Wireless sensor networks (WSNs) have a wide variety of applications in civilian, medical and military applications. However, the nodes in such a network are limited to one type of action: sensing the environment. With increasing requirements for intelligent interaction with the environment, there is a need to not only perceive but also control the monitored environment. This has led to the emergence of a new class of networks, referred to as wireless sensor and actor networks (WSANs), capable of performing both sensing and acting tasks on the environment. The evolution from WSNs, which can be thought of as performing only read operations, to WSANs, which can perform both read and write operations, introduces unique and new challenges that need to be addressed. In this research, the fundamental challenges required for effective operation of WSANs are analyzed from the following three different perspectives: (i) operation correctness, (ii) resource optimality, and (iii) operation performance. The solutions proposed to address the challenges are evaluated with the optimal solution and other competing approaches through analytical and simulation results. The feasibility of the proposed solutions is demonstrated through a testbed implementation.

Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 76 pages. / Thesis (M.S.E.E.)--University of South Florida, 2003. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: The use of digitized information is rapidly gaining acceptance in bio-medical applications. Video compression plays an important role in the archiving and transmission of different digital diagnostic modalities. The present scheme of video compression for low bit-rate networks is not suitable for medical video sequences. The instability is the result of block artifacts resulting from the block based DCT coefficient quantization. The possibility of applying deformable motion estimation techniques to make the video compression standard (H.263) more adaptable for bio-medial applications was studied in detail. The study on the network characteristics and the behavior of various congestion control mechanisms was used to analyze the complete characteristics of existing low bit rate video compression algorithms. The study was conducted in three phases. The first phase involved the implementation and study of the present H.263 compression standard and its limitations. / ABSTRACT: The second phase dealt with the analysis of an external force for active contours which was used to obtain estimates for deformable objects. The external force, which is termed Gradient Vector Flow (GVF), was computed as a diffusion of the gradient vectors associated with a gray-level or binary edge map derived from the image. The mathematical aspect of a multi-scale framework based on a medial representation for the segmentation and shape characterization of anatomical objects in medical imagery was derived in detail. The medial representations were based on a hierarchical representation of linked figural models such as protrusions, indentations, neighboring figures and included figures--which represented solid regions and their boundaries. The third phase dealt with the vital parameters for effective video streaming over the internet in the bottleneck bandwidth, which gives the upper limit for the speed of data delivery from one end point to the other in a network. / ABSTRACT: If a codec attempts to send data beyond this limit, all packets above the limit will be lost. On the other hand, sending under this limit will clearly result in suboptimal video quality. During this phase the packet-drop-rate (PDR) performance of TCP(1/2) was investigated in conjunction with a few representative TCP-friendly congestion control protocols (CCP). The CCPs were TCP(1/256), SQRT(1/256) and TFRC (256), with and without self clocking. The CCPs were studied when subjected to an abrupt reduction in the available bandwidth. Additionally, the investigation studied the effect on the drop rates of TCP-Compatible algorithms by changing the queuing scheme from Random Early Detection (RED) to DropTail. / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.

This dissertation is a study on the design and analysis of novel, optimal routing and rate control algorithms in wireless, mobile communication networks. Congestion control and routing algorithms upto now have been designed and optimized for wired or wireless mesh networks. In those networks, optimal algorithms (optimal in the sense that either the throughput is maximized or delay is minimized, or the network operation cost is minimized) can be engineered based on the classic time scale decomposition assumption that the dynamics of the network are either fast enough so that these algorithms essentially see the average or slow enough that any changes can be tracked to allow the algorithms to adapt over time. However, as technological advancements enable integration of ever more mobile nodes into communication networks, any rate control or routing algorithms based, for example, on averaging out the capacity of the wireless mobile link or tracking the instantaneous capacity will perform poorly. The common element in our solution to engineering efficient routing and rate control algorithms for mobile wireless networks is to make the wireless mobile links seem as if they are wired or wireless links to all but few nodes that directly see the mobile links (either the mobiles or nodes that can transmit to or receive from the mobiles) through an appropriate use of queuing structures at these selected nodes. This approach allows us to design end-to-end rate control or routing algorithms for wireless mobile networks so that neither averaging nor instantaneous tracking is necessary, as we have done in the following three networks. A network where we can easily demonstrate the poor performance of a rate control algorithm based on either averaging or tracking is a simple wireless downlink network where a mobile node moves but stays within the coverage cell of a single base station. In such a scenario, the time scale of the variations of the quality of the wireless channel between the mobile user and the base station can be such that the TCP-like congestion control algorithm at the source can not track the variation and is therefore unable to adjust the instantaneous coding rate at which the data stream can be encoded, i.e., the channel variation time scale is matched to the TCP round trip time scale. On the other hand, setting the coding rate for the average case will still result in low throughput due to the high sensitivity of the TCP rate control algorithm to packet loss and the fact that below average channel conditions occur frequently. In this dissertation, we will propose modifications to the TCP congestion control algorithm for this simple wireless mobile downlink network that will improve the throughput without the need for any tracking of the wireless channel. Intermittently connected network (ICN) is another network where the classic assumption of time scale decomposition is no longer relevant. An intermittently connected network is composed of multiple clusters of nodes that are geographically separated. Each cluster is connected wirelessly internally, but inter-cluster communication between two nodes in different clusters must rely on mobile carrier nodes to transport data between clusters. For instance, a mobile would make contact with a cluster and pick up data from that cluster, then move to a different cluster and drop off data into the second cluster. On contact, a large amount of data can be transferred between a cluster and a mobile, but the time duration between successive mobile-cluster contacts can be relatively long. In this network, an inter-cluster rate controller based on instantaneously tracking the mobile-cluster contacts can lead to under utilization of the network resources; if it is based on using long term average achievable rate of the mobile-cluster contacts, this can lead to large buffer requirements within the clusters. We will design and analyze throughput optimal routing and rate control algorithm for ICNs with minimum delay based on a back-pressure algorithm that is neither based on averaging out or tracking the contacts. The last type of network we study is networks with stationary nodes that are far apart from each other that rely on mobile nodes to communicate with each other. Each mobile transport node can be on one of several fixed routes, and these mobiles drop off or pick up data to and from the stationaries that are on that route. Each route has an associated cost that much be paid by the mobiles to be on (a longer route would have larger cost since it would require the mobile to expend more fuel) and stationaries pay different costs to have a packet picked up by the mobiles on different routes. The challenge in this type of network is to design a distributed route selection algorithm for the mobiles and for the stationaries to stabilize the network and minimize the total network operation cost. The sum cost minimization algorithm based on average source rates and mobility movement pattern would require global knowledge of the rates and movement pattern available at all stationaries and mobiles, rendering such algorithm centralized and weak in the presence of network disruptions. Algorithms based on instantaneous contact, on the contrary, would make them impractical as the mobile-stationary contacts are extremely short and infrequent. / text

No description available.

