Les réseaux sans-fil tels que IEEE 802.11 (Wifi) connaissent aujourd'hui une popularité sans précédent, offrant des connexions réseau à domicile, en entreprise ou dans des lieux publics sous forme de "Hot spot". Nos études ont montré que les centres urbains sont fortement couvert par ce type de réseau (avec une couverture similaire aux réseaux 3G). Cependant, la technologie est limitée par la portée du signal qui provoque des pertes sur le canal. Nous proposons une nouvelle méthode de relayage opportuniste pour les réseaux basés sur le CSMA/CA permettant de faire coopérer des stations. En évitant l'inondation, et en réduisant au maximum la signalisation, nous proposons de légères modifications au standard IEEE 802.11 afin d'autoriser des stations intermédiaires à relayer les trames des autres stations. Les modifications apportées portent simplement sur le traitement des trames à destination d'autrui, et une gestion différente des acquittements : lorsqu'une destination ne reçoit pas un acquittement, toutes les stations ayant reçu la trame considèrent qu'une retransmission est nécessaire. Ces dernières entreront en compétition pour retransmettre la trame si leur probabilité d'effectuer une transmission réussie est plus forte que la source. Nous avons implémenté et testé notre proposition dans le simulateur réseau NS-2, et les résultats démontrent que la connectivité des stations lointaines est fortement améliorée.

In this thesis, we are concerned with content dissemination in mobile ad hoc networks. The scope of content dissemination is limited by network capacity, and sometimes the price to be paid for securing faster delivery. In the first part of the thesis, we address the issue of finding the maximum throughput that a mobile ad-hoc network can support. We have assumed that there is no price involved, and all nodes work as a team. The problem of determining the capacity region has long been known to be NP-hard even for stationary nodes. Mobility introduces an additional dimension of complexity because nodes now also have to decide when they should initiate route discovery. Since route discovery involves communication and computation overhead, it should not be invoked very often. On the other hand, mobility implies that routes are bound to become stale, resulting in sub-optimal performance if routes are not updated. We attempt to gain some understanding of these effects by considering a simple one-dimensional network model. The simplicity of our model allows us to use stochastic dynamic programming (SDP) to find the maximum possible network throughput with ideal routing and medium access control (MAC) scheduling. Using the optimal value as a benchmark, we also propose and evaluate the performance of a simple threshold-based heuristic. Unlike the optimal policy which requires considerable state information, the proposed heuristic is simple to implement and is not overly sensitive to the threshold value. We find empirical conditions for our heuristic to be near-optimal. Also, network scenarios when our heuristic does not perform very well are analyzed. We provide extensive numerical analysis and simulation results for different parameter settings of our model. Interestingly, we observe that in low density network the average throughput can first decrease with mobility, and then increase. This motivates us to study a mobile ad-hoc network when it is sparse and in a generalized environment, such as when movement of nodes is in a two-dimension plane. Due to sparseness, there are frequent disruptions in the connections and there may not be any end-to-end connection for delivery. The mobility of nodes may be used for carrying the forwarded message to the destination. This network is also known as a delay tolerant network. In the rest part of the thesis, we consider the relay nodes to be members of a group that charges a price for assisting in message transportation. First, we solve the problem of how to select first relay node when only one relay node can be chosen from a given number of groups. Next, we solve two problems, namely price-constrained delay minimization, and delay-constrained price optimization.

Traditional Ad Hoc network wireless communication in the past years have contributed tremendously to the dawn of wireless mesh networks (WMNs) which have so far been able to provide a significant improvement in capacity and scalability. Routing metrics which form the basic element for the routing protocol in this innovative communication technology is a call for concern as they must take into consideration the wireless medium network characteristics in order to provide a optimum appreciable QoS performance. In the past many single-radio routing metrics have been proposed for Ad Hoc networks which are not compatible with the multi-radio routing scenario demanded by WMNs. In our work, we provide a comparative analysis of most recently proposed multi-radio routing metrics for WMNs. We begin by providing an overview of the features of a wireless mesh network thereby presenting a better understanding of some of the research challenges of WMNs. Also, since single-radio routing forms the basis of multi-radio routing, we in this regard provide a review of some single-radio routing metrics. In our comparative analysis, an overview of routing protocols for WMNs is provided enabling an understanding of the demands to be included in a routing metric to ensure efficient routing in WMNs since different routing protocols may impose different demands; we then identify the requirements of multi-radio routing metrics from which we base our comparative analysis.

With the constant development of wireless technologies, the usageof wireless devices tends to increase even more in the future.Wireless multi-hop networks (WMNs) have emerged as a keytechnology to numerous potential scenarios, ranging from disasterrecovery to wireless broadband internet access. The distributedarchitecture of WMNs enables nodes to cooperatively relay othernode's packets. Because of their advantages over other wirelessnetworks, WMNs are undergoing rapid progress and inspiringnumerous applications. However, many technical issues still existin this field. In this thesis we investigate how Voice over IP(VoIP) and peer-to-peer (P2P) application are influenced bywireless multi-hop network characteristics and how to optimizethem in order to provide scalable communication.We first consider the deployment of VoIP service in wirelessmulti-hop networks, by using the Session Initiation Protocol (SIP)architecture. Our investigation shows that the centralized SIParchitecture imposes several challenges when deployed in thedecentralized wireless multi-hop environment. We find that VoIPquality metrics are severely degraded as the traffic and number ofmultiple hops to the gateway increase. In the context ofscalability, we further propose four alternative approaches whichavoid current limitations.In the second part of this thesis we tackle the network capacityproblem while providing scalable VoIP service over wirelessmulti-hop networks. The performance evaluation shows the influenceof intra and inter-flow interference in channel utilization, whichdirect impacts the VoIP capacity. In order to avoid the small VoIPpacket overhead, we propose a new adaptive hop-by-hop packetaggregation scheme based on wireless link characteristics. Ourperformance evaluation shows that the proposed scheme can increasethe VoIP capacity by a two-fold gain.The study of peer-to-peer applicability over wireless multi-hopnetworks is another important contribution. A resource lookupapplication is realized through structured P2P overlay. We showthat due to several reasons, such as characteristics of wirelesslinks, multi-hop forwarding operation, and structured P2Pmanagement traffic aggressiveness the performance of traditionalP2P applications is rather low in wireless multi-hop environments.Therefore, we suggested that a trade-off between the P2P lookupefficiency and the P2P management traffic overhead can be achievedwhile maintaining the overlay network consistency in wirelessmulti-hop networks.

Le protocole IEEE 802.11, basé sur les principes CMSA/CA, est largement déployé dans les communications sans fil actuelles, principalement en raison de sa simplicité et sa mise en œuvre à faible coût. Une utilisation intéressante de ce protocole peut être trouvée dans les réseaux sans fil multi-sauts, où les communications entre les nœuds peuvent impliquer l'emploi de nœuds relais. Une topologie simple de ces réseaux impliquant une source et une destination est communément connue en tant que chaîne. Dans cette thèse, un modèle hiérarchique, composé de deux niveaux, est présenté dans le but d'analyser la performance associée à ces chaînes. Le niveau supérieur modélise la topologie de la chaîne et le niveau inférieur modélise chacun de ses nœuds. On estime les performances de la chaîne, en termes de débit obtenu et de pertes de datagrammes, en fonction de différents modes de qualité du canal. En termes de précision, le modèle offre, en général, des résultats justes. Par ailleurs, le temps nécessaire à sa résolution reste très faible. Le modèle proposé est ensuite appliqué aux chaînes avec deux, trois et quatre nœuds, en présence de stations cachées potentielles, de tampons finis et d'une couche physique non idéale. Par ailleurs, l'utilisation du modèle proposé permet de mettre en évidence certaines propriétés inhérentes à ces réseaux. Par exemple, on peut montrer que la chaîne présente un maximum de performance (en ce qui concerne le débit atteint) en fonction du niveau de charge de du système, et que cette performance s'effondre par l'augmentation de cette charge. Cela représente un comportement non trivial des réseaux sans fil et il ne peut pas être facilement identifié. Cependant, le modèle capture cet effet non évident. Finalement, certains impacts sur les performances des chaînes occasionnés par les mécanismes IEEE 802.11 sont analysés et détaillés. La forte synchronisation entre les nœuds d'une chaîne et comment cette synchronisation représente un défi pour la modélisation de ces réseaux sont décrites. Le modèle proposé permet de surmonter cet obstacle et d'assurer une évaluation facile des performances de la chaîne / The IEEE 802.11 protocol, based on the CMSA/CA principles, is widely deployed in current communications, mostly due to its simplicity and low cost implementation. One common usage can be found in multi-hop wireless networks, where communications between nodes may involve relay nodes. A simple topology of these networks including one source and one destination is commonly known as a chain. In this thesis, a hierarchical modeling framework, composed of two levels, is presented in order to analyze the associated performance of such chains. The upper level models the chain topology and the lower level models each of its nodes. It estimates the performance of the chain in terms of the attained throughput and datagram losses, according to different patterns of channel degradation. In terms of precision, the model delivers, in general, accurate results. Furthermore, the time needed for solving it remains very small. The proposed model is then applied to chains with 2, 3 and 4 nodes, in the presence of occasional hidden nodes, finite buffers and non-perfect physical layer. Moreover, the use of the proposed model allows us to highlight some inherent properties to such networks. For instance, it is shown that a chain presents a performance maximum (with regards to the attained throughput) according to the system workload level, and this performance collapses with the increase of the workload. This represents a non-trivial behavior of wireless networks and cannot be easily identified. However, the model captures this non-trivial effect. Finally, some of the impacts in chains performance due to the IEEE 802.11 mechanisms are analyzed and detailed. The strong synchronization among nodes of a chain is depicted and how it represents a challenge for the modeling of such networks. The proposed model overcomes this obstacle and allows an easy evaluation of the chain performance

Fréquemment exploités pour venir en complément aux réseaux mobiles traditionnels, les réseaux sans-fil multi-sauts, aussi appelés réseaux ad-hoc, sont particulièrement mis à profit dans le domaine des communications d'urgence du fait de leur capacité à s'affranchir de toute infrastructure. Néanmoins, la capacité de ces réseaux étant limitée dès lors que le nombre d'utilisateurs augmente, la communauté scientifique s'efforce à en redéfinir les contours afin d'étendre leur utilisation aux communications civiles. La gestion des interférences, considérée comme l'un des principaux défis à relever pour augmenter les débits atteignables dans les réseaux sans-fil multi-sauts, a notamment connu un changement de paradigme au cours des dernières années. Alors qu'historiquement cette gestion est régie par les protocoles de la couche d'accès dont l'objectif consiste à éviter les interférences entre utilisateurs, il est désormais possible, grâce à différentes techniques avancées de communication numérique, de traiter ces interférences, et même de les exploiter. Ces techniques de transmission, dites techniques de gestion des interférences, viennent alors concurrencer les mécanismes d'ordonnancement traditionnels en autorisant plusieurs transmissions simultanées et dans la même bande de fréquence vers un même récepteur. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'une de ces techniques, le Physical-Layer Network Coding (PLNC), en vue de son intégration dans des réseaux ad-hoc composés de plusieurs dizaines de nœuds. Les premiers travaux se concentrant principalement sur des petites topologies, nous avons tout d'abord développé un framework permettant d'évaluer les gains en débit à large échelle du PLNC par rapport à des transmissions traditionnelles sans interférence. Motivés par les résultats obtenus, nous avons ensuite défini un nouveau cadre d'utilisation à cette technique visant à élargir sa sphère d'application. Le schéma de PLNC proposé, testé à la fois sur de vrais équipements radio et par simulation, s'est alors révélé offrir des gains significatifs en débit et en fiabilité en comparaison aux solutions existantes. / Frequently used to complement the traditional mobile networks, multi-hop wireless networks, also referred to as ad-hoc networks, are particularly useful in emergency situations due to the fact that they do not rely on any infrastructure. Nevertheless, as the capacity of such networks does not scale with the number of users, the scientific community has strived to rethink their use in order to extend their application to civil communications. For instance, long considered as one of the most formidable challenges in multi-hop wireless networks, interference management has recently undergone a paradigm shift. While interference management is traditionally carried out by the access layer protocols whose objective is to avoid interference between users, it is now possible to exploit the interference thanks to new advanced communication techniques. These transmission techniques, so-called interference management techniques, go against the communication paradigm underlying existing scheduling mechanisms by allowing multiple simultaneous transmissions to a common receiver in the same frequency band. In this thesis, we focus on one of these techniques, namely the Physical-Layer Network (PLNC), with the objective of integrating it in ad-hoc networks. Mostly studied from both the theoretical and practical perspective in small topologies, we first design a framework for quantifying the large-scale PLNC gains over the traditional interference-free transmissions. Driven by the obtained results, we introduce a solution to increase the PLNC sphere of operation in large multi-hop wireless networks. Our comprehensive evaluation methodology, including experimental testbed validations for credibility, as well as realistic simulations, show that the proposed PLNC scheme brings important gains in terms of throughput and reliability when compared to state-of-the-art approaches.

Nous assistons ces dernières années à une émergence constante de nouvelles applications, notamment pour les services audiovisuels. Ces applications imposent au réseau un certain nombre de contraintes pour qu’elles puissent fonctionner correctement. Le développement de mécanismes permettant d’offrir une garantie à ces contraintes, est donc devenu un objectif crucial. La norme IEEE 802.16j est l’une des solutions sans fil qui propose plus de ressources afin de supporter les nouveaux services de télécommunications. Dans la présente thèse, nous focalisons notre étude sur la problématique de la qualité de service dans les réseaux WiMAX relais. Nos contributions se regroupent à travers les étapes ci-dessous : Nous proposons un protocole de routage multicast pour les services IPTV (HDTV, SD-TV, Web-TV et Mobile-TV). Ce protocole repose d’une part sur un nouveau mécanisme de construction de l’arbre multicast basé sur les nombres premiers et d’autre part, sur une nouvelle méthode d’agrégation basée sur le standard de compression Vidéo «SVC». L’objectif est de supporter l’hétérogénéité des utilisateurs tout en optimisant la consommation des ressources. Par ailleurs, nous étudions le problème d’ordonnancement dans les réseaux WiMAX. Nous proposons un algorithme d’ordonnancement adaptatif AWRR, ce dernier se base sur une technique à charge pondérée. L’objectif est d’ajuster dynamiquement le poids de chaque classe de service, en prenant en compte la charge de la file d’attente et les contraintes de la QoS. Enfin, nous nous intéressons à l’étude de la problématique du chemin optimal contraint. Nous proposons une solution déterministe basée sur une fonction de coût. Notre fonction permet aussi d’assurer le contrôle d’admission, elle se base sur deux fonctions de coût élémentaires qui prennent en compte quatre critères de QoS. / Over recent years, new applications steadily developed in a tremendous space, especially in audiovisual services area. The present applications have some of constraints to work properly. The developments of mechanism which enable to overcome these constraints become a critical issue in this area. The IEEE 802.16j standard is one of wireless communication technology which offering more resources to support new telecommunication services. In this thesis, we focus our research on the problem of quality of service (QoS) inWiMAX relay networks. Our contributions are classified as follows : we proposed a multicast routing protocol for IPTV services (such as HD-TV, SD-TV, Web-TV and Mobile-TV). This proposed protocol used a new multicast tree construction mechanism based-on prime numbers. We also developed a new aggregation method based on standard video compression called Scalable Video Coding (SVC). Our goal is to support user’s heterogeneity while optimizing resources consumption. In addition, we studied the problem of scheduling inWiMAX networks.We proposed an adaptive scheduling algorithm AWRR for IPTV services. The aim of this method is to support QoS constraints by using two schedulers, and assigning a dynamic value to each service queue. Finally, we interested to study about the problem of path selection. We proposed a solution based on a deterministic cost function. This function also ensures admission control based on two basic cost functions which include four QoS criteria. This thesis has been prepared in the MIPS/GRTC laboratory, University of Haute Alsace, under a research contract external (CRE) framework with France Telecom R&D. All proposed mechanisms were evaluated by the simulator QualNet, Matlab and mathematical analysis.

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L’amélioration de la qualité et de l’efficacité en santé est un réel enjeu sociétal. Elle implique la surveillance continue des paramètres vitaux ou de l’état mental du sujet. Les champs d’applications sont vastes : l’application la plus importante est la surveillance des patients à distance. Les avancées en micro-électronique, capteurs et réseaux sans-fil permettent aujourd’hui le développement de systèmes ambulatoires performants pour le monitoring de paramètres physiologiques, capables de prendre en compte d’importantes contraintes techniques : forte intégration pour la réduction de la taille et faible consommation pour une plus grande autonomie [1]. Cependant, la conception de ce type de réseaux de capteurs médicaux WBANs (Wireles Body Area Networks) se heurte à un certain nombre de difficultés techniques, provenant des contraintes imposées par les capacités réduites des capteurs individuels : basse puissance, énergie limitée et faible capacité de stockage. Ces difficultés requièrent des solutions différentes, encore très embryonnaires, selon l’application visée (monitoring à but médical). La forte mobilité et le changement rapide de la topologie du réseau dévoilent un verrou scientifique et social. En outre, l’interférence de différents capteurs constituant le WBAN augmente la difficulté de la mise en place de ce type de réseaux. De nombreuses solutions dans la littérature ont été étudiées, comme nous allons illustrer dans ce manuscrit, néanmoins elles restent limitées. Nous nous intéresserons tout particulièrement à la gestion des interférences Intra- et Inter-WBAN, leur impacte sur la fiabilité des transmissions (des liens) et la durée de vie de ce type de réseaux. Plus précisément, nous abordons ces problématiques en se basant sur des modélisations théoriques et analytiques et avec une conception pratique des solutions proposées. Afin d’atteindre les objectifs cités ci-dessous, nous abordons quatre solutions : • Une gestion des interférences intra-WBAN • Une gestion coopérative des interférences Inter-WBAN • Une gestion non coopérative des interférences, Inter-WBAN • Une gestion des interférences WBAN dans un contexte IoT Dans la première partie de cette thèse et afin de répondre en partie aux problèmes de gestion des interférences Intra-WBAN. Nous présentons deux mécanismes pour le WBAN : (a) CFTIM qui alloue dynamiquement des slots et des canaux dit- stables (avec un taux d’interférences le bas possible dans le temps) pour réduire les interférences intra-WBAN. (b) IAA ajuste dynamiquement la taille du superframe et limite le nombre de canaux à 2 pour abaisser les interférences Intra-WBAN et ainsi économiser l’énergie. Une validation avec un model probabiliste est proposé afin de valider théoriquement l’efficacité de notre solution. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité du CFTIM et de l’IAA en termes de réduction de la probabilité d’interférence, l’extension de la durée de vie du réseau et l’amélioration du débit et de la fiabilité des transmissions. Notre seconde contribution, propose une gestion coopératives des interférences Inter-WBAN en utilisant des codes orthogonaux. Motivé par un approvisionnement temporel distribué basé sur la norme [2] IEEE 802.15.6, nous proposons deux solutions. (a) DTRC qui fournit à chaque WBAN les connaissances sur les superframes qui se chevauchent. Le second, (b) OCAIM qui attribue des codes orthogonaux aux capteurs appartenant à deux listes de groupe de capteur en interférences de deux WBAN différents (SIL). Les résultats démontrent qu’OCAIM diminue les interférences, améliore le débit et préserve la ressources énergétiques. La troisième partie nous a permis d’aborder la gestion des interférences, mais cette fois ci d’une manière non-coopérative en se basant sur l’affectation couple Slot/Canal. Plus précisément, nous proposons deux schémas basés sur les