Le développement simultané de terminaux mobiles multimédia (smartphones, tablettes) et de réseaux d’accès offrant des débits élevés conduit à une explosion du trafic liés aux contenus multimédia. Cette croissance nécessite un partage efficace des ressources radio entre fournisseurs de contenus (dans le cas de la diffusion) ou entre récepteurs (dans le cas de services de vidéo à la demande). Cette thèse propose des outils de partage équitable des ressources en termes de qualité des contenus multimédia reçu et de délai de transmission dans les deux contextes précédents. La variété des compromis débit-distorsion des contenus multimédia est exploitée à cet effet. Dans un premier temps, une solution centralisée de contrôle conjoint du débit de codage et de transmission de plusieurs programmes transmis sur un même canal est considérée. L’objectif est de fournir des flux de qualités similaires avec des variations limitées, tout en assurant des délais de transmission comparables. Ce problème est résolu en synthétisant une commande prédictive à l’aide d’outils d’optimisation sous contrainte. Dans un second temps, seule l’allocation de bande est centralisée, le contrôle des caractéristiques de compression de chaque flux est réalisé de manière distribuée. Le contrôleur centralisé ne renvoie que le niveau de remplissage des tampons associés à chaque flux aux fournisseurs de contenus distants. Une stratégie de régulation des débits de codage est alors mise en place par ces fournisseurs, de manière à réguler le niveau en bits ou en image des tampons. La stabilité de ce système de régulation couplé est étudiée en détails. Enfin, l’optimisation inter-couches d’une chaine de transmission de contenus multimédia scalable est considérée. Ce problème est formulé dans le contexte de la programmation dynamique. Lorsque des modèles de complexité raisonnable sont considérés et avec des caractéristiques du système bien connues, des solutions optimales peuvent être obtenues. Des techniques d’apprentissage sont mises en œuvre, lorsque le système n’est que partiellement connu, par exemple, lorsque l’état du canal de transmission parvient avec du retard à l’organe de commande. / Due to the emergence of new generation mobiles and media streaming services, data traffic on mobile networks is continuously exploding. Despite the emergence of standards such as LTE, resources still remain scarce and limited. Thus, efficiently sharing resources among broadcasters or between unicast receivers connected to the same base station is necessary. An efficient resources allocation, where a fair received video quality between users and an equal transmission delay are achieved, is targeted. To that end, the variety of the rate-distortion trade-off of multimedia content is exploited. First, a centralized joint encoding and transmission rate control of multiple programs sharing the same channel is considered. A satisfactory and a comparable video quality among the transmitted programs, with limited variations, as well as a comparable transmission delay are targeted. The problem is solved using constrained optimization tools. Second, only the bandwidth allocation control is centralized, the control of the encoding rate characteristics of each stream is carried in a distributed manner. By modeling the problem as a feedback control system, the centralized bandwidth allocation is required to feed back only the buffer level to its associated remote content provider. The equilibrium and stability issues are addressed for both bit and second buffer control. In the case of simple unicast connection, a cross-layer optimization of scalable video delivery over wireless channel is performed. The optimization problem is cast in the context of dynamic programming. When low complex model are considered and when the system characteristics are known, optimal solutions can be obtained. When the system is partially known, for example, when the state of the channel reaches the control process with delay, learning techniques are implemented.

