Les systèmes de communications mobiles ont considérablement évolué durant ces dernières années. Ce fait a encouragé le déploiement de plusieurs systèmes ou réseaux cellulaires multi technologique. La qualité de service (QoS) offerte aux utilisateurs mobiles s’améliore d’un système à l’autre. Les systèmes de troisième génération (3G), comme l’UMTS, offrent une meilleure qualité de service par rapport à celle offerte par ceux de deuxième génération (2G), comme le GSM. Pour exemple, les systèmes de 3.5G (HSDPA) améliorent le débit du réseau de 3G sur le lien descendant afin de répondre aux exigences des nouveaux services. De plus, les réseaux de quatrième génération (4G), comme le WiMAX (IEEE802.16e) permettent, quant à eux, d’élargir la couverture cellulaire tout en offrant un débit supérieur. Cette nouvelle évolution améliore encore l’accessibilité aux services de l’Internet. La migration des services de l’Internet vers les réseaux mobiles, constitue un enjeu majeur de recherche en télécommunications. La thèse se divise en deux objectifs principaux ; le premier consiste à calculer et à évaluer les performances du système UMTS-WCDMA. Deux approches sont utilisées, l’approche exacte de l’analyse spectrale, et l’approche approximative de la perturbation singulière. Le deuxième objectif propose de nouveaux mécanismes de contrôle d’admission prenant en considération la mobilité intra et inter cellulaires des utilisateurs dans la gestion de la ressource radio. Ces mécanismes d’allocation de ressource concernent plus particulièrement les réseaux HSDPA et WiMAX. Ils se basent principalement sur les schémas de modulation et de codage adaptatif AMC (Adaptive Modulation and Coding) : la zone géographique est subdivisée en plusieurs régions concentriques. Avec nos mécanismes d’allocation des ressources, chaque appel accepté par le système voit son débit initial maintenu, et ce, indépendamment de la position de l’utilisateur dans la cellule / The mobile communication systems evolved considerably in the last few years. This fact encouraged the deployment of several systems or cellular networks in multi technological environment. The Quality of Service (QoS) offered to the mobile users improves from one system to another one. The systems of third generation (3G), like UMTS, offer a better quality of service compared to that offered by those of second generation (2G), like the GSM. For example, the systems of 3.5G (HSDPA) improve the throughput of the network of 3G in the downlink direction according to the requirements of the new services. Moreover, the networks of fourth generation (4G), like WiMax (IEEE802.16e), as for them, make it possible to widen the cover of the base station while offering a very important throughput in which supports the next generation applications or services already offered by the Internet. This new evolution still improves accessibility with the services of the Internet. The migration of the services of the Internet towards the mobile networks, constitutes a major stake of research in telecommunications. The thesis is divided into twomain aims. The first consists to compute the systemcapacity and to evaluate the performances of the UMTS-WCDMA system. Two approaches are used, one is of the spectral analysis, and other one is an approximation of the singular perturbation. The second goal of this thesis is to propose and develop the new mechanisms of call admission control (CAC) for HSDPA and IEEE802.16e networks based on the AMC (Adaptive Modulation and Coding) scheme : the geographical area of the cell is subdivided into several concentric regions. These CAC mechanisms maintain a same QoS (constant bit rate) for all users anywhere in the area of the cell and give priority to migrating or handoff calls by reserving the guard bandwidth than a new call in the intra cell and inter cell mobilities

Nous assistons ces dernières années à une émergence constante de nouvelles applications, notamment pour les services audiovisuels. Ces applications imposent au réseau un certain nombre de contraintes pour qu’elles puissent fonctionner correctement. Le développement de mécanismes permettant d’offrir une garantie à ces contraintes, est donc devenu un objectif crucial. La norme IEEE 802.16j est l’une des solutions sans fil qui propose plus de ressources afin de supporter les nouveaux services de télécommunications. Dans la présente thèse, nous focalisons notre étude sur la problématique de la qualité de service dans les réseaux WiMAX relais. Nos contributions se regroupent à travers les étapes ci-dessous : Nous proposons un protocole de routage multicast pour les services IPTV (HDTV, SD-TV, Web-TV