Cette thèse est dédiée à l'étude de la mobilité et de la qualité de service (QoS) sur les réseaux locaux sans-fil (WLANs). Nous affirmons que plusieurs conditions doivent être satisfaites afin de pouvoir donner des garanties de QoS sur des réseaux locaux sans-fil. Nous proposons que les WLANs adoptent un modèle de QoS basé sur des garanties statistiques, tel que le modèle Diffserv de l'IETF. Le protocole Mobile IP, ainsi que d'autres mécanismes de gestion de la mobilité ne sont pas adaptés pour gérer la mobilité dans des régions limitées géographiquement. Pour cela, nous proposons une approche basée sur le modèle de la micro-mobilité pour assurer la gestion de la mobilité. De même, nous proposons une architecture qui intègre la gestion de la mobilité et de la QoS. Il s'agit d'une architecture hiérarchique qui couple notre protocole de mobilité avec un protocole de signalisation dans la bande (in-band) qui permet la gestion de la QoS. Le mémoire présente d'abord l'état de l'art dans les domaines des WLANs, la mobilité IP, et la QoS sur IP. Ensuite, nous présentons et discutons nos propositions pour la gestion de la QoS et de la mobilité sur les réseaux locaux. De même, nous présentons l'implémentation de prototypes de nos propositions et l'évaluation de leurs performances. Nous concluons par la présentation de nos contributions et des perspectives envisagées.

Les nouvelles technologies de l’information et de la communication (TIC) permettent de mener davantage d’activités en dehors des lieux de travail et de résidence. De plus en plus de commerces offrent un accès sans-fil gratuit à l’Internet (WiFi) en même temps que le nombre d’appareils mobiles capables de se brancher à l’Internet est en pleine croissance. L’individu qui recherche une connexion Internet gratuite dans la ville pour pratiquer des activités à distance a vraisemblablement l’embarras du choix. Tandis que de nombreuses études s’intéressent à l’impact des TIC sur des lieux comme des milieux sociaux, rares sont celles qui s’interrogent sur les qualités physiques de ces milieux. Les architectes et les urbanistes abordent rarement le WiFi comme un élément de design : la présence de ce dernier se limitent souvent à quelque chose considéré anecdotique ou invasif. Ce projet de recherche, mené à Québec dans le cadre d’un mémoire de Maîtrise en sciences de l’architecture au sein du Groupe interdisciplinaire de recherche sur les banlieues (GIRBa), se penche sur les divers profils d’utilisation et d’appropriation du WiFi afin de réfléchir à celui-ci comme un élément important de design pour les lieux publics et semi-publics au 21e siècle. Pour ce faire, ce projet identifie les lieux et les secteurs les plus populaires pour l’utilisation du WiFi par l’analyse de la base de données de l’organisme à but non lucratif, ZAP Québec, qui gère le service WiFi des lieux publics et semi-publics à Québec depuis 2006. Ensuite, une enquête Internet mené auprès d’un échantillon de 63 utilisateurs WiFi à Québec suggère une diversité de profils d’usage de l’Internet sans-fil. En dernier lieu, une analyse spatiale inspiré du Pattern Language développé par Christopher Alexander dans les années 1970 a permit d’identifier des configurations spatiales récurrentes dans les lieux publics et semi-publics les plus fréquentés. Ce mémoire révèle que certaines tendances observées tant chez les usagers que les lieux les plus fréquentés peuvent servir à guider les stratégies d’implantation du WiFi et le design des lieux où son utilisation est prévue. Bien que ce mémoire demeure exploratoire et soulève beaucoup de questions, il porte un nouveau regard sur un phénomène qui mérite d’être l’objet de futures études. Des directions possibles pour ces dernières sont discutées en conclusion. / New information and communication technologies (NICT) are transforming the way people conduct activities in spaces outside the home and office. With the spread of wireless Internet (WiFi) into public and semi-public places and the increasing number of mobile devices capable of accessing the Internet, the city is now full of places where activities can be conducted remotely. Studies looking at the impact by NICT frequently address its impact on the social ambiance of places, but rarely consider the physical nature of its use. Seldom is WiFi approached by architects and urban planners as a design element—or