Dans cette thèse, nous proposons différents mécanismes de gestion de la mobilité et de support de qualité de service (QoS) dans les réseaux cellulaires tout-IP. Avant d'entamer nos travaux de recherche, nous examinons et analysons tout d'abord l'architecture des réseaux mobiles tout-IP ainsi que la complexité et les problèmes liés aux performances des protocoles de macro- et micro-mobilité existants. Les résultats de cette analyse seront ensuite exploités pour présenter et discuter nos propositions. L'objectif recherché est d'assurer, au moindre coût, le meilleur support de la mobilité et d'offrir les garanties de QoS exigées par les applications temps réel. Notre solution de base, intitulée ``Micro Mobile MPLS'', repose sur l'intégration du protocole Mobile IP hiérarchique avec le protocole de commutation de labels (MPLS). Outre le support de la QoS, notre architecture est flexible, scalable (résiste au passage à l'échelle) et supporte les modèles Diffserv et Intserv. En effet, les chemins ou LSPs (Label witched Paths) peuvent être établis soit à l'avance par provisioning (on parle dans ce cas de LSPs statiques), soit dynamiquement sur demande (on parle dans ce cas de LSPs dynamiques). Dans un second temps, nous exposons trois variantes protocolaires proposées pour compléter notre solution de base ``Micro Mobile MPLS''. La première variante, intitulée ``FH-Micro Mobile MPLS'', supporte le fast handover pour réduire les perturbations des communications en cours en minimisant le temps de handover. La deuxième variante, intitulée ``FC-Micro Mobile MPLS'', est basée sur une suite de chemins construits dynamiquement pour réduire le coût de signalisation lors des mises à jour de localisation. En effet, en utilisant ce mécanisme, le terminal mobile a la capacité de s'enregistrer auprès de son ancien sous-réseau au lieu du noeud d'entrée du domaine formant ainsi une suite de chemins de tous les sous-réseaux visités. Enfin, la troisième variante protocolaire, intitulée ``MFC-Micro Mobile MPLS'', propose de réduire la charge de signalisation au sein du réseau d'accès en contrôlant dynamiquement le nombre des mises à jour de localisation auprès du noeud d'entrée du domaine. Ceci permet d'assurer une flexibilité et une adaptabilité optimales, en tenant compte des caractéristiques du réseau et de la mobilité des utilisateurs. Tout au long de ce travail, des études de performances, basée sur des analyses théoriques et également sur des simulations ont été réalisées afin d'évaluer l'efficacité de nos propositions. Des modèles de mobilité basés sur des chaînes de Markov sont développés en adoptant des configurations cellulaires à une dimension (1-D) et à deux dimensions (2-D). Les critères de performances utilisés correspondent au coût d'utilisation des liens, au coût de signalisation lors des mises à jour de localisation ou encore coût d'enregistrement, à la latence d'un handover et au taux de perte des paquets. Les résultats de cette analyse ont montré une nette amélioration du délai de handover et du taux de perte des paquets ainsi qu'une réduction importante du coût de signalisation permettant par ailleurs de garantir une bonne qualité de service pour les applications temps réel.

L'objectif de ce travail est l'amélioration de la qualité de service (QdS) dans les réseaux sans fil ad-hoc avec équité. La QdS dans les réseaux sans fil ad-hoc est actuellement définie par la norme IEEE802.11e (EDCA). Elle permet de garantir l'accès prioritaire aux ressources pour le trafic de priorité élevé (trafic temps réel et trafic multimédia). Elle est mise en œuvre dans chaque station par la classification des paquets dans différentes file d'attente caractérisant chacune une classe de trafic à laquelle est associée une priorité de traitement. Toutefois, EDCA n'est pas un protocole équitable. En effet, lorsque un nœud participe au routage du trafic des ces voisins, son trafic propre se trouve réduit. Pour résoudre ce problème, nous proposons un nouveau modèle appelé F-EDCA. Ce modèle permet à un nœud routeur d'accéder plus régulièrement au réseau en fonction de son taux d'occupation. Une autre forme de non équité résulte de la position d'un nœud source par rapport au nœud destination. Plus le nœud source est éloigné, moins il a de bande passante. Pour résoudre ce problème, nous proposons FQ-EDCA. Il améliore la QdS en distinguant dans chaque classe de trafic, une file d'attente par source de trafic. Le modèle met alors en œuvre des techniques d'ordonnancement équitable en se basant sur la technique du temps virtuel. Ainsi, les ressources sont allouées équitablement entre tous les nœuds. F-EDCA et FQ-EDCA sont mis en œuvre et évaluées de manière comparative avec EDCA. Ce travail montre que chacun d'eux améliore EDCA et pourrait allouer équitablement les ressources dans des conditions différentes et augmenter la garantie de la QdS

