Les réseaux maillés sans fil (RMSF), grâce à leurs caractéristiques avantageuses, sont considérés comme une solution efficace pour le support des services de voix, vidéo et de données dans les réseaux de prochaine génération. Le standard IEEE 802.16-d a spécifié pour les RMSF, à travers son mode maillé, deux mécanismes de planifications de transmission de données; à savoir la planification centralisée et la planification distribuée. Dans ce travail, on a évalué le support de la qualité de service (QdS) du standard en se focalisant sur la planification distribuée. Les problèmes du système dans le support du trafic de voix ont été identifiés. Pour résoudre ces problèmes, on a proposé un protocole pour le support de VoIP (AVSP) en tant qu’extension au standard original pour permettre le support de QdS au VoIP. Nos résultats préliminaires de simulation montrent qu’AVSP offre une bonne amélioration au support de VoIP. / Wireless mesh networks (WMNs), because of their advantageous characteristics, are considered as an effective solution to support voice services, video and data in next generation networks. The IEEE 802.16-d specified for WMNs, through its mesh mode, two mechanisms of scheduling data transmissions; namely centralized scheduling and distributed scheduling. In this work, we evaluated the support of the quality of service (QoS) of the standard by focusing on distributed scheduling. System problems in the support of voice traffic have been identified. To solve these problems, we proposed a protocol for supporting VoIP, called Assisted VoIP Scheduling Protocol (AVSP), as an extension to the original standard to support high QoS to VoIP. Our preliminary simulation results show that AVSP provides a good improvement to support VoIP.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le contexte des réseaux sans fil et des réseaux d'accès par Satellite en particulier, qui facilitent l'installation d'infrastructures réseau dans les zones géographiquement reculées et faiblement peuplées. Cependant, ces derniers présentent certains inconvénients lorsqu'il s'agit de déployer des applications multimédia interactives. En effet, de telles applications requièrent un délai de bout en bout aussi faible que possible et plus généralement exigent une meilleure Qualité de Service (QdS) du système de communication que le classique Meilleur-Effort (BE) afin de fonctionner correctement. Or, les réseaux d'accès par satellite géostationnaires souffrent déjà d'un délai de propagation non négligeable d'autant plus accru que la transmission des données est assurée par des mécanismes d'allocation dynamique, par exemple dans un système DVB-S2/RCS. Dans ces travaux de thèse, nous proposons d'utiliser les informations de signalisation de session des applications multimédia basées sur le protocole de session SIP afin d'ajuster le paramétrage du système de communication selon une approche " cross-layer " qui permet alors d'améliorer de façon significative la réactivité du système. Nous avons proposé plusieurs solutions pour, d'abord réduire le temps entre la demande de communication et le démarrage effectif du transfert des flux multimédia, ensuite réduire le délai de transmission des données multimédia durant la communication (tout en utilisant de manière optimale les ressources réseau disponibles sur la voie retour), et enfin accroître le nombre de flux multimédia admissibles dans le réseau satellite tout en leur garantissant un niveau de QdS satisfaisant. Afin de faciliter l'intégration et l'implémentation des solutions proposées dans un système de communication réel, un mécanisme de communication inter-couches d'optimisation est proposé et développé. De plus, une architecture orientée web services est utilisée afin de faciliter la découverte et l'invocation des différentes niveaux de services de communication présents dans de tels réseaux d'accès. Les solutions proposées ont été évaluées dans des environnements sans fil émulés et réels

