where information takes centric position superseding the node centric approach like in the current Internet. The problems faced by the current Internet architecture, mentioned above, can be handled with a unifying approach by putting the information at the centre of the network architecture. On a global scale, this network architecture design is termed as the Future Information Centric Internet. Similarly, Mobile Internet usage has increased overwhelmingly in the last decade. There has been an estimated 1.2 billion mobile broad-band subscriptions for 2.4 billion Internet users in 2011. Because of the increased spectrum efficiency and ubiquitous availability of cellular connectivity, the seamless mobility and connectivity is now considered as daily life commodity. However, in the case of the Internet, IP based mobility solutions cannot catch up in performance with the fast evolution of cellular networks. Therefore, one of the primary goals for the Future Internet is the design of mobility management schemes that overcome the issues in wireless networks such as handover and location management, multihoming, security, etc. In this thesis, we have proposed a mobility management solution in wireless networks in the context of ICN in general and in the context of Network of Information (NetInf) in particular. NetInf is ICN-based Future Internet architecture. We propose a NetInf Mobile Node (NetInf MN) architecture which is backward compatible with the current Internet architecture as well. This cross architecture design for mobility support works closely with Central Control Unit (CCU) (network entity) for improved performance in case of handover management in wireless networks. The Virtual Node Layer (VNL) algorithm explains how different modules of NetInf MN and CCU units work together. The game theoretical and Reinforcement Learning (CODIPAS-RL) scheme based mathematical model shows how handover management and data relaying in the wireless networks can increase the network coverage through cooperative diversity. Simulation results show that the proposed model achieves both Nash and Stackelberg equilibria where as the selected CODIPAS-RL scheme reaches global optimum. Finally, as a use case example of NetInf architecture, we propose the NetInf Email service that does not require dedicated servers or dedicated port unlike the current email service. The use of asymmetric keys as user's ID is the unique feature proposed for this service. The NetInf email service architecture framework presented, explains how different architectural components work together. We discuss different challenges and requirements related to this service. The prototype developed for the Network of Information will be used for the implementation of this serviceEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Réseaux ad hoc : système d'adressage et méthodes d'accessibilité aux données

RÉSUMÉ Au cours de la dernière décennie, un nouveau type de réseaux sans fil a suscité un grand intérêt dans la communauté scientifique: ce sont les réseaux ad hoc. Ils existent sous la variante des réseaux mobiles ad hoc (MANET), et des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les réseaux mobiles ad hoc sont constitués de noeuds mobiles qui communiquent les uns avec les autres sans l‘aide d‘une d'infrastructure centralisée. Les noeuds se déplacent librement et sont soumis à des déconnexions fréquentes en raison de l'instabilité des liens. Cela a pour conséquence de diminuer l'accessibilité aux données, et de modifier la façon dont les données sont partagées dans le réseau. Comparable aux réseaux MANET, un RCSF est composé d'un ensemble d'unités de traitements embarquées, appelées capteurs, communiquant via des liens sans fil et dont la fonction principale est la collecte de paramètres relatifs à l'environnement qui les entoure, telles que la température, la pression, ou la présence d'objets. Les RCSF diffèrent des MANET de par le déploiement à grande échelle des noeuds, et trouvent leur application dans diverses activités de la société, tels les processus industriels, les applications militaires de surveillance, l'observation et le suivi d'habitat, etc. Lorsqu‘un grand nombre de capteurs sont déployés avec des dispositifs d'actionnement appelés acteurs, le RCSF devient un réseau de capteurs et d‘acteurs sans fil (RCASF). Dans une telle situation, les capteurs collaborent pour la détection des phénomènes physiques et rapportent les données afférentes aux acteurs qui les traitent et initient les actions appropriées. De nombreux travaux dans les RCSF supposent l'existence d'adresses et d'infrastructures de routage pour valider leurs propositions. Cependant, l‘allocation d‘adresses et le routage des données liées aux événements détectés dans ces réseaux restent des défis entiers, en particulier à cause du nombre élevé de capteurs et des ressources limitées dont ils disposent. Dans cette thèse, nous abordons le problème de l'accessibilité aux données dans les MANET, et les mécanismes d‘adressage et de routage dans les RCSF de grande taille.----------ABSTRACT During the last decade, a new type of wireless networks has stirred up great interest within the scientific community: there are ad hoc networks. They exist as mobile ad hoc networks (MANET), and wireless sensor (WSN). The mobile ad hoc networks consist of mobile nodes that communicate with each other without using a centralized infrastructure. The nodes move freely and are subject to frequent disconnections due to links instability. This has the effect of reducing data accessibility, and change the way data are shared across the network. Similar MANET networks, a WSN consists of a set of embedded processing units called sensors that communicate with each other via wireless links. Their main function is the collection of parameters relating to the environment around them, such as temperature, pressure, motion, video, etc. WSNs differ from the MANETs due to the large scale deployment of nodes, and are expected to have many applications in various fields, such as industrial processes, military surveillance, observation and monitoring of habitat, etc. When a large number of sensors which are resource-impoverished nodes are deployed with powerful actuation devices, the WSN becomes a Wireless Sensor and Actor Network (WSAN). In such a situation, the collaborative operation of sensors enables the distributed sensing of a physical phenomenon, while actors collect and process sensor data to perform appropriate action. Numerous works in WSN assumes the existence of addresses and routing infrastructure to validate their proposals. However, assigning addresses and delivering detected events remains highly challenging, specifically due to the sheer number of nodes. In this thesis, we address the problem of data accessibility in MANET, and that of addressing and routing in large scale WSN. This involves techniques such as data caching and replication to prevent the deterioration of data accessibility. The addressing system in WSN includes a distributed address allocation scheme and a routing infrastructure for both actors and sensors. Moreover, with the birth of the multimedia sensors, the traffic may be mixed with time sensitive packets and reliability-demanding packets. For that purpose, we also address the problem of providing quality of service (QoS) in the routing infrastructure for WSN