Tα τελευταία χρόνια τα κινητά δίκτυα επικοινωνιών τρίτης γενιάς γνωρίζουν μεγάλη άνθηση και η χρήση τους έχει επεκταθεί στις περισσότερες χώρες όπως και στην Ελλάδα. Παρόλο που αυτή η γενιά κινητών δικτύων προσφέρει προηγμένες υπηρεσίες στους χρήστες, η διαρκής ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες πρόσβασης που φτάνουν στα όρια της ευρυζωνικότητας, οδήγησε στην περαιτέρω ανάπτυξη των κινητών δικτύων και στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών. Ο κυριότερος εκπρόσωπός τους είναι η τεχνολογία High Speed Packet Access (HSPA). Η τεχνολογία HSPA αποτελεί τη φυσιολογική μετεξέλιξη των κινητών δικτύων τρίτης γενιάς, η οποία πολλές φορές συναντάται και ως 3.5G ή 3G+ προκειμένου να δηλώσει την αναβάθμιση του 3rd Generation (3G) προτύπου. Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία HSPA αναμένεται να προσφέρει τη δυνατότητα παροχής πληθώρας ευρυζωνικών υπηρεσιών, το 3rd Generation Partnership Project (3GPP), που αποτελεί τον οργανισμό προτυποποίησης για τις νέες κινητές τεχνολογίες και ορίζει τις προδιαγραφές τους, ήδη μελετά και επεξεργάζεται νέες τεχνολογίες που θα επικρατήσουν για τη νέα δεκαετία στην αγορά των κινητών επικοινωνιών. Η νέα αυτή τεχνολογία αποκαλείται Long Term Evolution (LTE) και στοχεύει στην επίτευξη ακόμη υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης σε συνδυασμό με την αξιοποίηση μεγαλύτερου εύρους ζώνης. Κύρια προοπτική της τεχνολογίας LTE αποτελεί η διασφάλιση της ανταγωνιστικότητας και η επικράτηση του προτύπου στο χρονικό ορίζοντα της επόμενης δεκαετίας. Είναι προφανές ότι η τεχνολογία κινητών επικοινωνιών σταδιακά μεταλλάσσεται προς τη δημιουργία δικτύων κινητών επικοινωνιών επόμενης γενιάς, με απώτερο σκοπό την επίτευξη της αποκαλούμενης «Κινητής Ευρυζωνικότητας». Είναι αναμενόμενο ότι ο ταχύτατα εξελισσόμενος τομέας των δικτύων κινητών επικοινωνιών έχει επιφέρει μία ιδιαίτερα αυξανόμενη απαίτηση για ασύρματη, πολυμεσική επικοινωνία καθώς και για ένα ενοποιημένο και λειτουργικό σύστημα κινητής τηλεφωνίας που θα παρέχει πληθώρα ευρυζωνικών υπηρεσιών ψηφιακού περιεχομένου στους χρήστες των κινητών δικτύων επικοινωνιών. Από την άλλη πλευρά, ταυτόχρονα με τις ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των χρηστών, οι πάροχοι πολυμεσικού περιεχομένου και υπηρεσιών ενδιαφέρονται όλο και περισσότερο για την υποστήριξη της multicast μετάδοσης δεδομένων στα κινητά δίκτυα με σκοπό την αποτελεσματική διαχείριση και επαναχρησιμοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου. Με αυτό τον τρόπο οι χρήστες των κινητών δικτύων θα έχουν πλέον πρόσβαση σε εφαρμογές και υπηρεσίες οι οποίες μέχρι σήμερα μπορούσαν να διατεθούν αποκλειστικά από τα συμβατικά ενσύρματα δίκτυα. Έτσι λοιπόν στις μέρες μας γίνεται λόγος για κινητές υπηρεσίες πραγματικού χρόνου όπως το mobile TV, το mobile gaming και το mobile streaming. Ένα από τα σημαντικότερα βήματα των δικτύων κινητών επικοινωνιών προς την κατεύθυνση της παροχής νέων, προηγμένων πολυμεσικών υπηρεσιών είναι η έναρξη τη προτυποποίησης της υπηρεσίας Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). Η υπηρεσία MBMS έχει σαν κύριο σκοπό την υποστήριξη IP εφαρμογών broadcast και multicast, επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την παροχή υπηρεσιών υψηλού ρυθμού μετάδοσης σε πολλαπλούς χρήστες με οικονομικό τρόπο. Η multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών είναι μια σχετικά νέα λειτουργία η οποία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο των δοκιμών και της προτυποποίησης της. Το multicast είναι μία αποδοτική μέθοδος μετάδοσης δεδομένων προς πολλαπλούς προορισμούς καθώς χρησιμοποιεί λιγότερους πόρους από το δίκτυο. Το πλεονέκτημά του είναι ότι τα δεδομένα του αποστολέα μεταδίδονται μόνο μία φορά πάνω από κάθε σύνδεσμο που είναι κοινός στα διάφορα μονοπάτια προς ένα σύνολο από αποδέκτες. Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιλαμβάνει τη διερεύνηση της εφαρμογής διάφορων μηχανισμών βελτιστοποίησης της εφαρμογής του multicast στη μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Η διεξαχθείσα έρευνα εστιάζει στην υπηρεσία MBMS και εξετάζει τον τρόπο με τον οποίο θα βελτιστοποιηθεί η εφαρμογή της στα κινητά δίκτυα. Επίσης, μελετά μηχανισμούς που εξασφαλίζουν τον έλεγχο συμφόρησης στις MBMS συνόδους καθώς και στην εφαρμογή του Forward Error Correction (FEC) για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πρώτη σημαντική συνεισφορά που περιλαμβάνει η παρούσα διδακτορική διατριβή είναι ένας νέος μηχανισμός για τη multicast μετάδοση δεδομένων πάνω από κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Αυτός ο μηχανισμός έχει σχεδιαστεί με βάση τις τρέχουσες προδιαγραφές έτσι όπως αυτές έχουν καθοριστεί από το 3GPP. Ο σχεδιασμός έχει γίνει με στόχο την ελαχιστοποίηση των απαιτούμενων πακέτων και τη βελτιστοποίηση της χρήσης των πόρων του δικτύου. Εκτός από την κανονική multicast μετάδοση δεδομένων, λαμβάνονται υπόψη ειδικές περιπτώσεις οι οποίες προκαλούνται από διάφορα σενάρια κινητικότητας των χρηστών. Βασικός στόχος του μηχανισμού είναι να μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα στα υπάρχοντα δίκτυα και να εισάγει ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων και τους μηχανισμούς διαχείρισης της κινητικότητας των χρηστών. Ο προτεινόμενος μηχανισμός υλοποιήθηκε στον εξομοιωτή δικτύων ns-2 προκειμένου να διερευνηθεί σε βάθος μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Τα πειράματα εξομοίωσης έδειξαν ότι η κινητικότητα των χρηστών μπορεί να αντιμετωπιστεί χωρίς καμία διακοπή παροχής της υπηρεσίας και χωρίς καμία απώλεια δεδομένων. Επίσης, είναι πολύ σημαντικό ότι το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού στον ns-2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω ως πλατφόρμα αξιολόγησης άλλων μηχανισμών που βασίζονται στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα επικοινωνιών. Κάποιες ενδεικτικές περιοχές έντονης έρευνας που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από το υλοποιημένο τμήμα λογισμικού είναι η διαχείριση multicast ομάδων, η διαχείριση ασύρματων πόρων, η ανάλυση σεναρίων κινητικότητας χρηστών κ.