La motivation principale de cette thèse est de faire face à l'accroissement de la complexité des systèmes informatiques, qui, dans un futur proche ( de l'ordre de quelques années) risque fort d'être le principal frein à leur évolution et à leur développement. Aujourd'hui la tendance s'inverse et le coût de gestion humaine dépasse le coût des infrastructures matérielles et logicielles. De plus, l'administration manuelle de grands systèmes (applications distribuées, réseaux de capteurs, équipements réseaux) est non seulement lente mais aussi sujette à de nombreuses erreurs humaines. Un des domaines de recherche émergent est celui de l'informatique autonomique qui a pour but de rendre ces systèmes auto-gérés. Nous proposons une approche qui permet de décrire des politiques de gestion autonomiques de haut niveau. Ces politiques permettent au système d'assurer quatre propriétés fondamentales de l'auto-gestion: l'auto-guérison, l'auto-configuration, l'auto-protection et l'auto-optimisation. Nos contributions portent sur la spécification de diagrammes de description de politiques de gestion autonomiques appelés (S)PDD "(Sensor) Policy Description Diagrams". Ces diagrammes sont implémentés dans le gestionnaire autonomique TUNe et l'approche a été validée sur de nombreux systèmes: simulation électromagnétique répartie sur grille de calcul, réseaux de capteurs SunSPOT, répartiteur de calcul DIET. Une deuxième partie présente une modélisation mathématique de l'auto-optimisation pour un " datacenter ". Nous introduisons un problème de minimisation d'un critère intégrant d'une part la consommation électrique des équipements du réseau du " datacenter " et d'autre part la qualité de service des applications déployées sur le " datacenter ". Une heuristique permet de prendre en compte les contraintes dues aux fonctions de routage utilisées.

L’émergence de nouvelles applications et de nouveaux services (tels que les applications multimédias, la voix-sur-IP, la télévision-sur-IP, la vidéo-sur-demande, etc.) et le besoin croissant de mobilité des utilisateurs entrainent une demande de bande passante de plus en plus croissante et une difficulté dans sa gestion dans les réseaux cellulaires sans fil (WCNs), causant une dégradation de la qualité de service. Ainsi, dans cette thèse, nous nous intéressons à la gestion des ressources, plus précisément à la bande passante, dans les WCNs. Dans une première partie de la thèse, nous nous concentrons sur la prédiction de la mobilité des utilisateurs des WCNs. Dans ce contexte, nous proposons un modèle de prédiction de la mobilité, relativement précis qui permet de prédire la destination finale ou intermédiaire et, par la suite, les chemins des utilisateurs mobiles vers leur destination prédite. Ce modèle se base sur : (a) les habitudes de l’utilisateur en terme de déplacements (filtrées selon le type de jour et le moment de la journée) ; (b) le déplacement courant de l’utilisateur ; (c) la connaissance de l’utilisateur ; (d) la direction vers une destination estimée ; et (e) la structure spatiale de la zone de déplacement. Les résultats de simulation montrent que ce modèle donne une précision largement meilleure aux approches existantes. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous intéressons au contrôle d’admission et à la gestion de la bande passante dans les WCNs. En effet, nous proposons une approche de gestion de la bande passante comprenant : (1) une approche d’estimation du temps de transfert intercellulaire prenant en compte la densité de la zone de déplacement en terme d’utilisateurs, les caractéristiques de mobilité des utilisateurs et les feux tricolores ; (2) une approche d’estimation de la bande passante disponible à l’avance dans les cellules prenant en compte les exigences en bande passante et la durée de vie des sessions en cours ; et (3) une approche de réservation passive de bande passante dans les cellules qui seront visitées pour les sessions en cours et de contrôle d’admission des demandes de nouvelles sessions prenant en compte la mobilité des utilisateurs et le comportement des cellules. Les résultats de simulation indiquent que cette approche réduit largement les ruptures abruptes de sessions en cours, offre un taux de refus de nouvelles demandes de connexion acceptable et un taux élevé d’utilisation de la bande passante. Dans la troisième partie de la thèse, nous nous penchons sur la principale limite de la première et deuxième parties de la thèse, à savoir l’évolutivité (selon le nombre d’utilisateurs) et proposons une plateforme qui intègre des modèles de prédiction de mobilité avec des modèles de prédiction de la bande passante disponible. En effet, dans les deux parties précédentes de la thèse, les prédictions de la mobilité sont effectuées pour chaque utilisateur. Ainsi, pour rendre notre proposition de plateforme évolutive, nous proposons des modèles de prédiction de mobilité par groupe d’utilisateurs en nous basant sur : (a) les profils des utilisateurs (c’est-à-dire leur préférence en termes de caractéristiques de route) ; (b) l’état du trafic routier et le comportement des utilisateurs ; et (c) la structure spatiale de la zone de déplacement. Les résultats de simulation montrent que la plateforme proposée améliore la performance du réseau comparée aux plateformes existantes qui proposent des modèles de prédiction de la mobilité par groupe d’utilisateurs pour la réservation de bande passante. / The emergence of new applications and services (e.g., multimedia applications, voice over IP and IPTV) and the growing need for mobility of users cause more and more growth of bandwidth demand and a difficulty of its management in Wireless Cellular Networks (WCNs). In this thesis, we are interested in resources management, specifically the bandwidth, in WCNs. In the first part of the thesis, we study the user mobility prediction that is one of key to guarantee efficient management of available bandwidth. In this context, we propose a relatively accurate mobility prediction model that allows predicting final or intermediate destinations and subsequently mobility paths of mobile users to reach these predicted destinations. This model takes into account (a) user’s habits in terms of movements (filtered according to the type of day and the time of the day); (b) user's current movement; (c) user’s contextual knowledge; (d) direction from current location to estimated destination; and (e) spatial conceptual maps. Simulation results show that the proposed model provides good accuracy compared to existing models in the literature. In the second part of the thesis, we focus on call admission control and bandwidth management in WCNs. Indeed, we propose an efficient bandwidth utilization scheme that consists of three schemes: (1) handoff time estimation scheme that considers navigation zone density in term of users, users’ mobility characteristics and traffic light scheduling; (2) available bandwidth estimation scheme that estimates bandwidth available in the cells that considers required bandwidth and lifetime of ongoing sessions; and (3) passive bandwidth reservation scheme that passively reserves bandwidth in cells expected to be visited by ongoing sessions and call admission control scheme for new call requests that considers the behavior of an individual user and the behavior of cells. Simulation results show that the proposed scheme reduces considerably the handoff call dropping rate while maintaining acceptable new call blocking rate and provides high bandwidth utilization rate. In the third part of the thesis, we focus on the main limitation of the first and second part of the thesis which is the scalability (with the number of users) and propose a framework, together with schemes, that integrates mobility prediction models with bandwidth availability prediction models. Indeed, in the two first contributions of the thesis, mobility prediction schemes process individual user requests. Thus, to make the proposed framework scalable, we propose group-based mobility prediction schemes that predict mobility for a group of users (not only for a single user) based on users’ profiles (i.e., their preference in terms of road characteristics), state of road traffic and users behaviors on roads and spatial conceptual maps. Simulation results show that the proposed framework improves the network performance compared to existing schemes which propose aggregate mobility prediction bandwidth reservation models.

Les nouvelles applications sur Internet nécessitent des garanties de qualité de service (QoS) de la part du réseau. Nous nous intéressons à deux paramètres de QoS : le temps de réponse et la gigue de bout-en-bout. Nous proposons un ordonnancement, noté FP/DP, à base de priorités fixes (FP), départageant les paquets ex aequo selon leurs priorités dynamiques (DP). La priorité fixe d'un flux reflète son degré d'importance et sa priorité dynamique est un paramètre temporel. FP/FIFO et FP/EDF sont deux exemples d'ordonnancement FP/DP. Nous déterminons des bornes déterministes sur les paramètres de QoS considérés, en utilisant l'approche par trajectoire. En monoprocesseur, nous améliorons les résultats existants et prouvons que FP/EDF domine FP/FIFO sous certaines conditions. En distribué, nous apportons de nouveaux résultats et montrons que l'approche par trajectoire est beaucoup moins pessimiste que l'approche holistique. Nos résultats sont appliqués dans une architecture DiffServ/MPLS.