it is reduced to something seen as ancillary or even invasive. This study, which was carried out as part of a Masters of science in architecture thesis conducted in Quebec City at the Interdisciplinary Research Group on the Suburbs (GIRBa) at Université Laval, addresses this latter judgment critically by looking at WiFi use and users as sources of inspiration for designing urban places of gathering in the 21st century. Through the analysis of data from the central server of a local Quebec City non-profit WiFi provider, ZAP Québec, an Internet survey conducted among sixty-three WiFi users and a spatial analysis using Christopher Alexander’s Pattern Language (1977), this Master’s thesis shows that the geographic variations of WiFi use can aid in orienting the development of WiFi networks and the places where WiFi is to be used. A typology of users also sheds light on a certain set of individuals who use WiFi and their varying practices. While the exploratory nature of this study may raise more questions than it answers, its findings aid in proposing a variety of approaches to WiFi integration within the urban environment as well as several directions for future research.

La maîtrise de la QoS dans 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Coordination Function) ne peut être assurée que par un mécanisme de contrôle d'admission qui empêche le réseau d'atteindre un état de saturation critique et par la même garantit les besoins de QoS des applications voix/vidéo.<br />Ce mécanisme de contrôle d'admission a besoin pour sa prise de décision de prédire les métriques de performances si un nouveau flux est admis. Dans le but de rendre les décisions efficaces, nous choisissons d'utiliser une méthode de prédiction basée sur un modèle analytique. Ce dernier doit remplir deux conditions : 1) fournir une bonne précision de prédiction et 2) avoir une complexité numérique faible et un temps de réponse limité. Vu que la majorité des modèles analytiques de la littérature ne satisfont pas à ces deux conditions, nous développons un nouveau modèle analytique pour EDCA qui est capable de prédire le débit et le délai d'accès des différentes Access Category (AC) d'EDCA.<br />Ainsi, après la modélisation analytique du temps de transmission des ACs en prenant en compte le paramètre de différentiation TXOPLimit, nous développons un modèle analytique pour EDCA sous la forme d'une chaîne de Markov à quatre dimensions. Celui-ci est développé d'abord dans les conditions de saturation puis étendu aux conditions générales de trafic.<br />Pour finir, nous proposons un algorithme de contrôle d'admission à implémenter au sein du point d'accès et qui utilise le modèle analytique proposé. Nous proposons un abaque de solution d'optimisation des paramètres d'accès d'EDCA. Le but étant d'améliorer les performances du mécanisme de contrôle d'admission par l'utilisation optimale des ressources du réseau.

Since two decades, we are observing a continuous evolution in wireless communications and networking technologies. This evolution creates nowadays an unprecedented demand for accessing communication services anywhere, anytime and using any device. This trend is also encouraging the rapid development of more and more novel communication services and applications. These latter require more capacity and more quality of service from the network, as well as more efficiency from the communication device. One of the main goals in current research is to design new communication solutions that are more robust and resource-efficient. In this context, our aim is to propose novel mechanisms and protocols that target the "improvement of the resource usage in wireless packet networks". Improving the resource usage can be realized at two complementary levels: the packet-level and the connection-level. In our research, we addressed and solved different facets of the resource usage issue at both levels. At the connection level, our main concern was to maintain the experienced quality of service while the users are willing to move transparently over the diverse available wireless packet networks; while at the packet-level the issue we addressed was to improve the quality of service experienced by the packet flows generated by novel data and multimedia communication services. This report presents the major research results we obtained in this field.

