La multiplication des terminaux mobiles dans les réseaux domestiques indoor tels que les habitations, les locaux professionnels ou encore les gares et les aéroports, entraîne une demande de plus en plus exigeante en terme de débit et une consommation énergétique accrue. Si on considère l'énergie consommée par utilisateur lors d'une connexion internet sur l'ensemble du réseau (du réseau coeur au terminal), plus de la moitié de l'énergie est consommée dans le réseau domestique. Pour limiter cette consommation énergétique domestique, tout en permettant une augmentation des débits, un système à antennes distribuées (DAS) utilisant des liens radio-sur-fibre est étudié dans cette thèse. Un premier objectif est de modéliser l'efficacité énergétique de cette architecture, définie comme étant le rapport de la puissance totale sur le débit effectif de transmission, de la calculer, puis de la comparer à celle d'un système mono-antenne. Les résultats de simulations, basés, à la fois sur la mesure expérimentale de la consommation de puissance dans des réseaux Wi-Fi, et une modélisation de la consommation des liens radio-sur-fibre permettent de montrer qu'un DAS peut être jusqu'à trois fois plus efficace énergétiquement qu'un système conventionnel en considérant une même puissance totale rayonnée. Ensuite, afin de déployer un système à antennes distribuées dans un espace indoor donné, une méthode est proposée pour optimiser l'efficacité énergétique. Elle permet à partir de la probabilité de présence des terminaux dans l'espace considéré, de déterminer le nombre optimal d'antennes distribuées ainsi que la puissance totale rayonnée. Cette thèse propose enfin des algorithmes de mise en veille d'équipement domestique et de désactivation des antennes distribuées en l'absence de connexion. Ces algorithmes complètent la modélisation précédente et peuvent permettre de réduire de plus de 45% la consommation énergétique d'un réseau domestique ayant une activité journalière de 8h.

Hier encore confinés au monde professionnel, les réseaux locaux sans fil, propulsés par les avancées de l'électronique et du traitement du signal, se démocratisent à grands pas. Plus flexibles, moins chers que les solutions filaires, leurs perspectives de développement restent cependant lourdement conditionnées par leur aptitude à supporter des débits suffisants pour les applications multimédia. Dans cette course vers les hauts débits, des chercheurs des laboratoires Bell ont donné une impulsion décisive lorsque, en 1996, ils ont mis en évidence la possibilité d'accroître substantiellement les débits de transmission par l'emploi simultané de réseaux d'antennes en émission et en réception. Le paradigme des systèmes de communication à entrées multiples et à sorties multiples MIMO (Multiple Input-Multiple Output) était né. <br /><br />Rares sont les standards existants compatibles avec le transport de services multimédia hauts d´ebits. La norme HIPERLAN2, affichant des taux de transferts bruts jusqu'à 54 Mbit/s dans la gamme de fréquences de 5 GHz, en fait partie. Se pose alors naturellement la question d'évaluer dans quelle mesure une extension MIMO permettrait d'augmenter ces débits. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une contrat CIFRE entre THOMSON multimédia et le Laboratoire Composants et Systèmes pour Télécommunications LCST) de l'INSA de Rennes, est d'apporter quelques éléments de réponse à ce problème.

Cette thèse est structurée autour de contributions dans les domaines des réseaux domestiques et mobiles. Dans le contexte des réseaux domestiques, nous nous occupons à la fois de la caractérisation du trafic et de la dégradation des performances des applications. Dans le cas des réseaux mobiles, nous sommes intéressés par comprendre la relation entre la technologie sans fil et les opportunités de contact entre les nœuds mobiles. Nous résumons les principales contributions de cette thèse dans ce qui suit. Partie I (Optimisation des performances des applications dans les réseaux domestiques). L?augmentation du taux d'accès à Internet à la maison conduit à plus de populations avec des réseaux domestiques. Un réseau domestique connecte plusieurs appareils à l'internet permettant aux différents membres d'un ménage de partager l'accès à Internet et aux ressources du réseau local. Par conséquent, les applications fonctionnant en parallèle peuvent interférer les unes avec les autres. Par exemple, les enfants peuvent jouer à des jeux en ligne ralentissant la navigation sur le web de leurs parents. Le premier objectif de cette thèse est de contrôler l'utilisation des ressources du réseau domestique afin d'optimiser la performance des applications concurrentes. La passerelle domestique est responsable de la connexion du réseau domestique au reste de l'Internet. Parce que la passerelle a une vue d'ensemble de tout le trafic en provenance et vers le réseau domestique, elle est le point de départ idéal pour l'optimisation des applications. Dans cette thèse, nous proposons un système qui fonctionne sur la passerelle domestique pour détecter des dégradations de performances et optimiser l'allocation des ressources pour obtenir les meilleures performances des applications. En même temps, les passerelles résidentielles classiques ne comportent aucun mécanisme pour garantir une performance optimale aux applications. Une autre contribution de cette thèse est donc de proposer une approche d'optimisation des performances des applications pour les réseaux domestiques. En particulier, nous étudions la faisabilité du suivi des performances des applications sur les passerelles résidentielles. Nous montrons que, bien que la passerelle domestique a des ressources