α.. Στο παρόν ερευνητικό έργο, το νέο αυτό τμήμα του ns-2 χρησιμοποιήθηκε ως πλατφόρμα για την αξιολόγηση μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα. Ο έλεγχος συμφόρησης είναι ένας μηχανισμός που προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης δεδομένων της πηγής ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Στο IP multicast, για το επίπεδο μεταφοράς χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο User Datagram Protocol (UDP). Το πρωτόκολλο αυτό δεν εμπεριέχει κανέναν υλοποιημένο έλεγχο συμφόρησης. Αντίθετα, το πρωτόκολλο Transmission Control Protocol (TCP) προσαρμόζει το ρυθμό μετάδοσης ανάλογα με τις συνθήκες συμφόρησης του δικτύου. Είναι προφανές ότι η συνύπαρξη κίνησης multicast με κίνηση TCP μπορεί να οδηγήσει σε έλλειψη δικαιοσύνης στην κατανομή των πόρων του δικτύου. Προκειμένου να αποφευχθεί η κατάσταση αυτή είναι απαραίτητη η εφαρμογή του ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση. Αυτού του είδους ο έλεγχος συμφόρησης ονομάζεται TCP-friendliness. Η υιοθέτηση ελέγχου συμφόρησης στη multicast μετάδοση πάνω από κινητά δίκτυα θέτει ένα πρόσθετο σύνολο από προκλήσεις. Αυτό συμβαίνει διότι όλοι οι αλγόριθμοι ελέγχου συμφόρησης αντιμετωπίζουν τις απώλειες πακέτων σα μία προφανή εκδήλωση συμφόρησης του δικτύου. Όμως αυτή η υπόθεση δεν είναι πάντα ο κανόνας σε δίκτυα με ασύρματους συνδέσμους. Στους ασύρματους συνδέσμους οι απώλειες πακέτων πολλές φορές οφείλονται σε λόγους που δε σχετίζονται με συμφόρηση δικτύου. Τέτοιοι λόγοι είναι ο θόρυβος ή σφάλμα στον ασύρματο σύνδεσμο. Προφανώς, σε τέτοιες περιπτώσεις η δραστική μείωση του ρυθμού μετάδοσης δεν αποτελεί λύση. Ένα άλλο περιοριστικό στοιχείο είναι η υπολογιστική ισχύς των κινητών τερματικών συσκευών. Οι συσκευές αυτές δεν μπορούν να εκτελέσουν πολύπλοκες στατιστικές μετρήσεις και παρακολούθηση της κίνησης. Κατά συνέπεια, αυτού του είδους οι διαδικασίες δεν πρέπει να εκτελούνται στις συσκευές αυτές. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με τον έλεγχο συμφόρησης μελετάται η εφαρμογή δύο ήδη γνωστών μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης πάνω σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Οι εξεταζόμενοι μηχανισμοί είναι ο TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) και ο Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Οι δύο αυτοί μηχανισμοί ανήκουν στην ομάδα των μηχανισμών ελέγχου συμφόρησης μοναδικού ρυθμού οι οποίοι αναπόφευκτα δεν προσφέρουν πολλαπλούς ρυθμούς μετάδοσης όπως κάνουν οι πολύ-επίπεδοι μηχανισμοί. Παρόλα αυτά είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν μία θεμελιώδη απαίτηση για τη multicast μετάδοση σε UMTS δίκτυα που είναι η επεκτασιμότητα για τις εφαρμογές που απευθύνονται σε χιλιάδες χρήστες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αποδεικνύεται ότι η υποβάθμιση των ασύρματων καναλιών του δικτύου ασύρματης πρόσβασης δημιουργεί δυσλειτουργίες στους υπάρχοντες μηχανισμούς TFMCC και PGMCC. Η συνεισφορά του έργου αυτού έγκειται στο γεγονός ότι οι υπάρχοντες μηχανισμοί έχουν υποστεί μία μερική τροποποίηση και έχουν επεκταθεί προκειμένου να υποστηρίξουν τις ιδιαιτερότητες του δικτύου ασύρματης πρόσβασης. Οι προτάσεις που γίνονται δεν εισάγουν παρά μόνο ελάχιστες τροποποιήσεις στην αρχιτεκτονική των κινητών δικτύων. Επιπλέον, αποφεύγεται η εκτέλεση πολύπλοκων λειτουργιών στις κινητές τερματικές συσκευές. Στα πλαίσια της αξιολόγησης των προτεινόμενων μηχανισμών η απόδοσή τους μελετάται μέσω πειραμάτων εξομοίωσης. Η απόδοση των προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνεται με αυτή των αντίστοιχων υπαρχόντων και, τέλος, οι αποδόσεις των δύο προτεινόμενων μηχανισμών συγκρίνονται μεταξύ τους. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η διεξαχθείσα έρευνα που περιγράφεται εστιάζει επίσης στην εφαρμογή του FEC για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Γενικότερα στη βιβλιογραφία, έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξασφάλιση αξιοπιστίας κατά τη multicast μετάδοση δεδομένων. Η πιο γνωστή μέθοδος είναι η Automatic Repeat re-Quest (ARQ) η οποία δουλεύει αποτελεσματικά κυρίως κατά την unicast μετάδοση. Όταν η μέθοδος ARQ εφαρμόζεται σε μία multicast σύνοδο, οι αποδέκτες στέλνουν αιτήσεις για αναμετάδοση χαμένων πακέτων μέσω καναλιών επικοινωνίας προς τον αποστολέα. Η μέθοδος ARQ γενικά είναι αποτελεσματική κατά τη multicast μετάδοση και αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο. Παρόλα αυτά, όταν ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, οι περιορισμοί στις δυνατότητες της μεθόδου αυτής αποκαλύπτονται. Ένας σημαντικός περιορισμός είναι το πρόβλημα του καταιγισμού ανατροφοδοτήσεων. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν πολλοί αποδέκτες στέλνουν ταυτόχρονα αιτήσεις για αναμετάδοση στον αποστολέα. Ένα δεύτερο πρόβλημα είναι ότι, για ένα δεδομένο ρυθμό απώλειας πακέτων, όσο ο αριθμός των αποδεκτών αυξάνει, τόσο η πιθανότητα να αναμεταδοθεί ένα πακέτο τείνει προς τη μονάδα. Με άλλα λόγια, ένας μεγάλος μέσος αριθμός από μεταδόσεις χρειάζονται για κάθε πακέτο. Σε ένα ασύρματο περιβάλλον, η μέθοδος ARQ έχει ένα ακόμα μεγάλο μειονέκτημα το οποίο οφείλεται στην προϋπόθεση ύπαρξης αμφίδρομου συνδέσμου επικοινωνίας. Πιο συγκεκριμένα, στα περισσότερα ενσύρματα δίκτυα είναι αυτονόητο ότι το κανάλι ανατροφοδότησης παρέχεται από το δίκτυο. Αντίθετα, στα ασύρματα δίκτυα η μετάδοση της ανατροφοδότησης από τον αποδέκτη μπορεί να κοστίζει ακριβά είτε με όρους κατανάλωσης ισχύος είτε λόγω περιορισμών στην τηλεπικοινωνιακή υποδομή. Το FEC είναι μία μέθοδος ελέγχου λαθών η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συμπληρώσει ή να αντικαταστήσει άλλες μεθόδους για αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων. Το βασικό χαρακτηριστικό των μηχανισμών FEC είναι ότι ο αποστολέας προσθέτει επιπλέον πληροφορία στα μηνύματα προς τον αποδέκτη. Αυτά τα επιπλέον δεδομένα δίνουν τη δυνατότητα στον αποδέκτη να ανακατασκευάσει την αρχική πληροφορία. Αναπόφευκτα, αυτού του είδους οι μηχανισμοί προκαλούν μία σταθερή επιβάρυνση στον όγκο των μεταδιδόμενων δεδομένων και είναι υπολογιστικά ακριβοί. Στα multicast πρωτόκολλα όμως, η χρήση των τεχνικών FEC έχει πολύ δυνατά πλεονεκτήματα. Η κωδικοποίηση