Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.

This thesis presents a cross-layer design and optimization for emerging wideband wireless networks supporting multimedia applications, considering the interactions of the wireless channel characteristics, the physical and link layer protocols, and the user-perceived Quality-of-Service (QoS). As wireless channels are error-prone and broadcast in nature, both the error control mechanisms and the Media Access Control (MAC) protocols are critical for resource utilization and QoS provisioning. How to analyze, design and optimize the high-rate wireless networks by considering the characteristics of the propagation channels and wideband communication technologies is an open, challenging issue. In this thesis, we consider two important wideband wireless systems, the Ultra-Wideband (UWB) and the Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems. First, we propose the packet-level channel models based on Finite State Markov Chains (FSMCs) for the two systems, which present the statistical properties of the propagation channels and the transmission systems. Second, by incorporating the proposed packet-level channel models, we develop analytical frameworks for quantifying the performance of the high-rate wireless networks, combining the channel fading, physical- and link-layer error-control mechanisms and MAC protocols. Third, to mitigate the impact of channel fading and impairments, a cross-layer joint error-control mechanism is proposed. In addition, we also investigate the impact of channel fading on the video streaming applications, and propose a simple admission control algorithm to ensure QoS. As considering the physical-layer characteristics is critical for ensuring QoS and efficiency of resource utilization, the packet-level channel models, cross-layer analytical frameworks, networking protocols and simulation methodologies proposed in this dissertation are essential for future proliferation of high-rate wireless networks.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs) constituent une classe particulière des réseaux Ad hoc, faisant l'objet de recherches intensives. Ils sont considérés comme un outil très puissant pour connecter le monde physique et le monde numérique. Ils se composent d'un grand nombre de noeuds capteurs dotés de ressources limitées en termes d'énergie, de portée de capture et de communication, de vitesse de traitement et de capacité de stockage. Ils sont déployés dans un environnement intérieur ou extérieur, et ce dans de nombreux domaines d'application tels que l'armée, l'environnement, la santé, la maison et l'agriculture. La rareté des ressources des noeuds capteurs et la non fiabilité des liaisons sans fil motivent la plupart des problématiques dans le domaine des RCSFs, à savoir l'énergie, la couverture, la connectivité, le routage, la tolérance aux pannes et la sécurité. L'objectif de cette thèse est de proposer un protocole de surveillance inter-couches, à efficacité énergétique et fiable, pour la surveillance des zones sensibles clôturées, tel qu'un site pétrolier ou nucléaire, utilisant les réseaux de capteurs sans fil avec un cycle d'activité, et avec prise en compte des liens asymétriques dus au phénomène de l'irrégularité de la radio. Initialement, le protocole proposé identifie les noeuds de bordure du RCSF pour les utiliser comme nœuds sentinelles, c.-à-d., des noeuds qui sont toujours dans un état actif. Les noeuds restants sont utilisés en tant que noeuds relais avec un cycle d'activité, pendant la phase de routage des alertes vers le noeud puits. Le processus d'identification des noeuds de bordure ainsi que le routage des alertes, sont assurés par le protocole Greedy Perimeter Stateless Routing through Symmetrical Links (GPSR-SL) qui est une version améliorée du protocole GPSR, reposant sur un graphe de connectivité représenté sous forme de disques non-unité (N-UDG). Le protocole de surveillance inter-couches proposé a été implémenté et ses performances ont été évaluées en utilisant l'environnement de simulation OMNeT++/Castalia. Les résultats de performance montrent que ce protocole permet d'obtenir un ratio de livraison de paquets plus élevé d'environ 3.63%, une efficacité énergétique et une latence satisfaisante par rapport au même protocole basé sur le GPSR original. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a special class of Ad hoc networks, which are under intensive research.They are considered as a very powerful tool to connect the physical and the digital worlds. They consist of a largenumber of sensor nodes that are characterized with limited resources in terms of energy, range of sensing and communication, processing speed and storage capacity.They are deployed in an indoor or outdoor environment in many application domains such as army, environment, health, home and agriculture. The scarcity of sensor node resources and the unreliability of wireless links drive most of the research issues in the field of WSNs, namely energy, coverage, connectivity, routing, fault tolerance and security. The aim of this thesis is to propose an energyefficient and reliable cross-layer surveillance protocol for sensitive fenced areas, such as oil or nuclear sites, using duty-cycled WSNs with asymmetrical links due to the radio irregularity phenomenon. Initially, the proposed protocol identifies the boundary nodes of the deployedWSN, to be used as sentinel nodes, i.e., nodes that are always in an active state. The remaining nodes are usedas duty-cycled relay nodes during the routing phase to relay alerts towards the sink. The boundary nodes identification process and alert routing are both performed using an enhanced version of the Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) protocol, referred to as GPSR over Symmetrical Links (GPSR-SL) and which relies on a Non Unit Disk Graph (N-UDG). The proposed cross-layer surveillance protocol has been implemented and its performance has been evaluated under the OMNeT++/Castalia simulation environment. Performance results show that this protocol achieves higher Packet Delivery Ratio by up to 3.63%, energy .efficiency and satisfactory latency when compared to the same protocol based on the original GPSR.