carrés latins. (...) / A Wireless Body Area Network (WBAN) is a short-range network that consists of a coordinator (Crd) and a collection of low-power sensors that can be implanted in or attached to the human body. Basically, WBANs can provide real-time patient monitoring and serve in various applications such as ubiquitous health-care, consumer electronics, military, sports, etc. [1]. As the license-free 2.4 GHz ISM band is widely used among WBANs and across other wireless technologies, the fundamental problem is to mitigate the resulting co-channel interference. Other serious problems are to extend the network lifetime and to ensure reliable transmission within WBANs, which is an urgent requirement for health-care applications. Therefore, in this thesis, we conduct a systematic research on a few number of research problems related to radio co-channel interference, energy consumption, and network reliability. Specifically, we address the following problems ranging from theoretical modeling and analysis to practical protocol design: • Intra-WBAN interference mitigation and avoidance • Cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Non-cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Interference mitigation and avoidance in WBANs with IoT Firstly, to mitigate the intra-WBAN interference, we present two mechanisms for a WBAN. The first is called CSMA to Flexible TDMA combination for Interference Mitigation, namely, CFTIM, which dynamically allocates time-slots and stable channels to lower the intra-WBAN interference. The second is called Interference Avoidance Algorithm, namely IAA that dynamically adjusts the superframe length and limits the number of channels to 2 to lower the intra-WBAN interference and save energy. Theoretically, we derive a probabilistic model that proves the SINR outage probability is lowered. Simulation results demonstrate the effectiveness and the efficiency of CFTIM and IAA in terms of lowering the probability of interference, extending network lifetime, improving throughput and reliability. Secondly, we address the problem of interference among cooperative WBANs through using orthogonal codes. Motivated by distributed time provisioning supported in IEEE 802.15.6 standard [2], we propose two schemes. The first is called Distributed Time Correlation Reference, namely, DTRC that provides each WBAN with the knowledge about which superframes overlap with each other. The second is called Orthogonal Code Allocation Algorithm for Interference Mitigation, namely, OCAIM, that allocates orthogonal codes to interfering sensors belonging to sensor interference lists (SILs), which are generated based on the exchange of power-based information among WBANs. Mathematically, we derive the successful and collision probabilities of frames transmissions. Extensive simulations are conducted and the results demonstrate that OCAIM can diminish the interference, improve the throughput and save the power resource. Thirdly, we address the problem of co-channel interference among non-cooperative WBANs through time-slot and channel hopping. Specifically, we propose two schemes that are based on Latin rectangles. The first is called Distributed Algorithm for Interference mitigation using Latin rectangles, namely, DAIL that allocates a single channel to a timeslot combination to each sensor to diminish inter-WBAN interference and to yield better schedules of the medium access within each WBAN. The second is called Channel Hopping for Interference Mitigation, namely, CHIM, which generates a predictable interference free transmission schedule for all sensors within a WBAN. CHIM applies the channel switching only when a sensor experiences interference to save the power resource. Furthermore, we present an analytical model that derives bounds on collision probability and throughput for sensors transmissions. (...)

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