The future success of communication networks hinges on the ability to overcome the mismatch between requested quality of service (QoS) and limited network resources. Spectrum is a natural resource that cannot be replenished and therefore must be used efficiently. On the other hand, energy efficiency (EE) is also becoming increasingly important as battery technology has not kept up with the growing requirements stemming from ubiquitous multimedia applications. The qualities of wireless channels vary with both time and user. We use channel state information (CSI) to dynamically assign wireless resources to users to improve spectral and energy efficiency. We first investigate a series of general treatments of exploiting CSI in a distributed way to control the medium access to maximize spectral efficiency for networks with arbitrary topologies and traffic distributions. As the first step, we propose decentralized optimization for multichannel random access (DOMRA), which uses local CSI and two-hop static neighborhood information to achieve performance comparable with the global optimal channel-aware Aloha. The generic framework developed in DOMRA proved to be very useful in improving cellular networks as well. We develop cochannel interference avoidance (CIA) medium access control (MAC), which is optimized by DOMRA, to mitigate the downlink severe cochannel interference that is usually experienced by cell-edge users. Aloha-based schemes have low channel utilization efficiency because of the collision of entire data frames. We further develop channel-aware distributed MAC (CAD-MAC), which avoids collision through signaling negotiation ahead of data transmission. CAD-MAC completely resolves the contention of networks with arbitrary topologies, achieves throughput close to centralized schedulers, and is robust to any channel uncertainty. Then we address energy-efficient wireless communications while emphasizing orthogonal frequency multiple access (OFDMA) systems. We first discover the global optimal energy-efficient link adaptation in frequency-selective channels using the strict quasiconcavity of energy efficiency functions. This link adaptation optimally balances the power consumption of electronic circuits and that of data transmission on each subchannel. The global optimal energy-efficient transmission can be obtained using iterative operations, which may be complex to be implemented in a practical system. Besides, running iterative algorithms consumes additional energy. Hence, we further develop a closed-form link adaptation scheme, which performs close to the global optimum. Besides, since subchannel allocation in OFDMA systems determines the energy efficiency of all users, we develop closed-form resource allocation approaches that achieve near-optimal performance too. In an interference-free environment, a tradeoff between EE and spectral efficiency (SE) exists, as increasing transmit power always improves SE but not necessarily EE. We continue the investigation in interference-limited scenarios and show that since increased transmit power also brings higher interference to the network, SE is not necessarily higher and the tradeoff is improved. Especially, in interference-dominated regimes, e.g., local area networks, both spectral- and energy-efficient communications desire optimized time-division protocols and the proposed DOMRA, CIA-MAC, and CAD-MAC can be used to improve both spectral and energy efficiency.