Les prévisions relatives trafic de données au sein des systèmes de communications sans-fil suggèrent une croissance exponentielle, principalement alimentée par l’essor de transferts vidéo mobiles. Etant donné la nature soudaine et fluctuante des demandes de transfert vidéo, il faut dès à présent réfléchir à de nouveaux algorithmes d’allocation de ressources performants. En effet, les algorithmes en couche physique traditionnels, qui réalisent de l’allocation de ressources sous l’hypothèse classique que les transmetteurs sont toujours saturés avec des bits d’information, risquent à l’avenir de s’avérer inefficients. Pour cette raison, les algorithmes de demain se doivent d’être dynamiques, dans le sens où ils seront capables de prendre en compte la nature stochastique des fluctuations du trafic de données et qu’ils intégreront des informations issus de processus de couches supérieures.L’idée centrale de cette thèse est de développer des algorithmes, travaillant avec des informations issues de la couche PHY et de la couche NET, dans un scénario Multi-cells et MIMO (Multiple Inputs, Multiple Outputs).Plus particulièrement, nous considérons un réseau de stations de base (BS) équipés avec plusieurs antennes, chargés de servir plusieurs terminaux mobiles équipés d’une seule antenne (UT) dans leurs cellules respectives. Ce qui nous différencie des travaux précédents, c’est que nous tenons compte de l’aléa avec lequel des demandes de transferts peuvent arriver et que, pour cette raison, nous modélisons la formation de queue de données au niveau des stations de base. Dans cette disposition, nous développons plusieurs algorithmes multicouches, réalisant de l’allocation de ressources décentralisée, et ce, dans une optique d’efficacité énergétique. En particulier, il s’agit ici de réaliser des algorithmes réalisant du beamforming de façon décentralisée et capables de contrôler des fluctuations de trafic, des algorithmes optimisant l’efficacité énergétique sous une contrainte de qualité de service moyenne, des algorithmes de planification décentralisés dans des scénarios multi-cellulaires. Dans cette perspective, nous choisissons de recourir non seulement à des outils d’optimisation de la théorie de Lyapunov, mais également à la théorie des matrices aléatoires et à la théorie du contrôle stochastique. / Future wireless communication systems are expected to see an explosion in the wireless traffic which is mainly fueled by mobile video traffic. Due to the time varying and bursty nature of video traffic, wireless systems will see a widerrange of fluctuations in their traffic patterns. Therefore, traditional physical layer based algorithms which perform resource allocation under the assumption that the transmitters are always saturated with information bits, might no longer be efficient. It is, thus, important to design dynamic resource allocation algorithms which can incorporate higher layer processes and account for the stochastic nature of the wireless traffic.The central idea of this thesis is to develop cross-layer design algorithmsbetween the physical and the network layer in a multiple input multiple output (MIMO) multi-cell setup. Specifically, we consider base stations (BSs) equipped with multiple antennas serving multiple single antenna user terminals (UTs) in their respective cells. In contrast to the previous works, we consider the randomness in the arrival of information bits and hence account for the queuing at the BSs. With this setup, we develop various cross-layer based resource allocation algorithms. We incorporate two important design considerations namely decentralized design and energy efficiency. In particular, we focus on developing decentralized beamforming and traffic flow controller design, energy efficient design under time average QoS constraints and decentralized scheduling strategy in a multi-cell scenario. To this end, we use tools from Lyapunov optimization, random matrix theory and stochastic control theory.