La technologie OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) a été adoptée par les systèmes de télécommunications de 4ème génération (4G) comme technique de transmission et d'accès multiple pour ses performances supérieures en termes d'efficacité spectrale. Dans ce type de systèmes, l'adaptation dynamique du débit en fonction de la qualité du canal CQI (Channel Quality Indicator) constitue une problématique de recherche d'actualité qui attire l'attention de plusieurs acteurs académiques et industriels. Ce problème d'adaptation dynamique est encore plus complexe à gérer dans des environnements multi-utilisateurs hétérogènes et à ressources limitées tels que les systèmes OFDMA comme WiMAX Mobile et Long-term Evolution (LTE). Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème d'allocation de ressources de l'information de feedback relative au CQI dans le cadre de systèmes OFDMA multi-porteuses multi-utilisateurs. Dans le but de réduire la charge (overhead) du feedback, nous proposons une méthode de prédiction du CQI basée sur l'exploitation de la corrélation temporelle de ce dernier et d'une solution inter-couches. L'objectif est de trouver des schémas d'allocation de ressources adaptatifs respectant les contraintes de qualité de service (QoS) applicatives.Nous proposons en premier lieu un algorithme de réduction de feedback PBF (Prediction Based Feedack) qui permet à la station de base (BS) à prédire certaines occurrences du CQI en se basant sur l'algorithme des moindres carrés récursif RLS (Recursive least-square). Les résultats de simulation montrent que l'outil de prédiction du CQI réduit sensiblement l'overhead du feedback et améliore par conséquent le débit de la liaison montante. Nous proposons, par la suite, une version opportuniste de PBF pour atténuer les éventuels effets de sur et sous estimations liées à l'algorithme de prédiction. Dans ce mécanisme, nous exploitons les informations inter-couches pour améliorer les performances des mécanismes de feedbacks périodiques dont PBF fait partie. L'approche opportuniste améliore sensiblement les performances du système pour les cas de mobilité élevée comparés aux cas de faible mobilité.Dans un second temps, nous proposons une plateforme (FEREP : feedback resource allocation and prediction) basée sur une approche inter-couches. Implémentée au niveau de la station BS, FEREP intègre les fonctionnalités de prédiction, d'adaptation dynamique du CQI et d'ordonnancement des demandes de feedback. Elle comporte trois modules. Le module FWA (feedback window adaptation) gère dynamiquement la fenêtre de feedbacks de chaque station mobile (MS) en se basant sur les messages ARQ (Automatic Repeat Request) reçus qui reflètent l'état actuel des canaux respectifs. Le module PBFS (priority-based feedback scheduling) effectue ensuite l'ordonnancement des feedbacks en tenant compte de la taille de la fenêtre de feedback, du profil de l'utilisateur sous la contrainte de la limitation des ressources globales du systèmes réservées au feedback. Afin de choisir les paramètres de transmission MCS (modulation and coding schemes), le module PBF (prediction based feedback) est utilisé pour les utilisateurs dont le feedabck n'a pas pu être ordonnancé dans la trame courante. Les résultats de simulation ont montré un gain significatif des performances de FREREP en comparaison à un mécanisme de référence, en particulier, sous de fortes contraintes de limitation des ressources du feedback.Le protocole ARQ génère un accusé de réception uniquement si l'utilisateur est sélectionné par l'ordonnanceur pour envoyer des données sur la liaison descendante. Dans le cas où la fréquence d'ordonnancement des utilisateurs sur le lien descendant est réduite, les messages ARQ s'en trouvent également réduits, dégradant par conséquent les performances de la plateforme FEREP proposée ci-dessus. En effet, dans ce cas la signalisation ARQ devient insuffisante pour adapter efficacement la fenêtre de feedback de chaque utilisateur. Pour pallier à ce problème, nous proposons l'algorithme DCRA (dynamic CQI resource allocation) qui utilise deux modes d'estimation de la fenêtre de feedback. Le premier est un mode hors-ligne basé sur des études empiriques permettant d'estimer la fenêtre moyenne optimale de feedback en utilisant les profils applicatif et de mobilité de l'utilisateur. Notre analyse de performance par simulation montre que la fenêtre de feedback peut être estimée en fonction de la classe de service des utilisateurs et de leurs profils de mobilité pour un environnement cellulaire