et Mobile-TV). Ce protocole repose d’une part sur un nouveau mécanisme de construction de l’arbre multicast basé sur les nombres premiers et d’autre part, sur une nouvelle méthode d’agrégation basée sur le standard de compression Vidéo «SVC». L’objectif est de supporter l’hétérogénéité des utilisateurs tout en optimisant la consommation des ressources. Par ailleurs, nous étudions le problème d’ordonnancement dans les réseaux WiMAX. Nous proposons un algorithme d’ordonnancement adaptatif AWRR, ce dernier se base sur une technique à charge pondérée. L’objectif est d’ajuster dynamiquement le poids de chaque classe de service, en prenant en compte la charge de la file d’attente et les contraintes de la QoS. Enfin, nous nous intéressons à l’étude de la problématique du chemin optimal contraint. Nous proposons une solution déterministe basée sur une fonction de coût. Notre fonction permet aussi d’assurer le contrôle d’admission, elle se base sur deux fonctions de coût élémentaires qui prennent en compte quatre critères de QoS. / Over recent years, new applications steadily developed in a tremendous space, especially in audiovisual services area. The present applications have some of constraints to work properly. The developments of mechanism which enable to overcome these constraints become a critical issue in this area. The IEEE 802.16j standard is one of wireless communication technology which offering more resources to support new telecommunication services. In this thesis, we focus our research on the problem of quality of service (QoS) inWiMAX relay networks. Our contributions are classified as follows : we proposed a multicast routing protocol for IPTV services (such as HD-TV, SD-TV, Web-TV and Mobile-TV). This proposed protocol used a new multicast tree construction mechanism based-on prime numbers. We also developed a new aggregation method based on standard video compression called Scalable Video Coding (SVC). Our goal is to support user’s heterogeneity while optimizing resources consumption. In addition, we studied the problem of scheduling inWiMAX networks.We proposed an adaptive scheduling algorithm AWRR for IPTV services. The aim of this method is to support QoS constraints by using two schedulers, and assigning a dynamic value to each service queue. Finally, we interested to study about the problem of path selection. We proposed a solution based on a deterministic cost function. This function also ensures admission control based on two basic cost functions which include four QoS criteria. This thesis has been prepared in the MIPS/GRTC laboratory, University of Haute Alsace, under a research contract external (CRE) framework with France Telecom R&D. All proposed mechanisms were evaluated by the simulator QualNet, Matlab and mathematical analysis.

Les dernières décennies ont connu l’apogée des transmissions hertziennes, et celles à venir connaîtront incontestablement le développement et le déploiement intense de systèmes de communications sans-fil. Dès à présent, il est possible de communiquer par onde sur petite et très petite distance (LAN et PAN). Les populations se sont familiariséesavec les interfaces bluetooth (IEEE802.15) présentes dans la majorité des objetscommuniquant (ordinateur portable, téléphone, PDA, etc...). Les foyers s’équipentmaintenant facilement et à bas prix d’interfaceWi-Fi (IEEE802.11), afin de profiter d’uneutilisation nomade de leur accès internet. Ainsi, la forte croissance dumarché des offresinternet combinée avec celle du marché des téléphones mobiles ont habitués un large spectre d’utilisateurs à communiquer sans fil. Ce contexte sociologique et financier encourage donc l’arrivée de solutions nouvelles répondant à des besoins latents. Parmi ceux-là, le marché met en évidence le manque de système de communication sur moyenne distance (MAN). Les réseaux ad-hoc peuvent répondre à ce genre de besoin. Mais àce jour, les performances sont trop faibles pour les besoins des utilisateurs et elles dépendenttrop fortement de la densité desmachines nomades. Aussi, le consortiumIEEEcherche au travers de sa norme IEEE802.16 à fournir un système complet de communicationsans-fil sur moyenne distance (MAN). Appelé aussiWiMAX, ce système se basesur une architecture composée d’une station de base (BS) et de nombreux mobiles utilisateurs(SS). Le standard IEEE802.16 définit les caractéristiques de la couche physiqueet de la couche MAC. Il décrit l’ensemble des interactions et événements pouvant avoirlieu entre la station de base et les stations mobiles. Enfin, le standard fournit différents paramètres et variables servant aux mécanismes de communication. Comme tout nouveau