Le plan d’attribution du spectre présente un problème de déficit de ressources dans les réseaux sans fil. En 2002, la FCC (Federal Communication Commission) a rapporté que le spectre radioélectrique était de 20% à 85% sous-utilisé. L’utilisation inefficace du spectre est un problème majeur qui doit être résolu si l’on veut que les communications radio se développent. La FCC a ensuite changé la politique de gestion du spectre pour la rendre plus souple en s’interessant à l’approche radio cognitive (CR). La radio cognitive est un type de radio intelligente qui explore l’environnement de fréquences radio, apprend et décide d’utiliser la partie inutilisée du spectre. Les principales fonctions de la CR sont la détection, la prise de décision, et le partage. Cependant, ces radios doivent respecter les infrastructures sans fil standards en minimisant leur impact sur les appareils prioritaires, également appelés systèmes primaires. La coexistence entre les systèmes CR et les systèmes primaires nécessite des processus d’observation et de gestion des interférences dédiés. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la phase d’observation du point de vue CR. La zone de chevauchement entre un émetteur CR et l’émetteur primaire (PR) est analysée et prise en compte. L’impact de cette zone est appris par simulation et présenté dans le chapitre 4. En conséquence, des interférences potentielles sont envisagées. Durant la phase d’observation, nous étudions un mécanisme permettant de mieux prévenir la perturbation sur les dispositifs PR en utilisant le Grey Model et le filtre de Kalman comme modèle de prédiction de la densité des récepteurs primaires. En complément à cette observation, nous fournissons une stratégie visant à combiner les observations obtenues en une mesure qui pourra être utilisée par le routage dans le cadre de la coexistence entre réseaux radio cognitive (CRN) et réseaux primaires. La stratégie proposée utilise la logique floue et est présentée dans le chapitre 5. Dans ce chapitre, nous étudions comment la couche réseau réagit et prend les bonnes décisions pour maximiser l’utilisation des ressources du spectre, tout en évitant les interférences avec les récepteurs primaires. Par exemple, un noeud CR peut fonctionner dans une zone de recouvrement, si les récepteurs primaires sont inactifs dans cette zone. Ainsi, nous avons proposé un mécanisme de routage basé sur le protocole de routage DYMO qui prend en compte l’impact relatif observé. Dans ce même chapitre, nous avons également présenté des scénarios pratiques illustrant l’utilité de notre proposition. L’interconnexion des noeuds CR dans le CRN est aussi un problème crucial pour la mise en place du réseau. C’est pourquoi nous présentons un processus de diffusion par balises au chapitre 6. Dans ce chapitre, nous décrivons également un dispositif pratique conçu pour des expériences en radio cognitive. Même si notre travail se rapporte à différentes couches de la pile protocolaire, le cadre général que nous avons conçu est multicouches. En effet, les composants accèdent aux différentes couches pour récupérer l’information, la traiter et réagir en conséquence. Ainsi, notre travail constitue un environnement inter-couches pour un dispositif radio cognitive local visant à minimiser les interférences et à maximiser les ressources réseau dans les réseaux radio cognitive. / A fixed spectrum assignment scheme has a problem with resource deficiency in a wireless network. In 2002, the US Federal Communication Commission (FCC) reported that the radio spectrum was 20% to 85% under-utilized. The insufficient use of the spectrum is a critical issue for radio communication; as communication grows, a fixed spectrum becomes more limiting. The FCC then changed its spectrum management policy to make it more flexible by investigating the cognitive radio (CR) approach. Cognitive radio is a type of intelligent radio that explores the radio frequency environment, learns, and decides to use the unused portion of the frequency. The main functions of a CR are sensing, decision making, and sharing. However, these radios have to respect the standard wireless infrastructures by ensuring the least impact with their devices, also known as primary radios. Coexistence between CR systems and primary systems requires dedicated observation processes and interference management. In this thesis, observation from a CR point of view is presented. The overlapping area between a CR transmitter and primary radio (PR) transmitter is analysed so that it can be taken into account. The impact of this area is learnt by simulation and presented in Chapter 4. As a consequence, potential interference is envisaged. Along with observation, we investigate a proper mechanism to better prevent perturbation on PR devices using the Grey model and Kalman filter as a prediction model for predicting the density of primary receivers. In addition, we provide a strategy to combine the obtained observations into a metric that can be used in routing design in the context of coexistence between Cognitive Radio Networks (CRNs) and primary networks. The proposed strategy, using fuzzy logic, is presented in Chapter 5. In this chapter, we investigate how the routing layer reacts and makes the right decisions to maximise the spectrum resources, while avoiding interference with the primary receivers. For instance, a CR node can operate in an overlap region if primary receivers are inactive within this area. Also, we propose a routing mechanism based on the DYMO routing protocol that takes into account the observed relative impact. In the same chapter, we provide some practical scenarios illustrating the usefulness of our proposal. Interconnecting the CR nodes in CRNs is also a critical problem for the establishment of the network. We therefore present a beacon-based dissemination process in Chapter 6. In this chapter, we also describe a practical device designed for cognitive radio experiments. Even though our work affects different protocol layers, the designed framework is cross-layered. Indeed, the different components of the proposed framework access the various layers to retrieve information, process it, and react accordingly. Thus, our work constitutes a cross-layer framework for a local cognitive radio that aims to minimise the interference and maximise the network resources in cognitive radio networks.

