In this thesis we address the problem of providing end-to-end quality of service (QoS) to real-time and data connections in a third generation (3G) cellular network based on the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) standard. Data applications usually use TCP (Transmission Control Protocol) and the QoS is a minimum guaranteed mean throughput. For this one first needs to compute the throughput of a TCP connection sending its traffic through the UMTS network (possibly also through the wired part of the Internet). Thus we obtain closed form expressions for a TCP throughput in a UMTS environment. For downloading data at a mobile terminal, the packets of each TCP connection are stored in separate queues at the base station (node B). These are fragmented into Protocol Data Units (PDU). The link layer uses ARQ (Automatic Repeat Request). Thus there can be significant random transmission/queueing delays of TCP packets at the node B. On the other hand the link may not be fully utilized due to the delays of the TCP packets in the rest of the network. In such a scenario the existing models of TCP may not be sufficient. Thus we provide new approximate models for TCP and also obtain new closed form expressions of mean window size. Using these we obtain the throughput of a TCP connection for the scenario where the queueing delays are non-negligible compared to the overall Round Trip Time (RTT) and also the link utilization is less than one. Our approximate models can be useful not only in the UMTS context but also else where. In the second half of the thesis, we use these approximate models of TCP to provide minimum mean throughput to data connections in UMTS. We also consider real-time applications such as voice and video. These can tolerate a little packet loss (~1%) but require an upper Bound on the delay and delay jitter (≤ 150 ms). Thus if the network provides a constant bandwidth and the received SINR is above a specified threshold ( with a certain probability), QoS for the real-time traffic will be satisfied. The 3G cellular systems are interference limited. Thus wise allocation of power is critical in these systems. Hence we consider the problem of providing end-to-end QoS to different users along with the minimization of the downlink power allocation.

Beim Entwurf großer Netzwerke der Automation ermöglichen Methoden der Leistungsbewertung den Test und die Dimensionierung eines Netzwerkes bereits vor der Inbetriebnahme und erlauben damit einen effizienten, qualitätsorientierten Entwurf. Es ist jedoch sehr wissensintensiv und aufwendig, entsprechende Analyse- oder Simulations-Modelle aufzustellen und die Ergebnisse auszuwerten, weshalb die Methoden in der Praxis der Automation selten verwendet werden. Viel vertrauter sind dem Entwerfer hingegen die speziellen Software-Tools, mit denen in der Automation Netzwerke entworfen werden. Auf Basis der Datenbanken dieser Tools werden in dieser Arbeit verschieden Verfahren zur automatischen Systemmodellierung, Verkehrsmodellierung, Leistungsbewertung und Fehlerdiagnose zu einem Control Network Performance Engineering kombiniert, welches die Qualitätsbewertung und -beratung nahtlos und ohne Mehraufwand in den Netzwerkentwurf integriert. (Die Dissertation wurde veröffentlicht im Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Internet: http://www.vogtverlag.de/, email: info@vogtverlag.de, ISBN 978-3-938860-10-6) / During the design of large automation networks, performance analysis methods can be used for testing and dimensioning the network before implementation and are essential for an efficient and reliable design process. However, setting up the necessary analytical or simulative models is time-consuming, requires in-depth knowledge, and is therefore often not applicable in practice. The network designers are much more used to the design tools used to develop automation networks. Based on these tools' databases various methods for automated system and traffic modeling, performance analysis and diagnoses are combined in the control network performance engineering that seamlessly integrates quality analysis and consulting into network design without requiring additional effort. (This manuscript is also available - in the form of a book - from Jörg Vogt Verlag, Voglerstr. 20, 01277 Dresden, Germany world-wide web address: http://www.vogtverlag.de/, electronic-mail address: info@vogtverlag.de, ISBN 978-3-938860-10-6 )

