Avec le déploiement de la technologie WiFi ces dernières années, les réseaux locaux sans fil connaissent un grand succès auprès des institutions et les réseaux ad hoc suscitent un réel intérêt auprès de la communauté de R&D. Parallèlement, avec l'émergence des services multimédias dans les réseaux mobiles, des travaux pour l'introduction de la qualité de service dans les réseaux ad hoc ont été proposés. Les études existantes sont souvent basées sur des hypothèses limitées et inadaptées aux propriétés des réseaux ad hoc. Dans cette thèse, nous proposons d'abord un protocole de routage avec différenciation de terminaux qui maximise les liens sans fil de haute qualité. Le but d'une telle approche est de prendre en compte l'hétérogénéité des nœuds dans les réseaux ad hoc et de supporter les situations où des terminaux mobiles peuvent accepter ou refuser la fonction de routage. Notre proposition apporte une solution aux variations des capacités des liens sans fil en routant les paquets de préférence à travers les routeurs collaboratifs ayant une grande capacité de transmission dans le but de maintenir une meilleure qualité de lien (grand débit) des routes dans le réseau. Nous prouvons ensuite la nécessité d'une gestion multicouches de la qualité de service dans un tel environnement. Cela permet de définir une stratégie de QoS en plusieurs couches de communication dans le but de prendre en considération les contraintes liées aux spécificités des réseaux mobiles ad hoc. Une combinaison des mécanismes de qualité de service au niveau IP et MAC (IEEE 802.11) est étudiée. De plus le principe de routage avec différenciation de terminaux décrit ci-dessus a été combiné avec la gestion de la qualité de service IP et MAC. Un autre volet de la thèse traite l'aspect de contrôle de topologie dans les réseaux ad hoc. Il consiste à contrôler la morphologie du réseau en utilisant la mobilité d'un ensemble de routeurs dédiés. Le principe est d'utiliser positivement la mobilité, qui est habituellement subie dans le réseau, afin d'améliorer les performances de ce dernier. Ainsi, des stratégies de déploiement des routeurs dédiés sont étudiées (dans un réseau ad hoc autonome ou interconnecté à une infrastructure) dans le but d'offrir une meilleure connectivité ou pour assurer un meilleur support de la qualité de service des applications temps réel. Pour les deux stratégies, le problème a été formulé comme un problème de programmation linéaire entière mixte. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ITEA Ambience. Dans ce contexte, nous avons entre autres contribué à la réalisation d'une plate-forme, qui illustre un exemple d'applications des réseaux ad hoc où des mécanismes décrits dans les parties précédentes sont utilisés afin d'améliorer les performances du système et répondre aux besoins des utilisateurs mobiles, dans un contexte hétérogène sécurisé. Mots-clés : Qualité de service, IEEE 802.11, Différenciation de services, Hétérogénéité des nœuds, Routage ad hoc, Contrôle de topologie, Routeurs dédiés, Connectivité.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent la qualité de service dans les réseaux à commutation de paquets de grande dimension et plus spécifiquement la garantie de débit pour les flots TCP. L'architecture à différenciation de services, définie par l'IETF, dite DiffServ s'articule autour de trois services : le service garanti, le service assuré et le service par défaut dit "au mieux". Le service assuré a été élaboré pour servir les flots à caractère élastique comme les flots TCP. Cependant, des problèmes subsistent en ce qui concerne cette garantie de débit pour ce type de flots dans ce service. Ces dernières années, un effort important a été fait pour améliorer les mécanismes d'ordonnancement, de classification et de rejet au sein des routeurs afin qu'ils répondent au mieux à la spécification du service assuré. Malheureusement, leurs choix de conception et la complexité de leur mise en oeuvre est très souvent un frein à leur déploiement dans un Internet réel. Dans cette thèse, nous proposons une solution originale de conditionnement des flots TCP permettant de garantir un débit à la fois pour des flots individuels et des groupes de flots. Cette solution fonctionne quelquesoit le facteur d'echelle.