Les progrès réalisés en systèmes micro-électro-mécaniques couplés avec leur convergence vers les systèmes de communication sans fil, ont permis l'émergence des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les contraintes de ces réseaux font que tous les efforts soient fournis pour proposer des solutions économes en énergie. Avec les récents développements des technologies CMOS, des capteurs d'images à faible coût ont été développés. En conséquence, un nouveau dérivé des RCSF, qui sont les Réseaux de Capteurs Vidéo Sans Fil (RCVSF), a été proposé. La particularité des données vidéo ainsi que les contraintes inhérentes aux nœuds ont introduit de nouveaux défis. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions basées sur l'approche inter-couches pour la livraison de la vidéo sur les RCVSF. La première solution propose un nouveau schéma de compression vidéo adaptatif, efficace en énergie et basé sur la norme de compression vidéo H.264/AVC. Le flux vidéo est ensuite géré par une version améliorée du protocole MMSPEED que nous proposons et notons EQBSA-MMSPEED. Les résultats des simulations montrent que la durée de vie du réseau est étendue de 33%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 12%. Dans la deuxième solution, nous enrichissons le schéma de compression de modèles mathématiques pour prévoir la consommation d'énergie et la distorsion de l'image lors des phases d'encodage et de transmission. Le flux vidéo est géré par un nouveau protocole de routage efficace en énergie et à fiabilité améliorée noté ERMM. Comparée à une approche basique, cette solution réalise une extension de la durée de vie du réseau de 15%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 35%. / Thanks to the valuable advances in Micro Electro-Mechanical Systems coupled with their convergence to wireless communication systems, the Wireless Sensor Networks (WSN). In the WSN context, all the efforts are made in order to propose energy-efficient solutions. With the recent developments in CMOS technology, low-cost imaging sensors have been developed. As a result, a new derivative of the WSN, which is the Wireless Video Sensor Network (WVSN), has been proposed. The particularities of the video data as well as the inherent constraints of the nodes have introduced new challenges. In this thesis, we propose two cross-layer based solutions for video delivery over the WVSN. The first solution proposes a new energy efficient and adaptive video compression scheme dedicated to the WVSNs, based on the H.264/AVC video compression standard. The video stream is then handled by an enhanced version of MMSPEED protocol, that we propose and note EQBSA-MMSPEED. Performance evaluation shows that the lifetime of the network is extended by 33%, while improving the video quality of the received stream by 12%. In the second solution, we enrich our compression scheme with mathematical models to predict the energy consumption and the video distortion during the encoding and the transmission phases. The video stream is then handled by a novel energy efficient and improved reliability routing protocol, that we note ERMM. Compared to a basic approach, this solution is extending the network lifetime by 15%, while improving the quality of the received video stream by 35%.