L'Internet du futur aura a transporter les donnees de nouvelles applications avec des garanties de qualite de service (QdS). De ce besoin resulte la necessite d'en re-concevoir l'architecture. Par ailleurs, la structure de l'Internet, compose de domaines independants vis a vis de la gestion de la QdS, pose le probleme de la continuite du service lors de la traversee de plusieurs domaines. Face a ces deux problematiques, la these soutenue est celle d'un systeme de communication offrant des garanties de QdS par flux applicatif dans un environnement Internet multi domaines. Son architecture integre un plan communication comportant plusieurs services/protocoles aux niveaux Transport et IP, et un plan signalisation assurant la gestion des ressources a la frontiere des domaines. Nos contributions sont les suivantes. Nous proposons un modele de caracterisation des services IP et Transport, etaye par : (1) des mesures realisees sur une plate forme nationale, (2) une etude en simulation (ns-2) et (3) des mesures realisees sur une plate-forme emulant (Dummynet) un Internet multi domaines. Nous etendons l'architecture de communication proposee dans des travaux anterieurs de facon a abstraire le niveau applicatif de la complexite du choix des services Transport et IP, et a optimiser l'utilisation des ressources du reseau. Nous specifions en UML et implementons en Java notre proposition d'architecture de signalisation permettant d'assurer la continuite du service offert aux applications sur tous les domaines traverses. Enfin, nous testons le systeme de communication avec deux types d'applications multimedias sur une plate-forme emulant le comportement de plusieurs domaines DiffServ.

Οι Δομές Δεδομένων είναι ένας από τους σημαντικότερους και ιστορικότερους κλάδους της Επιστήμης των Υπολογιστών, με συνεχή εξέλιξη από τη δεκαετία του εβδομήντα μέχρι σήμερα, παρέχοντας λύσεις σε θεμελιώδη προβλήματα σε ταξινόμηση, οργάνωση, διαχείριση και αναζήτηση πληροφορίας. Παράλληλα, η ανάπτυξη σύγχρονων κλάδων της Επιστήμης των Υπολογιστών όπως τα Σύγχρονα, Δικτυοκεντρικά Πληροφοριακά Συστήματα και η Βιοπληροφορική, έφερε μαζί της την έκρηξη των δεδομένων. Η ανάγκη αποδοτικής διαχείρισης της παρεχόμενης πληροφορίας καθίσταται έτσι πιο επιτακτική από ποτέ. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναγνωρίζοντας την ανάγκη για αποδοτική διαχείριση πληροφορίας σε όλα τα επίπεδα, παρουσιάζουμε τη μελέτη και την πρόταση λύσεων σε σύγχρονα προβλήματα στους χώρους: της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, της Αναδιοργάνωσης Δικτυακών Τόπων, της Ανακάλυψης Web Services με υποστήριξη χαρακτηριστικών Ποιότητας Υπηρεσίας και της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο. Σε αυτή την κατεύθυνση, στον τομέα της Διαχείρισης Συμβολοσειρών, παραθέτουμε αλγορίθμους σε θεμελιώδη προβλήματα στο χώρο της διαχείρισης Σταθμισμένων Ακολουθιών (weighted sequences), όπως ταίριασμα προτύπου, εύρεση επαναληπτικών δομών, και συνεχίζουμε δίνοντας απλοποιητικές αλλά βέλτιστες λύσεις σε προβλήματα περιοδικοτήτων σε συνήθεις συμβολοσειρές, όπως τα προβλήματα εύρεσης όλων των καλυμμάτων μιας συμβολοσειράς, εύρεσης της περιόδου μιας συμβολοσειράς και εύρεσης όλων των φύτρων μιας συμβολοσειράς. Στην Αναδιοργάνωση Δικτυακών Τόπων, παραθέτουμε δυο διαφορετικές μετρικές για την αποτίμηση της αντικειμενικής αξίας των ιστοσελίδων του κάθε ιστοτόπου. Αυτές οι μετρικές παραλλάζουν τις προσβάσεις που δέχεται κάποια ιστοσελίδα με τρόπο που καταδεικνύει την αντικειμενική αξία της ιστοσελίδας. Από πειραματική αποτίμηση των μετρικών, προκύπτει ότι παρέχουν ακριβή πληροφόρηση για τα σημεία του δικτυακού τόπου που χρήζουν αναδιοργάνωσης. Στη συνέχεια δίνουμε μια μέθοδο για τον εντοπισμό σημαντικών τμημάτων μεγαλύτερου μεγέθους στο δικτυακό τόπο και παρουσιάζουμε μια σειρά μεθόδων τόσο σε τεχνικό όσο και θεωρητικό επίπεδο για την αναδιοργάνωση ενός δικτυακού τόπου. Στον τομέα της Ανακάλυψης Web Services, εξετάζουμε την Ανακάλυψη που πληροί περιορισμούς ως προς την παρεχόμενη Ποιότητα Υπηρεσίας. Αρχικά, παρουσιάζονται δυο απλές μέθοδοι για την καταχώριση χαρακτηριστικών ποιότητας υπηρεσίας επεκτείνοντας υπάρχοντα πρότυπα υλοποίησης Web Service. Στη συνέχεια παρουσιάζουμε έναν αλγόριθμο για την ανακάλυψη του σεναρίου εκτέλεσης μιας ακολουθίας (workflow) από συνεχόμενες Web Services, που ελαχιστοποιεί το συνολικό χρόνο εκτέλεσης. Μια σειρά από ευριστικές μεθόδους παρουσιάζονται επίσης, για την υλοποίηση σε πρακτικό επίπεδο του προτεινόμενου αλγορίθμου, οι οποίες αποτιμούνται πειραματικά. Τέλος, στον τομέα της Προσωποποιημένης Ανάκτησης Πληροφορίας στο Διαδίκτυο εξετάζουμε διαφορετικές τεχνικές προσωποποίησης των αποτελεσμάτων των μηχανών αναζήτησης. Η πρώτη τεχνική εφαρμόζει μετα-κατηγοριοποίηση των αποτελεσμάτων και παρουσίασή τους ανάλογα με τη σειρά ενδιαφέροντος του χρήστη ως προς τις κατηγορίες των αποτελεσμάτων. Η δεύτερη τεχνική, βασίζει την προσωποποίηση στην έμμεση απεικόνιση των ενδιαφερόντων χρήστη στις κατηγορίες του Open Directory Project, επεκτείνει μια τεχνική που έχει πρόσφατα προταθεί, τους ιδεατούς κόμβους συσχέτισης κατηγοριών, και χτίζει πολλαπλά επίπεδα ιδεατών κόμβων για την επίτευξη πιο εκλεπτυσμένης προσωποποίησης. Κλείνοντας, παρουσιάζουμε την επέκταση της λογικής της μεθόδου προσωποποίησης για την κατασκευή εστιασμένων συλλεκτών. / Data Structures is one of the most important and most historical sectors of Computer Science, being under continuous development since the seventies. Data Structuring has offered solutions to fundamental problems in sorting, organising, and retrieving information. Meanwhile, the development of the modern fields of Computer Science such as Modern, Net-centric Information Systems and Bioinformatics has signalled a data blow-up. Therefore, the need for efficient information management has become a necessity. In this Thesis, having recognized the need for efficient information management at every level, we present a study and solutions to contemporary problems in the areas of: String Processing, Website Reorganization, Web Service retrieval with support for Quality of Service characteristics, and Personalized Information Retrieval on the Web. In the area of String Processing, we present algorithms for solving fundamental problems in Weighted Sequence Processing, such as Pattern Matching, Repetitive Structures Detection and we continue by giving simplifying yet optimal solutions to periodicity problems in ordinary sequences, namely detecting all covers in a sequence, detecting the period of a sequence and detecting all the seeds of a sequence. In the area of Website Reorganization, we present two different metrics for evaluation of the objective importance of each website's pages. These metrics modify the accesses each page receives in order to present the actual page importance. We have seen from the experimental evaluation of those metrics that they provide accurate information about the areas inside the website in need of reorganization. Furthermore, we present a method to detect larger important parts inside the website and we present methods for website reorganisation both from a technical and from a theoretical viewpoint. In the area of Web Service Retrieval we are coping with retrieval under constraints for the provided Quality of Service (QoS). Firstly, we present two simple methods to register QoS information by extending existing Web Service protocols. Secondly, we present an algorithm to discover the execution scenario for a sequence of contiguous Web Services that minimizes the total execution time. A series of heuristics to implement the above algorithm is also presented. We also present an extensive experimental evaluation of those heuristics. Ultimately, we present different personalization techniques for personalized Web Information Retrieval. The first technique, applies post-categorization of search engine results and presents them according to user preferences with respect to the results' categories. The second technique is based on implicit mapping of user preferences to the categories of the Open Directory Project, it extends a recently proposed technique, namely virtual nodes for associating categories, and builds multiple layers of nodes to achieve more elaborate personalization. Finally, we present the extension of personalization methods in order to build focused crawlers.