L'objectif de ce travail de thèse dans un premier temps est l'évaluation de performances des modèles de routage multi-chemins pour l'ingénierie de trafic et l'équilibrage de charge sur un réseau de type IP/MPLS (MPLS-TE). Nous comparons la capacité de ces modèles à équilibrer la charge du réseau tout en faisant de la différentiation de trafic. Nous les appliquons sur des grandes topologies générées par le générateur automatique des topologies BRITE, qui s'approchent en forme et en complexité du réseau réel. Nous mesurons ainsi l'impact de leur complexité respective et donc la capacité à les déployer sur des réseaux de grande taille (scalabilité). Dans un second temps, l'objectif est de proposer un concept de modélisation générale d'un réseau à commutations par paquets. Ce modèle est établi sur la base de la théorie différentielle de trafic et la théorie des files d'attente, tout en utilisant des approches graphiques. Le but est d'estimer l'état de charge du réseau et de ses composants (routeurs, liens, chemins). Ensuite, en fonction de ça, nous développons des approches de contrôle de congestion et commande sur l'entrée améliorant les techniques de routage adaptatif et l'équilibrage de charge dans les réseaux IP/MPLS / In This work, firstly we present and evaluate the behavior of multipath routing models for the DS-TE (DiffSev aware MPLS traffic Engineering) called PEMS and LBWDP. To clarify network topologies and routing models that are suitable for MPLS Traffic Engineering, we evaluate them from the viewpoint of network scalability and end-to-end quality. Using a network topology generated by BRITE, that has many alternative paths, we applied these models on a huge topology that correspond to real network. This can provide a real simulation for the internet and gives a good evaluation for the end-to-end quality and the network use.Secondly, the aim of this work is to propose a general model for Packet switching networks. This model is established on the traffic differential theory and the Queuing theory, while using graphic approaches. The aim of this model is to calculate the network use state and its components (router, link, path...). Then, we develop control and command approaches in the entry of network to improve an adaptive routing plan and load balancing in IP/MPLS networks

Le « Cloud computing » est un nouveau modèle de systèmes de calcul. L’infrastructure, les applications et les données sont déplacées de machines localisées sur des systèmes dématérialisés accédés sous forme de service via Internet. Le modèle « coût à l’utilisation » permet des économies de coût en modifiant la configuration à l’exécution (élasticité). L’objectif de cette thèse est de contribuer à la gestion de la Qualité de Service (QdS) des applications s’exécutant dans le Cloud. Les services Cloud prétendent fournir une flexibilité importante dans l’attribution des ressources de calcul tenant compte des variations perçues, telles qu’une fluctuation de la charge. Les capacités de variation doivent être précisément exprimées dans un contrat (le Service Level Agreement, SLA) lorsque l’application est hébergée par un fournisseur de Plateform as a Service (PaaS). Dans cette thèse, nous proposons et nous décrivons formellement le langage de description de SLA PSLA. PSLA est fondé sur WS-Agreement qui est lui-même un langage extensible de description de SLA. Des négociations préalables à la signature du SLA sont indispensables, pendant lesquelles le fournisseur de PaaS doit évaluer la faisabilité des termes du contrat. Cette évaluation, par exemple le temps de réponse, le débit maximal de requêtes servies, etc, est fondée sur une analyse du comportement de l’application déployée dans l’infrastructure cloud. Une analyse du comportement de l’application est donc nécessaire et habituellement assurée par des tests (benchmarks). Ces tests sont relativement coûteux et une étude précise de faisabilité demande en général de nombreux tests. Dans cette thèse, nous proposons une méthode d’étude de faisabilité concernant les critères de performance, à partir d’une proposition de SLA exprimée en PSLA. Cette méthode est un compromis entre la précision d’une étude exhaustive de faisabilité et les coûts de tests. Les résultats de cette étude constituent le modèle initial de la correspondance charge entrante-allocation de ressources utilisée à l’exécution. Le contrôle à l’exécution (runtime control) d’une application gère l’allocation de ressources en fonction des besoins, s’appuyant en particulier sur les capacités de passage à l’échelle (scalability) des infrastructures de cloud. Nous proposons RCSREPRO (Runtime Control method based on Schedule, REactive and PROactive methods), une méthode de contrôle à l’exécution fondée sur la planification et des contrôles réactifs et prédictifs. Les besoins d’adaptation à l’exécution sont