Cette thèse a pour objectif l¤étude des mécanismes d¤interaction inter-couche et leurs applications pour des algorithmes adaptatifs pour contrôler les paramètres de transmission. Après une description rapide des protocoles des couches liaison et physiques du standard IEEE 802.11, nous présentons une analyse de performance des modes de transmission spécifiés par les normes 802.11a/b. La deuxième contribution de cette thèse porte sur la modélisation des réseaux 802.11. Nous proposons un modèle analytique qui prend en compte la position des terminaux radio par rapport au point d¤accès afin d¤évaluer les performances de la couche MAC. Nous proposons ensuite de nouveaux mécanismes de sélection du débit de transmission physique. Nous avons élaboré l¤algorithme AARF, basé sur l¤algorithme ARF, qui s'intéresse à la classe des terminaux dits à faible latence et offre des services d¤adaptation à court et à long terme. Un autre algorithme basé sur les mêmes idées que celles développées pour AARF, mais conçu pour fonctionner avec des systèmes à grande latence, a été implanté et expérimenté sur des terminaux à base du processeur Atheros. Enfin, nous avons élaboré un troisième algorithme de contrôle dynamique du mode de transmission en boucle fermée appelé CLARA qui est compatible avec les standards 802.11a/b/g. La dernière contribution de cette thèse porte sur l¤optimisation de la transmission de flots multimédias temps réel sur des réseaux 802.11. Nous présentons MORSA, un mécanisme d¤optimisation inter-couche efficace qui permet de sélectionner le mode de transmission à utiliser en fonction de l'état du canal de transmission et des caractéristiques de l'application.

La thèse se focalise sur la sécurité dans les réseaux mobiles ad hoc (MANET : Mobile Ad hoc NETwork) [RFC 2501]. L'absence d'une gestion centrale des fonctionnalités du réseau rend ces réseaux beaucoup plus vulnérables aux attaques que les réseaux sans fil (WLAN) et filaires (LAN). Malheureusement, les protocoles de sécurité qui existent actuellement ne sont pas conçus pour un tel environnement (dynamique). Ils ne prennent pas la contrainte des ressources en considération car non seulement l'environnement est dynamique, mais les ressources sont aussi limitées (mémoire, capacité de calcul et surtout énergie), ce qui complique davantage la problématique, car on sait bien que les solutions de sécurité sont gourmandes en terme de ressources. Cependant, en raison de l'importance des domaines d'application des réseaux mobiles ad hoc comme les opérations militaires (communication entre les avions, les voitures et le personnel et opérations de secours, situations d'urgence en cas de sinistre, etc . . .), il faut relever le défi, car concevoir un mécanisme de sécurité infaillible pour les réseaux mobiles ad hoc est nécessaire. L'objectif principal de la thèse consiste à étudier les solutions susceptibles d'assurer la sécurité dans les réseaux mobiles ad hoc, en proposant une architecture hiérarchique distribuée qui permet d'établir une infrastructure dynamique à clé publique. Cette architecture doit supporter les différentes caractéristiques de ces réseaux (absence d'une unité centrale de gestion de réseau, topologie réseau dynamique, etc . . .). Dans ce but, un modèle de confiance adapté à l'environnement dynamique pour assurer l'évolution des niveaux de confiance des nœuds est établi. De plus, les vulnérabilités au niveau des autorités de certification sont prises en compte dans le nouveau concept de DDMZ (zone dynamique démilitarisée) que nous proposons. Dans le but de sécuriser les nœuds dont le rôle est crucial au sein du réseau, leur identité doit être cachée. C'est pourquoi le concept d'anonymat est introduit. Un protocole d'authentification anonyme est proposé. De plus, nous nous inspirons du modèle militaire pour mettre en place un mécanisme de camouflage qui cache le rôle des nœuds sensibles. Pour entretenir le modèle de confiance, un mécanisme de surveillance est indispensable. Il est adapté aux contraintes de l'environnement sans fil dynamique et réduit le taux de fausses alarmes (faux positifs). Il est fondé sur une approche inter-couches et un modèle probabiliste pour améliorer l'observation du nœud surveillant. Pour faire face aux attaques intelligentes de type inter-couches, une étude des vulnérabilités au niveau des couches inférieures comme la couche MAC est menée. Ensuite, des mécanismes de prévention et de détection sont analysés et évalués. La performance de ces mécanismes est évaluée avec la prise en compte des métriques primordiales pour les réseaux mobiles ad hoc, telles que la consommation d'énergie, la mobilité, la densité des nœuds et du trafic, etc . . .

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.