Abstract This dissertation studies the impact of heterogeneous wireless networks on the design and implementation of mobile video streaming services. The aim is to enable Quality of Service (QoS) sensitive video streaming services to take full advantage of the access diversity of heterogeneous networks in order to optimize their operation in terms of quality and efficiency of network resource usage. This nevertheless requires support beyond the layered communication architecture of today’s Internet. The thesis proposes an architecture for end-to-end cross-layer signaling and control for video streaming systems. The architecture supports extensive context informa- tion transfer in heterogeneous networks; thus, enabling the efficient management of video stream adaptation and user terminal mobility in a diverse and dynamic network environment. This thesis also studies and proposes cross-layer enhancements for adaptive video streaming and mobility management functions enabled by the cross- layer architecture. These include cross-layer video adaptation, congestion-triggered handovers, and concurrent utilization of multiple access networks in the video stream transport. For the video adaptation and multipath transmission, the flexible adaptation and transmission capabilities of the novel scalable video coding technology are used. Regarding the mobility management, the proposed solutions essentially enhance the handover decision-making of the Mobile IP protocol to better support QoS-sensitive video streaming. Finally, the thesis takes a holistic view on the application adaptation and mobility management, and proposes a solution for coordinated control of these two operations in order to achieve end-to-end optimization. The resulting mobile video streaming system architecture and the cross-layer control algorithms are evaluated using network simulations and real prototypes. Based on the results, the proposed mechanisms can be seen to be viable solutions for improving video streaming performance in heterogeneous wireless networks. They require changes in the communication end-points and the access network but support gradual deployment. This allows service providers and operators to select only a subset of the proposed mechanisms for implementation. The results also support the need for cross-layer signaling and control in facilitating efficient management and utilization of heterogeneous wireless networks. / Tiivistelmä Väitöskirja tutkii langattomien ja heterogeenisen verkkoympäristöjen vaikutusta erityisesti mobiilikäyttöön suunnattuihin suoratoistovideopalveluihin (streaming). Työn tavoitteena on löytää keino optimoida verkkoyhteyden palvelunlaadulle (QoS) herkän suoratoistovideon toiminta sekä videopalvelun laadun että verkon tiedonsiirtokapasiteetin käytön osalta. Tämä tapahtuu mahdollistamalla heterogeenisten verkkojen tehokas käyttö suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Tavoitellut parannukset vaativat kuitenkin muutoksia nykyiseen kerroksittaiseen Internet-arkkitehtuuriin. Väitöskirjassa esitetään arkkitehtuuri protokollakerrosten välisen tiedon (cross-layer) välitykseen ja hyödyntämiseen suoratoistovideopalvelujen tiedonsiirron kontrolloinnissa. Arkkitehtuuria voidaan käyttää laaja-alaiseen kontekstitiedon välitykseen tietoverkoissa, mikä mahdollistaa tehokkaan videopalvelun adaptoinnin ja päätelaitteen liikkuvuudenhallinnan heterogeenisissa verkoissa, joissa palvelunlaatu vaihtelee. Väitöskirja myös ehdottaa erilaisia ratkaisuja videopalvelun adaptoinnin ja tiedonsiirron parantamiseksi arkkitehtuuria hyödyntämällä. Näihin lukeutuvat usealle protokollakerrokselle toteutettu videon adaptointi, verkkoyhteyden ruuhkautumiseen reagoiva yhteydensiirto sekä usean verkkoyhteyden samanaikainen käyttö videopalvelun tiedonsiirrossa. Videon adaptoinnissa ja siirrossa hyödynnetään uutta skaalautuvaa videonkoodausteknologiaa, joka mahdollistaa vaaditun, joustavan videobittivirran muokkauksen. Liikkuvuudenhallinnan osalta työssä keskitytään pääosin kehittämään Mobile IP -protokollan päätöksentekoa suoratoistovideopalvelujen tapauksessa. Lopuksi väitöskirjassa esitetään kokonaisvaltainen ja koordinoitu ratkaisu videopalvelun adaptoinnin sekä päätelaitteen liikkuvuuden hallintaan päästä päähän -optimoinnin saavuttamiseksi. Tuloksena esitetyt järjestelmäarkkitehtuuri ja protokollakerrosten välistä tietoa käyttävät hallinta-algoritmit evaluoitiin simulaatioiden ja oikeiden prototyyppien avulla. Tulokset osoittavat, että ehdotettuja menetelmiä voidaan käyttää parantamaan suoratoistovideopalvelujen suorituskykyä heterogeenisissa verkoissa. Ratkaisut vaativat muutoksia verkko- ja palveluarkkitehtuureihin, mutta niiden asteittainen tai osittainen käyttöönotto on mahdollista. Tulokset osoittavat myös protokollakerrosten välisen tiedon tarpeellisuuden langattomien ja heterogeenisten verkkojen tehokkaassa käytössä.

Abstract As mobile Internet access traffic continues to grow at an explosive rate and wireless networks continue to diverge into multiple access technologies with partly overlapping sets of features, new solutions for efficient use of these networks are vital. Cognitive network management provides tools to tackle this challenge by automatically learning from past experience the characteristics and usage patterns of the connected devices, thus enabling autonomic optimization of those connections. Cognitive network management requires a vast amount of information in order to function effectively, making collaboration of the networked devices essential as the best sources of information are scattered throughout the network. This makes efficient information dissemination one of the key enablers for autonomic networking. This dissertation studies managing control information related to autonomic selection of access networks and adapting services in a heterogeneous wireless network environment. It presents a solution to simple and efficient information dissemination in the form of Distributed Decision Engine— a CEP-like system enabling the building of a highly scalable and dynamic messaging system enabling dissemination, analysis and control of the complex series of interrelated events in the network. The dissertation also presents results showing a clear benefit in using cross-layer and cross-domain information in a modern wireless environment and validates the final prototype implementation of DDE with laboratory measurements. Effective use of disseminated cross-layer information is another key element in autonomic wireless networking. This dissertation also focuses on intelligent decision-making based on cross-layer information by presenting test results which attest that the performance of an autonomic wireless networking system can be improved by using cognitive techniques in its management algorithms, and that hierarchy and coordination can be utilized to minimize the effect of conflicting decisions of the system. / Tiivistelmä Mobiilin Internet-liikenteen räjähdysmäinen kasvu ja langattomien verkkojen jatkuva jakautuminen useisiin tekniikoihin vaativat uusia ratkaisuja näiden verkkojen tehokkaaseen käyttöön. Kognitiivinen verkon hallinta mahdollistaa oppimisen, minkä avulla laitteiden yhteyksiä voidaan optimoida autonomisesti aiemman kokemuksen perusteella. Tällainen optimointi vaatii kuitenkin valtavan määrän verkosta ja laitteista kerättyä tietoa, mikä tekee tehokkaasta tiedonjakelusta keskeisen elementin autonomisessa verkon hallinnassa. Tässä väitöskirjassa tutkitaan verkon valintaan ja palveluiden sopeuttamiseen vaadittavan tiedon välittämistä ja hallintaa autonomisissa langattomissa verkoissa. Ratkaisuna yksinkertaiseen ja tehokkaaseen tiedonvälitykseen esitellään hajautettu Distributed Decision Engine -komponentti, joka mahdollistaa skaalautuvan tiedon jakelu-, analysointi- ja hallintajärjestelmän rakentamisen. Lisäksi väitöskirjassa kuvataan myös tuloksia, jotka osoittavat, että verkkokerrosten välisen tiedon käyttämisellä voidaan saavuttaa selvää etua, sekä tuloksia, jotka vahvistavat DDE-prototyyppitoteutuksen toimivuuden laboratoriomittauksin. Verkkokerrosten välisen tiedon tehokas hyödyntäminen on toinen keskeinen tekijä autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa. Väitöskirjassa käsitellään myös älykästä päätöksentekoa kyseisen informaation pohjalta sekä esitellään tuloksia, jotka osoittavat, että päätöksentekoa autonomisessa langattomien verkkojen hallinnassa voidaan parantaa kognitiivisilla tekniikoilla. Lisäksi esitetyt tulokset osoittavat, että hierarkialla sekä koordinoinnilla voidaan minimoida ristiriitaisten päätösten vaikutukset järjestelmään.

As resource-constrained autonomous vehicles are used for more and more applications, their ability to achieve the lowest possible localization error without expending more power than needed is crucial. Despite this, the parameter settings of the localization systems, both for the platform and the application, are often set arbitrarily. In this thesis, we propose a model-based controller that adapts the parameters of the localization system during run-time by observing conditions in the environment. The test-bed used for experiments consists of maplab, a visual-inertial localization framework, that we execute on the Nvdia Jetson AGX platform. The results show that the linear velocity is the single most important environmental attribute to base the decision of when to update the parameters upon. We also found that while it was not possible to find a direct connection between certain parameters and environmental conditions, a connection could be found between sets of configuration parameters and conditions. Based on these conclusions, we compare model-based controller setups based on three different models: Finite Impulse Response (FIR), AutoRegressive eXogenous input (ARX) and Multi-Layer Perceptron (MLP). The FIR-based controller performed the best. This FIR-based controller is able to select configurations at the appropriate times to keep the error lower than it would be to randomly guess which set of configuration parameters is best. The proposed solution requires offline profiling before it can be implemented on new localization systems, but it can help to reduce the error and power consumption and thus enable more uses of resource-constrained devices. / Användningen av autonoma fordon med begränsade resurser ökar allt mer, vilket i sin tur ökar vikten av att dessa kan lokalisera med lägsta möjliga fel utan att förbruka mer effekt. Trots detta bestäms parametrarna för både hårdvara och i algoritmerna ofta godtyckligt för dessa lokaliseringssystem. I detta examensarbete presenterar vi en lösning till detta, i form av en modellbaserad regulator som anpassar parametrarna baserat på vad den detekterar i omgivningen. Vår testuppställning består av maplab, ett lokaliseringsramverk, som vi exekverar på Nvida Jetson AGX plattformen. Resultaten visar att den linjära hastigheten är den viktigaste miljövariabeln att detektera och använda för att anpassa parametrarna i lokaliseringssystemet. Resultaten visar även att det går att hitta kopplingar mellan konfigurationer och miljövariabler, även om det inte går att hitta mellan specifika konfigurationsparameterar och miljövariabler. Den regulator som presterar bäst visar sig vara en som är baserad på en Finite Impulse Response modell, med en optimeringshorisont på 5 sekunder. Denna presterar bättre än både AutoRegressive eXogenous input baserad regulator och en Multi-Layer Perceptron baserad regulator. Finite Impulse Response regulatorn åstadkommer ett fel som är lägre än slumpmässig gissning, på data den inte sett förut. Lösningen som uppvisas i detta projekt kräver optimering offline för att fungera, men om det utförs kan den reducera både lokaliseringsfelet och effektförbrukningen och genom det skapa nya användningsområden för resursbegränsade enheter.

Auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation und insbesondere auf den tieferen Netzwerkschichten sind gewaltige Fortschritte zu verzeichnen. Innovative Konzepte und Technologien auf der physikalischen Schicht (PHY) gehen dabei zeitnah in zelluläre Netze ein. Drahtlose Maschennetzwerke (WMNs) können mit diesem Innovationstempo nicht mithalten. Die Mehrnutzer-Kommunikation ist ein Grundpfeiler vieler angewandter PHY Technologien, die sich in WMNs nur ungenügend auf die etablierte Schichtenarchitektur abbilden lässt. Insbesondere ist das Problem des Scheduling in WMNs inhärent komplex. Erstaunlicherweise ist der Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung (CSMA) in WMNs asymptotisch optimal obwohl das Verfahren eine geringe Durchführungskomplexität aufweist. Daher stellt sich die Frage, in welcher Weise das dem CSMA zugrunde liegende Konzept des konkurrierenden Wettbewerbs (engl. Contention) für die Integration innovativer PHY Technologien verwendet werden kann. Opportunistische Kommunikation ist eine Technik, die die inhärenten Besonderheiten des drahtlosen Kanals ausnutzt. In der vorliegenden Dissertation werden CSMA-basierte Protokolle für die opportunistische Kommunikation in WMNs entwickelt und evaluiert. Es werden dabei opportunistisches Routing (OR) im zustandslosen Kanal und opportunistisches Scheduling (OS) im zustandsbehafteten Kanal betrachtet. Ziel ist es, den Durchsatz von elastischen Paketflüssen gerecht zu maximieren. Es werden Modelle für Überlastkontrolle, Routing und konkurrenzbasierte opportunistische Kommunikation vorgestellt. Am Beispiel von IEEE 802.11 wird illustriert, wie der schichtübergreifende Entwurf in einem Netzwerksimulator prototypisch implementiert werden kann. Auf Grundlage der Evaluationsresultate kann der Schluss gezogen werden, dass die opportunistische Kommunikation konkurrenzbasiert realisierbar ist. Darüber hinaus steigern die vorgestellten Protokolle den Durchsatz im Vergleich zu etablierten Lösungen wie etwa DCF, DSR, ExOR, RBAR und ETT. / In the field of wireless communication, a tremendous progress can be observed especially at the lower layers. Innovative physical layer (PHY) concepts and technologies can be rapidly assimilated in cellular networks. Wireless mesh networks (WMNs), on the other hand, cannot keep up with the speed of innovation at the PHY due to their flat and decentralized architecture. Many innovative PHY technologies rely on multi-user communication, so that the established abstraction of the network stack does not work well for WMNs. The scheduling problem in WMNs is inherent complex. Surprisingly, carrier sense multiple access (CSMA) in WMNs is asymptotically utility-optimal even though it has a low computational complexity and does not involve message exchange. Hence, the question arises whether CSMA and the underlying concept of contention allows for the assimilation of advanced PHY technologies into WMNs. In this thesis, we design and evaluate contention protocols based on CSMA for opportunistic communication in WMNs. Opportunistic communication is a technique that relies on multi-user diversity in order to exploit the inherent characteristics of the wireless channel. In particular, we consider opportunistic routing (OR) and opportunistic scheduling (OS) in memoryless and slow fading channels, respectively. We present models for congestion control, routing and contention-based opportunistic communication in WMNs in order to maximize both throughput and fairness of elastic unicast traffic flows. At the instance of IEEE 802.11, we illustrate how the cross-layer algorithms can be implemented within a network simulator prototype. Our evaluation results lead to the conclusion that contention-based opportunistic communication is feasible. Furthermore, the proposed protocols increase both throughput and fairness in comparison to state-of-the-art approaches like DCF, DSR, ExOR, RBAR and ETT.

En el futuro, los dispositivos digitales formarán parte del entorno en el que las personas se desenvuelvan, participarán en nuestros objetivos y necesidades y nos ayudarán a "hacer más haciendo menos". A través de los dispositivos portátiles o aquellos que estén embebidos a nuestro alrededor el usuario será capaz de interactuar con el futuro universo de servicios e infraestructuras ubicuas. El principal paradigma que se seguirá se basa en que este universo estará centrado en el usuario ya que éste demandará los servicios que más le convengan en cualquier momento y lugar, todo ello preservando nuestra privacidad y seguridad. Este nuevo concepto no sólo se aplica a un entorno de ocio sino que en el campo profesional las redes inalámbricas de próxima generación permitirán incrementar nuestra productividad, reduciendo el peso de tareas repetitivas, poniendo a nuestra disposición la información relevante en el momento adecuado y según sean las necesidades particulares del usuario en ese momento y permitiéndonos trabajar con otras personas independientemente de donde se encuentren. En particular, se intuye que las redes de próxima generación se diseñen de forma que aglutinen todos los servicios disponibles a través de los diferentes sistemas que existan de forma que las posibles deficiencias de alguno de ellos se vean compensadas por otro. Lo que se pretende conseguir es que el usuario pueda disfrutar en todo momento y lugar de los servicios que desee sin que ello suponga un esfuerzo.Este concepto implica diferentes retos tecnológicos y la integración de múltiples sistemas. Dentro de estos retos tecnológicos esta Tesis aborda los siguientes: soporte de la heterogeneidad en lo referente a las tecnologías de acceso radio que existen y que eventualmente aparecerán en el futuro y que coexistirán en un mismo terminal; desarrollo de técnicas de optimización basadas en la cooperación entre diferentes capas de la pila de protocolos; implementación de estrategias de selección de la red que mejor pueda soportar un determinado servicio ante la posibilidad de utilización de múltiples tecnologías de acceso; optimización del uso de recursos energéticos en las comunicaciones dentro de la red; protección de la privacidad y la seguridad de las comunicaciones personales del usuario.Desde el punto de vista de las aportaciones, en esta Tesis se ha contribuido mediante el diseño, implementación y validación de una serie de técnicas de optimización de las comunicaciones en redes de dispositivos móviles basadas en información intercapa. Para ello, se propone una arquitectura de protocolos novedosa que permite soportar la heterogeneidad en términos de tecnologías de acceso dentro del mismo terminal. El concepto de aislar las capas superiores de la pila de protocolos de las tecnologías de acceso subyacentes se consigue a través de una Capa de Convergencia Universal (UCL, en sus siglas en inglés). El diseño y la especificación esta arquitectura así como de los bloques funcionales que la componen son la primera contribución que se hace en esta Tesis. La UCL supone el marco en el que el resto de técnicas de optimización que se presentan han sido desarrolladas.Igualmente, se desarrollan una serie de técnicas basadas en optimización intercapa que permiten una gestión eficiente de los recursos disponibles así como una mejora en el uso de la energía. Finalmente, se implementan los mecanismos de autenticación y encriptación que permiten asegurar las comunicaciones dentro de la red. El diseño, implementación y validación de estos mecanismos supone la segunda contribución en esta Tesis. El empleo de técnicas de optimización basadas en información procedentes de diferentes capas de la pila de protocolos es la base de los dos mecanismos que se han propuesto. El primero de ellos se basa en la selección dinámica de la tecnología de acceso a utilizar para obtener un rendimiento óptimo del sistema. La segunda estrategia de optimización consiste en el uso simultáneo de varias tecnologías de acceso para conseguir una mejora en las prestaciones de la red. Aparte de la optimización en cuanto al rendimiento en términos de ancho de banda y calidad de servicio, se ha evaluado la mejora de la eficiencia energética conseguida gracias a las soluciones propuestas. Los resultados obtenidos permiten concluir que las propuestas realizadas en el marco de esta Tesis representan una optimización tanto en parámetros de calidad de servicio como en la eficiencia energética del sistema.El mayor avance respecto del estado del arte se centra en habilitar al usuario para que utilice de manera transparente, eficiente y segura los dispositivos que tiene a su alrededor independientemente de la heterogeneidad que presenten y sin requerir de un conocimiento intensivo de la tecnología. El usuario podrá comunicarse haciendo un uso óptimo de los recursos a su alcance sin preocuparse de tener que gestionarlos él mismo. / In the future, computation will be human-centred: it will enter the human world, handling our goals and needs and helping us to do more by doing less. Next generation wireless systems should provide the user access with a broad range of services in a transparent way, independently of user location, by making the technology invisible and embedded in the natural surroundings. New systems will boost our productivity. They will help us automate repetitive human tasks, control a wide range of physical devices in our environment, find the information we need (when we need it, without obliging us to examine thousands of search-engine hits), and enable us to work together with other people through space and time.The achievement of this paradigm led to the identification of a set of optimizations in intra-cluster communications that were needed to fully support it. Firstly, heterogeneity will be a fundamental characteristic of next generation wireless communications since more and more personal devices are equipped with multiple network access technologies so that the user can have access to the different services that the different operational environments provide. However, Next Generation Networks (NGN) will comprise such a diverse number of possibilities that the users cannot be expected to take technical decisions on their own. It is necessary to provide mechanisms that intelligently select the optimal available access network based on context information such as user preferences, power consumption, link quality, etc. Finally, users need to trust the system that supports their personal communications. Within a personal network the most confidential information might be exchanged and the user need to be sure that this will never be disclosed. If the system fails in these features, NGN in general and PNs in particular will never happen.This Thesis has contributed with the development of the mechanisms that tackle the abovementioned challenges. The design and specification of a convergence framework, the so-called Universal Convergence Layer (UCL), has been the first topic addressed. This framework aims to manage all the network access interfaces with which a device is equipped so that they can be transparently used by upper layers as if the node were equipped with a single access technology. On the other hand, the UCL enables the cross-layer optimization paradigm. Its privileged location within the protocol stack gives the UCL the possibility to support both bottom-up and top-down information flow. In this sense, two different solutions based on cross-layer optimization have been proposed to enhance the performance and energy efficiency of the system. The first one deals with the selection at run-time of the most appropriate wireless interface to be used in order to improve the system performance. The second one leverages the striping concept in order to exploit all the network interfaces available. Finally, the UCL also plays a key role in security issues as an enabler for providing link-layer security mechanisms that ensure data confidentiality and integrity, authenticity and non-repudiation. The techniques implemented for node authentication combined with traffic encryption in ad-hoc networks have been thoroughly assessed and have demonstrated their appropriateness.The biggest advance in the state-of-the-art comes from enabling the user to have easy, affordable and seamless control of their devices over heterogeneous communications networks. They are empowered to communicate efficiently and securely with their selected interaction groups, no matter what kind of access is available for them to use.

Το αντικείμενο της διατριβής αυτής είναι η μελέτη της διαστρωματικής (cross-layer) προσέγγισης ανάπτυξης ασύρματων δικτύων κατανεμημένης λειτουργίας με απαιτήσεις επικοινωνίας πραγματικού χρόνου και περιορισμένους διαθέσιμους πόρους. Επιπλέον βασικό στόχο αποτελεί και η σχεδίαση, πρόταση αντίστοιχης αρχιτεκτονικής η οποία στοχεύει στη βέλτιστη διαχείριση διαθεσίμων δικτυακών πόρων σε καταστάσεις συμφόρησης του δικτύου και κατά συνέπεια στην βελτίωση της απόδοσης αυτού. Μέσα από μελέτες στα πλαίσια της διατριβής αναδεικνύεται η σημασία του φαινομένου συμφόρησης ως κύριου παράγοντα σπατάλης δικτυακών πόρων καθώς και οδήγησης του δικτύου σε κατάσταση κορεσμού με αρνητική επίπτωση σε όλες τις παραμέτρους απόδοσης του δικτύου. Στόχος, λοιπόν, της προτεινόμενης επικοινωνιακής αρχιτεκτονικής είναι η αποφυγή του φαινομένου συμφόρησης έτσι ώστε το δίκτυο να οδηγείται δυναμικά σε ένα σταθερό σημείο απόδοσης (όσο αυτό είναι δυνατό) το οποίο θα επιτρέπει στο δίκτυο να αποδίδει όσο το δυνατόν καλύτερα αποφεύγοντας τη ίδια στιγμή άσκοπη σπατάλη πόρων. Βασική παράμετρος στη σχεδίαση αποτελεί η συμβατότητα τόσο ως προς σημαντικό εύρος διαθέσιμων πρωτοκόλλων σε διάφορα επίπεδα, όσο και ως προς τη δυνατότητα συνύπαρξης κόμβων που ενσωματώνουν την προτεινόμενη αρχιτεκτονική με κόμβους χωρίς αυτήν. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε στα πλαίσια γνωστού και αξιόπιστου δικτυακού εξομοίωση. Αξιολόγηση της υλοποίησης αυτής μέσα από μεγάλο αριθμό πειραμάτων έδειξε επίτευξη του στόχου καθώς το φαινόμενο της συμφόρησης αντιμετωπίστηκε σε όλες τις περιπτώσεις με σημαντικά οφέλη στην απόδοση του δικτύου και διαχείριση των πόρων. Επιπλέον, λόγω του μεγάλου βαθμού παραμετροποίησης αποτελεί ιδανική βάση για μελλοντικές προεκτάσεις. / This objective of this dissertation is the study of cross-layer approach applied on the development of distributed wireless networks with real-time response demands and scarce available resources. Furthermore, another main goal is the design and proposal of a respective network architecture aiming at optimum resource management under congestion scenarios and therefore maximization of network performance. Through various studies undertaken in the context of this dissertation the importance of the congestion problem is presented as a main factor leading the network to resource waste and saturation conditions negatively affecting all network performance metrics. Consequently, this dissertation aims in proposing a cross-layer architecture able to detect and tackle congestion phenomenon by dynamically retaining network performance at a steady state (as than is possible) where network performs optimally and resource waste in minimized. Among others, a main parameter is retaining compatibility with a wide range of widely used protocols of various layers as well compatibility concerning the coexistence in the same network of stations supporting with stations not supporting the proposed architecture. The proposed architecture is implemented in the context of widely known and used network simulator. Evaluation of this implementation through numerous simulations showed that the objectives are met since congestion phenomenon is tackled in most cases with significant benefits concerning network performance and resource management. Furthermore, due to the high parametrization degree it constitutes a very good base for future expansions.

This thesis presents a cross-layer design and optimization for emerging wideband wireless networks supporting multimedia applications, considering the interactions of the wireless channel characteristics, the physical and link layer protocols, and the user-perceived Quality-of-Service (QoS). As wireless channels are error-prone and broadcast in nature, both the error control mechanisms and the Media Access Control (MAC) protocols are critical for resource utilization and QoS provisioning. How to analyze, design and optimize the high-rate wireless networks by considering the characteristics of the propagation channels and wideband communication technologies is an open, challenging issue. In this thesis, we consider two important wideband wireless systems, the Ultra-Wideband (UWB) and the Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) systems. First, we propose the packet-level channel models based on Finite State Markov Chains (FSMCs) for the two systems, which present the statistical properties of the propagation channels and the transmission systems. Second, by incorporating the proposed packet-level channel models, we develop analytical frameworks for quantifying the performance of the high-rate wireless networks, combining the channel fading, physical- and link-layer error-control mechanisms and MAC protocols. Third, to mitigate the impact of channel fading and impairments, a cross-layer joint error-control mechanism is proposed. In addition, we also investigate the impact of channel fading on the video streaming applications, and propose a simple admission control algorithm to ensure QoS. As considering the physical-layer characteristics is critical for ensuring QoS and efficiency of resource utilization, the packet-level channel models, cross-layer analytical frameworks, networking protocols and simulation methodologies proposed in this dissertation are essential for future proliferation of high-rate wireless networks.

Les Réseaux de Capteurs Sans Fil (RCSFs) constituent une classe particulière des réseaux Ad hoc, faisant l'objet de recherches intensives. Ils sont considérés comme un outil très puissant pour connecter le monde physique et le monde numérique. Ils se composent d'un grand nombre de noeuds capteurs dotés de ressources limitées en termes d'énergie, de portée de capture et de communication, de vitesse de traitement et de capacité de stockage. Ils sont déployés dans un environnement intérieur ou extérieur, et ce dans de nombreux domaines d'application tels que l'armée, l'environnement, la santé, la maison et l'agriculture. La rareté des ressources des noeuds capteurs et la non fiabilité des liaisons sans fil motivent la plupart des problématiques dans le domaine des RCSFs, à savoir l'énergie, la couverture, la connectivité, le routage, la tolérance aux pannes et la sécurité. L'objectif de cette thèse est de proposer un protocole de surveillance inter-couches, à efficacité énergétique et fiable, pour la surveillance des zones sensibles clôturées, tel qu'un site pétrolier ou nucléaire, utilisant les réseaux de capteurs sans fil avec un cycle d'activité, et avec prise en compte des liens asymétriques dus au phénomène de l'irrégularité de la radio. Initialement, le protocole proposé identifie les noeuds de bordure du RCSF pour les utiliser comme nœuds sentinelles, c.-à-d., des noeuds qui sont toujours dans un état actif. Les noeuds restants sont utilisés en tant que noeuds relais avec un cycle d'activité, pendant la phase de routage des alertes vers le noeud puits. Le processus d'identification des noeuds de bordure ainsi que le routage des alertes, sont assurés par le protocole Greedy Perimeter Stateless Routing through Symmetrical Links (GPSR-SL) qui est une version améliorée du protocole GPSR, reposant sur un graphe de connectivité représenté sous forme de disques non-unité (N-UDG). Le protocole de surveillance inter-couches proposé a été implémenté et ses performances ont été évaluées en utilisant l'environnement de simulation OMNeT++/Castalia. Les résultats de performance montrent que ce protocole permet d'obtenir un ratio de livraison de paquets plus élevé d'environ 3.63%, une efficacité énergétique et une latence satisfaisante par rapport au même protocole basé sur le GPSR original. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are a special class of Ad hoc networks, which are under intensive research.They are considered as a very powerful tool to connect the physical and the digital worlds. They consist of a largenumber of sensor nodes that are characterized with limited resources in terms of energy, range of sensing and communication, processing speed and storage capacity.They are deployed in an indoor or outdoor environment in many application domains such as army, environment, health, home and agriculture. The scarcity of sensor node resources and the unreliability of wireless links drive most of the research issues in the field of WSNs, namely energy, coverage, connectivity, routing, fault tolerance and security. The aim of this thesis is to propose an energyefficient and reliable cross-layer surveillance protocol for sensitive fenced areas, such as oil or nuclear sites, using duty-cycled WSNs with asymmetrical links due to the radio irregularity phenomenon. Initially, the proposed protocol identifies the boundary nodes of the deployedWSN, to be used as sentinel nodes, i.e., nodes that are always in an active state. The remaining nodes are usedas duty-cycled relay nodes during the routing phase to relay alerts towards the sink. The boundary nodes identification process and alert routing are both performed using an enhanced version of the Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) protocol, referred to as GPSR over Symmetrical Links (GPSR-SL) and which relies on a Non Unit Disk Graph (N-UDG). The proposed cross-layer surveillance protocol has been implemented and its performance has been evaluated under the OMNeT++/Castalia simulation environment. Performance results show that this protocol achieves higher Packet Delivery Ratio by up to 3.63%, energy .efficiency and satisfactory latency when compared to the same protocol based on the original GPSR.

La technologie OFDMA (Orthogonal frequency division multiple access) a été adoptée par les systèmes de télécommunications de 4ème génération (4G) comme technique de transmission et d'accès multiple pour ses performances supérieures en termes d'efficacité spectrale. Dans ce type de systèmes, l'adaptation dynamique du débit en fonction de la qualité du canal CQI (Channel Quality Indicator) constitue une problématique de recherche d'actualité qui attire l'attention de plusieurs acteurs académiques et industriels. Ce problème d'adaptation dynamique est encore plus complexe à gérer dans des environnements multi-utilisateurs hétérogènes et à ressources limitées tels que les systèmes OFDMA comme WiMAX Mobile et Long-term Evolution (LTE). Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème d'allocation de ressources de l'information de feedback relative au CQI dans le cadre de systèmes OFDMA multi-porteuses multi-utilisateurs. Dans le but de réduire la charge (overhead) du feedback, nous proposons une méthode de prédiction du CQI basée sur l'exploitation de la corrélation temporelle de ce dernier et d'une solution inter-couches. L'objectif est de trouver des schémas d'allocation de ressources adaptatifs respectant les contraintes de qualité de service (QoS) applicatives.Nous proposons en premier lieu un algorithme de réduction de feedback PBF (Prediction Based Feedack) qui permet à la station de base (BS) à prédire certaines occurrences du CQI en se basant sur l'algorithme des moindres carrés récursif RLS (Recursive least-square). Les résultats de simulation montrent que l'outil de prédiction du CQI réduit sensiblement l'overhead du feedback et améliore par conséquent le débit de la liaison montante. Nous proposons, par la suite, une version opportuniste de PBF pour atténuer les éventuels effets de sur et sous estimations liées à l'algorithme de prédiction. Dans ce mécanisme, nous exploitons les informations inter-couches pour améliorer les performances des mécanismes de feedbacks périodiques dont PBF fait partie. L'approche opportuniste améliore sensiblement les performances du système pour les cas de mobilité élevée comparés aux cas de faible mobilité.Dans un second temps, nous proposons une plateforme (FEREP : feedback resource allocation and prediction) basée sur une approche inter-couches. Implémentée au niveau de la station BS, FEREP intègre les fonctionnalités de prédiction, d'adaptation dynamique du CQI et d'ordonnancement des demandes de feedback. Elle comporte trois modules. Le module FWA (feedback window adaptation) gère dynamiquement la fenêtre de feedbacks de chaque station mobile (MS) en se basant sur les messages ARQ (Automatic Repeat Request) reçus qui reflètent l'état actuel des canaux respectifs. Le module PBFS (priority-based feedback scheduling) effectue ensuite l'ordonnancement des feedbacks en tenant compte de la taille de la fenêtre de feedback, du profil de l'utilisateur sous la contrainte de la limitation des ressources globales du systèmes réservées au feedback. Afin de choisir les paramètres de transmission MCS (modulation and coding schemes), le module PBF (prediction based feedback) est utilisé pour les utilisateurs dont le feedabck n'a pas pu être ordonnancé dans la trame courante. Les résultats de simulation ont montré un gain significatif des performances de FREREP en comparaison à un mécanisme de référence, en particulier, sous de fortes contraintes de limitation des ressources du feedback.Le protocole ARQ génère un accusé de réception uniquement si l'utilisateur est sélectionné par l'ordonnanceur pour envoyer des données sur la liaison descendante. Dans le cas où la fréquence d'ordonnancement des utilisateurs sur le lien descendant est réduite, les messages ARQ s'en trouvent également réduits, dégradant par conséquent les performances de la plateforme FEREP proposée ci-dessus. En effet, dans ce cas la signalisation ARQ devient insuffisante pour adapter efficacement la fenêtre de feedback de chaque utilisateur. Pour pallier à ce problème, nous proposons l'algorithme DCRA (dynamic CQI resource allocation) qui utilise deux modes d'estimation de la fenêtre de feedback. Le premier est un mode hors-ligne basé sur des études empiriques permettant d'estimer la fenêtre moyenne optimale de feedback en utilisant les profils applicatif et de mobilité de l'utilisateur. Notre analyse de performance par simulation montre que la fenêtre de feedback peut être estimée en fonction de la classe de service des utilisateurs et de leurs profils de mobilité pour un environnement cellulaire donné. Le second mode de fonctionnement de DCRA effectue une adaptation dynamique de la fenêtre en temps réel dans le cas où la signalisation ARQ est suffisante. Une étude comparative avec les mécanismes DFS (deterministic feedback scheduling) et OFS (opportunistic feedback scheduling), a montré que DCRA arrive à réaliser un meilleur gain en ressources montantes grâce à la réduction de l'overhead des feedbacks, sans pour autant trop dégrader le débit descendant des utilisateurs. Du point de vue des utilisateurs, DCRA améliore les contraintes de QoS tels que le taux de perte de paquets et réduit la consommation énergétique des terminaux grâce à la réduction de feedback. / Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA) technology has been adopted by 4th generation (a.k.a. 4G) telecommunication systems to achieve high system spectral efficiency. A crucial research issue is how to design adaptive channel quality indicator (CQI) feedback mechanisms so that the base station can use adaptive modulation and coding (AMC) techniques to adjust its data rate based on the channel condition. This problem is even more challenging in resource-limited and heterogeneous multiuser environments such as Mobile WiMAX, Long-term Evolution (LTE) networks. In this thesis, we consider CQI feedback resource allocation issue for multiuser multicarrier OFDMA systems. We exploit time-domain correlation for CQI prediction and cross-layer information to reduce feedback overhead for OFDMA systems. Our aim is find resource allocation schemes respecting the users QoS constraints.Our study begins with proposing prediction based feedback (PBF) which allows the base station to predict the CQI feedbacks based on recursive least-square (RLS) algorithm. We showed that it is useful to use channel prediction as a tool to reduce the feedback overhead and improve the uplink throughput. Then, we propose an opportunistic periodic feedback mechanism to mitigate the possible under and over estimation effects of CQI prediction. In this mechanism, we exploited the cross-layer information to enhance the performance of periodic feedback mechanisms. The opportunistic mechanism improves the system performance for high mobility cases compared to low mobility cases.For OFDMA systems with limited feedback resource, we propose an integrated cross-layer framework of feedback resource allocation and prediction (FEREP). The proposed framework, implemented at the BS side, is composed of three modules. The feedback window adaptation (FWA) module dynamically tunes the feedback window size for each mobile station based on the received ARQ (Automatic Repeat Request) messages that reflect the current channel condition. The priority-based feedback scheduling (PBFS) module then performs feedback allocation by taking into account the feedback window size, the user profile and the total system feedback budget. To choose adapted modulation and coding schemes (MCS), the prediction based feedback (PBF) module performs channel prediction by using recursive least square (RLS) algorithm for the user whose channel feedback has not been granted for schedule in current frame. Through extensive simulations, the proposed framework shows significant performance gain especially under stringent feedback budget constraint.ARQ protocol receives users acknowledgement only if the user is scheduled in the downlink. The reduction in users scheduling frequency also reduces the rate of ARQ hints and degrades the performance of above contributions. In this case, it is difficult to exploit the ARQ signal to adapt the feedback window for that user. To address this issue, we propose a cross-layer dynamic CQI resource allocation (DCRA) algorithm for multiuser multicarrier OFDMA systems. DCRA uses two modes for feedback window estimation. The first one is an off-line mode based on empirical studies to derive optimal average feedback window based on user application and mobility profile. Our experimental analysis shows that the feedback window can be averaged according to users service class and their mobility profile for a given cell environment. DCRA performs a realtime dynamic window adaptation if sufficient cross-layer hints are available from ARQ signaling. DCRA increases uplink resource by reducing feedback overhead without degrading downlink throughout significantly compared to deterministic feedback scheduling (DFS) and opportunistic feedback scheduling (OFS). From the users perspective, DCRA improves QoS constraints like packet loss rate and saves users power due to feedback reduction.