περιορίζει το φαινόμενο των ανεξάρτητων απωλειών πακέτων σε διαφορετικούς αποδέκτες. Αυτό κάνει τους μηχανισμούς αυτούς να μπορούν να κλιμακωθούν σε πολλούς αποδέκτες ανεξάρτητα από το ρυθμό απώλειας πακέτων. Επιπλέον, η δραματική μείωση στο ρυθμό απώλειας πακέτων περιορίζει σημαντικά την ανάγκη για την αποστολή ανατροφοδότησης στον αποδέκτη. Επομένως, ένα κανάλι ανατροφοδότησης μπορεί να μην είναι απαραίτητο ή αν χρησιμοποιείται τέτοιου είδους κανάλι, η πιθανότητα εμφάνισης καταιγισμού από ανατροφοδοτήσεις εκμηδενίζεται. Είναι προφανές ότι οι μηχανισμοί FEC είναι τόσο απλοί ώστε να εξυπηρετούν ένα από τους βασικούς στόχους των multicast κινητών υπηρεσιών και ο οποίος είναι η επεκτασιμότητα σε εφαρμογές με χιλιάδες χρηστών. Αυτός είναι και ο λόγος που το 3GPP συστήνει τη χρήση του FEC στο επίπεδο εφαρμογής για την υπηρεσία MBMS και πιο συγκεκριμένα υιοθετεί τη χρήση του κώδικα Raptor FEC. Στο τμήμα της διδακτορικής διατριβής που σχετίζεται με το FEC διερευνάται η εφαρμογή του FEC στη multicast μετάδοση δεδομένων σε κινητά δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Η έρευνα διεξάγεται με τη βοήθεια ενός νέου μηχανισμού ο οποίος ενσωματώνει ένα πιθανοτικό μοντέλο για την κατανομή των multicast χρηστών στο δίκτυο και καθορίζει το κόστος της multicast μετάδοσης δεδομένων. Σε αυτό το πλαίσιο, μελετάται η επίδραση της χρήσης του FEC στην υπηρεσία MBMS. Γίνεται μία προσπάθεια για τον καθορισμό ενός αποδοτικού σημείου λειτουργίας στη διελκυστίνδα μεταξύ της επιβάρυνσης εξαιτίας του κώδικα και του κόστους αναμετάδοσης. Εξετάζεται εάν η χρήση του FEC είναι αποδοτική ή όχι, πώς η βέλτιστη διάσταση για τον κώδικα FEC μεταβάλλεται ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν στο δίκτυο, ποιες παράμετροι επηρεάζουν την επιλογή του βέλτιστου κώδικα FEC καθώς και ο τρόπος που το κάνουν. Επιπλέον, εξετάζεται ένα από τα ποιο κρίσιμα θέματα στη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα και το οποίο είναι ο έλεγχος ισχύος στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης. Ο προτεινόμενος μηχανισμός ενσωματώνει τις ιδιότητες ενός εξελιγμένου κινητού δικτύου που χρησιμοποιεί την τεχνολογία HSPA για την μετάδοση δεδομένων προς τις κινητές τερματικές συσκευές με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Η αξιολόγηση δε γίνεται μόνο μέσα από το πρίσμα της κατανάλωσης ισχύος αλλά επίσης και μέσα από τα πρίσματα της ταχύτητας μετάδοσης και της κατανάλωσης ενέργειας. Κάτι που είναι επίσης σημαντικό, είναι ότι η ανάλυση που γίνεται είναι πλήρως συμβατή με τις προδιαγραφές του 3GPP και λαμβάνει υπόψη όλου τους δυνατούς τρόπους επικοινωνίας στο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης (σημείο-προς-σημείο, σημείο-προς-πολλαπλά σημεία καθώς και την υβριδική επικοινωνία που συνδυάζει και τους δύο φορείς του δικτύου ασύρματης πρόσβασης). Η δημιουργία αυτού του πλήρους και συμπαγούς πλαισίου είναι ένα από τα κίνητρα που κρύβονται πίσω από αυτό το ερευνητικό έργο. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία πλήρης και συμπαγής θεώρηση όλων των ζητημάτων που αφορούν την εφαρμογή του FEC κατά τη multicast μετάδοση σε κινητά δίκτυα, κάποια από τα οποία δεν είχαν εξεταστεί καθόλου έως σήμερα. / In the recent years, the use of 3rd Generation (3G) cellular networks has begun to rise in most of the countries, as in Greece. 3G networks have the capability to offer advanced services to mobile users. However, the need for higher speeds that approach the capacity of broadband communication, led to the further development of 3G networks and to the adoption of new technologies, with main representative the High Speed Packet Access (HSPA) technology. HSPA constitutes the evolution of UMTS and is known as 3.5G or 3G+ in order to indicate the upgrade from UMTS. Despite the fact that HSPA technology is expected to allow the provision of numerous broadband services, the 3rd Generation Partnership Project (3GPP), the authorized organization for the standardization of new mobile technologies, already examines new technologies that will prevail in the mobile communications industry over the next decades. This novel technology is known as Long Term Evolution (LTE) and aims at achieving increased data rates and reduced latency compared to existing mobile networks. Therefore, the mobile communications industry progressively evolves to next generation networks, with main target the achievement of the so called “Mobile Broadband”. The rapid growth of mobile communications networks has involved an increasing demand for wireless, multimedia communication and for a unified and functional system of mobile communications that is able to provide numerous broadband services to its users. On the other hand, multimedia content and service providers show an increased interest in supporting multicast data in order to effectively manage and reuse the available network resources. Additionally, more and more users require access to applications and services that until today could only be accessed by conventional wired networks. Thus, real time applications and services may face low penetration today; however, they are expected to gain high interest in future mobile networks. These applications actually reflect a modern, future way of communication among mobile users. Such mobile services include streaming live TV and streaming video. All the above constitute a series of indicative emerging applications that necessitate advanced transmission techniques. One of the most significant steps towards the provision of such demanding services is the introduction of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS). MBMS is a point-to-multipoint service in which data is transmitted from a single source entity to multiple destinations, allowing the networks resources to be shared. Actually, MBMS extends the existing UMTS infrastructure and efficiently uses network and radio resources, both in the core network and most importantly, in the air interface of UMTS, where the bottleneck is placed to a large group of users. Therefore, MBMS constitutes an efficient way to support the plethora of the emerging wireless multimedia