Ce travail de thèse présente trois contributions qui portent sur le routage et la fourniture de qualité de service dans les réseaux maillés sans fil basés sur IEEE 802.11. La première contribution définit une métrique de routage qui permet de sélectionner les chemins empruntant des liens avec de bonnes performances exprimées en termes d'interférences physiques (qui causent des pertes), d'interférences logiques (qui causent des délais) et de capacité. L'évaluation de cette métrique par rapport aux principales métriques de la littérature scientifique montre une amélioration des performances du réseau. La deuxième contribution concerne l'amélioration du mécanisme de maintenance de route le plus souvent utilisé par les protocoles de routage réactifs. Ce mécanisme considère qu'une route est coupée si l'un de ses liens observe plusieurs échecs successifs de retransmission. Nos études montrent que ces échecs sont assez souvent dûs à de problèmes transitoires sur les liens (bruit, interférence etc.). Nous avons donc proposé des algorithmes de maintenance de route qui appréhendent mieux les problèmes ponctuels ou soutenus sur les liens ce qui permet de prendre une décision cohérente et réfléchie quant à la coupure d'un lien (et donc d'une route). Les études de performances montrent une amélioration conséquente des performances globales du réseau. La dernière contribution propose un cadre pour la fourniture de la Qualité de Service (garantie de bande passante) dans les réseaux maillés multi-interfaces, multi-canaux. Ce cadre intègre un protocole de routage réactif couplé à un mécanisme de contrôle d'admission et de partage de charge. Ces derniers exploitent la diversité des liens entre nSuds voisins afin d'améliorer le taux d'admission des flux avec garantie de bande passante.

Ce travail de thèse présente trois contributions qui portent sur le routage et la fourniture de qualité de service dans les réseaux maillés sans fil basés sur IEEE 802.11. La première contribution définit une métrique de routage qui permet de sélectionner les chemins empruntant des liens avec de bonnes performances exprimées en termes d’interférences physiques (qui causent des pertes), d’interférences logiques (qui causent des délais) et de capacité. L’évaluation de cette métrique par rapport aux principales métriques de la littérature scientifique montre une amélioration des performances du réseau. La deuxième contribution concerne l’amélioration du mécanisme de maintenance de route le plus souvent utilisé par les protocoles de routage réactifs. Ce mécanisme considère qu'une route est coupée si l'un de ses liens observe plusieurs échecs successifs de retransmission. Nos études montrent que ces échecs sont assez souvent dûs à de problèmes transitoires sur les liens (bruit, interférence etc.). Nous avons donc proposé des algorithmes de maintenance de route qui appréhendent mieux les problèmes ponctuels ou soutenus sur les liens ce qui permet de prendre une décision cohérente et réfléchie quant à la coupure d’un lien (et donc d'une route). Les études de performances montrent une amélioration conséquente des performances globales du réseau. La dernière contribution propose un cadre pour la fourniture de la Qualité de Service (garantie de bande passante) dans les réseaux maillés multi-interfaces, multi-canaux. Ce cadre intègre un protocole de routage réactif couplé à un mécanisme de contrôle d'admission et de partage de charge. Ces derniers exploitent la diversité des liens entre nœuds voisins afin d’améliorer le taux d’admission des flux avec garantie de bande passante / This thesis presents three contributions in the area of routing and Quality of Service for IEEE 802.11-based Wireless Mesh Networks. The first contribution defines a routing metric for the selection of route by taking into consideration the performance of wireless links in terms of physical interference (which causes packet losses), logical interference (which causes delay) and the capacity of the links. The performance evaluation of the proposed metric compared to the popular existing metrics shows an improvement in the performance of the network. The second contribution improves the route maintenance mechanism most often used by reactive routing protocols. The existing mechanism considers a route as broken if any of the links in the route experiences multiple successive transmission failures. Our study shows that the transmission failures are often caused by transient problems on the wireless link (noise, interference etc). We propose a novel mechanism of route maintenance which distinguishes between links with temporary or transient transmission problems compared to those with sustained problems in order to make a coherent decision about link breakage (and consequently route breakage). The performance evaluation shows a substantial improvement in the performance of the network. The final contribution proposes a framework for providing Quality of Service (bandwidth guarantee) in multi-radio multi-channel wireless mesh networks. The framework integrates a reactive routing protocol coupled with an admission control mechanism and load balancing. The framework exploits link diversity between neighboring nodes to improve the flow admission ratio with bandwidth guarantees

Les réseaux sans fil maillés offrent une infrastructure pour interconnecter les stations d’accès de réseaux de différentes technologies. Ils disposent d’une topologie maillée où tous les routeurs sont connectés de proche en proche sans hiérarchie centrale. Le routage des données, dans ce type de réseaux, doit être réalisé tout en optimisant les ressources du réseau et en respectant au mieux les exigences de QoS des utilisateurs. Dans cette thèse, nous proposons un routage orienté qualité de service dans un réseau sans fil métropolitain grâce à une approche de type cross-layer. Nous avons commencé par étudier l’impact des couches PHY et MAC sur le routage afin d’en déduire la meilleure combinaison protocolaire pour un réseau sans fil maillé. Nous avons, par la suite, orienté notre travail sur l’étude du comportement du protocole de routage OLSR sous différentes métriques de routage. Les résultats de cette étude ont confirmé les limites des métriques existantes à reproduire la qualité réelle des liens et ont soulevé plusieurs points d’optimisation sur lesquels nous avons focalisé. Nous avons donc proposé de nouvelles métriques qui renseignent sur la qualité des liens, en se basant sur les caractéristiques PHY et MAC des liens réseaux, notamment la disponibilité du lien, le taux de perte, la bande passante résiduelle, etc. L’acquisition de ces paramètres des couches basses se fait à l’aide d’un mécanisme de cross-layer. Ces métriques permettent d’appréhender les interférences inter-flux et d’éviter de créer des goulots d’étranglement en équilibrant les charges sur les différents liens. En se basant sur le modèle de graphe de conflit et le calcul des cliques maximales, nous avons proposé une méthode d’estimation de la bande passante résiduelle qui permet de considérer, en plus, les interférences intra-flux. Finalement, nous avons proposé un protocole de routage qui supporte cette métrique et nous avons étudié ses performances par simulation en comparaison avec d’autres métriques et protocoles de routage existants. Les résultats obtenus ont révélé l’aptitude de notre protocole à supporter le passage à l’échelle du réseau ainsi que sa capacité à choisir les routes offrant le plus de débit et le moins de délai, permettant ainsi, une meilleure livraison du trafic de données. / Wireless Mesh Networks provide infrastructure to interconnect access stations in networks of different technologies. They have a mesh topology where all the routers are connected with no central hierarchy. Routing in WMNs must be carried out while optimizing network resources and respecting the best user QoS requirements. In this thesis, we propose a QoS-oriented routing in a metropolitan wireless network using a cross-layer approach. We first studied the impact of the PHY and MAC layers on routing to deduce the best combination protocol for a wireless mesh network. We have subsequently focused our work on studying the behavior of the OLSR routing protocol with different routing metrics. The results of this study confirmed the limits of existing metrics to reproduce the real link quality and raised a number of optimization points on which we focused. We have, therefore, proposed new metrics that provide information about link quality, based on PHY and MAC characteristics, including the link availability, the loss rate, the available bandwidth, etc. These low layers parameters are acquired using a cross-layer mechanism. These metrics allow to apprehend inter-flow interferences and avoid bottleneck formation by balancing traffic load on the links. Based on the conflict graph model and calculation of maximal cliques, we proposed a method to estimate the available bandwidth of a path which considers, in addition, intra-flow interferences. Finally, we proposed a routing protocol that supports this metric and we studied by simulation its performances compared to different existing routing metrics and protocols. The results revealed the ability of our protocol to support the network scalability as well as its ability to choose routes with high throughput and limited delay, thus, better delivery of data traffic.

Les réseaux sans fil sont sujets à des perturbations voire des pannes de liens et de noeuds en raison des caractéristiques intrinsèques de leur support de communication ; ces pannes sont aggravées par les particularités de relayage et de mobilité des noeuds dans les réseaux ad hoc. Ces réseaux requièrent donc la conception et la mise oeuvre des protocoles robustes au niveau de toutes les couches protocolaires. Dans cette thèse, nous choisissons une approche de robustesse pour améliorer les performances des communications dans un réseau mobile ad hoc. Nous proposons et étudions deux architectures de protection (protection par une analyse prédictive et protection par redondance de routes) qui sont couplées avec une restauration de niveau routage. Concernant la phase de détection, le protocole de routage utilise les notifications de niveau liaison pour détecter les pannes de liens. La première solution repose sur un protocole de routage réactif unipath dont le critère de sélection de routes est modifié. L’idée est d’utiliser des métriques capables de prédire l’état futur des routes dans le but d’améliorer leur durée de vie. Pour cela, deux métriques prédictives reposant sur la mobilité des noeuds sont proposées : la fiabilité des routes et une combinaison fiabilité-minimum de sauts. Pour calculer ces métriques prédictives, nous proposons une méthode analytique de calcul de la fiabilité de liens entre noeuds. Cette méthode prend compte le modèle de mobilité des noeuds et les caractéristiques de la communication sans fil notamment les collisions inter-paquets et les atténuations du signal. Les modèles de mobilité étudiés sont les modèles Random Walk et Random Way Point. Nous montrons l’impact de ces métriques sur les performances en termes de taux de livraison de paquets, de surcoût normalisé et de ruptures de routes. La seconde solution est une protection par redondance de routes qui s’appuie sur un protocole de routage multipath. Dans cette architecture, l’opération de recouvrement consiste soit à un basculement sur une route secondaire soit à une nouvelle découverte. Nous montrons que la redondance de routes améliore la robustesse de la communication en réduisant le temps de restauration. Ensuite, nous proposons une comparaison analytique entre les différentes politiques de recouvrement d’un protocole multipath. Nous en deduisons qu’un recouvrement segmenté donne les meilleurs résultats en termes de temps de restauration et de fiabilité / Due to the unreliability characteristics of wireless communications, and nodes mobility, Mobile Ad hoc Networks (MANETs) suffer from frequent failures and reactivation of links. Consequently, the routes frequently change, causing significant number of routing packets to discover new routes, leading to increased network congestion and transmission latency. Therefore, MANETs demand robust protocol design at all layers of the communication protocol stack, particularly at the MAC, the routing and transport layers. In this thesis, we adopt robustness approach to improve communication performance in MANET. We propose and study two protection architectures (protection by predictive analysis and protection by routes redundancy) which are coupled with a routing level restoration. The routing protocol is responsible of the failure detection phase, and uses the mechanism of link-level notifications to detect link failures. Our first proposition is based on unipath reactive routing protocol with a modified route selection criterion. The idea is to use metrics that can predict the future state of the route in order to improve their lifetime. Two predictive metrics based on the mobility of nodes are proposed : the routes reliability and, combining hop-count and reliability metrics. In order to determine the two predictive metrics, we propose an analytical formulation that computes link reliability between adjacent nodes. This formulation takes into account nodes mobility model and the the wireless communication characteristics including the collisions between packets and signal attenuations. Nodes mobility models studied are Random Walk and Random Way Point. We show the impact of these predictive metrics on the networks performance in terms of packet delivery ratio, normalized routing overhead and number of route failures. The second proposition is based on multipath routing protocol. It is a protection mechanism based on route redundancy. In this architecture, the recovery operation is either to switch the traffic to alternate route or to compute a new route. We show that the routes redundancy technique improves the communication robustness by reducing the failure recovery time. We propose an analytical comparison between different recovery policies of multipath routing protocol. We deduce that segment recovery is the best recovery policy in terms of recovery time and reliability

Les incitations économiques et environnementales poussent dorénavant à intégrer des considérations énergétiques dès les premiers stades de développement des réseaux. Dans les réseaux sans fil multi-sauts, l'approche la plus courante consiste à répartir le trafic sur l'ensemble des nœuds afin de réduire équitablement la consommation énergétique de chacun, avec pour objectif la maximisation de la durée de vie du réseau. Or cette approche n'est pas optimale vis-à-vis de la consommation globale du réseau, le niveau d'activité d'un nœud n'ayant souvent que peu d'influence sur sa propre consommation. Nous montrons que la meilleure approche consiste à éteindre un maximum de nœuds. Parmi les travaux réalisés, nous avons développé une solution s'appuyant sur de la programmation linéaire en nombres entiers et des simulations de graphes et de réseaux. La solution proposée permet ainsi une agrégation de flux optimale, réduisant significativement le nombre de nœuds utilisés dans le réseau. Afin de la rendre applicable en pratique, une heuristique est détaillée permettant une mise en œuvre distribuée grâce à l'utilisation d'une métrique de routage. Ainsi, tout algorithme de plus court chemin peut nativement réaliser de l'agrégation de flux efficace. Il est important de souligner que la qualité de service en termes de débit est respectée. En effet, les interférences sont prises en compte et il est possible de profiter de la synergie offerte par l'utilisation conjointe de l'agrégation de flux et du codage réseau. Nos résultats améliorent significativement les méthodes d'économie d'énergie basées sur l'extinction des nœuds en leur permettant d'en éteindre davantage. / Economic and ecologic incentives are now leading people to design networks with energetic considerations at early stages of development. Most of the works for multi-hop wireless networks tend to spread the traffic uniformly over the network to reduce the energy consumption of each node individually. However, considering that the traffic of a node doesn't impact significantly its energy consumption, this approach is not optimal regarding the global energy consumption of the network. Finding a way to turnoff as much node as possible seems then to be a better way. This PhD thesis focus on routing a set of flows over a multi-hop wireless network while minimizing the number of used nodes. This is done by using a distributed metric that allows the shortest path routing algorithms to perform flow aggregation. Using integer linear programming and simulations, we proposed an efficient solution to aggregate flows to significantly reduce the number of nodes used in the network. It allows, then, to improve algorithms that reduce the energy consumption of networks by increasing the number of nodes that can be turned off.