E-diagnostic de processus physiques à base des méthodes de haute résolution Application : machines éoliennes

The expansion of systems using intelligent sensors has prompted the study of physical processes E-diagnosis based on high resolution methods. The automated control of modern wind machines requires proactive maintenance. We proposed several indicators measuring the performance level of a wireless protocol for routing data packets to the monitoring station. A study to design a diagnosis system entitled IESRCM for local or remote monitoring for the mentioned machines is achieved. A comparison has been realized to appreciate the performance of this system when it is integrated with GPRS or Wi-Max wireless modules. The obtained results by simulation using Proteus ISIS and OPNET software have favored the incorporation of Wi-Max module in the proposed system because its advantages over GPRS. The high resolution spectral estimation methods are effectively used for detecting electromechanical wind turbine faults. In front of the diversity of these methods, an investigation of each algorithm separately has been performed with a composite signal of stator current containing several types of defects and under different noisy environments. It was deduced in therein that the accuracy of the spectral estimation depends on the degree of the signal disturbance, the severity level of the faults, the frequency sampling and the number of data samples. The comparison with simulation in Matlab that we have made between these algorithms has proved the superiority of ESPRIT algorithm. However, this algorithm has a relatively large computing time and requires an important memory size to be executed. To overcome this problem, an improvement of ESPRIT-TLS technique has been proposed to make it applicable in real time. A new version of this method is developed in this thesis entitled Fast-ESPRIT. The proposed development is made by combining pass band recursive filtering technique IIR of Yule-Walker and decimation technique. The evaluation of the proposed technique for wind turbine fault detection of various types is performed. The analysis of the obtained results confirms that the Fast-ESPRIT algorithm provides a very satisfactory spectral accuracy in discriminating the studied faults harmonics. It resulted in a reduced complexity with an eligible ratio, a reduction of the required memory size for its implementation 5 times lower and a decrease of calculation time about 14,25 times less. This method provides better spectral resolution even in presence of a significant number of harmonics of different faults. However, this new method has some limitations because it does not recognize the type and the severity level of a detected fault. Therefore, another real time control approach has been proposed. It combines the developed Fast-ESPRIT method, the fault classification algorithm called CAFH and a fuzzy inference system interconnected with vibration sensors located on various wind turbine components. A new indicator of severity level for each studied fault type was formulated. It allows avoiding unnecessary alarms. Matlab simulation of this approach under four failure types with a noise shows that it provides a good robustness of faults classification.L’expansion des systèmes utilisant des capteurs intelligents a incité l’étude d’E-diagnostic de processus physiques à base des méthodes de haute résolution. Le contrôle automatisé des machines éoliennes modernes nécessite la maintenance proactive. On a proposé plusieurs indicateurs mesurant le niveau de performance d’un protocole d’acheminement sans fil des paquets de données vers la station de supervision. Une étude de conception d’un système de diagnostic IESRCM permettant la surveillance locale ou à distance des machines indiquées est réalisée. Une comparaison a été effectuée pour apprécier les performances de ce système lors de son intégration avec les modules sans fil GPRS ou Wi-Max. Les résultats obtenus avec simulation sous Proteus ISIS et OPNET ont favorisé l’incorporation du module Wi-Max dans le système proposé en raison de ses avantages par rapport au GPRS. Les méthodes d’estimation spectrale à haute résolution sont efficacement utilisées pour la détection de défauts électromécaniques d’éoliennes. Devant la diversité de ces méthodes, une investigation de chaque algorithme à part est réalisée avec un signal composite du courant statorique contenant plusieurs types de défauts et sous un environnement différemment bruité. On a déduit à cet égard que la précision de l’estimation spectrale dépend du degré de perturbation du signal, du niveau de sévérité d’un défaut, de la fréquence d’échantillonnage et du nombre d’échantillons de données. La comparaison avec simulation sous Matlab qu’on a effectuée entre ces algorithmes a prouvé la supériorité de l’algorithme ESPRIT. Cependant, cet algorithme présente un temps de calcul relativement grand et demande une taille mémoire importante pour être exécuté. Pour contourner cet obstacle, on a proposé une amélioration de la technique ESPRIT-TLS pour la rendre applicable en temps réel. Une nouvelle version est développée dans cette thèse intitulée Fast-ESPRIT. L’élaboration envisagée est effectuée en combinant la technique de filtrage passe bande récursif IIR de Yule-Walker et la technique de décimation. L’évaluation de la technique proposée dans la détection de quatre types de défauts d’une éolienne est réalisée. L’analyse des résultats obtenus confirme que l’algorithme Fast-ESPRIT offre une précision spectrale très satisfaisante dans la discrimination des harmoniques des défauts étudiés. On a abouti à une complexité réduite avec un rapport admissible, à une réduction de l’espace mémoire requis pour son exécution 5 fois inférieur et à la diminution du temps de calcul d’environ 14,25 fois moins. Cette méthode offre une meilleure résolution même en présence d’un nombre important d’harmoniques de défauts différents. Cependant, cette nouvelle méthode présente quelques limitations puisqu’elle ne permet pas de reconnaitre le type et le niveau de sévérité d’un défaut détecté. On a donc proposé une autre approche de contrôle en temps réel. Celle-ci combine la méthode Fast-ESPRIT développée, l’algorithme de classification de défauts intitulé CAFH et un système d’inférence flou interconnecté aux capteurs de vibration localisés sur les différentes composantes d’éolienne. Un nouvel indicateur du niveau de sévérité de chaque type de défaut a été formulé. Il permet d’éviter les alarmes inutiles. La simulation sous Matlab de cette approche avec quatre types de défaillances en présence d’un bruit montre qu’elle offre une meilleure robustesse dans la classification des défauts