limitées, elle a encore la capacité de faire plus que simplement la transmission des paquets. Elle peut recueillir et exporter toutes les informations nécessaires pour effectuer notre méthode d'optimisation des performances. Partie II (Reproduction de traces de mobilité). La meilleure façon d'analyser ou de valider un protocole ou même le choix de conception dans les réseaux tolérants aux perturbations est à travers un déploiement réel. Néanmoins, en raison des difficultés de mise en œuvre et même de coûts financiers, I seulement quelques expérimentations ont été rapportées dans la littérature. En conséquence, plusieurs travaux s'appuient toujours sur des modèles de mobilité synthétiques. Alors que les modèles de mobilité synthétiques sont utiles pour isoler les paramètres spécifiques d'une solution ou aider à enquêter sur l'évolutivité d'un système, ils ne peuvent pas toujours refléter les conditions réelles. D'autre part, les traces de contact sont connues pour mieux représenter la mobilité de la vie réelle, mais aussi d'être difficile à obtenir. Et si une trace réelle était suffisante pour obtenir plusieurs autres, comme si nous avions effectué plusieurs expérimentations ? à cette fin, nous nous appuyons sur la mobilité plausible, un algorithme capable d'inférer un mouvement spatial à partir de traces de contact et nous proposons un système de reproduction de traces de mobilité qui, à partir d'une unique trace de contact réelle, offre de multiples traces de contact inspirées de la trace originale.

Cette thèse est structurée autour de contributions dans les domaines des réseaux domestiques et mobiles. Dans le contexte des réseaux domestiques, nous nous occupons à la fois de la caractérisation du trafic et de la dégradation des performances des applications. Dans le cas des réseaux mobiles, nous sommes intéressés par comprendre la relation entre la technologie sans fil et les opportunités de contact entre les nœuds mobiles. Nous résumons les principales contributions de cette thèse dans ce qui suit. Partie I (Optimisation des performances des applications dans les réseaux domestiques). L?augmentation du taux d'accès à Internet à la maison conduit à plus de populations avec des réseaux domestiques. Un réseau domestique connecte plusieurs appareils à l'internet permettant aux différents membres d'un ménage de partager l'accès à Internet et aux ressources du réseau local. Par conséquent, les applications fonctionnant en parallèle peuvent interférer les unes avec les autres. Par exemple, les enfants peuvent jouer à des jeux en ligne ralentissant la navigation sur le web de leurs parents. Le premier objectif de cette thèse est de contrôler l'utilisation des ressources du réseau domestique afin d'optimiser la performance des applications concurrentes. La passerelle domestique est responsable de la connexion du réseau domestique au reste de l'Internet. Parce que la passerelle a une vue d'ensemble de tout le trafic en provenance et vers le réseau domestique, elle est le point de départ idéal pour l'optimisation des applications. Dans cette thèse, nous proposons un système qui fonctionne sur la passerelle domestique pour détecter des dégradations de performances et optimiser l'allocation des ressources pour obtenir les meilleures performances des applications. En même temps, les passerelles résidentielles classiques ne comportent aucun mécanisme pour garantir une performance optimale aux applications. Une autre contribution de cette thèse est donc de proposer une approche d'optimisation des performances des applications pour les réseaux domestiques. En particulier, nous étudions la faisabilité du suivi des performances des applications sur les passerelles résidentielles. Nous montrons que, bien que la passerelle domestique a des ressources limitées, elle a encore la capacité de faire plus que simplement la transmission des paquets. Elle peut recueillir et exporter toutes les informations nécessaires pour effectuer notre méthode d'optimisation des performances. Partie II (Reproduction de traces de mobilité). La meilleure façon d'analyser ou de valider un protocole ou même le choix de conception dans les réseaux tolérants aux perturbations est à travers un déploiement réel. Néanmoins, en raison des difficultés de mise en œuvre et même de coûts financiers, I seulement quelques expérimentations ont été rapportées dans la littérature. En conséquence, plusieurs travaux s'appuient toujours sur des modèles de mobilité synthétiques. Alors que les modèles de mobilité synthétiques sont utiles pour isoler les paramètres spécifiques d'une solution ou aider à enquêter sur l'évolutivité d'un système, ils ne peuvent pas toujours refléter les conditions réelles. D'autre part, les traces de contact sont connues pour mieux représenter la mobilité de la vie réelle, mais aussi d'être difficile à obtenir. Et si une trace réelle était suffisante pour obtenir plusieurs autres, comme si nous avions effectué plusieurs expérimentations ? à cette fin, nous nous appuyons sur la mobilité plausible, un algorithme capable d'inférer un mouvement spatial à partir de traces de contact et nous proposons un système de reproduction de traces de mobilité qui, à partir d'une unique trace de contact réelle, offre de multiples traces de contact inspirées de la trace originale. / This thesis is structured around contributions in the areas of domestic and mobile networks. In the context of home networks, we deal with both home traffic characterization and application performance degradation. In the case of mobile networks, we are interested in understanding the relationship between wireless technology and contact opportunities among nodes on the move.