Στα πλαίσια της διδακτορικής μας διατριβής ασχοληθήκαμε με προβλήματα διαχείρισης δικτυακών πληροφοριακών συστημάτων που βασίζονται σε τεχνολογίες παγκόσμιου ιστού (network-centric information systems, netcentric information systems, web information systems). Η έννοια της δικτυο-κεντρικής προσέγγισης (netcentric) προσπαθεί να αποδώσει την τάση να χρησιμοποιείται η δικτυακή υποδομή και τεχνολογία όλο και περισσότερο στα πληροφοριακά συστήματα και τις εφαρμογές παγκόσμιου ιστού για να παρέχουν, να δημοσιοποιούν, να διαμοιράζουν και να επικοινωνούν online υπηρεσίες και πληροφορίες. Κύριος στόχος της διατριβής είναι α) η διασφάλιση της ποιότητας κατά την εξυπηρέτηση, β) η μείωση του χρόνου εντοπισμού και γ) η εξατομίκευση υπηρεσιών και πληροφοριών σε δικτυακά πληροφοριακά περιβάλλοντα και εφαρμογές που βασίζονται σε τεχνολογίες μηχανικής Παγκόσμιου Ιστού. Σε πρώτο επίπεδο, οι αποδοτικοί αλγόριθμοι που αναπτύξαμε αφορούν τις υπηρεσίες Web Services που έχουν σχεδιαστεί να υποστηρίζουν διαλειτουργική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανών με χρήση δικτυακής υποδομής. Πρόκειται ένα τεχνολογικό πλαίσιο το οποίο προτυποποιήθηκε από το W3 Consortium (http://www.w3.org) και γνωρίζει την ευρεία υποστήριξη τόσο της επιστημονικής κοινότητας τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών όσο και των επαγγελματιών μηχανικών Η/Υ και της βιομηχανίας πληροφορικής παγκοσμίως. Αναλυτικότερα στο πρώτο μέρος της διατριβής δίνουμε αρχικά μία νέα κατηγοριοποίηση και συγκριτική παρουσίαση των λύσεων και προβλημάτων που αφορούν αποδοτικές λύσεις αλγορίθμων διαχείρισης και αναζήτησης υπηρεσιών. Στη συνέχεια, εισάγουμε μια σειρά από νέους αποδοτικούς αλγορίθμους διαχείρισης και αναζήτησης υπηρεσιών που διασφαλίζουν την ποιότητα της παρεχόμενης υπηρεσίας και βελτιώνουν την πολυπλοκότητα στο χρόνο εντοπισμού μιας υπηρεσίας. Συνολικά στο πρώτο μέρος παρουσιάζουμε: - Αποδοτικούς αλγορίθμους δυναμικής επιλογής Web Service που λαμβάνουν υπόψη μη λειτουργικές προδιαγραφές για ποιότητα και απόδοση κατά την προσπάθεια χρήσης (consumption) του Web Service (QoWS enabled WS discovery). - Αποδοτικούς αλγορίθμους διαχείρισης και αναζήτησης υπηρεσιών δικτυο-κεντρικών πληροφοριακών συστημάτων οι οποίοι βασίζονται σε αποκεντρικοποιημένες δικτυακές λύσεις ειδικά σχεδιασμένες για WS καταλογογράφηση (decentralized WS discovery). Σε δεύτερο επίπεδο, δίνουμε αποδοτικές προσαρμοστικές μεθόδους για την εξατομίκευση των αποτελεσμάτων αναζήτησης πληροφοριών στον Παγκόσμιο Ιστό. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνουμε βελτίωση της απόδοσης τόσο για τις εσωτερικές λειτουργίες διαχείρισης και αναζήτησης των δικτυακών πληροφοριακών συστημάτων όσο και του τελικού αποτελέσματος, της πληροφορίας δηλαδή, που παρουσιάζουν τα συστήματα αυτά στον τελικό χρήστη. Συγκεκριμένα, στο δεύτερο μέρος της διατριβής εισάγουμε μια σειρά από τρεις αλγορίθμους εξατομίκευση των αποτελεσμάτων αναζήτησης, οι οποίοι βασίζονται σε τεχνικές μετρικών συνδέσμων (link metrics). Το κύριο πλεονέκτημα των τεχνικών που προτείνουμε είναι ότι επιτρέπουν, με τη χρήση μιας αρκετά απλής μεθοδολογίας, την εξατομίκευση των αποτελεσμάτων αναζήτησης, χωρίς να επιβαρύνονται οι χρήστες σε όγκο αποθήκευσης ή με καθυστερήσεις λόγου χρόνου εκτέλεσής τους. Επιτυγχάνουμε εξατομικευμένη αναζήτηση εφαρμόζοντας τεχνικές ανάλυσης και επεξεργασίας συνδέσμων όχι στο γράφο ιστού αλλά για πρώτη φορά σε αρκετά μικρότερους εξατομικευμένους γράφους που σχηματίζονται από διαθέσιμες σημασιολογικές ταξονομίες. Συνοψίζοντας τα ερευνητικά αποτελέσματα του δεύτερου μέρους παρουσιάζουμε τα ακόλουθα: - Αποδοτικοί αλγόριθμοι για εξατομικευμένη αναζήτηση πληροφορίας (personalized searching) στον Παγκόσμιο Ιστό. - Μηχανισμός προσαρμοστικής παρουσίασης