La téléopération en réseau est une thématique émergente, où un humain (le maître) communique avec un esclave commandé à distance à travers un réseau de communication, pour l'échange des données de commande et de mesure. Pour la téléopération longue distance, ces informations traversent divers réseaux hétérogènes ou hybrides interconnectés ensemble. Nous traitons également le cas où un segment sera sans fil, ce qui permet d'envisager que l'esclave soit mobile (véhicule télé-opéré par exemple). Une étude indépendante des aspects commande et des aspects réseau entraîne l'atteinte d'objectifs locaux, qui peuvent le cas échéant être ensuite fortement dégradés après l'intégration des deux aspects. L'utilisation de réseaux partagés, comme internet, en lieu et place d'une liaison dédiée (point à point, liaison virtuelle) est également un défi, en particulier dans le cas de la longue distance. Les mécanismes de qualité de service (QdS) d'un réseau, en particulier du réseau hétérogène, doivent pouvoir être traités par les autres réseaux ; ces points sont assez souvent traités avec un point de vue d'applications multimedia, plus rarement avec le point de vue de la téléopération critique. L'approche de téléopération en réseau peut profiter de ces mécanismes de qualité de service en utilisant des priorités ou des réservations de bandes passantes en fonction des critères de commande et de transparence. Cela peut entraîner une adaptation des ressources réseau en fonction des besoins des objectifs de téléopération afin de transporter l'information en satisfaisant les besoins bout en bout de l'application, cette notion devant être précisée. Lorsqu'on considère la QdS avec un point de vue réseau, elle consiste principalement à la gestion de flux de communication, en prenant en compte des paramètres de besoin et d'ordonnancement. Si l'on prend en compte le point de vue de la téléopération, la QdS entraîne des conséquences sur la qualité de commande (QdC) ce qui inclut la stabilité, la transparence et la téléprésence. De plus, l'interface humaine peut également avoir des besoins spécifiques en termes de téléprésence, ce qui peut entraîner des conséquences sur la répartition de la charge du réseau. Afin d'intégrer les deux approches de QdS et de QdC pour apporter une meilleure réponse au problème posé, nous proposons une approche de coconception avec d'une part une adaptation de la QdS aux besoins de la Qdc (qualité de la transparence) et d'autre part une adaptation de la Qdc (par exemple dégradation de la qualité du flux vidéo) à la disponibilité du réseau. Nous avons considéré deux cas de figures. Dans un premier temps, sans tenir compte des mécanismes de QdS du réseau (approche dite du meilleur effort ou best effort) et par l'adaptation au mieux de l'application, pour répondre aux besoins de la téléopération. La seconde approche considère un réseau orienté QdS entre le maître et l'esclave, où différentes priorités peuvent être attribuées aux flux nécessaires à la téléopération, en fonction des contextes. L'approche proposée est finalement mise en oeuvre sur NeCS-Car, la voiture téléopérée disponible au Laboratoire.

The central topic of all the discussions in this manuscript is around acoustic-sensor based measurement systems. Throughout this document, \acoustic" means the propagation of a mechanical wave on, or within, a substrate. However, we will discuss many other physical principles applied for sensing techniques, whether optical, scanning probe microscopy, electrochemistry.

Les Réseaux mobiles ad hoc sont un pas de plus vers la vision de l'informatique omniprésente, où tous les dispositifs de découvrir dynamiquement les uns les autres, organiser des réseaux de communication entre eux-mêmes et de partager les ressources / informations à fournir un service intégré au l'utilisateur final. Mais fournir un service fiable dans un tel réseau nécessite une sécurité et le réseau fonctionne bien. Le manque d'infrastructures, d'énergie limitées nature de dispositifs et dynamisme élevé dans le réseau rend la tâche d'assurer de tels réseaux tout un défi. Dans cette thèse nous proposons des protocoles cryptographiques, qui sont un tremplin vers un sécurité des réseaux ad hoc. En particulier, nous contribuons à la création des zones de clés et sûr de routage dans les réseaux ad hoc. l'établissement des clés consiste à rendre disponibles clés cryptographiques pour les dispositifs, indispensable pour participer à la sécurité services du réseau. D'autre part le routage doit être fixé de telle réseaux comme presque tous les nœuds ont besoin pour participer dans le processus de routage (pour une efficacité raisons) et la présence d'un nœud malveillant peut facilement avoir des conséquences dramatiques sur la performance de routage de l'ensemble du réseau. Ainsi, les contrôles de sécurité sont nécessaires pour empêcher de tels nœuds malicieux d'entraver le processus de routage et de récupérer de là au cas où ils réussissent. Notre premier résultat est un nouveau groupe de protocole d'accord clé qui est particulièrement adapté pour réseaux ad hoc, mais surpasse également la plupart des protocoles connus pour les réseaux traditionnels ainsi. Le protocole s'adapte bien à la dynamique du réseau et est robuste assez pour faire face aux pertes de messages et les échecs lien. Il exige peu d'auto-organisation par les nœuds du réseau. Nous présentons des versions modi ed des preuves de sécurité et de montrer que même la sécurité de ces protocoles est étroitement liée à la la sécurité de la problématique décisionnelle Diffle-Hellman. Nous discutons également les questions liées à mise en œuvre de ce protocole dans des scénarios réels. Notre second résultat est l'introduction de la notion d'un vérificateur désigné globale Signature (ADVS) régime. Un système permet ADVS e? Cace agrégation de multiples signatures sur les différents messages désignés à la même vérificateur. Nous montrons comment ce primitive peut être utilisée efficacement pour garantir réactive dans les protocoles de routage ad hoc réseaux. Nous fournissons un modèle de sécurité pour analyser de tels systèmes et de proposer une régime ADVS qui signatures agrégats plus efficacement que les systèmes existants.

Dans cette thèse, nous étudions les différents aspects des protocoles de communication pour les réseaux mobiles ad hoc. Notre but est d'établir des modèles analytiques pour chacun de ces aspects et de combiner les modèles pour évaluer la performance du système en entier. Nous considérons les protocoles de toutes les couches, à partir de la couche de contrôle d'accès au canal. Nous commençons notre étude avec le protocole IEEE 802.11 et nous démontrons que les délais d'accès au canal suivent une distribution polynomiale. Basés sur ce résultat, nous présentons un protocole inter-couche an d'offrir des garanties de qualité de service de délai dans les réseaux sans l multi-sauts. Le prochain sujet abordé est la scalabilité des protocoles de routage d'état de liens dans les réseaux ad hoc massifs. Nous comparons les résultats théoriques connus sur la capacité des réseaux sans l avec les bornes atteignables quand on tient compte du trac de contrôle des protocoles utilisées. Nous adaptons les bornes théoriques à la communication multicast et nous proposons MOST, un protocole multicast qui atteint des performances asymptotiquement optimales dans les grands réseaux mobiles ad hoc. Ensuite, nous étudions le comportement du protocole TCP et l'impact des délais polynomiaux observés précédemment par rapport aux auto corrélations du trac TCP, toujours dans le contexte de grands réseaux. Finalement, nous nous intéressons à l'organisation et la gestion du réseau, an d'offrir des services de qualité garantie. Notre approche peut être appliquée dans un contexte général et consiste à placer des serveurs répliqués dans le réseau, selon les informations de qualité de service fournies par les couches inferieures.

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.

Dans les réseaux sans fil distribués où plusieurs antennes ne peuvent pas être intégrées dans un même nœud de communication, les techniques MIMO (Multiple Input Multiple Output) coopératives permettent d'exploiter le gain de la diversité spatio-temporelle pour augmenter les performances ou réduire l'énergie consommée pour les communications. Dans cette thèse, des stratégies MIMO coopératives sont proposées pour les réseaux de capteurs sans fil (RCS), où la consommation d'énergie est la contrainte la plus importante. Leur avantage en termes de taux d'erreur et de consommation d'énergie sur les techniques mono-antenne (SISO), même multi-étapes, et sur les techniques de relais, est clairement mis en évidence. Une sélection du nombre d'antennes d'émission et de réception, optimale en termes d'efficacité énergétique, est également proposée en fonction des distances de transmission. Les inconvénients du MIMO coopératif, comme les imperfections de synchronisation à l'émission ou les bruits additifs en réception, qui affectent leurs performances dans les réseaux sans fil distribués, sont abordés. Deux nouvelles techniques de réception coopérative basées sur le principe de relais, ainsi qu'une nouvelle technique de combinaison spatio-temporelle sont proposées afin d'augmenter l'efficacité énergique de ces systèmes MIMO coopératifs. Enfin, des comparaisons de performance et de consommation d'énergie entre les techniques MIMO coopératives et de relais montrent que leur utilisation dépend beaucoup de la topologie du réseau et de l'application. Une stratégie d'association est proposée pour exploiter simultanément les avantages des deux techniques de coopération.

Gestion de l'accès aux données dans les réseaux sans fil en mode ad hoc

In the nineties, two major events brought about a revolution in the field of digital communications: the invention of turbo codes and the development of multiple-input multiple-output (MIMO) wireless systems. The turbo codes are error-correcting codes which enable communication systems to operate close to the channel capacity with a reasonable complexity. Multiple-antenna transceivers, a.k.a. MIMO wireless systems, mitigate the effect of multipath fading that occurs in most terrestrial wireless communications. MIMO transmissions are more reliable than single-input single-output transmissions. Moreover, the data rate achievable by MIMO systems is also much higher. This thesis combines these two recent breakthroughs in digital communications. Iterative decoding is a key factor in the success of turbo codes. This principle has proved to be so powerful that it has soon been applied to other schemes such as iterative channel equalization, also known as turbo equalization. In the first part of this thesis, we derived a low-complexity iterative equalizer for frequency-selective MIMO channels. Its robustness against channel estimation errors was also addressed. The second part of this thesis is devoted to the estimation of the channel impulse response and the noise variance for coded transmissions over MIMO channels. We proposed several new iterative estimators based on the expectation-maximization algorithm, the expectation-conditionalmaximization algorithm and the minimum mean square error criterion. Finally, we derived lower bounds on the mean square error of channel estimators. In particular, the Cramer-Rao bound for the estimation of frequency-selective MIMO channels were computed. We mainly investigated the case where no training sequence are transmitted and the case where the receiver has a partial knowledge of the transmitted sequence.