Ces dernières années, la technologie des courants porteurs en ligne (CPL) a fait son apparition dans les réseaux domestiques afin de répondre au besoin grandissant de bande passante. Comme pour les solutions sans-fil, cette technologie présente l’avantage de ne pas nécessiter le déploiement de nouveaux câbles à l’intérieur de la maison, en utilisant directement le réseau électrique comme milieu de transmission. Offrant une zone de couverture plus importante que les réseaux Wi-Fi, les débits offerts par les équipements actuels ne sont néanmoins pas suffisants pour supporter simultanément des applications gourmandes en bande passante. Cette thèse vise donc à explorer différentes solutions pour les futurs réseaux domestiques basés sur cette technologie. L’étude a d’abord été menée au niveau de la couche Physique des systèmes, où deux solutions de transmission ont été comparées. D’un côté, la modulation windowed OFDM, déployée dans la grande majorité des réseaux actuels, est étudiée afin de mettre en avant ses limites dans le contexte particulier des réseaux sur courant porteur. Dans cette partie, nous montrons concrètement le gain en capacité que pourrait apporter une modulation alternative, l’OFDM/OQAM, présentant des degrés de liberté supplémentaires vis-à-vis de l’OFDM classique, et dont l’exploitation s’avère particulièrement intéressante pour cette étude. Dans un second temps, la problématique de la couche MAC a été abordée dans le contexte d’une utilisation multi-usager du réseau. L’objectif de cette seconde partie a été de proposer des solutions nouvelles pour l’allocation et le partage de la ressource entre les différents utilisateurs du réseau. Premièrement, nous étudions la possibilité de définir un nouveau mode d’accès, basé sur l’OFDMA, permettant de tirer efficacement parti de la diversité entre différents canaux de transmission, afin d’augmenter significativement les débits pour les transmissions point-à- multipoint. Enfin, le dernier chapitre aborde le problème de la transmission multicast inhérent aux réseaux PLC actuels, en proposant une méthode d’agrégation des utilisateurs résultant en une augmentation significative des débits. / During the past few years, Power Line Communications (PLC) have become a popular connectivity solution to answer the growing need of home networks for bandwidth. As wireless technologies, this solution spares the user from cabling its Local Area Network (LAN), by directly using the home power grid as a transmission medium. While PLC generally offer a larger coverage than Wireless Local Area Networks (WLAN), the capacity offered by current systems is not sufficient to simultaneously support bandwidth intensive streams. In this thesis, we aim at exploring various solutions for future PLC networks. Firstly, we aim at improving the spectral efficiency of the current systems’ Physical (PHY) layer, where two modulation schemes are compared. On the one hand, we study the modulation deployed in current PLC networks, called windowed Orthogonal requency Division Multiplexing (OFDM), and we highlight the main limitation of this solution in the particular context of PLC. On the other hand, we show that and alternative solution, called OFDM/Offset Quadrature Amplitude Modulation (OQAM), offers some degrees of freedom which could highly benefit to PLC networks. Secondly, the study is oriented toward the Media Access Control (MAC) layer of PLC systems, considering a multiuser utilization of the network. In this second part, we aim at proposing allocation solutions that will allow a more efficient utilization of the limited and shared transmission resource. We firstly study the opportunity of defining an Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) transmission scheme for point-to-multipoint transmissions, in order to increase data rates by taking advantage of the diversity between users’ channels. Finally, the last Chapter is dedicated to the study of broadcast and multicast communications in PLC networks, where we show that a smart aggregation of the set of users to reach could greatly improve efficiency of multicast transmissions.