Notre travail s'inscrit dans le cadre des recherches sur le Sleeping mode. Notre contribution est structurée principalement autour deux axes : l'étude et l'évaluation de la performance des processus de mise en veille/réveil des points d'accès et la sélection du nombre minimal des points d'accès dans un milieu urbain dense. Dans un premier temps, nous étudions les processus de mise en veille/réveil des points d'accès dans un scenario classique de réseau domestique. Ce scenario suppose que le point d'accès mis en veille doit détecter la présence d'un utilisateur potentiel dans sa zone de couverture et réagir par conséquence d'une façon autonome pour se mettre en état de fonctionnement normal. Nous avons choisi quatre processus de réveil du point d'accès, et nous avons ensuite étudié chacun de ces processus, et proposé un protocole de communication qui permette à un utilisateur d'envoyer l'ordre au point d'accès de s'éteindre. Lorsque cela était possible, nous avons utilisé le protocole COAP qui est prévu pour établir des sessions de commande pour l'Internet des Objets. Nous avons ensuite mesuré les performances du point de vue de l'économie d'énergie qu'il permet de réaliser et du délai entre le moment où un utilisateur potentiel est détecté et le moment où le point d'accès devient opérationnel. Nous avons aussi étudié un réseau dense dans un milieu urbain (le centre ville de Rennes) où la zone de couverture d'un point d'accès pouvait être partiellement ou totalement couverte par d'autres points d'accès. Pour évaluer la redondance dans le réseau, nous avons collecté des informations réelles sur les points d'accès en utilisant l'application Wi2Me. Le traitement de ces informations nous a permis d'identifier les points d'accès existants dans la zone étudiée et leurs zones de couverture respectives démontrant ainsi la superposition de ces zones de couverture et le potentiel d'élimination d'un certain nombre de points d'accès sans affecter la couverture globale. Nous avons alors proposé un système centralisé qui collecte les données de couverture des points d'accès observée par les utilisateur. Nous avons donc utilisé ce simple fait pour centraliser la vue du réseau de plusieurs utilisateurs, ce qui permet d'avoir une vue assez précise de la disponibilité des points d'accès dans une zone géographie. Nous avons alors proposé une représentation de ces données de couverture à travers des matrices qui traitent les différentes erreurs de capture (coordonnées GPS non précises, réutilisation des noms de réseaux, etc). Enfin, nous avons ensuite proposé deux algorithmes permettant de sélectionner l'ensemble minimal des points d'accès requis fournissant une couverture identique à celle d'origine. / The main goal of the thesis is to design an Energy Proportional Network by taking intelligent decisions into the network such as switching on and off network components in order to adapt the energy consumption to the user needs. Our work mainly focuses on reducing the energy consumption by adapting the number of APs that are operating to the actual user need. In fact, traffic load varies a lot during the day. Traffic is high in urban areas and low in the suburb during day work hours, while it is the opposite at night. Often, peak loads during rush hours are lower than capacities of the networks. Thus they remain lightly utilized for long periods of time. Thus keeping all APs active all the time even when the traffic is low causes a huge waste of energy. Our goal is to benefit from low traffic periods by automatically switch off redundant cells, taking into consideration the actual number of users, their traffic and the bandwidth requested to serve them. Ideally we wish to do so while maintaining reliable service coverage for existing and new coming users. First we consider a home networking scenario. In this case only one AP covers a given area. So when this AP is switched off (when no users are present), there will be no other AP to fill the gap of coverage. Moreover, upon the arrival of new users, no controller or other mechanism exists to wake up the AP. Consequently, new arriving users would not be served and would remain out of coverage. The study of the state of the art allowed us to have a clear overview of the existing approaches in this context. As a result, we designed a platform to investigate different methods to wake up an AP using different technologies. We measure two metrics to evaluate the Switching ON/OFF process for the different methods. The first is the energy consumed by the AP during the three phases it goes through. The second is the delay of time for the AP to wake up and be operational to serve the new users. In the second case we consider a dense network such as the ones found in urban cities, where the coverage area of an AP is also covered by several other APs. In other words, the gap resulting from switching off one or several APs can be covered by other neighbouring ones. Thus the first thing to do was to evaluate the potential of switching off APs using real measurements taken in a dense urban area. Based on this collected information, we evaluate how many APs can be switched off while maintaining the same coverage. To this end, we propose two algorithms that select the minimum set of APs needed to provide full coverage. We compute several performance parameters, and evaluate the proposed algorithms in terms of the number of selected APs, and the coverage they provide.

