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L'objectif de cette thèse est de traiter trois problèmes relatifs aux réseaux de grande taille. Les outils utilisés à cette fin sont issus des probabilités et plus spécifiquement de la théorie des files d'attente. En plus d'améliorer la compréhension des systèmes étudiés, les travaux réalisés dans cette thèse ont permis de prouver des résultats théoriques nouveaux ainsi que d'illustrer certains phénomènes probabilistes. Dans le Chapitre II, un modèle de réseau à partage de bande passante est étudié. Contrairement à ce qui avait été étudié dans la littérature, les utilisateurs n'utilisent pas de contrôle de congestion. On suppose qu'ils envoient des données avec un débit maximum et protègent leur transmission à l'aide d'un mécanisme basé sur des codes correcteurs d'erreur. Le modèle obtenu est analysé pour deux topologies de réseaux spécifiques : les réseaux linéaires et les arbres montants. A l'aide de limites fluides, les conditions de stabilité de ces réseaux sont établies. Ces limites fluides donnent lieu à un phénomène intéressant de moyennage stochastique. Ensuite, une autre méthode de renormalisation est utilisée pour prouver que la région de stabilité de ces processus converge vers la région optimale lorsque que les débits maximaux des utilisateurs deviennent infiniment petits par rapport à la taille des liens du réseau. Dans le Chapitre III, on se propose d'étudier CSMA/CA, un algorithme d'accès implémenté dans certains standards de réseaux sans fil. Chaque lien est constitué d'un émetteur et d'un récepteur et un graphe d'interférence modélise les collisions potentielles entre les liens. Les arrivées et les départs de ces derniers sont prises en compte. Une approximation est faite en supposant que la dynamique d'accès au canal est infiniment plus rapide que la dynamique des arrivées et départs de liens. Il est alors établi que le CSMA permet une utilisation optimale des ressources radio dans le cadre des réseaux ad-hoc. Cependant, il est également prouvé que ce même algorithme n'est pas efficace pour les réseaux avec une station de base ; dans ce cas, un biais en faveur des transmissions vers la station de base est observé. A la fin du chapitre, l'hypothèse simplificatrice est discutée. Les deux derniers chapitres de la thèse sont consacrés à l'étude d'un grand système distribué de stockage de données avec pertes. L'objectif est d'estimer la vitesse de perte des fichiers ou la durée de vie d'un fichier donné. Dans le Chapitre IV, c'est le premier point de vue qui est adopté. Le système est considéré de manière globale. Le système est constitué d'un grand nombre de fichiers qui peuvent avoir chacun deux copies au maximum. Chaque copie disparaît au bout d'un temps aléatoire. Un mécanisme centralisé de sauvegarde permet alors de restaurer les copies perdues. Un fichier dont les deux copies ont été détruites est définitivement perdu. Le système est étudié dans le cas limite où le nombre de fichiers tend vers l'infini. Afin de décrire correctement le système, trois échelles de temps différentes sont étudiées. Ralentir le temps permet de comprendre le mécanisme de sauvegarde ; laisser le temps inchangé permet de définir la capacité du système ; accélérer le temps permet d'évaluer la vitesse de perte des fichiers. Le principe de moyennage stochastique est également observé à l'échelle de temps la plus rapide. Dans le chapitre V, le point de vue d'un fichier donné est adopté. Des liens sont établis avec les modèles classiques d'Ehrenfest, issu de la physique statistique, et d'Erlang, issu des télécommunications. Des méthodes basées sur les martingales sont utilisées pour calculer la transformée de Laplace des temps d'atteinte de ces deux processus. Ces transformées permettent alors d'estimer le comportement asymptotique de ces temps d'atteinte et notamment le temps de disparition d'un fichier.