applications and services such as IP video conferencing and video streaming. Multicast is an efficient method for data transmission to multiple destinations. Its advantage is that the sender’s data are transmitted only once over the links which are shared along the paths to a targeted set of destinations. Data duplication is restricted only in nodes where the paths diverge to different subnetworks. The present dissertation describes the investigation of several schemes that optimize the deployment of multicast transmission over mobile communication networks. The conducted research focuses on the MBMS service and examines the way that its deployment should be performed. Additionally, it investigates schemes that can assure an effective congestion control over the MBMS sessions. Finally, it examines the use of Forward Error Correction (FEC) mechanisms for reliable data transmission during the mobile multicast communication. The first major contribution that is presented in this dissertation is a novel scheme for the multicast transmission of data over mobile communication networks. This scheme has been designed with respect to the current specifications of the MBMS service defined by the 3GPP. The design of the scheme has been performed in a way that minimizes the transmitted packets and makes efficient use of the network resources. Apart from the normal multicast transmission of data over UMTS the handling of special cases caused by user mobility scenarios, is considered. It was a major goal to develop an easily deployed scheme that introduces just minor modifications in the mobile network architecture and the mobility management mechanisms that already exist. The proposed scheme has been implemented as a new module in the widely used ns-2 network simulator in order to be evaluated. The simulation experiments show that the proposed scheme can cope with the user mobility without any disruption of the service provision or any packet loss. It is important to highlight that this new ns-2 module can be employed by researchers as a platform to validate and analyze multicast mechanisms over mobile networks. Some areas of active research that may be boosted by the deployment of this new module are MBMS service congestion control, mobile multicast group management, multicast radio resource management, MBMS Quality of Service and analysis and testing of user mobility scenarios. In this dissertation is ns-2 module has been used for the evaluation of two congestion control schemes for the multicast transmission over mobile networks. Congestion control is a policy that adapts the source transmission rate according to the network congestion. In IP multicast, User Datagram Protocol (UDP) is used for the transport layer. This protocol does not implement any congestion control. Instead, the Transmission Control Protocol (TCP) adapts its transmission rate according to network congestion. The coexistence of multicast traffic and TCP traffic may lead to unfair use of network resources. In order to prevent this situation, the deployment of multicast congestion control is indispensable. This kind of congestion control is well known as TCP-friendliness. The adoption of a multicast congestion control in cellular networks poses an additional set of challenges. All the algorithms for congestion control treat the packet loss as a manifestation of network congestion. This assumption does not always apply to networks with radio links, in which packet loss is often induced by reasons other than network congestion like noise or radio link error. In these cases, the network reaction should not be a drastic reduction of the sender’s transmission rate. Another limitation is that the mobile terminals’ computing power cannot afford complicated statistics and traffic measurements, which in turn means that such operations should not be executed on the mobile equipment. In the part of this dissertation that is related with the multicast congestion control over mobile networks, the applicability of two well-known multicast congestion control schemes over mobile networks is investigated. The examined schemes are namely: the TCP-Friendly Multicast Congestion Control (TFMCC) and the Pragmatic General Multicast Congestion Control (PGMCC). Both schemes belong to the class of single-rate congestion control schemes. Such schemes are simple enough, so as to meet a prime objective for UMTS multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. It is showed that the degradation of the radio channels in the radio access network causes malfunctions in the legacy TFMCC and PGMCC schemes. The innovation of this work stems from the fact that the original schemes are partly modified and extended in order to support the particularities of the radio access network. It is proposed to introduce minor modifications in the mobile network architecture. Furthermore, complicated operations like statistics and traffic measurements are avoided to be performed on mobile equipment. Last but not the least, the performance of the modified TFMCC and PGMCC schemes is examined and presented in a comparative way. The other aspect that this dissertation examines, is the use of FEC during the mobile multicast communication. A lot of proposals to provide reliability in multicast transmission can be found in the literature. The best-known method that works efficiently for unicast transmission is the Automatic Repeat re-Quest (ARQ). When ARQ is applied in a multicast session, receivers send requests for retransmission of lost packets over a back channel towards the sender. Although ARQ is an effective and reliable tool for point-to-multipoint transmission, when the number of receivers increases, it reveals its limitations. One major limitation is the feedback implosion problem which occurs when too many receivers are transmitting back to the sender. A second problem is that for a given packet loss rate, and a set of receivers experiencing losses, the probability that every single data packet needs to be retransmitted quickly approaches unity as the number of receivers increases. In other