Avec l’omniprésence au quotidien du numérique et de l’informatique, de plus en plus d’utilisateurs souhaitent avoir accès à Internet et à leurs applications via n’importe quel périphérique, de n’importe où et n’importe quand. Les appareils domestiques intelligents se développant, les besoins d’échanger des données au domicile même se font de plus en plus sentir. C’est dans ce contexte, celui des services à domicile avec besoin d’interconnexion que se situe notre étude. Ce type de service est qualifié de Home Service (HS) alors que le réseau à domicile est nommé Home Network (HN). La problématique pour les opérateurs est alors de concevoir des architectures appropriées à l’interconnexion des HN de manière sécurisée tout en permettant un déploiement facile et à grande échelle. Dans la première étape, nous considérons la livraison de services sécurisés à travers un réseau de nouvelle génération (NGN) : IMS (IP Multimedia Subsystem). IMS étant l’architecture de référence pour son caractère réseau NGN des opérateurs, diverses architectures peuvent être développées comme support aux HS. Nous avons choisi d'analyser et de mettre en place une architecture P2P centralisée et de le comparer à l’architecture de référence. Plusieurs mécanismes d'authentification sont mis en place autour du P2P centralisé afin de sécuriser la prestation de services. La modélisation et l’évaluation de notre proposition ont permis d’identifier sa relation à l’IMS mais aussi des problèmes inhérents aux solutions centralisées : la protection des données personnelles, l’impact de la taille sur réseau sur les performances, l’existence d’un point de faiblesse unique face aux attaques et la congestion au niveau du serveur centralisé. Par conséquent, nous nous sommes tournés vers les solutions distribuées pour résoudre ces problèmes. Dans la deuxième étape, nous considérons l’architecture P2P non-structurée, qualifiée de pur P2P. La cryptographie basée sur l'identité (IBC) est ajoutée au P2P pur afin d’authentifier les utilisateurs et de protéger leurs communications. Pour chacune des solutions une analyse du coût de signalisation est effectuée révélant une faiblesse en ce qui concerne l’étape de recherche. Dans un déploiement à grande échelle, le coût de cette phase est trop élevé. Aussi, nous examinons le P2P structuré basé sur les Dynamic Hash Tables, une autre solution distribuée. Cette architecture est étudiée par l'IETF en tant qu’une des dernières générations de P2P: REsource LOcation And Discovery (RELOAD) Base Protocol. Nous proposons son utilisation dans le cadre des HSs. Comme preuve du concept, cette solution a été implantée et déployée sur un petit réseau en utilisant TLS/SSL comme mécanisme de sécurité. Cette plateforme nous a permis d’étudier les délais et les coûts de cette solution. Pour terminer, un bilan est établi sur toutes les solutions proposées En outre, nous introduisons d’autres types de HS et leurs possibilités de déploiement futur. / With digital life enhancement, more users would like to get seamless Internet and information with any devices, at any time and from anywhere. More and more home devices need to exchange data or to control other devices. The type of services is labelled Home Service (HS) and it is deployed though a Home Network (HN). Some users need to use their HS outside their HN, some others need to interconnect other HN. Operators have to provide suitable network architectures to ensure this interconnection and to provide at the same time, scalability, remote access, easy deployment and security. Here is the topic of our work. In the fist step, we consider a practical illustration around the Next-Generation Network (NGN) and the secured services. It is the IMS (IP Multimedia Subsystem) approach for the management of services that is generally supported by the NGN network operators. However, various network operator architectures can be developed to support these services. An alternative way is the P2P architectures. We choose to analyze and implement a centralized P2P and we compare it with the IMS solution. Several authentication mechanisms are introduced to secure the centralized P2P. An evaluation of these architectures is conducted. Since the previous solutions present some issues due to their centralized feature, we consider distributed solutions in a second step. The non-structured P2P, called pure P2P, can also support HS. Identity Based Crytography (IBC) is added to these architectures in order to offer authentication and protection to user communications. The different solutions are compared through their signaling and transmission cost. The study shows that searching step in this architecture is really costly, facing a scalability problem. Thus, we propose to use a structured P2P (called Dynamic Hash Table) for delivering HS between HN. This type of architecture is studied by IETF with the REsource Location And Discovery (RELOAD) Base Protocol. This solution is implanted and deployed here to be a proof of the concept. This test-bed enables the study of delay and security overhead in a real system. Eventually, the presented solutions are recaptured in order to see their advantages/ disadvantages. In addition, we introduce other perspectives in terms of HSs and network interconnection.