Qualité de service dans des environnements réseaux mobiles, contraints et hétérogènes

Les télécommunications sans fil ont connu ces dernières années un immense succès à tel point que le spectre des fréquences est désormais surchargé et nécessite la disponibilité de nouvelles ressources. Pour répondre à ce besoin, des techniques de réutilisation dynamique du spectre ont alors vu le jour sous la dénomination de radio cognitive. Elles consistent à partager de manière opportuniste et efficace certaines fréquences ayant été initialement allouées à d'autres systèmes. Cette thèse se place dans le contexte de réseaux sans fil tactiques hétérogènes comportant des segments de radios cognitives. La difficulté provient alors de la garantie de qualité de service de bout en bout : respect du débit négocié, du délai et de la gigue. Nous nous sommes tout d'abord intéressés au contrôle d'admission dans ce type de réseaux en proposant une méthode de calcul de bande passante résiduelle de bout en bout s'appuyant sur un algorithme de complexité polynomiale et pouvant être implanté de manière distribuée. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le routage en proposant une nouvelle métrique tenant compte des particularités de ce type de réseaux. Enfin, nous nous focalisons sur la thématique du routage à contraintes multiples en étudiant et implantant en environnement réel des algorithmes d'approximation proposés dans la littérature. ABSTRACT : The unprecedented success of wireless telecommunication systems has resulted in the wireless spectrum becoming a scarce resource. Cognitive Radio systems have been proposed as the enabling technology allowing unlicensed equipments to opportunistically access the licensed spectrum when not in use by the licensed users. The focus of this thesis is on heterogeneous tactical networks deploying cognitive radios in parts or in their entirety. Such networks can be organized in multiple sub-networks, each characterized by a specific topology, medium access scheme and spectrum access policy. As a result, providing end-to-end Quality of Service guarantees in terms of bandwidth, delay and jitter, emerges as a key challenge. We first address the admission control in multi-hop cognitive radio networks and propose a polynomial time algorithm that can be implemented in a distributed fashion for estimating the end-to-end bandwidth. Then, we focus on routing and propose a new metric that takes into account the specifics of such networks. Finally, as quality of service requirements can be expressed using multiple metrics, we turn our attention to multi-constrained routing and implement on a real testbed low complexity approximation algorithms

Quality of service in heterogeneous mobile constrained networks

Les télécommunications sans fil ont connu ces dernières années un immense succès à tel point que le spectre des fréquences est désormais surchargé et nécessite la disponibilité de nouvelles ressources. Pour répondre à ce besoin, des techniques de réutilisation dynamique du spectre ont alors vu le jour sous la dénomination de radio cognitive. Elles consistent à partager de manière opportuniste et efficace certaines fréquences ayant été initialement allouées à d'autres systèmes. Cette thèse se place dans le contexte de réseaux sans fil tactiques hétérogènes comportant des segments de radios cognitives. La difficulté provient alors de la garantie de qualité de service de bout en bout : respect du débit négocié, du délai et de la gigue. Nous nous sommes tout d'abord intéressés au contrôle d'admission dans ce type de réseaux en proposant une méthode de calcul de bande passante résiduelle de bout en bout s'appuyant sur un algorithme de complexité polynomiale et pouvant être implanté de manière distribuée. Nous nous sommes ensuite concentrés sur le routage en proposant une nouvelle métrique tenant compte des particularités de ce type de réseaux. Enfin, nous nous focalisons sur la thématique du routage à contraintes multiples en étudiant et implantant en environnement réel des algorithmes d'approximation proposés dans la littérature.The unprecedented success of wireless telecommunication systems has resulted in the wireless spectrum becoming a scarce resource. Cognitive Radio systems have been proposed as the enabling technology allowing unlicensed equipments to opportunistically access the licensed spectrum when not in use by the licensed users. The focus of this thesis is on heterogeneous tactical networks deploying cognitive radios in parts or in their entirety. Such networks can be organized in multiple sub-networks, each characterized by a specific topology, medium access scheme and spectrum access policy. As a result, providing end-to-end Quality of Service guarantees in terms of bandwidth, delay and jitter, emerges as a key challenge. We first address the admission control in multi-hop cognitive radio networks and propose a polynomial time algorithm that can be implemented in a distributed fashion for estimating the end-to-end bandwidth. Then, we focus on routing and propose a new metric that takes into account the specifics of such networks. Finally, as quality of service requirements can be expressed using multiple metrics, we turn our attention to multi-constrained routing and implement on a real testbed low complexity approximation algorithms

An accurate and efficient modeling framework for the performance evaluation of DPDK-based virtual switches

International audienc

On estimating the end-to-end bandwidth in multi-transceiver multi-hop cognitive radio networks