words, a high average number of transmissions are needed per packet. In a wireless environment, ARQ has another major disadvantage, due to the requirement for a bidirectional communication link. On most wired networks the feedback channel comes for free, but on wireless networks the transmission of feedback from the receiver can be expensive, either in terms of power consumption, or due to limitations of the communication infrastructure. Forward Error Correction (FEC) is an error control method that can be used to augment or replace other methods for reliable data transmission. The main attribute of FEC schemes is that the sender adds redundant information in the messages transmitted to the receiver. This additional data allow the receiver to reconstruct the source information. Such schemes inevitably add a constant overhead in the transmitted data and are computationally expensive. In multicast protocols however, the use of FEC techniques has very strong motivations. The encoding eliminates the effect of independent losses at different receivers. This makes these schemes able to scale irrespectively of the actual loss pattern at each receiver. Additionally, the dramatic reduction in the packet loss rate largely reduces the need to send feedback to the sender. Therefore a feedback channel may not be necessary or whenever feedback sending is possible, the feedback implosion is avoided. FEC schemes are therefore so simple as to meet a prime objective for mobile multicast services, which is scalability to applications with thousands of receivers. This is the reason why 3GPP recommends the use of application layer FEC for MBMS and, more specifically, adopts the use of Raptor FEC code. In this dissertation, a complete study of the applicability of FEC over the multicast data transmission in mobile networks is presented. The investigation is performed with the aid of a novel scheme that incorporates a probabilistic model for the multicast user distribution in the network and analyzes the multicast data delivery cost. In this framework, the impact of FEC use in MBMS is investigated. It is tried to determine the efficient working point in the trade-off between the FEC code overhead and the retransmission cost. It is examined whether FEC use is beneficial or not, how the optimal FEC code dimensioning varies based on the network conditions, which parameters affect the optimal FEC code selection and how they do it. Additionally, the study focuses on one of the most critical aspects in mobile multicast transmission which is the power control in the radio access network. The proposed scheme incorporates the properties of an evolved mobile network that uses High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) technology for high speed data delivery to mobile terminals. The assessment is not only from power consumption point of view but also from energy consumption and time perspective. It is important that the analysis is compliant with the 3GPP specifications and considers the point-to-point, the point-to-multipoint as well as the hybrid transmission that combines both bearers in the radio access network. The creation of this complete and solid framework is the motivation behind this study. The result is a full view of all the aspects of the FEC application during mobile multicast transmission, some of which have not been considered so far.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: An investigation is made to find a suitable routing protocol for a millimeter wave ad hoc wireless network. It is discovered that a hierarchical routing protocol is ideal for a high node density. Due to the high bandwidth that is possibly available, with millimeter wave transmission, packets are used to keep links between nodes active and to control data packet congestion. Cluster leaders are elected and use token packets to provide nodes with more queued messages with more transmission chances, assisting the network in congestion control. Hello messages are sent frequently to keep routing information at nodes fresh and to detect broken links quickly. If a broken link is found a new route is readily available, within a second. A simulation is created to test the protocol. Changes are made to the original proactive cluster routing protocol to reduce the route length and lessen routing overhead. A theoretical model is developed to estimate the mean waiting time for a packet. Although insight is gained by modelling the latency with queueing theory it is suggested, due to the protocol’s complexity, to use other mathematical modelling techniques such as a Markov state model or a Petri net. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Ondersoek word ingestel na ’n geskikte roete protokol vir ’n millimeter golflengte ad hoc radio pakkie netwerk. Daar word gevind dat ’n hi¨erargiese kluster roete protokol ideaal is vir ’n ho¨e digtheid van nodusse. As gevolg van die ho¨e bandwydte, wat moontlik beskikbaar is met millimeter golflengte transmissie, word pakkies gebruik om kommunikasie skakels tussen nodes in stand te hou en data pakkie verkeersopeenhoping te beheer. Kluster leiers word verkies en gebruik teken-pakkies om nodes met ’n groter data pakkie las meer transmissie kanse te gee. Sodoende word die verkeersopeenhoping van data pakkies verminder. Hallo pakkies word gereeld gestuur om die roete inligting vars te hou en gebroke kommunikasie skakels vinnig op te spoor. As ’n gebroke skakel gevind word, word ’n alternatiewe roete vinnig opgestel, binne ’n sekonde. ’n Simulasie word opgestel om die protokol te toets. Veranderinge aan die oorspronklike proaktiewe kluster protokol word aangebring om roete lengte te verklein en oorhoofse roete inligting kommunikasie te verminder. ’n Teoretiese model gebasseer op tou-staan teorie word ontwikkel om die wagtyd van ’n pakkie te bepaal. Alhoewel, insig verkry is deur die protokol te analiseer deur middel van tou-staan teorie, word daar voorgestel, as gevolg van die protokol se kompleksiteit, om eerder ander wiskundige modelleeringstegnieke te gebruik soos ’n Markov toestands model of ’n Petri net.

