Performance improvement of wireless mesh networks by using a combination of channel-bonding and multi-channel techniques

In the present paper, the use of a combination of channel-bonding and multi-channel techniques is proposed to improve the performance of wireless mesh networks (WMNs). It is necessary to increase the network throughput by broadening the bandwidth, and two approaches to effectively utilize the broadened bandwidth can be considered. One is the multi-channel technique, in which multiple separate frequency channels are used simultaneously for information transmission. The other is the channel-bonding technique used in IEEE 802.11n, which joins multiple frequency channels into a single broader channel. The former can reduce the channel traffic to mitigate the effect of packet collision, while the latter can increase the transmission rate. In the present paper, these two approaches are compared and their respective advantages are clarified in terms of the network throughput and delay performance assuming the same total bandwidth and a CSMA protocol. Our numerical and simulation results indicate that under low-traffic conditions, the channel-bonding technique can achieve low delay, while under traffic congestion conditions, the network performance can be improved by using multi-channel technique. Based on this result, the use of a combination of these two techniques is proposed for a WMN, and show that it is better to use a proper channel technique according to the network traffic condition. The findings of the present study also contribute to improving the performance of a multimedia network, which consists of different traffic types of applications

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.Generally, network design problems consist of selecting links and vertices of a graph G so that a cost function is optimized and all constraints involving links and the vertices in G are met. A change in the criterion of optimization and/or the set of constraints leads to a new representation of a different problem. In this thesis, we consider the problem of designing infrastructure Wireless Mesh Networks (WMNs) where we show that the design of such networks becomes an optimization problem with multiple objectives instead of a standard optimization problem (a cost function is optimized) to take into account many aspects, often contradictory, but nevertheless essential in the reality. This thesis, composed of three parts, introduces new models and algorithms for designing WMNs from scratch. The first part is devoted to the simultaneous optimization of two equally important objectives: cost and network performance in terms of throughput. Three bi-objective models which differ mainly by the approach used to maximize network performance are proposed, solved and compared. The second part deals with the problem of gateways placement, given its impact on network performance and scalability. The concept of hop constraints is introduced into the network design to reduce the transmission delay. A novel algorithm based on a clustering approach is also proposed to find the strategic positions of gateways that support network scalability and increase its performance without significantly increasing the cost of installation. The final section addresses the problem of reliability in the presence of single failures. Allowing the installation of redundant components in the design phase can ensure reliable communications, but at the expense of cost and network performance. A new algorithm is developed based on the theoretical approach of "ear decomposition" to install the minimum number of additional routers to tolerate single failures. In order to solve the proposed models for real-size networks, an evolutionary algorithm (meta-heuristics), inspired from nature, is developed. Finally, the proposed models and methods have been evaluated through empirical and discrete events based simulations