International audienceCognitive radios promise to revolutionize the performance of wireless networks in general and multi-hop wireless networks in particular by making efficient use of the portion of the licensed spectrum left un-utilized. Realizing this promise, however, requires revisiting many of the current network architectures and protocols, which is the subject of a very active research effort. In this work, we focus on Quality of Service routing and more specifically, admission control. We consider a multi-hop cognitive radio network where every node is equipped with multiple transceivers. Because the research and development of a widely accepted MAC protocol for these networks is still ongoing, we assume a bare-bones TDMA protocol at the link layer. We show that, for the network considered, the problem of finding the maximum end-to-end bandwidth of a given path is NP-Complete. Given this result, we consider a relaxed version of the problem wherein the slot allocations are carried out at each node by selecting at random the required number of slots among those available. For this case, we provide a linear time algorithm for computing the average residual end-to-end bandwidth. We perform an extensive numerical analysis that demonstrates its accuracy and enabling value for performing admission control

Statistical Admission Control in Multi-Hop Cognitive Radio Networks

International audienceWe address the problem of online admission control in multi-hop, multi-transceiver cognitive radio networks where the channel access is regulated by a bare-bones time-division multiple access protocol and the primary user activity is modeled as an ON/OFF process. We show that the problem of computing the available end-to-end bandwidth-necessary for admission control-is NP-Complete. Rather than working on an approximation algorithm and analyzing its worst-case performance, we relax the problem of online admission control by using a randomized scheduling algorithm and analyzing its average performance. Randomized scheduling is widely used because of its simplicity and efficiency. However, computing the resulting average throughput is challenging and remains an open problem. We solve this problem analytically and use the solution as vehicle for BRAND-a centralized heuristic for computing the average bandwidth available with randomized scheduling between a source destination pair in cognitive radio networks. Driven by practical considerations, we introduce a distributed version of BRAND and prove its correctness. An extensive numerical analysis demonstrates the accuracy of BRAND and its enabling value in performing admission control

COExiST: Revisiting Transmission Count for Cognitive Radio Networks

International audienceTransmission count, the number of transmissions required for delivering a data packet over a link, is part of almost all state-of-the-art routing metrics for wireless networks. In traditional networks, peer-to-peer interference and channel errors are what define its value for the most part. In cognitive radio networks, however, there is a third culprit that can impact the transmission count: primary user interference. It may be tempting to think of primary user interference as no different than interference caused by other peers. However, unlike peers, primary users do not follow the same protocol and have strict channel access priority over the secondary users. Motivated by this observation, we carry out an empirical study on a USRP testbed for analyzing the impact of primary users. Our measurements show that a primary user has a distinct impact on the transmission count, which the de facto standard approach, ETX, designed for traditional networks, fails to capture. To resolve this, we present COExiST (for COgnitive radio EXpected transmISsion counT): a link metric that accurately captures the expected transmission count over a wireless link subject to primary user interference. Extensive experiments on a five-node USRP testbed demonstrate that COExiST accurately captures the actual transmission count in the presence of primary users -- the 80th percentile of the error is less than 20%

COExiST : une métrique caractérisant la qualité des liens sans fil dans les réseaux de radios cognitives

International audienceLes transmissions sans fil sont loin d’être parfaites car elles dépendent de la qualité des canaux utilisés et notamment des collisions pouvant s'y produire. Plusieurs retransmissions sont alors nécessaires pour pouvoir effectivement acheminer un paquet de données sur un lien sans fil. D` es lors, le nombre total de tentatives, aussi appelé nombre de transmissions par paquet, a été largement utilisé pour évaluer la qualité des liens radio et concevoir des métriques de routage efficaces pour les réseaux multi-sauts. À l'aide d'une plate-forme de test composée de radios logicielles USRP, nous démontrons que la métrique ETX, communément utilisée pour l'estimation de cette quantité dans les réseaux sans fil traditionnels, n'est plus adaptée au contexte des réseaux de radios cognitives. En effet, pour ce type de réseaux, un nouveau phénomène doit être pris en compte. Il s'agit des interférences provenant des utilisateurs primaires qui, contrairement aux utilisateurs secondaires, disposent d'une priorité sur le canal et peuvent réaliser des transmissions a tout instant. Après avoir identifié la manière dont ces interférences affectent le nombre de transmissions par paquet, nous proposons COExiST † , une métrique tenant compte des particularités des utilisateurs primaires. De nouvelles mesures réalisées en environnement réel mettent alors en évidence la précision de COExiST pour estimer le nombre moyen de transmissions par paquet : 80% du temps, l'erreur relative est inférieure a 20%