essentiellement dus à une variation de la charge soumise à l’application, variations difficiles à estimer avant exécution et seulement grossièrement décrites dans le SLA. Il est donc nécessaire de reporter à l’exécution les décisions d’adaptation et d’y évaluer les possibles variations de charge. Comme les actions de modification des ressources attribuées peuvent prendre plusieurs minutes, RCSREPRO réalise un contrôle prédictif fondée sur l’analyse de charge et la correspondance indicateurs de performance-ressources attribuées, initialement définie via des tests. Cette correspondance est améliorée en permanence à l’exécution. En résumé, les contributions de cette thèse sont la proposition de langage PSLA pour décrire les SLA ; une proposition de méthode pour l’étude de faisabilité d’un SLA ; une proposition de méthode (RCSREPRO) de contrôle à l’exécution de l’application pour garantir le SLA. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans le contexte du projet FSN OpenCloudware (www.opencloudware.org) et ont été financés en partie par celui-ci. / Cloud computing is a new computing model. Infrastructure, application and data are moved from local machines to internet and provided as services. Cloud users, such as application owners, can greatly save budgets from the elasticity feature, which refers to the “pay as you go” and on-demand characteristics, of cloud service. The goal of this thesis is to manage the Quality of Service (QoS) for applications running in cloud environments Cloud services provide application owners with great flexibility to assign “suitable” amount of resources according to the changing needs, for example caused by fluctuating request rate. “Suitable” or not needs to be clearly documented in Service Level Agreements (SLA) if this resource demanding task is hosted in a third party, such as a Platform as a Service (PaaS) provider. In this thesis, we propose and formally describe PSLA, which is a SLA description language for PaaS. PSLA is based on WS-Agreement, which is extendable and widely accepted as a SLA description language. Before signing the SLA contract, negotiations are unavoidable. During negotiations, the PaaS provider needs to evaluate if the SLA drafts are feasible or not. These evaluations are based on the analysis of the behavior of the application deployed in the cloud infrastructure, for instance throughput of served requests, response time, etc. Therefore, application dependent analysis, such as benchmark, is needed. Benchmarks are relatively costly and precise feasibility study usually imply large amount of benchmarks. In this thesis, we propose a benchmark based SLA feasibility study method to evaluate whether or not a SLA expressed in PSLA, including QoS targets, resource constraints, cost constraints and workload constraints can be achieved. This method makes tradeoff between the accuracy of a SLA feasibility study and benchmark costs. The intermediate of this benchmark based feasibility study process will be used as the workload-resource mapping model of our runtime control method. When application is running in a cloud infrastructure, the scalability feature of cloud infrastructures allows us to allocate and release resources according to changing needs. These resource provisioning activities are named runtime control. We propose the Runtime Control method based onSchedule, REactive and PROactive methods (RCSREPRO). Changing needs are mainly caused by the fluctuating workload for majority of the applications running in the cloud. The detailed workload information, for example the request arrival rates at scheduled points in time, is difficult to be known before running the application. Moreover, workload information listed in PSLA is too rough to give a fitted resource provisioning schedule before runtime. Therefore, runtime control decisions are needed to be performed in real time. Since resource provisioning actions usually require several minutes, RCSREPRO performs a proactive runtime control which means that it predicts future needs and assign resources in advance to have them ready when they are needed. Hence, prediction of the workload and workload-resource mapping are two problems involved in proactive runtime control. The workload-resource mapping model, which is initially derived from benchmarks in SLA feasibility study is continuously improved in a feedback way at runtime, increasing the accuracy of the control.To sum up, we contribute with three aspects to the QoS management of application running in the cloud: creation of PSLA, a PaaS level SLA description language; proposal of a benchmark based SLA feasibility study method; proposal of a runtime control method, RCSREPRO, to ensure the SLA when the application is running. The work described in this thesis is motivated and funded by the FSN OpenCloudware project (www.opencloudware.org).