A wireless local area network (WLAN) provides high bandwidth to users in a limited geographical area. This network faces certain challenges and constraints that are not imposed on their wired counterparts. They are: frequency allocation, interference and reliability, security, power consumption, human safety, mobility, connection to wired LAN,service area, handoff and roaming, dynamic configuration and the throughput. But the wireless medium relies heavily on the features of MAC protocol and the MAC protocol is the core of medium access control for WLANs. The available MAC protocols all have their own merits and demerits. In our research works, we propose a hybrid MAC protocol forWLAN. In the design, we have combined the merits of the TDMA and CDMA systems to improve the throughput of the WLAN in a picocellular environment. We have used the reservation and polling methods of MAC protocols to handle both the low and high data traffics of the mobile users. We have strictly followed the standards specified by IEEE 802.11 for WLANs to implement the designed MAC protocol. We have simulated the hybrid TDMA/CDMA based MAC protocols combined with RAP (Randomly Addressed Polling) for Wireless Local Area Networks. We have developed a closed form mathematical expressions analytically for this protocol. We have also studied the power control aspects in this environment and we derived a closed form mathematical expressions analytically for this power control technique. This hybrid protocol is capable of integrating different types of traffic (like CBR,VBR and ABR services) and compiles with the requirements of next-generation systems.The lower traffic arrival is dealt with the Random Access and the higher traffic arrival is with the Polling methods. This enables us to obtain higher throughput and lowmean delay performance compared to the contention-reservation-based MAC schemes. The protocol offers the ability to integrate different types of services in a flexible way by the use of multiple slots per frame, while CDMA allows multiple users to transmit simultaneously using their own codes. The RAP uses an efficient "back-off" algorithm to improve throughput at higher arrival rates of user's data. The performance is evaluated in terms of throughput, delay, and rejection rate using computer simulation. A detailed simulation is carried out regarding the maximum number of users that each base station can support on a lossy channel. This work has analyzed the desired user's signal quality in a single cell CDMA (Code Division Multiple Access) system in the presence of MAI (Multiple Access Interference). Earlier power control techniques were designed to assure that all signals are received with equal power levels. Since these algorithms are designed for a imperfect control of power, the capacity of the system is reduced for a given BER (Bit-Error Rate). We proposed an EPCM (Efficient Power Control Mechanism) based system capacity which is designed for the reverse link (mobile to base station) considering the path loss, log-normal shadowing and Rayleigh fading. We have simulated the following applications for the further improvement of the performance of the designed MAC protocol:Designed protocol is tested under different traffic conditions. The protocol is tested for multimedia traffic under application oriented QoS requirements. Buffer Management and resource allocation. Call Admission Control (hand-offs, arrival of new users). The adaptability to the variable nature of traffic.The propagation aspects in the wireless medium. The proposed MAC protocol has been simulated and analysed by using C++/MATLAB Programming in IBM/SUN-SOLARIS UNIX environment. The results were plotted using MATLAB software. All the functions of the protocol have been tested by an analysis and also by simulation. Call admission control function of the protocol has been tested by simulation and analysis in a multimedia wireless network topology and from analysis we found that at low traffic the throughput is high and at high traffic the throughput is kept constant at a reasonable high value. The simulation results also justify/ coordinate the analysis results. Dynamic channel allocation function of the protocol was tested and analysed and the coordinated results show that at low traffic, high throughput and at high traffic the throughput is constant. Buffer management function of the protocol simulation shows the results that the packet loss can be controlled to a minimum by adjusting the buffer threshold level at any traffic conditions. Maintenance of data transfer during the hand-offs function was simulated and the results show that the blocked calls are less during low traffic and at high traffic the blocked calls can be kept constant at low value. Thus, the proposed model aimed at having high throughput, high spectral efficiency, low delay, moderate BER and moderate blocking probability. We have considered a pico cell with a maximum of several users and studied the power efficiency of combined channel coding and modulation with perfect power controlled CDMA system. Thus our simulation of the "software radio" has flexibility in choosing the proper channel coders dynamically depending upon the variations of AWGN channel.

In this thesis, we consider a vector Gaussian multiple access channel (MAC) with users demanding reliable communication at specific (Shannon-theoretic) rates. The objective is to assign vectors and powers to these users such that their rate requirements are met and the sum of powers received is minimum. We identify this power minimization problem as an instance of a separable convex optimization problem with linear ascending constraints. Under an ordering condition on the slopes of the functions at the origin, an algorithm that determines the optimum point in a finite number of steps is described. This provides a complete characterization of the minimum sum power for the vector Gaussian multiple access channel. Furthermore, we prove a strong duality between the above sum power minimization problem and the problem of sum rate maximization under power constraints. We then propose finite step algorithms to explicitly identify an assignment of vectors and powers that solve the above power minimization and sum rate maximization problems. The distinguishing feature of the proposed algorithms is the size of the output vector sets. In particular, we prove an upper bound on the size of the vector sets that is independent of the number of users. Finally, we restrict vectors to an orthonormal set. The goal is to identify an assignment of vectors (from an orthonormal set) to users such that the user rate requirements is met with minimum sum power. This is a combinatorial optimization problem. We study the complexity of the decision version of this problem. Our results indicate that when the dimensionality of the vector set is part of the input, the decision version is NP-complete.

The IEEE 802.15.4 standard is a low-power, low-rate MAC/PHY standard that meets most of the stringent requirements of single-hop wireless sensor networks. Sensor networks with nodal populations comprised of thousands of devices have been envisioned in conjunction with environmental, vehicular, and military applications, to mention a few. However, such large sensor network deployments necessitate multi-hop support as well as low power consumption. In light of the standard's extremely limited joint support of the two aforementioned attributes, this thesis presents two essential contributions. First, a framework is proposed to implement a new IEEE 802.15.4 operating mode, namely the synchronized peer-to-peer mode. This mode is designed to enable the standard's low-power features in peer-to-peer multi-hop-ready topologies. The second contribution is a distributed Guaranteed Time Slot (dGTS ) management scheme designed to function in the newly devised network mode. This protocol provides reliable contention-free access in peer-to-peer topologies in a completely distributed manner. Assuming optimal routing, our simulation experiments reveal perfect delivery ratios as long as the traffic load does not reach or surpass its saturation threshold. dGTS sustains at least twice the delivery ratio of contention access under sub-optimal dynamic routing. Moreover, the dGTS scheme exhibits minimum power consumption by eliminating the retransmissions attributed to contention, which in turn reduces the number of transmissions to a minimum. / Thesis (Master, Electrical & Computer Engineering) -- Queen's University, 2007-10-25 14:55:36.811

L'efficacité énergétique constitue l'objectif clef pour la conception des protocoles de communication pour des réseaux de capteurs radio multi-sauts. Beaucoup d'efforts ont été réalisés à différents niveaux de la pile protocolaire à travers des algorithmes d'agrégation spatiale et temporelle des données, des protocoles de routage efficaces en énergie, et des couches d'accès au médium avec des mécanismes d'ordonnancement permettant de mettre la radio en état d'endormissement afin d'économiser l'énergie. Pour autant, ces protocoles utilisent de façon importante des paquets de contrôle et de découverte du voisinage qui sont coûteux en énergie. En outre, cela se fait très souvent sans aucune interaction entre les différentes couches de la pile. Ces travaux de thèse s'intéressent donc particulièrement à la problématique de l'énergie des réseaux de capteurs à travers des protocoles de routage et d'accès au médium. Les contributions de cette thèse se résument de la manière suivante : Nous nous sommes tout d'abord intéressés à la problématique de l'énergie au niveau routage. Dans cette partie, les contributions se subdivisent en deux parties. Dans un premier temps, nous avons proposé une analyse théorique de la consommation d'énergie des protocoles de routage des réseaux radio multi-sauts d'appréhender au mieux les avantages et les inconvénients des uns et des autres en présence des modèles de trafic variables, un diamètre du réseau variable également et un modèle radio qui permet de modéliser les erreurs de réception des paquets. À l'issue de cette première étude, nous sommes parvenus à la conclusion que pour être économe en énergie, un protocole de routage doit avoir des approches similaires à celle des protocoles de routage géographique sans message hello. Puis, dans un second temps, nous introduisons une étude de l'influence des stratégies de relayage dans un voisinage à 1 saut sur les métriques de performance comme le taux de livraison, le nombre de messages dupliqués et la consommation d'énergie. Cette étude est suivie par une première proposition de protocole de routage géographique sans message hello (Pizza-Forwarding (PF)) exploitant des zones de relayage optimisées et sans aucune hypothèse sur les propriétés du canal radio. Dans le but de réduire considérablement la consommation de PF, nous proposons de le combiner avec une adaptation d'un protocole MAC asynchrone efficace en énergie à travers une approche transversale. La combinaison de ces deux approches montre un gain significatif en terme d'économie d'énergie avec des très bon taux de livraison et cela quels que soient les scénarios et la nature de la topologique.