standard émergeant, la norme IEEE802.16 ne profite pas d’un état de l’art aussi développé que celui du IEEE802.11 par exemple. Aussi, de nombreuses études et idées sont à développer.En premier lieu, nous effectuons un large rappel de la norme WiMAX et en particulier le IEEE802.16e. Associé à cela, nous dressons un état de l’art des travaux traitant des aspects et perspectives liés au sujet de notre étude.Par la suite, nous proposons un modèle novateur de performance des communicationsIEEE802.16e. Au travers de ce modèle, nous développons une étude générale et exhaustive des principaux paramètres de communication. L’étude explicite l’impact deces paramètres ainsi que l’influence de leur évolutions possibles. De cela, nous critiquonsla pertinence de chacun d’eux en proposant des alternatives de configurations.5En sus, nous proposons un mécanisme novateur favorisant le respect de qualité de service(QoS) sur couche AC.Nous développons un principe original d’établissement de connexion favorisant l’accès aux communications sensibles aux délais de transmission.Dans une dernière partie, nous déterminons la capacité d’un système IEEE802.16 à gérer les arrivées et départs des utilisateurs. Tout en y associant une étude de performance d’un nouvel algorithme de contrôle d’admission. Cet algorithme d’admission vise à remplir des objectifs multiples : empêcher les famines de ressources sur les trafics les moins prioritaires, favoriser l’admission des utilisateurs en maintenant une gestion optimale de la ressource radio. Notre étude aboutit à une modélisation et une critique des variations de paramètre associés à ce nouvel algorithme. Nous y intégrons par la suite le principe de mobilité où les utilisateurs ont la capacité de se mouvoir au sein d’une cellule. Cette intégration se fait en y associant des mécanismes originaux afin d’assurer la pérennité du service aux utilisateurs mobiles. / The last decade witnessed the peak of the hertzian communications. The following ones will undoubtedly testify the intensive deployment and the development of all wireless ways of transmission. Due to cheaper equipments, the people are now used with all sorts of connected objects : laptop, smartphone, pad, and more recently, Connected Video display and audio diffusers. All these stuffs allow to keep an access to internet, even in a nomad use. This economical and sociological context promotes the emerging of new solutions metting latent needs by offering better performances. Consumer studies highlight particularly the lack of transmissions solution for Metropolitan Area Networks (MAN). Ad-hoc wireless solutions lead to satisfy the MAN needs, but the throughput is too importantly related to the ad-hoc customer capacity and density over the MAN coverage.The IEEE consortium seeks, through its IEEE802.16e standart, to provide a wireless transmission technology specifically design for the middle range network. Knowed as WiMAX, this system are based on a point to multipoint architecture. WiMAX standart gathers Base Station (BS) and Subscriber Stations (SS), and defines for both the Physical and MAC layer in the OSI Model. In addition, the standart proposes a set of default parameters for the two first OSI Layers.As any emerging standart, the IEEE802.16e suffers form a lack of litterature (works, studies and enhancement proposals). More studies are explicitly needed to craft and tune the IEEE802.16e standart in order to better answer to the specific issues met in the actual context of transmission.In a first step, we present in a large scale the IEEE802.16e standart specifications. In addition we highlight the main state of art linked to this subject.Second, we propose an original performance model, the first one that takes in account all the MAC layer parameters of the standart. Based on this model, we lead a general and exhaustive performance study of each communication parameters. This study highlights the importance of each parameters and propose some enhancements in fonction of the type of Quality of Service (QoS). In addition, we introduce an call engaging mecanism which respects the QoS on the MAC layer.In a last part, we compute the IEEE802.16e capacity to manage the incoming and leaving calls. we perform this study by introducing a new Connection Admission Control (CAC). The CAC algorithm achieves sevral objectives : prevent from the lack of ressource for the lowest priority flows as well as optimize the radio resource consumption to facilitate the access for the users. Our study is concluded by proposing an new capacity model and algorithm for the CAC. Moreover, this last proposal prevents the call drop due to user mobility.