La qualité de service est devenue aujourd'hui une notion incontournable dans le développement des applications logicielles, en particulier dans le cadre des architectures orientées services. Les travaux de cette thèse se focalisent sur la supervision de la qualité de service des applications orientées services, définies sous forme d'orchestrations de services. L'approche de supervision proposée dans ce contexte est générique. Elle repose sur des patrons de flux de contrôle des orchestrations de services pouvant être implémentés en intégralité ou en partie par tout langage d'orchestration de services. D'autre part, elle ne pose aucune restriction, ni sur les attributs qualité à surveiller par le système de supervision, ni sur leurs représentations. Cette approche de supervision se distingue des approches existantes par l'exploitation d'un modèle de préférences orienté utilisateur, permettant de représenter fidèlement la satisfaction de ce dernier. Le degré de satisfaction, issu du modèle de préférences, constitue une information de haut niveau représentant la qualité globale de l'orchestration étudiée. Sur la base de ce degré de satisfaction, de nouvelles stratégies de surveillance sont proposées afin de satisfaire les attentes de l'utilisateur. L'élaboration du modèle de préférences exploite la méthode d'aide à la décision multi-critères MACBETH étendue avec l'opérateur d'agrégation de l'intégrale de Choquet 2-additive. Une illustration de l'approche de supervision a été réalisée sur une orchestration de services, représentant un processus industriel dans le domaine du pilotage d'atelier de production. Les travaux de cette thèse ont été réalisés dans le cadre d'un projet R&D regroupant sept éditeurs de progiciels dans le domaine du MES (Manufacturing Execution System). / Quality of Service (QoS) is an important issue today in the developement of software applications, especially in the context of Service-Oriented Architectures (SOA). The work of this thesis focuses on QoS supervision of service-oriented applications, defined as service orchestrations. The proposed supervision approach is generic. It is based on workflow control-flow patterns, which can be entirety or partillay implemented by any service orchestration language. On the other hand, it does not make any restrictions, neither on the monitored QoS attributes , nor on their representations. This supervision approach is based on a user-oriented preferences model, that represents faithfully the user satisfaction. The satisfaction degree derived from the preferences model is a high-level information representing the overall quality of the orchestration. New monitoring strategies are proposed on the basis of this satisfaction degree in order to satisfy user expectations. The elaboration of the preferences model uses the MACBETH method extended to the 2-additive Choquet integral operator as a multi criteria decision aiding method. An illustration of the approach is carried out on a service orchestration representing a Manufacturing Execution System (MES) process. This work was realized in a R&D project involving seven software vendors in the field of MES.STAR

Les réseaux de capteurs sans-fil sont composés de dispositifs électroniques conçus pour mesurer une grandeur physique de l’environnement dans lequel ils sont déployés et pour acheminer ces mesures à un système d’information. Dans nos travaux, nous étudions les architectures de réseau et les protocoles de communication associés afin de déterminer les configurations adéquates à un scénario de réseau de capteurs pour la Ville Intelligente. Après avoir recensé les applications et leurs exigences de Qualité de Service attendue, nous avons construit des modèles analytiques permettant de comparer les différentes familles de protocoles MAC en terme de taux de livraison et de consommation d’énergie. Ces travaux permettent ainsi de motiver le choix d’un protocole synchrone ou asynchrone, à contention ou à accès direct, en fonction du scénario applicatif et du déploiement de réseau considéré : longue portée ou multi-sauts. Sur la base des résultats de cette étude, nous proposons ensuite un ensemble d’optimisation des protocoles de communication permettant d’améliorer la Qualité de Service et la dépense énergétique des compteurs. Nous proposons une méthode d’accès au médium de communication permettant l’allocation de plusieurs instants de transmission en une phase unique de tournoi. Cette optimisation vise à réduire le pôle de consommation majoritaire des réseaux multi-sauts, tel qu’identifié dans l’étude précédente. Le protocole résultant, CT-MAC, résout l’allocation de plusieurs instants de transmission en une unique phase de compétition et de manière distribuée. CT-MAC réduit ainsi la consommation d’énergie de l’arbitrage du médium. Nous proposons ensuite un mécanisme de relayage adaptatif pour l’architecture de réseau longue-portée. Le protocole, nommé SARI-MAC, est conçu de manière à pallier aux ‘trous’ de couverture que présentent les systèmes radio longue-portée lorsqu’ils sont déployés dans un habitat urbain dense. Pour cela, SARI-MAC propose d’exploiter certains nœuds du réseau, choisis pour leurs ressources en énergie, en tant que relais pour leurs voisins dont le bilan radio est insuffisant pour respecter les exigences de Qualité de Service de l’application. SARI-MAC est un protocole MAC asynchrone, initié récepteur dont les paramètres s’adaptent automatiquement aux conditions de trafic et aux contraintes de cycle d’activité imposées par la durée de vie souhaitée des nœuds capteurs et par la législation. Finalement, nous proposons un schéma de routage opportuniste appelé QOR. QOR est un protocole de routage qui tire profit des liens radio longue portée, opportunistes afin d’améliorer la fiabilité et la latence des transmissions de données dans un réseau de collecte. Pour cela, QOR propose une structure de routage combinée à un schéma d’adressage permettant d’identifier un ensemble de nœuds relais entre une source et la passerelle de collecte. / Wireless Sensors are small electronic devices made for measuring physical properties of their environment and communicating them wirelessly to an information system. In this thesis, we study existing network architectures and to devise the best-suited configuration for typical urban wireless Sensor Network use-cases. To that effect, we provide comprehensive analytical models to compare the different families of MAC protocols in terms of Delivery Rate and Energy Consumption, e.g. synchronous vs asynchronous, contention-based vs direct access etc. Headlines results a mathematical framework to devise the least energy-cost contention algorithm for a given Delivery Rate and closed-form expressions of the Energy Consumption and Delivery Rate for popular access control protocols. These results are then synthesised in a comparison study of the two prevailing urban sensors network architectures, i.e. long-range and multihop. We show that long-range sensor networks are best-suited for low-traffic and sparser network topologies while higher traffic loads and denser network topologies demand switching to a multihop network operating a synchronous MAC protocol on higher bitrate radios. Based on the analysis of the architectures best suited for each use-case scenario, i.e. low traffic loads/sparse network and high traffic loads/dense network, we identify suitable optimisations to improve the QoS performance and energy efficiency of said architectures. First, we improve on the energy efficiency of the arbitration of the medium access by defining a cascading tournament contention algorithm. This protocol, CT-MAC, resolves multiple timeslots allocation in a single, energy efficient contention tournament. Second, we propose an adaptive relaying scheme for the long-range network architecture named SARI-MAC. This scheme is an attempt to cope with coverage holes that occurs when using long-range in a dense urban habitat by letting sensor nodes relay communications of nodes whose link budgets are incompatible with the QoS requirements of the network. To that effect, we propose a receiver-initiated MAC protocol that self-adapts to the traffic condition so that the duty-cycle of relayers is kept as low as possible with respect to the load of frames to relay. Finally, we propose an opportunistic relaying scheme named QOR. QOR is a routing protocol that exploits long-range, opportunistic radio links to provide faster and more reliable transmissions. To that effect, QOR proposes a joint routing structure and addressing scheme that allows identifying a limited set of nodes than can become opportunistic relayers between a source sensor and the sink. Those nodes then follow an original cascaded acknowledgement mechanism that brings reliable acknowledgment and ensures a replication-free forwarding of the data frames.