Cette thèse étudie des problèmes de contrôle d'accès et de qualité de service (QdS) dans les réseaux ad hoc utilisant la norme IEEE 802.11. Dans la première partie de notre travail, nous proposons des améliorations pour la norme 802.11 de base qui ne tient pas compte de la QdS. Au niveau du contrôle d'admission, nous proposons un algorithme d'ordonnancement des flux multimédia qui attribue la priorité aux paquets de manière moins stricte que dans l'algorithme EDF et nous comparons les deux algorithmes par simulation. Au niveau du contrôle d'accès, nous proposons un algorithme qui modifie dynamiquement la fenêtre de contention, et nous effectuons des simulations pour montrer l'amélioration de l'équité entre les stations. Nous nous intéressons par la suite à la différenciation des services, et nous étudions la coexistence de deux classes de service, dont les fenêtres de contention évoluent de manière différente, et évaluons leurs performances en termes de débit et de délai moyen. Ce qui nous amène, dans la deuxième partie de notre travail, à présenter une étude complète de la différenciation des services de l'amendement 802.11e. Nous proposons un cadre analytique général modélisant la méthode d'accès EDCA à l'aide de chaînes de Markov, et définissons quatre méthodes de différenciation, et évaluons les performances des classes en termes de débit, délai moyen et taux de perte. Des approximations pour les réseaux de grande taille nous ont permis d'obtenir, pour un indice de performance fixé, une expression simple de celui de toutes classes en fonction de celui de l'une d'entre elles. Nous déterminons ensuite la relation entre les différents indices de performance des classes, et comparons les différentes méthodes de différenciation, malgré la nature différente de leurs paramètres. De plus, nous établissons analytiquement et vérifions par simulation les conditions d'équivalence, entre les méthodes de différenciation basées sur la distribution du temps de retrait, qui produisent les mêmes performances en termes de débit, délai moyen et taux de perte. Et dans ces conditions, nous analysons l'effet du choix de la distribution sur la gigue. Nos résultats représentent des outils importants pour l'aide à la décision en vue d'atteindre des objectifs de QdS. / This thesis deals with access control and quality of service (QoS) issues in ad hoc networks. In the first part, we propose enhancements of the legacy 802.11 standard which lacks of QoS. For admission control, we propose a scheduling algorithm for multimedia traffic, in which priority is provided to packets with a less strict way than the EDF algorithm, and we compare both algorithms by simulation. For access control, we propose an algorithm that tunes dynamically the contention window, and we use simulations to show improvement of fairness between stations. Then we are interested in service differentiation, and we analyze the coexistence of two service classes having their contention window evolving in different ways, and we evaluate their performances in terms of throughput and mean delay. This leads us, in the second part of this thesis, to present a complete study of service differentiation in the 802.11e amendment. We propose a general analytical framework in which we model the EDCA access scheme by Markov chains. We define and study four differentiation schemes and evaluate class performances in terms of throughput, mean delay and drop ratio. Using approximations for large networks, we derive, for a given class performance index, a simple expression of this index in the other classes. That allows us to determine the relationship between class performances, and compare the differentiation schemes even if the nature of their parameters is different. Moreover, we determine analytically and verify by simulation equivalence conditions, between differentiation schemes based on backoff time distribution, that produce the same performances in terms of throughput, mean delay and drop ratio. Then, in these conditions, we analyze the effect of backoff time distribution on jitter. Our results are important tools for decision making in order to meet QoS objectives.

Fin 2004, un quart des foyers Européens étaient connectés à l'Internet haut débit. Avec le faible coût des machines toujours plus puissantes, de nombreuses applications multimédias ont pu être élaborées pour satisfaire la demande croissante du grand public. Le besoin d'adaptation des protocoles de communication sous-jacents est essentiel pour ce type d'applications. Les protocoles doivent pouvoir passer à l'échelle et s'adapter aux caractéristiques hétérogènes de ces nouvelles applications. Parallèlement, les transmissions sans fil ont connu un essor sans égal, permettant un accès à l'Internet de n'importe quel endroit. La multiplicité des technologies d'accès (GPRS, UMTS, WIFI, WiMAX, Bluetooth, etc.) et la grande variabilité des caractéristiques des canaux de transmission sans fil ont encore accru ce besoin d'adaptation. Dans ce document d'habilitation, je présente quatre contributions qui mettent en relief le besoin d'adaptation des protocoles de communication. La première concerne un protocole de communication robuste au facteur d'échelle élaboré pour des applications d'environnements virtuels qui mettent en jeu un grand nombre de participants. La seconde décrit un algorithme pour contrôler la transmission de vidéo hiérarchique vers un ensemble hétérogène de récepteurs sur Internet. Les deux contributions suivantes portent sur la transmission<br />sans fil. Je décris un mécanisme de différenciation de services efficace pour transmettre des flots multimédias à débit variable dans les réseaux IEEE 802.11e, ainsi qu'un mécanisme d'adaptation intercouches pour la transmission multimédia dans les réseaux WIFI.

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.

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.