La maîtrise de la QoS dans 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Coordination Function) ne peut être assurée que par un mécanisme de contrôle d'admission qui empêche le réseau d'atteindre un état de saturation critique et par la même garantit les besoins de QoS des applications voix/vidéo.<br />Ce mécanisme de contrôle d'admission a besoin pour sa prise de décision de prédire les métriques de performances si un nouveau flux est admis. Dans le but de rendre les décisions efficaces, nous choisissons d'utiliser une méthode de prédiction basée sur un modèle analytique. Ce dernier doit remplir deux conditions : 1) fournir une bonne précision de prédiction et 2) avoir une complexité numérique faible et un temps de réponse limité. Vu que la majorité des modèles analytiques de la littérature ne satisfont pas à ces deux conditions, nous développons un nouveau modèle analytique pour EDCA qui est capable de prédire le débit et le délai d'accès des différentes Access Category (AC) d'EDCA.<br />Ainsi, après la modélisation analytique du temps de transmission des ACs en prenant en compte le paramètre de différentiation TXOPLimit, nous développons un modèle analytique pour EDCA sous la forme d'une chaîne de Markov à quatre dimensions. Celui-ci est développé d'abord dans les conditions de saturation puis étendu aux conditions générales de trafic.<br />Pour finir, nous proposons un algorithme de contrôle d'admission à implémenter au sein du point d'accès et qui utilise le modèle analytique proposé. Nous proposons un abaque de solution d'optimisation des paramètres d'accès d'EDCA. Le but étant d'améliorer les performances du mécanisme de contrôle d'admission par l'utilisation optimale des ressources du réseau.

Le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a choisi, dans sa Release 99, le protocole AAL2/ATM pour le transport des données sur les interfaces Iub et Iur du réseau d'accès de l'UMTS, nommé UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network). L'AAL-2 (ATM Adaptation Layer - Type 2) est une couche d'adaptation au-dessus de la couche ATM. L'AAL2 consiste à agréger plusieurs paquets de différents flux dans une même cellule ATM pour réduire le temps de remplissage surtout pour les applications temps-réel à bas débit. Les études menées sur l'AAL2 pour évaluer ses performances ne sont pas nombreuses, surtout dans le contexte de l'UTRAN où les contraintes temporelles sont strictes à cause des mécanismes de synchronisation des canaux de transport radio. Le lien entre le Node B et le RNC, où le protocole AAL2 est déployé, ne doit pas constituer le goulot d'étranglement (Bottleneck) pour les flux transportés. Le protocole AAL2 doit être bien étudié pour évaluer ses performances et ses capacités pour le transport des canaux radio. <br />L'AAL2 constitue un véritable protocole de transport qui se superpose au protocole de transport ATM. Or, dans les normes de l'AAL2, aucune notion de qualité de service (QoS) n'était définie pendant notre étude. En plus, les études faites étaient insuffisantes pour définir un modèle complet de la QoS dans l'AAL2. Nous avons alors contribué pour définir des classes de QoS au niveau AAL2, des paramètres de QoS, des capacités de transfert (AAL2-TC) ainsi que des critères de performance. Ensuite, nous proposons des schémas d'association (mapping) entre les différentes classes de service de l'UMTS et les classes de l'AAL2 d'une part et entre les classes de l'AAL2 et les classes de l'ATM d'autre part. Un schéma de partage de la bande passante entre les différentes classes est proposé ainsi qu'un schéma de contrôle d'admission des connexions AAL2. Dans le cas où plusieurs types de trafic seraient agrégés dans le même VC ATM, un mécanisme d'ordonnancement au niveau AAL2 est nécessaire pour pouvoir différencier entre les classes de services. Plusieurs algorithmes d'ordonnancement sont proposés au niveau de l'AAL2 et une comparaison entre ces mécanismes est réalisée dans plusieurs contextes pour évaluer les avantages et les inconvénients de chaque algorithme. Nous proposons un nouvel algorithme dynamique appelé DyWRR qui s'adapte avec le changement du trafic. Nous étudions aussi un paramètre important relatif au protocole AAL2 qui est le Timer-CU (Timer - Combined Use). Ce paramètre de temporisation a une influence sur le délai des paquets et sur le taux d'utilisation de la bande passante. Une étude fine et détaillée de ce paramètre est réalisée pour obtenir des résultats sur sa valeur optimale. Le choix de l'ATC (ATM Transfer Capability) pour le transport des connexions AAL2 fait une partie de notre étude. Le DBR et le SBR sont deux ATC proposées et une comparaison entre ces deux solutions est analysée. Quand on parle de l'AAL2 comme un protocole de transport, l'idée de la commutation AAL2 ne sera plus exclue. Au lieu de commuter les cellules ATM, on peut commuter les paquets AAL2 pour qu'on puisse séparer les connexions AAL2 dans un nud donné du réseau. La commutation AAL2 présente des avantages mais également des inconvénients que nous traitons dans cette thèse.