αποτελεσμάτων αναζήτησης με χρήση πολλαπλών επιπέδων κατηγοριοποίησης. - Επέκταση των αλγορίθμων για μηχανισμούς στοχευμένης συλλογής σελίδων (focused web crawlers) που αποτελούν εναλλακτική της εξατομικευμένης αναζήτησης πληροφοριών. Τέλος στο τρίτο και τελευταίο μέρος της διατριβής παρουσιάζουμε μια σειρά από εφαρμογές, αρχιτεκτονικές και λειτουργικά πλαίσια τα οποία αφορούν δικτυακά πληροφοριακά περιβάλλοντα στα οποία εφαρμόζουμε τεχνικές διαχείρισης υπηρεσιών και μηχανισμούς εξατομίκευσης πληροφοριών. O κύριος στόχος της παρουσίασης των λύσεων αυτών είναι να επιδειχθεί ότι οι προτεινόμενοι αποδοτικοί αλγόριθμοι, που παρουσιάστηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, έχουν εφαρμογή σε πολλαπλά προβλήματα διαφορετικών επιστημονικών και τεχνολογικών πεδίων που χρησιμοποιούν δικτυακά πληροφοριακά συστήματα και εφαρμογές παγκόσμιου ιστού. / In our PhD dissertation we dealt with performance issues in network - centric information systems, netcentric information systems and web information systems. Netcentric approach attempts to depict the augmenting tendency to use the network communication in information systems and web applications in order to provide, to publish, to distribute and to communicate online services and information. The key aim of our doctoral thesis is a) the quality at the service provision, v) the reduction of discovery time and c) the personalization of services and information in network information systems and applications that are based on web engineering technologies. Initially, we studied, designed and implemented efficient algorithms concerning Web Services technologies that have been designed to facilitate interoperable service integration using network infrastructure. Web Services Architecture has been standardized by W3 Consortium (http://www.w3.org) as the technological framework and it has received the wide support of the information technology scientific community as well as the information technology (IT) professionals and industry worldwide. In the first section we introduce a new categorization and comparative presentation of the available algorithmic solutions for service management and discovery. Then, we introduce a series of new efficient algorithms that ensure quality of service provision and improve time complexity in service discovery. Overall in the first part of the thesis we present: - Efficient algorithms for dynamic Web Service selection taking into account non-functional specifications (Quality of Web Service – QoWS) and performance issues during Web Service (WS) consumption attempt (i.e. QoWS enabled WS discovery). - Efficient algorithms for service management and discovery in network centric information systems that are based on decentralized network approaches specifically designed for WS discovery. In the sequel, we propose efficient adaptive methods for personalized web searching. In this way we provide performance improvement both for the internal management and discovery functionality of web based net-centric information systems as well as for the systems’ output that is the end-user information. In particular, in the second section, we introduce a series of three new algorithms for personalized searching. The proposed algorithms are mainly based on link metrics techniques. Their main advantage is that they allow, with the use of a simple methodology, search results personalization, with minimum overhead in terms of storage volume and computation time. We achieve personalized search using link analysis in a personalized graph much smaller one than the whole web graph. The personalized graph is shaped taking advantage of semantic taxonomies. Summarizing the novel research results of this second section are