The all-over trend for an universal access and ubiquitous access to the Internet is driving a revolution in our societies. In order to support this era of nomadic applications, new flexible network architectures have emerged. They are referred to as “wireless ad-hoc networks.” <p><p>Since human-operated devices will more likely be used indoor, it leads to many issues related to the strength of the fading in this environment. Recently, it has been suggested that a possible interaction might exist between various parameters of the ad-hoc networks and, more precisely, between the propagation model and the routing protocol. <p><p>To address this question, we present in this dissertation a cross-layer perspective of the analysis of these indoor ad-hoc networks. Our reasoning is made of four stages. First, the cross-layer interactions are analyzed by the means of multivariate statistical techniques. Since a cross-layering between the physical layer and the routing protocol has been proven to be significant, we further investigate the possible development a physical layer-constrained routing algorithm. <p><p>Second, fundamental equations governing the wireless telecommunications systems are developed in order to provide insightful informations on how a reliable routing strategy should be implemented in a strongly-faded environment. After that, and in order to allow a better spatial reuse, the routing protocol we propose is further enhanced by the adjonction of a power control algorithm. This last feature is extensively analyzed and a closed-form expression of the link probability of outage in presence of non-homogeneous transmission powers is given. Numerous simulations corroborate the applicability and the performance of the derived protocol. Also, we evaluate the gain, in terms of radio channel ressources, that has been achieved by the means of the power control algorithm. <p><p>Third, an architecture for the interconnection with a cellular network is investigated. A closed-form expression of the relaying stability of a node is given. This equation expresses the minimal requirement that a relaying node from the ad-hoc network must fullfil in order to bridge properly the connections to the base-station. <p><p>Finally, a real-life implementation is provided as a validation of the applicability of this novel ad-hoc routing protocol. It is concluded that, both from the performance and the spatial re-use point-of-views, it can be taken advantage from the cross-layering between the physical and the routing layers to positively enhance the networking architectures deployed in an indoor environment. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Wireless sensor networks form an emerging class of computing devices capable of observing the world with an unprecedented resolution, and promise to provide a revolutionary instrument for environmental monitoring. Such a network is composed of a collection of battery-operated wireless sensors, or sensor nodes, each of which is equipped with sensing, processing and wireless communication capabilities. Thanks to advances in microelectronics and wireless technologies, wireless sensors are small in size, and can be deployed at low cost over different kinds of environments in order to monitor both over space and time the variations of physical quantities such as temperature, humidity, light, or sound. <p><p>In environmental monitoring studies, many applications are expected to run unattended for months or years. Sensor nodes are however constrained by limited resources, particularly in terms of energy. Since communication is one order of magnitude more energy-consuming than processing, the design of data collection schemes that limit the amount of transmitted data is therefore recognized as a central issue for wireless sensor networks.<p><p>An efficient way to address this challenge is to approximate, by means of mathematical models, the evolution of the measurements taken by sensors over space and/or time. Indeed, whenever a mathematical model may be used in place of the true measurements, significant gains in communications may be obtained by only transmitting the parameters of the model instead of the set of real measurements. Since in most cases there is little or no a priori information about the variations taken by sensor measurements, the models must be identified in an automated manner. This calls for the use of machine learning techniques, which allow to model the variations of future measurements on the basis of past measurements.