<br />Les résultats de létude sur lAAL2 faite dans le cadre de cette thèse ont été utilisés pour une contribution à la normalisation au sein de lITU-T (International Telecommunication Union -Telecommunication standardization sector). Ces travaux de normalisation ont abouti à une nouvelle norme appelée ITU-T I.378 qui traite la problématique de la qualité de service et du contrôle de trafic au niveau de lAAL2.<br />Dans la Release 5 du 3GPP, l'IP est introduit comme protocole de transport sur les interfaces Iub et Iur dans une optique de réaliser des réseaux "tout-IP". Ce protocole, dans sa version simple, ne peut pas garantir une qualité de service parce qu'il ne fournit qu'une seule classe de service pour tous les flux, la classe du meilleur effort (Best Effort). Des mécanismes de différenciation des services sont alors nécessaires comme DiffServ ou IntServ dans le contexte de l'UTRAN. Plusieurs architectures pour le transport en IP sur l'interface Iub sont présentées. D'ailleurs, ces solutions en IP introduisent une charge supplémentaire à cause de la longueur des en-têtes. Sachant que les opérateurs des télécommunications s'intéressent à l'optimisation de la bande passante sur les liens appelés Last Mile Link, une étude est alors réalisée dans cette thèse pour évaluer les performances des solutions en IP dans l'UTRAN.

Les réseaux mesh sans fil (Wireless Mesh Networks-WMNs) sont des réseaux facilement déployables et à faible coût qui peuvent étendre l’Internet dans des zones où les autres réseaux peuvent difficilement accéder. Cependant, plusieurs problèmes de qualité de service (QoS) et de sécurité freinent le déploiement à grande échelle des WMNs. Dans cette thèse, nous proposons un modèle de contrôle d’admission (CA) et un système de réputation afin d’améliorer les performances du réseau mesh et de le protéger des nœuds malveillants. Notre système de CA vise à assurer la QoS des flux admis dans le réseau en termes de bande passante et de délai tout en maximisant l’utilisation de la capacité du canal. L’idée de notre solution est d’associer au contrôle d’admission une planification de liens afin d’augmenter la bande passante disponible. Nous proposons également un système de réputation ayant pour but de détecter les nœuds malveillants et de limiter les fausses alertes induites par la perte de paquets sur les liens du réseau. L’idée de notre solution est d’utiliser des tests statistiques comparant la perte de paquets sur les liens avec un modèle de perte préétabli. De plus, il comprend un système de surveillance composé de plusieurs modules lui permettant détecter un grand nombre d’attaques. Notre CA et notre système de réputation ont été validés, les résultats montrent qu’ils atteignent tous deux leurs objectifs / Wireless mesh networks (WMNs) are a very attractive new field of research. They are low cost, easily deployed and high performance solution to last mile broadband Internet access. However, they have to deal with security and quality of service issues which prevent them from being largely deployed. In order to overcome these problems, we propose in this thesis two solutions: an admission control with links scheduling and a reputation system which detects bad nodes. These solutions have been devised in order to further merge into a secure admission control. Our admission control schedules dynamically the network’s links each time a new flow is accepted in the network. Its goal is to accept only flows which constraints in terms of delay and bandwidth can be respected, increase the network capacity and decrease the packet loss. Our reputation system aims at assigning each node of the network a reputation which value reflects the real behavior of the node. To reach this goal this reputation system is made of a monitoring tool which can watch many types of attacks and consider the packet loss of the network. The evaluations of our solutions show that they both meet their objectives in terms of quality of service and security