the following: - Efficient algorithms for personalized web information searching. - Adaptive presentation mechanisms of search results with the use of multiple levels of novel categorization. - Extension that allows the adoption of the algorithms for the case of focused web crawling mechanisms, which constitute an alternative personalized searching approach. Finally in the third and last section of our thesis, we present a series of applications, architectures and frameworks of different web based net-centric information environments cases, in which we apply our techniques for service management and personalized information discovery. The main objective of this presentation is to show that the efficient algorithms presented in the previous sections, have multiple potentials of application in problems of different research and technological areas using web based net-centric informative systems and web applications. Cases presented include network management information systems, e-learning approaches, semantic mining and multimedia retrieval systems, web content and structure maintenance solutions and agricultural information systems.

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.

An ever increasing demand for instant and reliable information on modern communication networks forces codewords to operate in a non-asymptotic regime. To achieve reliability for imperfect channels in this regime, codewords need to be retransmitted from receiver to the transmit buffer, aided by a fast feedback mechanism. Large occupancy of this buffer results in longer communication delays. Therefore, codewords need to be designed carefully to reduce transmit queue-length and thus the delay experienced in this buffer. We first study the consequences of physical layer decisions on the transmit buffer occupancy. We develop an analytical framework to relate physical layer channel to the transmit buffer occupancy. We compute the optimal code-rate for finite-length codewords operating over a correlated channel, under certain communication service guarantees. We show that channel memory has a significant impact on this optimal code-rate. Next, we study the delay in small ad-hoc networks. In particular, we find out what rates can be supported on a small network, when each flow has a certain end-to-end service guarantee. To this end, service guarantee at each intermediate link is characterized. These results are applied to study the potential benefits of setting up a network suitable for network coding in multicast. In particular, we quantify the gains of network coding over classic routing for service provisioned multicast communication over butterfly networks. In the wireless setting, we study the trade-off between communications gains achieved by network coding and the cost to set-up a network enabling network coding. In particular, we show existence of scenarios where one should not attempt to create a network suitable for coding. Insights obtained from these studies are applied to design a distributed rate control algorithm in a large network. This algorithm maximizes sum-utility of all flows, while satisfying per-flow end-to-end service guarantees. We introduce a notion of effective-capacity per communication link that captures the service requirements of flows sharing this link. Each link maintains a price and effective-capacity, and each flow maintains rate and dissatisfaction. Flows and links update their respective variables locally, and we show that their decisions drive the system to an optimal point. We implemented our algorithm on a network simulator and studied its convergence behavior on few networks of practical interest.

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.

En aquesta tesi proposem dos esquemes de xarxa amb control d'admissió per al trànsit elàstic TCP amb mecanismes senzills. Ambdós esquemes són capaços de proporcionar throughputs diferents i aïllament entre fluxos, on un "flux" es defineix com una seqüència de paquets relacionats dins d'una connexió TCP. Quant a l'arquitectura, ambdós fan servir classes de paquets amb diferents prioritats de descart, i un control d'admissió implícit, edge-to-edge i basat en mesures. En el primer esquema, les mesures són per flux, mentre que en el segon, les mesures són per agregat. El primer esquema aconsegueix un bon rendiment fent servir una modificació especial de les fonts TCP, mentre que el segon aconsegueix un bon rendiment amb fonts TCP estàndard. Ambdós esquemes han estat avaluats satisfactòriament a través de simulació en diferents topologies de xarxa i càrregues de trànsit. / In this thesis we propose two network schemes with admission control for TCP elastic traffic using simple mechanisms. Both schemes are able to provide different throughputs and isolation between flows, where a flow is defined as a sequence of related packets within a TCP connection. Regarding to the architecture, both use packet classes with different discarding priorities and an admission control that is implicit, edge-to-edge and based on measurements. In the first scheme, measurements are per-flow, while in the second one, measurements are per-aggregate. The first scheme achieves a good performance using a special modification of TCP sources, while the second scheme achieves a good performance with standard TCP sources. Both schemes have been evauated succesfully through simulation in different network topologies and traffic loads.

In recent years, there has been a rapid growth in deployment and usage of realtime network applications, such as Voice-over-IP, video calls/video conferencing, live network seminars, and networked gaming. The continued increase in the popularity of realtime applications requires a more intense focus on the provision of strict guarantees for Quality of Service (QoS) parameters such as delay, jitter and packet loss in access networks. At the same time, wireless networking technologies have become increasingly popular with a wide array of devices such as laptop computers, Personal Digital Assistants (PDAs), and cellular phones being sold with built-in WiFi and WiMAX interfaces. For realtime applications to be popular over wireless networks, simple, robust and effective QoS mechanisms suited for a variety of heterogeneous wireless networks must be devised. Implementing the same QoS mechanisms across multiple neighbouring networks aids seamless handover by ensuring that a flow will be treated in the same way, both before and after handover. To provide guaranteed QoS, an access network should limit load using an admission control algorithm. In this research, we propose a method to provide effective admission control for variable bit rate realtime flows, based on the Central Limit Theorem. Our objective is to estimate the percentage of packets that will be delayed beyond a predefined delay threshold, based on the mean and variance of all the flows in the system. Any flow that will increase the percentage of delayed packets beyond an acceptable threshold can then be rejected. Using simulations we have shown that the proposed method provides a very effective control of the total system load, guaranteeing the QoS for a set of accepted flows with negligible reductions in the system throughput. To ensure that flow data is transmitted according to the QoS requirements of a flow, a scheduling algorithm must handle data intelligently. We propose methods to allow more efficient scheduling by utilising existing Medium Access Control mechanisms to exchange flow information. We also propose a method to determine the delay-dependent "value" of a packet based on the QoS requirements of the flow. Using this value in scheduling is shown to increase the number of packets sent before a predetermined deadline. We propose a measure of fairness in scheduling that is calculated according to how well each flow's QoS requirements are met. We then introduce a novel scheduling paradigm, Delay Loss Controlled-Earliest Deadline First (DLC-EDF), which is shown to provide better QoS for all flows compared to other scheduling mechanisms studied. We then study the performance of our admission control and scheduling methods working together, and propose a feedback mechanism that allows the admission control threshold to be tuned to maximise the efficient usage of available bandwidth in the network, while ensuring that the QoS requirements of all realtime flows are met. We also examine heterogeneous/vertical handover, providing an overview of the technologies supporting seamless handover. The issues studied in this area include a method of using the Signal to Noise Ratio to trigger handover in heterogeneous networks and QoS Mapping between heterogeneous networks. Our proposed method of QoS mapping establishes the minimum set of QoS parameters applicable to individual flows, and then maps these parameters into system parameter formats for both 802.11e and 802.16e networks.