L'objectif principal de cette thèse est d'analyser la performance des réseaux sans fil selon divers scénarios: réseaux fixes, réseaux mobiles, réseaux mono-saut, et réseaux multi-sauts. Dans les deux premières parties de cette thèse, nous nous focalisons sur le placement géométrique des émetteurs simultanés dans le réseau. Dans la première partie, par l'intermédiaire d'une méthode d'accès au médium, nous étudions l'impact de l'emplacement des émetteurs sur la performance du réseau sans fil mono-saut. Nous établissons une structure générale et nous étudions l'emplacement des émetteurs dans le réseau. Ensuite, on compare ces résultats aux résultats obtenus à l'aide d'un par processus ponctuels aléatoires tels que le processus ponctuel de Poisson, ALOHA, le coloriage des nœuds et CSMA. Notre analyse nous permet d'évaluer les gains en performance d'une méthode d'accès au médium efficace qui serait nécessaire pour mettre en œuvre le déploiement optimal des émetteurs. Par exemple, nous montrons que la capacité garantie par une méthode d'accès très complexe est au plus deux fois la capacité d'un contrôle d'accès avec une faible complexité comme ALOHA. Plus tard, nous utilisons des méthodes analytiques pour évaluer les heuristiques pour l'optimisation de la capacité et de la couverture d'un réseau cellulaire existant de façon optimale via l'ajout de stations de base supplémentaires. Dans la deuxième partie, nous étendons notre analyse à un réseau sans fil multi-sauts où nous évaluons la portée de transmission optimale et la capacité du réseau avec différentes méthodes d'accès au médium. Nos analyses dans les deux premières parties de cette thèse nous permettent d'avoir des perspectives par rapport aux limites théoriques de la performance d'une méthode optimisée d'accès au médium pour les réseaux sans fil mono-saut et multi-sauts. Dans la dernière partie, nous concentrons nos efforts sur l'étude du compromi entre les délais et la capacité dans le réseau mobile sans fil. Nous proposons un routage géographique et nous étudions ses propriétés de passage l'échelle. En se basant sur un modèle de mobilité réaliste et des informations disponibles au niveau des nœuds mobiles, notre méthode de routage permet d'obtenir des délais qui sont bornés par une constante lorsque la capacité du réseau augmente de façon quasi-linéaire et quand le nombre de nœuds dans le réseau augmente et tend vers l'infini.

Providing access to telecommunication services in rural areas is of paramount importance for the development of any country. Since the cost is the main inhibiting factor, any technical solution for access in sparsely populated rural areas has to be reliable, efficient, and deployable at low-cost. This thesis studies the utilization of Multihop Wireless Networks (MWN) as an appealing alternative for rural communication. MWN are designed with a self-configuring capability and can adapt to the addition or removal of network radio units (nodes). This makes them simple to install, allowing unskilled users to set up the network quickly. To increase the performance and cost-efficiency, this thesis focuses on the use of Advanced Antenna Systems (AAS) in rural access networks. AAS promise to increase the overall capacity in MWN, improving the link quality while suppressing or reducing the multiple access interference. To effectively exploit the capabilities of AAS, a proper design of Medium Access Control (MAC) protocols is needed. Hence, the results of system level studies into MAC protocols and AAS are presented in this thesis. Two different MAC protocols are examined: Spatial Time Division Multiple Access (STDMA) and Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA/CA) with handshaking. The effects of utilizing advanced antennas on the end-to-end network throughput and packet delay are analyzed with routing, power control and adaptive transmission data rate control separately and in combination. Many of the STDMA-related research questions addressed in this thesis are posed as nonlinear optimization problems that are solved by the technique called "column generation" to create the transmission schedule using AAS. However, as finding the optimal solution is computationally expensive, we also introduce low-complexity algorithms that, while simpler, yield reasonable results close to the optimal solution. Although STDMA has been found to be very efficient and fair, one potential drawback is that it may adapt slower than a distributed approach like CSMA/CA to network changes produced e.g. by traffic variations and time-variant channel conditions. In CSMA/CA, nodes make their own decisions based on partial network information and the handshaking procedure allows the use of AAS at the transmitter and the receiver. How to effectively use AAS in CSMA/CA with handshaking is addressed in this thesis. Different beam selection policies using switched beam antenna systems are investigated. Finally, we demonstrate how the proposed techniques can be applied in a rural access scenario in Nicaragua. The result of a user-deployed MWN for Internet access shows that the supported aggregated end-to-end rate is higher than an Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) connection. / QC 20100908

Due to the rapid development of semiconductor technology, the number of transistors of integrated circuits in unit area increases by double in roughly every two years. We then can add more circuits and functionality into a single chip. The size of electronic products certainly is reduced. Besides, because of the blooming popularity of wireless network standards in recently year, sensors have been wireless connected to provide more functionality and intelligence. They are, namely, wireless sensor network (WSN). Before long, the integrated circuit design will not only be emphasized on front-end circuits and hardware design, but also integration and functionality, which is so-called the system-on-chip (SOC) design. The first topic of this thesis is the implementation of IEEE 802.15.4 network prototype and hardware design. The main purpose of prototyping is to realize the highly portable IEEE 802.15.4 protocol stack library which can be quickly transferred to different hardwares. Thus, it shortens the time to market. In ASIC hardware design, we use WISHBONE bus as the interconnection architecture which can be easily integrated into current SOC design for an embedded system. The second topic is an application of IEEE 802.15.4 in medical monitoring, including system prototyping and ASIC hardware design, which collects the bladder pressure readings by a wireless link and ECG signals from our ASIC sensors. Finally, we realize the medical monitoring in a prototypical system.

A wireless local area network (WLAN) provides high bandwidth to users in a limited geographical area. This network faces certain challenges and constraints that are not imposed on their wired counterparts. They are: frequency allocation, interference and reliability, security, power consumption, human safety, mobility, connection to wired LAN,service area, handoff and roaming, dynamic configuration and the throughput. But the wireless medium relies heavily on the features of MAC protocol and the MAC protocol is the core of medium access control for WLANs. The available MAC protocols all have their own merits and demerits. In our research works, we propose a hybrid MAC protocol forWLAN. In the design, we have combined the merits of the TDMA and CDMA systems to improve the throughput of the WLAN in a picocellular environment. We have used the reservation and polling methods of MAC protocols to handle both the low and high data traffics of the mobile users. We have strictly followed the standards specified by IEEE 802.11 for WLANs to implement the designed MAC protocol. We have simulated the hybrid TDMA/CDMA based MAC protocols combined with RAP (Randomly Addressed Polling) for Wireless Local Area Networks. We have developed a closed form mathematical expressions analytically for this protocol. We have also studied the power control aspects in this environment and we derived a closed form mathematical expressions analytically for this power control technique. This hybrid protocol is capable of integrating different types of traffic (like CBR,VBR and ABR services) and compiles with the requirements of next-generation systems.The lower traffic arrival is dealt with the Random Access and the higher traffic arrival is with the Polling methods. This enables us to obtain higher throughput and lowmean delay performance compared to the contention-reservation-based MAC schemes. The protocol offers the ability to integrate different types of services in a flexible way by the use of multiple slots per frame, while CDMA allows multiple users to transmit simultaneously using their own codes. The RAP uses an efficient "back-off" algorithm to improve throughput at higher arrival rates of user's data. The performance is evaluated in terms of throughput, delay, and rejection rate using computer simulation. A detailed simulation is carried out regarding the maximum number of users that each base station can support on a lossy channel. This work has analyzed the desired user's signal quality in a single cell CDMA (Code Division Multiple Access) system in the presence of MAI (Multiple Access Interference). Earlier power control techniques were designed to assure that all signals are received with equal power levels. Since these algorithms are designed for a imperfect control of power, the capacity of the system is reduced for a given BER (Bit-Error Rate). We proposed an EPCM (Efficient Power Control Mechanism) based system capacity which is designed for the reverse link (mobile to base station) considering the path loss, log-normal shadowing and Rayleigh fading. We have simulated the following applications for the further improvement of the performance of the designed MAC protocol:Designed protocol is tested under different traffic conditions. The protocol is tested for multimedia traffic under application oriented QoS requirements. Buffer Management and resource allocation. Call Admission Control (hand-offs, arrival of new users). The adaptability to the variable nature of traffic.The propagation aspects in the wireless medium. The proposed MAC protocol has been simulated and analysed by using C++/MATLAB Programming in IBM/SUN-SOLARIS UNIX environment. The results were plotted using MATLAB software. All the functions of the protocol have been tested by an analysis and also by simulation. Call admission control function of the protocol has been tested by simulation and analysis in a multimedia wireless network topology and from analysis we found that at low traffic the throughput is high and at high traffic the throughput is kept constant at a reasonable high value. The simulation results also justify/ coordinate the analysis results. Dynamic channel allocation function of the protocol was tested and analysed and the coordinated results show that at low traffic, high throughput and at high traffic the throughput is constant. Buffer management function of the protocol simulation shows the results that the packet loss can be controlled to a minimum by adjusting the buffer threshold level at any traffic conditions. Maintenance of data transfer during the hand-offs function was simulated and the results show that the blocked calls are less during low traffic and at high traffic the blocked calls can be kept constant at low value. Thus, the proposed model aimed at having high throughput, high spectral efficiency, low delay, moderate BER and moderate blocking probability. We have considered a pico cell with a maximum of several users and studied the power efficiency of combined channel coding and modulation with perfect power controlled CDMA system. Thus our simulation of the "software radio" has flexibility in choosing the proper channel coders dynamically depending upon the variations of AWGN channel.

Aufbauend auf dem voranschreitenden Übergang zentralistischer Steuerungskonzepte über die Dezentralisierung hin zum verteilten System soll ein echtzeitfähiges Steuerungskonzept für die Antriebssynchronisation zur Patientenbewegung als lokal abgeschlossenes System erarbeitet werden. Dabei sollen Grundlagen echtzeitfähiger Steuerungstechnik, verteilter Systeme, der Prozesssynchronisation sowie entsprechende Kommunikationssysteme vorgestellt, bestehende Lösungen diskutiert und aus den Erkenntnissen entsprechende Konzeptvorschläge für die Lösung der Aufgabenstellung gemacht werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit soll aus den gewonnen Erkenntnissen und dem voranschreitenden Erfordernis der weltweiten Vernetzung technischer Systeme ein Konzept für die Integration und den echtzeitfähigen Zugriff auf dezentrale Peripheriekomponenten in das Internet erarbeitet werden. Für beide Teilaufgaben sollen Lösungsschritte aufgezeigt und evaluiert werden. Eine kritische Betrachtung der vorgestellten Konzepte erfolgt auf Basis bereits erfolgter industrieller Anwendung sowie in der Vorstellung einer zum Patent angemeldeten Lösung für den webbasierten Zugriff auf dezentral angeordnete Steuerungskomponenten.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: In this thesis, the investigation into the optimization of low speed communication protocols for narrow band networks will be presented. The main focus will be on analysing commonly used low speed communication protocols and investigate an alternative to these protocols to provide an optimized low speed narrow band network that provides better performance at high and low channel utilization. A study of existing low speed communication networks within the field of water supply has been used to identify the most appropriate protocols to be included in the analysis. The analysis of each protocol discussed includes the development of a simulation and theoretical model, with parameters based on those obtained from implemented communication networks focusing on the parameters used within the Namib water supply scheme of NamWater in Namibia. Of the currently implemented contention protocols, the non-persistent Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protocol is implemented the most. Current models used for modelling these protocols make use of various assumptions. These models have been expanded to provide a more accurate representation of the non-persistent CSMA model. The Round Robin Polling (RRP) protocol is another well known protocol used within the telemetry industry and has also been modelled as an alternative to the non-persistent CSMA model. The Adaptive Tree Walk (ATW) protocol has been identified as the limited contention protocol to be modelled as a possible alternative to the conventional methods used. A new model has been developed for modelling this protocol by making use of the same strategies and tools used in the modelling of the non-persistent CSMA and RRP protocols. The Simulation modelling has been developed by making use of DESMO-J, an Object Orientated Simulation API based in Java, developed by the Faculty of Informatics at the University of Hamburg. DESMO-J has been chosen as an alternative to the more traditional simulation languages due to its complete documentation, support structures, ease of use and flexibility. All theoretical models have been implemented in Matlab. / AFRIKAANSE OPSOMMING: In hierdie tesis sal die ondersoek na die optimering van laespoed protokolle vir kommunikasie oor nouband netwerke voorgelê word. Die hoof fokus is op die analise van algemene laespoed kommunikasie protokolle en die ondersoek van alternatiewe wat ’n meer optimale laespoed nouband netwerk sal lewer deur beter werkverigting by lae en hoë kanaalverkeer. ’n Studie van praktiese laespoed nouband netwerke in die veld van waterverspreiding word gebruik om die mees algemene protokolle te identifiseer wat in die analise ingesluit moet word. Die analise van die protokolle sluit in teoretiese en simulasie modelle, met parameters soos geidentifiseer uit die studie van ‘n praktiese netwerk, naamlik die Namib waterverspreidingskema van NamWater in Namibië. Die ’Non-persistent Carrier Sense Multiple Access’ en ’Round Robin Polling’ protokolle is geidentifiseer as dié wat meeste geimplementeer word. Die werkverigting van die protokolle is geanaliseer deur gebruik te maak van teoretiese en simulasie modeleringstegnieke. Huidige modelle van die CSMA protokol is gebaseer op sekere aannames. Hierdie aannames word aangepas en verbeter vir implementering van die teoretiese model. Die model word ook verder uitgebrei om beter resultate te lewer oor ’n groter parameterstel. Die ’Adaptive Tree Walk’ protokol is geidentifiseer as ’n moontlike optimale protokol en word gemodeleer en vergelyk teen die CSMA en RRP protokolle se werkverigting. Die simulasiemodelle is ontwikkel deur gebruik te maak van die DESMO-J sagteware, soos ontwikkel as ’n Java program-koppelvlak deur die Universiteit van Hamburg se Fakulteit van Informatika. DESMO-J is gekies as ’n alternatief vir die meer tradisionele simuleringstale omrede goeie dokumentasie, maklike gebruik en buigbaarheid. Alle teoretiese modelering is uitgevoer in Matlab.

The popularity of the wireless networks is so great that we will soon reach the point where most of the devices work based on that, but new challenges in wireless channel access will be created with these increasingly widespread wireless communications. Multi-channel CSMA protocols have been designed to enhance the throughput of the next generation wireless networks compared to single-channel protocols. However, their performance analysis still needs careful considerations. In this thesis, a set of techniques are proposed to model and analyse the CSMA protocols in terms of channel sensing and channel access. In that respect, the performance analysis of un-slotted multi-channel CSMA protocols is studied through considering the hidden terminals. In the modelling phase, important parameters such as shadowing and path loss impairments are being considered. Following that, due to the high importance of spectrum sensing in CSMA protocols, the Double-Threshold Energy Detector (DTED) is thoroughly investigated in this thesis. An iterative algorithm is also proposed to determine optimum values of detection parameters in a sensing-throughput problem formulation. Vehicle-to-Roadside (V2R) communication, as a part of Intelligent Transportation System (ITS), over multi-channel wireless networks is also modelled and analysed in this thesis. In this respect, through proposing a novel mathematical model, the connectivity level which an arbitrary vehicle experiences during its packet transmission with a RSU is also investigated.

The aim of Master thesis "Control and monitoring unit for optical link station" is a web server, enabling communication microcontroller with the user. The communication is based on TCP/IP model. Work an overview of the various parts of the TCP/IP model. The main part of this work is devoted to the software created. The core of unit are microcontroller C8051F120 and ethernet controller CP2200 made by Silicon Laboratories.