Dans le cadre de cette thèse, on se proposait de développer de nouveaux mécanismes de radiolocalisation, permettant de positionner les nœuds de réseaux corporels sans-fil (WBAN) mobiles, en exploitant de manière opportuniste des liens radio coopératifs bas débit à l'échelle d'un même corps (i.e. coopération intra-WBAN), entre réseaux distincts (i.e. coopération inter-WBAN), et/ou vis-à-vis de l'infrastructure environnante. Ces nouvelles fonctions coopératives présentent un intérêt pour des applications telles que la navigation de groupe ou la capture de mouvement à large échelle. Ce sujet d'étude, par essence multidisciplinaire, a permis d'aborder des questions de recherche variées, humine-biomécanique et de ayant trait à la modélisation physique (e.g. modélisation spatio-temporelle des métriques de radiolocalisation en situation de mobilité, modélisation de la mobilité groupe...), au développement d'algorithmes adaptés aux observables disponibles (e.g. algorithmes de positionnement coopératifs et distribués, sélection et ordonnancement des liens/mesures entre les nœuds...), aux mécanismes d'accès et de mise en réseau (i.e. en support aux mesures coopératives et au positionnement itératif). Les bénéfices et les limites de certaines de ces fonctions ont été en partie éprouvés expérimentalement, au moyen de plateformes radio réelles. Les différents développements réalisés tenaient compte, autant que possible, des contraintes liées aux standards de communication WBAN émergeants (e.g. Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) IEEE 802.15.6), par exemple en termes de bande fréquentielle ou de taux d'erreur.

Cette thèse traite de la modélisation et la simulation de réseaux de capteurs sans fil afin de fournir des estimations précises de consommations d'énergie. Un cadre de conception et de simulation base sur SystemC au niveau système est proposé, nommé IDEA1. Elle permet l'exploration de l'espace de conception de réseaux de capteurs à un stade amont. Les résultats de simulation comprennent le taux de livraison de paquets, la latence de transmission et les consommations d'énergie. Sur un banc d'essai comportant 9 nœuds, la différence moyen entre les IDEA1 simulations et les mesures expérimentales est 4.6 %. Les performances d'IDEA1 sont comparées avec un autre simulateur largement utilisé, NS-2. Avec la co-simulation matérielle et logicielle, IDEA1 peut apporter des modèles plus détaillés de nœuds de capteurs. Pour fournir les résultats de la simulation au même niveau d'abstraction, IDEA1 réalise les simulations deux fois plus vite que NS-2.Enfin, deux études de cas sont accomplies pour valider le flot de conception d'IDEA1. La performance de l'IEEE 802.15.4 est globalement évaluée pour diverses charges de trafic et configurations de paramètres de protocole. Une application de contrôle actif des vibrations est également étudiée. Les simulations d'IDEA1 trouvent le meilleur choix de protocoles de communication.

Le problème de codage avec information adjacente (CCSI) est une technique récente d'annulation d'interférences en transmission et en compression de données. Ceci concerne les situations où l'émetteur est informé (par une voie retour par exemple) d'une partie de l'interférence canal. L'objectif est alors d' utiliser cette connaissance afin de concevoir un codage efficace. Une application étroitement liée à la transmission et à la compression de données est le "marquage de l'information" (information embedding). Potentiellement prometteur, le marquage d'information pose de nombreux défis dans différents domaines de recherche, allant de l'étude des limites théoriques de performance d'un point de vue théorie de l'information aux aspects liés à leurs implémentation d'un point de vue traitement de signal, en passant par la conception de code d'un point de vue communication numérique et codage. Dans cette thèse nous considérons la problématique de marquage de l'information sous ses trois aspects: de théorie de l'information, de codage et communication et de traitement de signal. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse peut être structurée en quatre parties. Dans la première partie, nous formalisons le problème de construction de dictionnaire comme un problème de conception de constellation. En particulier, nous montrons que le problème de codage avec information adjacente disponible à l'encodeur est fondamentalement un problème de codage conjoint source-canal. Ensuite, nous nous basons sur les réseaux de points imbriquées (nested lattices) pour la construction de bons codes algebriques à complexité réduite. Dans la deuxième partie, nous considérons le problème de marquage multiple comme un problème de communication multi-utilisateurs et nous construisons des stratégies de codage qui permettent d'approcher au mieux les limites théoriques de performances. La troisième partie traite le problème de sensibilité à l'information adjacente. Nous y évaluons la dégradation des performances due à une petite perturbation additive de l'information adjacente et nous y montrons que, dans certaines conditions, l'encodeur doit s'adapter à la perturbation en, éventuellement, changer sa stratégie de codage. La quatrième partie traite les performances du CCSI sur un canal AWGN avec jitter (AWGN\&J) d'un point de vue théorie de jeux.

Les progrès technologiques permettent aujourd'hui l'intégration à bas coût d'objets multi-capteurs hétérogènes communicants sans fil notamment pour la surveillance dans les environnements considérés à risques ou non accessibles. Le but de ces travaux de thèse est de contribuer à la sécurisation des personnes et de leur environnement de vie par la mise en réseau de dispositifs multi-capteurs de mesures sans fil. Ceux-ci doivent être spécifiés et configurés pour rendre par exemple l'environnement qu'ils surveillent intelligent et sécurisé. Le travail effectué porte sur la conception et le prototypage réel d'un réseau composé de dispositifs hétérogènes autonomes en énergie. Nos contributions comportent trois volets essentiels : Le premier volet concerne la conception d'un modèle de réseau ambiant adapté : nous avons proposé un modèle qui repose sur une architecture multi-niveaux caractérisée par des nœuds hétérogènes dont le captage (détection), le traitement et le stockage des données sont distribués par niveau. Cette architecture hiérarchique offre plusieurs avantages par rapport aux architectures linéaires classiques en termes d'évolutivité, de faible coût, de meilleure couverture, de hautes fonctionnalités et de fiabilité. Nous avons défini le comportement adapté pour chaque nœud dans le modèle et montré l'avantage de la solution par la simulation. Le deuxième volet concerne la proposition originale d'un protocole d'accès au médium efficace en énergie nommé " T-TMAC " et adapté à l'application, permettant d'organiser les échanges des messages dans l'architecture du réseau retenu. L'originalité du protocole est qu'il est composé de mécanismes de maintenance performants permettant la gestion de la mobilité et la reconfiguration du réseau (ajout et suppression d'un capteur). Pour cela, une adaptation et un paramétrage du standard IEEE 802.15.4 sont proposés. Le dernier volet présente l'évaluation et l'analyse de performances du protocole développé dans le cadre de scé narios de tests. Nous avons étudié en particulier l'impact de la taille des données et la périodicité de transfert sur l'énergie et le délai. Le protocole est validé à l'aide d'un modèle analytique dont les résultats ont été comparés à ceux obtenus par prototypage matériel.

Cette thèse se situe dans le domaine des Systèmes Commandés en Réseaux, systèmes pluridisciplinaires qui connaissent un grand développement dans le contexte technologique actuel et qui introduisent de nouveaux problèmes de recherche, en particulier, pour les communautés Automatique et Réseau de Communication. L'objectif est de montrer l'intérêt de considérer un lien bidirectionnel entre la Qualité de Contrôle (QdC) (stabilité et performance des applications de contrôle-commande) et la Qualité de Service (QdS) (retards dans les transmissions) en se focalisant sur les réseaux locaux et plus particulièrement sur l'ordonnancement des trames dans la sous couche MAC où on considère des protocoles MAC de type CSMA. Notre travail se situe tout d'abord dans le cadre du réseau CAN où nous faisons trois propositions. La première proposition consiste en des solutions de QdS pour des applications de contrôle-commande sur la base du concept de priorité hybride, pour l'ordonnancement de trames, dans laquelle nous définissons une partie priorité dynamique qui dépend d'un paramètre de QdC. Ceci permet de réaliser une relation QdC->QdS. La deuxième proposition consiste en des solutions de QdC par une méthode de compensation de retard (maintenance des pôles dominants) ce qui permet de réaliser une relation QdS->QdC. La troisième proposition consiste à réaliser une relation QdC<=>QdS qui assure lors de l'implantation de plusieurs applications, une propriété d'équité comportementale. Nous abordons ensuite le cadre particulier des réseaux locaux sans fil où, d'une part, nous définissons des protocoles MAC de type CSMA sans collision sur la base de priorités et, d'autre part, nous montrons la faisabilité des idées développées dans le cadre du réseau CAN.