The Datagram Congestion Control Protocol (DCCP) is a prominent transport protocol that has attracted the attention of the scientific community for its rapid progress and good results. The main novelty of DCCP is the performance priority design, as in UDP, however with congestion control capabilities, as in TCP. Literature about DCCP is still scarce and needs to be complemented to gather enouth scientific elements to support new research properly. In this context, this work joins the efforts of the scientific community to analise, mensure, compare and characterize DCCP in relevant scenarios that cover many real world situations. Three open questions were preliminarly identified in the literature: How DCCP behaves (i) when fighting for the same link bandwidth with other transport protocols; (ii) with highly relevant ones (e.g., Compound TCP, CUBIC) and (iii) fighting for the same link bandwidth with Compound TCP and CUBIC, adopting multimedia applications (e.g., VoIP). In this work, computational simulations are used to compare the performance of two DCCP variants (DCCP CCID2 and DCCP CCID3) with three highly representative TCP variants (Compound TCP, CUBIC and TCP SACK), in real world scenarios, including concurrent use of the same link by protocols, link errors and assorted bandwidths, latencies and traffic patterns. The simulation results show that, under contention, in most scenarios DCCP CCID2 has achieved higher throughput than Compound TCP or TCP SACK. Throughout the simulations there was a tendency of DCCP CCID3 to have lower throughput than the other chosen protocol. However, the results also showed that DCCP CCID3 has achieved significanly better throughput in the presence of link errors and higher values of latency and bandwidth, eventualy outperforming Compound TCP and TCP SACK. Finally, there was a tendency of predominance of CUBIC´ throughtput, which can be explained by its aggressive algorithm (i.e., non-linear) of return of the transmission window to the previous value before the discard event. However, CUBIC has presented the highest packet drop and the lowest delivery rate. / O Datagram Congestion Control Protocol (DCCP) é um proeminente protocolo de transporte que vem atraindo a atenção da comunidade científica pelos seus rápidos avanços e bons resultados. A principal inovação do DCCP é a priorização de desempenho, como ocorre com o UDP, mas com capacidade de realizar controle de congestionamento, como ocorre com o TCP. Entretanto, a literatura sobre o DCCP ainda é escassa e necessita ser complementada para trazer elementos científicos suficientes para novas pesquisas. Neste contexto, este trabalho vem se somar aos esforços da comunidade científica para analisar, mensurar, comparar e caracterizar o DCCP em cenários representativos que incorporem diversas situações de uso. Identificaram-se então três questões alvo, ainda em aberto na literatura: qual é o comportamento do DCCP (i) quando disputa o mesmo enlace com outros protocolos de transporte; (ii) com protocolos de transporte relevantes (e.g., Compound TCP, CUBIC) e (iii) em disputa no mesmo enlace com o Compound TCP e o CUBIC, utilizando aplicações multimídia (e.g., VoIP). Neste trabalho, simulações computacionais são utilizadas para comparar duas variantes do DCCP (CCID2 e CCID3) a três variantes do TCP (Compound TCP, CUBIC e TCP SACK), em cenários onde ocorrem situações de mundo real, incluindo utilização concorrente do enlace pelos protocolos, presença de erros de transmissão no enlace, variação de largura de banda, variação de latência, e variação de padrão e distribuição de tráfego. Os resultados das simulações apontam que, sob contenção, na maioria dos cenários o DCCP CCID2 obteve vazão superior à do Compound TCP, do DCCP CCID3 e do TCP SACK. Ao longo das simulações observou-se uma tendência do DCCP CCID3 a ter vazão inferior à dos demais protocolos escolhidos. Entretanto, os resultados apontaram que o DCCP CCID3 obteve desempenho significativamente melhor na presença de erros de transmissão e com valores maiores de latência e de largura de banda, chegando a ultrapassar a vazão do DCCP CCID2 e do TCP SACK. Por fim, observou-se uma tendência de predominância do protocolo CUBIC no tocante à vazão, que pode ser determinada pelo seu algoritmo agressivo (i.e., não-linear) de retorno da janela de transmissão ao valor anterior aos eventos de descarte. Entretanto, o CUBIC apresentou o maior descarte de pacotes e a menor taxa de entrega.

Orientador: Nelson Luis Saldanha da Fonseca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T17:25:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Froldi_CarlosAugusto_M.pdf: 543951 bytes, checksum: e4f64a2921c88fd1461445bd39a04278 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Os protocolos da camada de transporte na Internet, TCP e UDP, não oferecem serviços para transmissão eficiente de fluxos multimídia, porém, este último é adotado com maior freqüência por essas aplicações. Uma proposta de um novo protocolo da camada de transporte, chamado DCCP, foi elaborada para atender a demanda das aplicações multimídia e substituir o protocolo UDP. A presente dissertação propõe uma variante deste protocolo, chamada Fast DCCP, para operar de maneira eficiente em redes de alta velocidade. A nova variante foi avaliada através de experimentos de simulação, utilizando o NS-2 e experimentos de medição, utilizando o sistema operacional Linux / Abstract: The Internet transport layer protocols, TCP and UDP, do not provide efficient transport service for multimedia streams. UDP is usually used for these applications, due to its low overhead. A new transport layer protocol, called DCCP, was proposed to meet the demand of multimedia applications, aiming at replacing the UDP protocol. This dissertation will propose a variant for this protocol, called Fast DCCP, for operating efficiently on high-speed networks. It was evaluated by simulation using the NS-2 network simulator and measurements of the FAST DCCP protocol operation in the Linux operating system / Mestrado / Ciência da Computação / Mestre em Ciência da Computação