Simulation multi-moteurs multi-niveaux pour la validation des spécifications système et optimisation de la consommation

This work aims at system-level modelling a defined transceiver for Bluetooth Low energy (BLE) system using SystemC-AMS. The goal is to analyze the relationship between the transceiver performance and the accurate energy consumption. This requires the transceiver model contains system-level simulation speed and the low-level design block power consumption and other RF specifications. The Meet-in-the-Middle approach and the Baseband Equivalent method are chosen to achieve the two requirements above. A global simulation of a complete BLE system is achieved by integrating the transceiver model into a SystemC-TLM described BLE system model which contains the higher-than-PHY levels. The simulation is based on a two BLE devices communication system and is run with different BLE use cases. The transceiver Bit-Error-Rate and the energy estimation are obtained at the end of the simulation. First, we modelled and validated each block of a BT transceiver. In front of the prohibitive simulation time, the RF blocks are rewritten by using the BBE methodology, and then refined in order to take into account the non-linearities, which are going to impact the couple consumption, BER. Each circuit (each model) is separately verified, and then a first BLE system simulation (point-to-point between a transmitter and a receiver) has been executed. Finally, the BER is finally estimated. This platform fulfills our expectations, the simulation time is suitable and the results have been validated with the circuit measurement offered by Riviera Waves Company. Finally, two versions of the same transceiver architecture are modelled, simulated and comparedCe travail vise la modélisation au niveau système, en langage SystemC-AMS, et la simulation d'un émetteur-récepteur au standard Bluetooth Low Energy (BLE). L'objectif est d'analyser la relation entre les performances, en termes de BER et la consommation d'énergie du transceiver. Le temps de simulation d’un tel système, à partir de cas d’étude (use case) réaliste, est un facteur clé pour le développement d’une telle plateforme. De plus, afin d’obtenir des résultats de simulation le plus précis possible, les modèles « haut niveau » doivent être raffinés à partir de modèles plus bas niveau où de mesure. L'approche dite Meet-in-the-Middle, associée à la méthode de modélisation équivalente en Bande Base (BBE, BaseBand Equivalent), a été choisie pour atteindre les deux conditions requises, à savoir temps de simulation « faible » et précision des résultats. Une simulation globale d'un système de BLE est obtenue en intégrant le modèle de l'émetteur-récepteur dans une plateforme existante développée en SystemC-TLM. La simulation est basée sur un système de communication de deux dispositifs BLE, en utilisant différents scénarios (différents cas d'utilisation de BLE). Dans un premier temps nous avons modélisé et validé chaque bloc d’un transceiver BT. Devant le temps de simulation prohibitif, les blocs RF sont réécrits en utilisant la méthodologie BB, puis raffinés afin de prendre en compte les non-linéarités qui vont impacter le couple consommation, BER. Chaque circuit (chaque modèle) est vérifié séparément, puis une première simulation système (point à point entre un émetteur et un récepteur) est effectué