donné. Le second mode de fonctionnement de DCRA effectue une adaptation dynamique de la fenêtre en temps réel dans le cas où la signalisation ARQ est suffisante. Une étude comparative avec les mécanismes DFS (deterministic feedback scheduling) et OFS (opportunistic feedback scheduling), a montré que DCRA arrive à réaliser un meilleur gain en ressources montantes grâce à la réduction de l'overhead des feedbacks, sans pour autant trop dégrader le débit descendant des utilisateurs. Du point de vue des utilisateurs, DCRA améliore les contraintes de QoS tels que le taux de perte de paquets et réduit la consommation énergétique des terminaux grâce à la réduction de feedback. / Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technology has been adopted by 4th generation (a.k.a. 4G) telecommunication systems to achieve high system spectral efficiency. A crucial research issue is how to design adaptive channel quality indicator (CQI) feedback mechanisms so that the base station can use adaptive modulation and coding (AMC) techniques to adjust its data rate based on the channel condition. This problem is even more challenging in resource-limited and heterogeneous multiuser environments such as Mobile WiMAX, Long-term Evolution (LTE) networks. In this thesis, we consider CQI feedback resource allocation issue for multiuser multicarrier OFDMA systems. We exploit time-domain correlation for CQI prediction and cross-layer information to reduce feedback overhead for OFDMA systems. Our aim is find resource allocation schemes respecting the users QoS constraints.Our study begins with proposing prediction based feedback (PBF) which allows the base station to predict the CQI feedbacks based on recursive least-square (RLS) algorithm. We showed that it is useful to use channel prediction as a tool to reduce the feedback overhead and improve the uplink throughput. Then, we propose an opportunistic periodic feedback mechanism to mitigate the possible under and over estimation effects of CQI prediction. In this mechanism, we exploited the cross-layer information to enhance the performance of periodic feedback mechanisms. The opportunistic mechanism improves the system performance for high mobility cases compared to low mobility cases.For OFDMA systems with limited feedback resource, we propose an integrated cross-layer framework of feedback resource allocation and prediction (FEREP). The proposed framework, implemented at the BS side, is composed of three modules. The feedback window adaptation (FWA) module dynamically tunes the feedback window size for each mobile station based on the received ARQ (Automatic Repeat Request) messages that reflect the current channel condition. The priority-based feedback scheduling (PBFS) module then performs feedback allocation by taking into account the feedback window size, the user profile and the total system feedback budget. To choose adapted modulation and coding schemes (MCS), the prediction based feedback (PBF) module performs channel prediction by using recursive least square (RLS) algorithm for the user whose channel feedback has not been granted for schedule in current frame. Through extensive simulations, the proposed framework shows significant performance gain especially under stringent feedback budget constraint.ARQ protocol receives users acknowledgement only if the user is scheduled in the downlink. The reduction in users scheduling frequency also reduces the rate of ARQ hints and degrades the performance of above contributions. In this case, it is difficult to exploit the ARQ signal to adapt the feedback window for that user. To address this issue, we propose a cross-layer dynamic CQI resource allocation (DCRA) algorithm for multiuser multicarrier OFDMA systems. DCRA uses two modes for feedback window estimation. The first one is an off-line mode based on empirical studies to derive optimal average feedback window based on user application and mobility profile. Our experimental analysis shows that the feedback window can be averaged according to users service class and their mobility profile for a given cell environment. DCRA performs a realtime dynamic window adaptation if sufficient cross-layer hints are available from ARQ signaling. DCRA increases uplink resource by reducing feedback overhead without degrading downlink throughout significantly compared to deterministic feedback scheduling (DFS) and opportunistic feedback scheduling (OFS). From the users perspective, DCRA improves QoS constraints like packet loss rate and saves users power due to feedback reduction.