Depuis plusieurs années, on observe une multiplication des services de communication en temps réel de type Over-The-Top (OTT). Ces solutions utilisent l¿Internet « best-effort » et s¿adaptent aux fluctuations du réseau. Néanmoins, il est discutable que l¿approche OTT soit suffisante pour fournir une qualité de service de communication acceptable quelles que soient les conditions réseaux. Dès lors, est-il possible d¿utiliser l¿assistance réseau pour améliorer la qualité de service des solutions OTT ?Pour traiter cette question, nous étudions tout d¿abord les solutions OTT, et particulièrement la technologie WebRTC. Nous identifions trois stratégies de couplage lâche qui permettent de tirer parti des mécanismes réseaux pour améliorer la qualité de service des solutions OTT.Nous vérifions la pertinence de ces stratégies dans le contexte de la gestion du trafic. On identifie deux approches de gestion du trafic adaptées à WebRTC : 1) qui assure des délais d¿attente courts quel que soit le trafic ou 2) qui isole le trafic sensible. On évalue ces solutions et leur impact sur WebRTC, pour les réseaux d¿accès filaire (uplink, ADSL et fibre). Les résultats obtenus montrent que les pratiques actuelles de gestion du trafic ne sont pas adaptées au trafic WebRTC. De plus, les solutions proposées assurent plus d¿équité entre le trafic WebRTC et TCP et elles permettent d¿éviter que le trafic WebRTC soit désavantagé et elles améliorent la qualité de communication.Enfin, ces solutions de la gestion du trafic sont positionnées dans le contexte des stratégies de couplage proposées. A partir de là, on fournit des recommandations pour améliorer la qualité WebRTC avec l¿assistance du NSP. / The number of real-time Over-The-Top (OTT) communication services has increased in the recent years. OTT solutions use the best-effort Internet delivery and rely on mechanisms built into the endpoints to adapt to underlying network fluctuations. Nevertheless, it is questionable if this approach is enough to provide acceptable quality of communication regardless the network conditions. Therefore, can network assistance be used to improve the quality of OTT real-time communication services?To address this question, we study OTT solutions with a focus on WebRTC. We identify three loose coupling strategies that leverage network mechanisms for improving OTT communication services quality.We verify the pertinence of these coupling strategies in the context of traffic management. We identify two approaches of traffic management solutions adapted to WebRTC traffic: 1) aiming at assuring lower queuing delays regardless the traffic or 2) isolating the sensitive traffic. We study the impact of identified traffic management solutions on WebRTC for wireline access networks (uplink, ADSL and fiber). The obtained results show that current Internet engineering practices are not well adapted to the WebRTC traffic, but are optimized for TCP traffic. Furthermore, the proposed solutions ensure more fairness between WebRTC and TCP flows and consequently enable avoiding WebRTC traffic starvation and improve the overall quality of the communication.In the final analysis, the evaluated traffic management solutions are positioned in the context of identified coupling strategies. Based on this assessment, we provide recommendations of improving WebRTC quality with the assistance of NSP.

Les réseaux actuels et la prochaine génération des réseaux sans fil cellulaires (5G) doivent garantir, non seulement, les communications entre les gens (aussi connu sous le nom d'humain à humain - H2H), mais aussi à un déploiement massif de communication de type machine (MTC). MTC, ou encore Machine à Machine (M2M), peut être considérée comme des appareils qui peuvent établir des communications avec d’autres appareils sans aucune intervention humaine. M2M est aussi vue comme la pierre angulaire de la vision des objets connectés (IoT). Elle attire beaucoup d'attention, car elle peut être considérée comme une nouvelle opportunité pour les opérateurs de réseau et service IoT. Il existe aujourd’hui plusieurs types d’applications se basant sur MTC couvrant plusieurs domaines. On peut citer comme exemples les applications suivantes: la santé, les systèmes de transport intelligents (ITS), les compteurs intelligents et les réseaux intelligents, et la sécurité publique (PS). Le déploiement de ce type d'applications dans les réseaux mobiles cellulaires actuels, particulièrement Long Term Evolution (LTE) et LTE-Advanced (LTE-A) , ne peut être effectif sans surmonter les challenges posés par le déploiement d’un grand nombre d’équipement MTC dans la même cellule. En effet, le déploiement d'une myriade d'appareils MTC causera une congestion et une surcharge du système des réseaux d'accès radio (RAN) et du cœur de réseau (CN). Comme les appareils MTC sont équipés d'une batterie non rechargeable, la consommation d'énergie est aussi un défi. Dans cette thèse, nous allons étudier les problèmes de congestion et de consommation d'énergie dans le contexte des réseaux LTE et LTE-A en présence des appareils M2M. En ce qui concerne la congestion et la surcharge de système, nous nous concentrons sur la partie RAN, puisqu'elle peut être considérée comme la première ligne de défense pour le réseau cellulaire. Les contributions de cette thèse sont organisées sous les axes suivants: 1) Proposition d'un algorithme générique pour prédire le trafic entrant, de sorte que la congestion dans le réseau peut être facilement résolue, 2) Étude et proposition d'un modèle analytique générique de la procédure d'accès aléatoire au canal (RACH). Le modèle a pour but l’évaluation des méthodes de contrôle de congestion ciblant la partie RAN, 3) Approfondissement et proposition des méthodes permettant d'améliorer la méthode Pagination de Groupe (GP) approuvée par le 3GPP pour contrôler la congestion. / The current and next generation wireless cellular networks (5G) have to deal with not only communications between people (known as Human-to-Human - H2H), but also with a massive deployment of Machine-Type-Communication (MTC). MTC, or alternatively Machine-to-Machine (M2M), can be viewed as devices connected among them without any human intervention. M2M can be considered as the cornerstone of Internet-of-Things (IoT) vision. It attracts a lot of attention, since it can be considered as a new opportunity and business market. Nowadays, there is a vast number of MTC applications, covering a large number of fields. Some of these applications are Healthcare, Intelligent Transport System (ITS), smart metering and smart grids, public safety (PS), forming the so-called smart city. Deploying this type of applications in the current cellular mobile networks, especially Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced (LTE-A), cannot be achieved before overcoming the accompanied challenges. Indeed, caused by the existence of a myriad of MTC devices, Radio Access Network (RAN) and Core Network (CN) congestion and system overload is one of these challenging issues. As the MTC devices are using non-rechargeable batteries, power consumption is also a challenge. In this thesis, we study the congestion and power consumption problems in the context of LTE and LTE-A networks featuring M2M communications. Regarding the congestion and system overload, the focus will be on the RAN part since it can be considered as the first defense line on the network. The contributions of the thesis are organized on the following axes: 1) Propose a general algorithm to predict the incoming traffic, so that the congestion in the network can be easily remedied, 2) Study and propose a general analytical model of the Random Access Channel (RACH) procedure. The model can help to evaluate the congestion control methods targeting the RAN part, 3) Depth study and propose methods improving the performance of Group Paging (GP) method, one of the methods approved by 3GPP to control the congestion.