Le streaming adaptatif sur HTTP, désigné par HAS, est une technique de streaming vidéo largement déployée sur Internet. Elle utilise TCP comme protocole de transport. Elle consiste à segmenter la vidéo stockée sur un serveur web en petits segments indépendants de même durée de lecture et transcodés à plusieurs niveaux de qualité, désignés par "chunks". Le player, du côté du client HAS, demande périodiquement un nouveau chunk. Il sélectionne le niveau de qualité en se basant sur l’estimation de la bande passante du/des chunk(s) précédent(s). Étant donné que chaque client HAS est situé au sein d’un réseau d’accès, notre étude traite un cas fréquent dans l’usage quotidien: lorsque plusieurs clients partagent le même lien présentant un goulot d’étrangement et se trouvent en compétition sur la bande passante. Dans ce cas, on signale une dégradation de la qualité d’expérience (QoE) des utilisateurs de HAS et de la qualité de service (QoS) du réseau d’accès. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’optimiser le protocole TCP pour résoudre ces dégradations de QoE et QoS. Notre première contribution propose une méthode de bridage du débit HAS au niveau de la passerelle. Cette méthode est désignée par "Receive Window Tuning Method" (RWTM): elle utilise le principe de contrôle de flux de TCP et l’estimation passive du RTT au niveau de la passerelle. Nous avons comparé les performances de RWTM avec une méthode récente implémentée à la passerelle qui utilise une discipline particulière de gestion de la file d’attente, qui est désignée par "Hierarchical Token Bucket shaping Method" (HTBM). Les résultats d’évaluations indiquent que RWTM offre une meilleure QoE et une meilleure QoS de réseau d’accès que HTBM. Notre deuxième contribution consiste à mener une étude comparative combinant deux méthodes de bridages, RWTM et HTBM, avec quatre variantes TCP largement déployées, NewReno, Vegas, Illinois et Cubic. Les résultats d'évaluations montrent une discordance importante entre les performances des différentes combinaisons. De plus, la combinaison qui améliore les performances dans la majorité des scénarios étudiés est celle de RWTM avec Illinois. En outre, une mise à jour efficace de la valeur du paramètre "Slow Start Threshold", sthresh, peut accélérer la vitesse de convergence du player vers la qualité optimale. Notre troisième contribution propose une nouvelle variante de TCP adaptée aux flux HAS, qu’on désigne par TcpHas; c’est un algorithme de contrôle de congestion de TCP adapté aux spécifications de HAS. TcpHas estime le niveau de la qualité optimale du flux HAS en se basant sur l’estimation de la bande passante de bout en bout. Ensuite, TcpHas applique un bridage au trafic HAS en fonction du débit d’encodage du niveau de qualité estimé. TcpHas met à jour ssthresh pour accélérer la vitesse de convergence. Une étude comparative a été réalisée avec la variante Westwood+. Les résultats d’évaluations montrent que TcpHas est plus performant que Westwood+. / HTTP adaptive streaming (HAS) is a streaming video technique widely used over the Internet. It employs Transmission Control Protocol (TCP) as transport protocol and it splits the original video inside the server into segments of same duration, called "chunks", that are transcoded into multiple quality levels. The HAS player, on the client side, requests for one chunk each chunk duration and it commonly selects the quality level based on the estimated bandwidth of the previous chunk(s). Given that the HAS clients are located inside access networks, our investigation involves several HAS clients sharing the same bottleneck link and competing for bandwidth. Here, a degradation of both Quality of Experience (QoE) of HAS users and Quality of Service (QoS) of the access network are often recorded. The objective of this thesis is to optimize the TCP protocol in order to solve both QoE and QoS degradations. Our first contribution consists of proposing a gateway-based shaping method, that we called Receive Window Tuning Method (RWTM); it employs the TCP flow control and passive round trip time estimation on the gateway side. We compared the performances of RWTM with another gateway-based shaping method that is based on queuing discipline, called Hierarchical Token Bucket shaping Method (HTBM). The results of evaluation indicate that RWTM outperforms HTBM not only in terms of QoE of HAS but also in terms of QoS of access network by reducing the queuing delay and significantly reducing packet drop rate at the bottleneck.Our second contribution consists of a comparative evaluation when combining two shaping methods, RWTM and HTBM, and four very common TCP variants, NewReno, Vegas, Illinois and Cubic. The results show that there is a significant discordance in performance between combinations. Furthermore, the best combination that improves performances in the majority of scenarios is when combining Illinois variant with RWTM. In addition, the results reveal the importance of an efficient updating of the slow start threshold value, ssthresh, to accelerate the convergence toward the best feasible quality level. Our third contribution consists of proposing a novel HAS-based TCP variant, that we called TcpHas; it is a TCP congestion control algorithm that takes into consideration the specifications of HAS flow. Besides, it estimates the optimal quality level of its corresponding HAS flow based on end-to-end bandwidth estimation. Then, it permanently performs HAS traffic shaping based on the encoding rate of the estimated level. It also updates ssthresh to accelerate convergence speed. A comparative performance evaluation of TcpHas with a recent and well-known TCP variant that employs adaptive decrease mechanism, called Westwood+, was performed. Results indicated that TcpHas largely outperforms Westwood+; it offers better quality level stability on the optimal quality level, it dramatically reduces the packet drop rate and it generates lower queuing delay.