Avec l'utilisation grandissante des technologies distribuées sans fil pour la modernisation des services, les déploiements d'infrastructures radio dédiées ne permettent plus de garantir des communications fiables, à grande échelle et pour un bas coût. Cette thèse vise à permettre à un opérateur de déployer une infrastructure de réseau radio pour plusieurs applications clientes de l'Internet des Objets (IoT). Nous étudions la mutualisation d'une architecture pour différents flux de trafic afin de rentabiliser le déploiement du réseau en partageant la capacité des nœuds et une large couverture. Nous devons alors garantir une Qualité de Service (QoS) différenciée pour les flux de chaque application. Nous proposons de spécifier des contrats de QoS nommés Service Level Agreements (SLA) dans le domaine de l'IoT. Ceux-ci définissent les indicateurs clés de performance (KPI) de délai de transit et de taux de livraison pour le trafic provenant d'objets connectés distribués géographiquement. Dans un second temps, nous détaillons les fonctionnalités nécessaires à la mise en œuvre des SLA sur le réseau opéré, sous la forme d'une architecture de gestion de SLA. Nous envisageons l'admission de nouveaux flux, l'analyse des performances courantes et la configuration des relais de l'opérateur. Sur la base d'une technologie robuste, multi-saut, IEEE Std 802.15.4-2015 mode TSCH, nous proposons un mécanisme d'observation de réseau permettant de vérifier les différents KPI. Nous utilisons les trames de données existantes comme support de collecte afin de réduire le surcoût en termes de ressources de communication. Nous comparons différentes stratégies de piggybacking afin de trouver un compromis entre la performance et l'efficacité de l'observation. Puis nous détaillons KAUSA, un algorithme d'allocation de ressources sous contraintes de QoS multi-flux. Nous dédions des ressources temps-fréquences ajustées saut-par-saut pour chaque message. KAUSA prend en compte les interférences, la fiabilité des liens radio et la charge attendue afin d'améliorer la répartition des ressources allouées et ainsi prolonger la durée de vie du réseau. Nous montrons les gains et la validité de nos contributions par simulation, sur la base de scénarios réalistes de trafic et d'exigences. / With the growing use of distributed wireless technologies for modern services, the deployments of dedicated radio infrastructures do not enable to ensure large-scale, low-cost and reliable communications. This PhD research work aims at enabling an operator to deploy a radio network infrastructure for several client applications, hence forming the Internet of Things (IoT). We evaluate the benefits earned by sharing an architecture among different traffic flows, in order to reduce the costs of deployment, obtaining a wide coverage through efficient use of the capacity on the network nodes. We thus need to ensure a differentiated Quality of Service (QoS) for the flows of each application. We propose to specify QoS contracts, namely Service Level Agreements (SLAs), in the context of the IoT. SLAs include specific Key Performance Indicators (KPIs), such as the transit time and the delivery ratio, concerning connected devices that are geographically distributed in the environment. The operator agrees with each client on the sources and amount of traffic for which the performance is guaranteed. Secondly, we describe the features needed to implement SLAs on the operated network, and we organize them into an SLA management architecture. We consider the admission of new flows, the analysis of current performance and the configuration of the operator's relays. Based on a robust, multi-hop technology, IEEE Std 802.15.4-2015 on TSCH mode, we provide two essential elements to implement the SLAs: a mechanism for the monitoring of the KPIs, and KAUSA, a resource allocation algorithm with multi-flow QoS constraints. The former uses existing data frames as a transport medium to reduce the overhead in terms of communication resources. We compare different piggybacking strategies to find a tradeoff between the performance and the efficiency of the monitoring. With the latter, KAUSA, we dedicate adjusted time-frequency resources for each message, hop by hop. KAUSA takes into account the interference, the reliability of radio links and the expected load to improve the distribution of allocated resources and prolong the network lifetime. We show the gains and the validity of our contributions with a simulation based on realistic traffic scenarios and requirements.