<p><p>This thesis brings two main contributions to the use of learning techniques in a sensor network. First, we propose an approach which combines time series prediction and model selection for reducing the amount of communication. The rationale of this approach, called adaptive model selection, is to let the sensors determine in an automated manner a prediction model that does not only fits their measurements, but that also reduces the amount of transmitted data. <p><p>The second main contribution is the design of a distributed approach for modeling sensed data, based on the principal component analysis (PCA). The proposed method allows to transform along a routing tree the measurements taken in such a way that (i) most of the variability in the measurements is retained, and (ii) the network load sustained by sensor nodes is reduced and more evenly distributed, which in turn extends the overall network lifetime. The framework can be seen as a truly distributed approach for the principal component analysis, and finds applications not only for approximated data collection tasks, but also for event detection or recognition tasks. <p><p>/<p><p>Les réseaux de capteurs sans fil forment une nouvelle famille de systèmes informatiques permettant d'observer le monde avec une résolution sans précédent. En particulier, ces systèmes promettent de révolutionner le domaine de l'étude environnementale. Un tel réseau est composé d'un ensemble de capteurs sans fil, ou unités sensorielles, capables de collecter, traiter, et transmettre de l'information. Grâce aux avancées dans les domaines de la microélectronique et des technologies sans fil, ces systèmes sont à la fois peu volumineux et peu coûteux. Ceci permet leurs deploiements dans différents types d'environnements, afin d'observer l'évolution dans le temps et l'espace de quantités physiques telles que la température, l'humidité, la lumière ou le son.<p><p>Dans le domaine de l'étude environnementale, les systèmes de prise de mesures doivent souvent fonctionner de manière autonome pendant plusieurs mois ou plusieurs années. Les capteurs sans fil ont cependant des ressources limitées, particulièrement en terme d'énergie. Les communications radios étant d'un ordre de grandeur plus coûteuses en énergie que l'utilisation du processeur, la conception de méthodes de collecte de données limitant la transmission de données est devenue l'un des principaux défis soulevés par cette technologie. <p><p>Ce défi peut être abordé de manière efficace par l'utilisation de modèles mathématiques modélisant l'évolution spatiotemporelle des mesures prises par les capteurs. En effet, si un tel modèle peut être utilisé à la place des mesures, d'importants gains en communications peuvent être obtenus en utilisant les paramètres du modèle comme substitut des mesures. Cependant, dans la majorité des cas, peu ou aucune information sur la nature des mesures prises par les capteurs ne sont disponibles, et donc aucun modèle ne peut être a priori défini. Dans ces cas, les techniques issues du domaine de l'apprentissage machine sont particulièrement appropriées. Ces techniques ont pour but de créer ces modèles de façon autonome, en anticipant les mesures à venir sur la base des mesures passées. <p><p>Dans cette thèse, deux contributions sont principalement apportées permettant l'applica-tion de techniques d'apprentissage machine dans le domaine des réseaux de capteurs sans fil. Premièrement, nous proposons une approche qui combine la prédiction de série temporelle avec la sélection de modèles afin de réduire la communication. La logique de cette approche, appelée sélection de modèle adaptive, est de permettre aux unités sensorielles de determiner de manière autonome un modèle de prédiction qui anticipe correctement leurs mesures, tout en réduisant l'utilisation de leur radio.<p><p>Deuxièmement, nous avons conçu une méthode permettant de modéliser de façon distribuée les mesures collectées, qui se base sur l'analyse en composantes principales (ACP). La méthode permet de transformer les mesures le long d'un arbre de routage, de façon à ce que (i) la majeure partie des variations dans les mesures des capteurs soient conservées, et (ii) la charge réseau soit réduite et mieux distribuée, ce qui permet d'augmenter également la durée de vie du réseau. L'approche proposée permet de véritablement distribuer l'ACP, et peut être utilisée pour des applications impliquant la collecte de données, mais également pour la détection ou la classification d'événements. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished