La demande des systèmes de communication sans fil pour des débits élevés continue d'augmenter, et il n'y a pas de signes que cette tendance va se ralentir. Trois des techniques les plus importantes qui ont émergé pour répondre à de telles demandes sont l'OFDMA, le relais coopératif et le MIMO. Afin d'utiliser pleinement les capacités des systèmes appliquant de telles techniques, il est essentiel de développer des algorithmes efficaces d'ordonnancement et, plus généralement, des algorithmes efficaces d'allocation de ressources. Les études classiques sur ce sujet examinent des systèmes où les demandes de données des utilisateurs ne sont pas prises en considération et/ou un CSI parfait et complet est supposée être disponible pour le mécanisme d'ordonnancement. Cependant, dans la pratique, différentes limitations peuvent entraîner l'absence d'une connaissance parfaite et/ou complète du CSI, telles que les ressources limitées pour le feedback, le co^ut de sondage et le retard dans le processus de feedback.Par conséquent, dans cette thèse nous examinons les problèmes d'ordonnancement et de feedback sous des considérations réalistes concernant la connaissance du CSI. L'analyse est effectuée au niveau des paquets et considère la dynamique des files d'attente avec des processus d'arrivée arbitraires, et où la mesure de performance principale que nous adoptons est la stabilité des files d'attente. La première partie de la thèse considère un système MIMO multipoint à multipoint utilisant le mode TDD, tout en supposant un backhaul à capacité limitée et en tenant compte du coût du feedback. En ce qui concerne la technique de gestion de l'interférence, nous appliquons l'alignement d'interférence (IA) si plus d'une paire sont actives et SVD si une seule paire est active. La deuxième partie de la thèse considère un système OFDMA avec plusieurs utilisateurs et canaux, où un feedback retardé et limité est pris en compte. Deux scénarios sont étudiés, à savoir le système sans relais et le système avec relais. Pour ce dernier, nous considérons une imperfection supplémentaire supposant que les utilisateurs ont une connaissance incomplète des coefficients du fading entre la station de base et le relais. / Demand of wireless communication systems for high throughputs continues to increase, and there are no signs this trend is slowing down. Three of the most prominent techniques that have emerged to meet such demands are OFDMA, cooperative relaying and MIMO. To fully utilize the capabilities of systems applying such techniques, it is essential to develop eficient scheduling algorithms and, more generally, eficient resource allocation algorithms. Classical studies on this subject investigate in much detail settings where the data requests of the users are not taken into consideration or where the perfect and full CSI is assumed to be available for the scheduling mechanism. In practice, however, diferent limitations may result in not having perfect or full CSI knowledge, such as limited feedback resources, probing cost and delay in the feedback process. Accordingly, in this thesis we examine the problems of scheduling and feedback allocations under realistic considerations concerning the CSI knowledge. Analysis is performed at the packet level and considers the queueing dynamics in the systems with arbitrary arrival processes, where the main performance metric we adopt is the stability of the queues. The first part of the thesis considers a multi-point to multi-point MIMO system with TDD mode under limited backhaul capacity and taking into account the feedback probing cost. Regarding the interference management technique, we apply interference alignment (IA) if more than one pair are active and SVD if only one pair is active. The second part of the thesis considers a multiuser multichannel OFDMA-like system where delayed and limited feedback is accounted for. Two scenarios are investigated, namely the system without relaying and the system with relaying. For the latter one, an additional imperfection we account for is that the users have incomplete knowledge of the fading coeficients between the base-station and the relay.

Le but de cette thèse est d'implémenter une méthode déterministe pour modéliser le canal radio des réseaux wifi. Pour cela la méthode MR-FDPF (Multi Resolution Frequency Domain ParFlow) a été adaptée, Le paramétrage et la calibration du modèle sont présentés, donnant une erreur inférieure a 4dB. Nous montrons comment prendre en compte les autres étages d'un bâtiment en développant la méthode 2.5D. De plus pour bien prendre en compte les diagrammes d'antennes des points d'accès un nouveau procédé est présenté. Enfin l'implémentation de la méthode MR-FDPF en 3D est développée ainsi que les optimisations nécessaires Enfin trois extensions sont proposées: la première concerne une extension de la méthode en milieu urbain, la deuxième présente une méthode de prédiction des évanouissements, et la troisième explique comment le modèle a été intégré dans un logiciel de planification de réseau WiFi.

L'attaque de retransmission sélective est une menace sérieuse dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN), en particulier dans les systèmes de surveillance. Les noeuds peuvent supprimer de manière malicieuse certains paquets de données sensibles, ce qui risque de détruire la valeur des données assemblées dans le réseau et de diminuer la disponibilité des services des capteurs. Nous présentons un système de sécurité léger basé sur l'envoi de faux rapports pour identifier les attaques de retransmission sélective après avoir montré les inconvénients des systèmes existants. Le grand avantage de notre approche est que la station de base attend une séquence de faux paquets à un moment précis sans avoir communiqué avec les noeuds du réseau. Par conséquent, elle sera capable de détecter une perte de paquets. L'analyse théorique montre que le système proposé peut identifier ce type d'attaque et peut alors améliorer la robustesse du réseau dans des conditions d'un bon compromis entre la fiabilité de la sécurité et le coût de transmission. Notre système peut atteindre un taux de réussite élevé d‟identification face à un grand nombre de noeuds malicieux, tandis que le coût de transmission peut être contrôlé dans des limites raisonnables. / The selective forwarding attack is a serious threat in wireless sensor networks (WSN), especially in surveillance systems. Nodes can maliciously delete some sensitive data packets, which could destroy the value of the data assembled in the network and reduce its sensors availability. After describing the drawbacks of the existing systems in this thesis, we will present a lightweight security system based on sending fake reports used to identify selective forwarding attacks. The great advantage in our approach is that the base station expects a number of packets at a specific time. Therefore, it will be able to detect missing or delayed packets. Theoretical analysis shows that the proposed system can identify this type of attack, which will improve the robustness of the network under conditions of a good tradeoff between the security, reliability and communication overhead. Our system can achieve a high ratio of identification when facing a large number of malicious nodes, while the communication overhead can be controlled within reasonable bounds.

Les réseaux sans fil 802.11 sont en train d'être considérés comme étant la pierre angulaire des systèmes de communication autonomes. En permettant aux usagers de communiquer les uns avec les autres avec les stations de base fixées a des endroits bien précis par l'intermédiaire de protocoles de communication comme les protocole de routage ad hoc. Le standard IEEE 802.11 propose des spéciations pour les deux couches basses (MAC et Physique) du modelé OSI. La couche MAC (Medium Access Control) introduit deux mécanismes d'accès au médium sans fil qui sont différents l'un de l'autre. Le mécanisme DCF (accès au canal distribue ou Distributed Coordination Function), l'accès au canal s'exécute dans chaque station sans faire appel à une unité centrale. Le mécanisme PCF (Point Coordination Function), contrairement au mécanisme DCF l'accès au canal se fait à l'aide d'une unité centrale. Le mécanisme le plus utilise par la norme 802.11 est DCF vu qu'il ne nécessite pas d'infrastructure au déploiement. Pour améliorer la qualité de service dans les réseaux sans multi- sauts, cette thèse aborde cette problématique dans deux couches de la pile protocolaire, à savoir la couche routage et la couches MAC. Elle améliore le routage a QoS en utilisant le protocole de routage a état de lien optimisé (OLSR) et améliore aussi l'efficacité de l'accès au médium sans fil lors du fonctionnement de la couche MAC en mode le plus courant DCF. Pour l'amélioration de routage, nous proposons une approche basée sur le graphe de conflit pour l'estimation de la bande passante partagée entre les nœuds adjacents. Pour la couche MAC, nous proposons un nouveau schéma de Backoff nomme l'algorithme Backoff de Padovane (PBA), pour améliorer l'efficacité de l'accès au médium sans fil dans les réseaux sans fil mobiles Ad Hoc (MANETs). / IEEE 802.11 based wireless networks are considered the cornerstone of autonomous communication systems. These networks allow users to communicate with each others via base stations deployed in specic locations through a set of dedicated communication protocols like Ad Hoc routing protocols. The IEEE 802.11 standard proposes specications for both physical and MAC layers of the OSI model. MAC layer denes dierent types of access to the wireless medium as explained below. The DCF (Distributed Coordination Function) mechanism, in which the access to the medium is executed localy in each station. The PCF (Point Coordination Function) method, unlike DCF mechanism the access the medium is managed by a central unit. The most widespread mechanism among them is the DCF mode as it does not require any infrastructure deployment. To improve the Quality of Service (QoS) oered to the dierent applications in multihop wireless networks, this thesis proposes original solutions to enhance the eciency of certain protocols in two dierent layers of OSI, i.e., routing and MAC layers. More specically, our proposed solutions enable higher eciency of OLSR protocol and ensure more ecient usage of the available bandwidth through the designed Padovan based medium access scheme operating in DCF mode. The routing approach used in OLSR is improved by applying the conict graphs to acquire more accurate estimation of the bandwidth shared with the adjacent nodes. At MAC layer, the number of collisions in dense networks is signicantly reduced by designing new backo scheme dubbed Padovan Backo Algorithm (BEB).

Un nœud d'un réseau de capteurs sans fil traite dans ses unités de calcul les signaux issus de plusieurs types de capteurs et effectue différentes tâches liées aux protocoles de communication. Devant exécuter plusieurs types de contrôle, sa flexibilité est un paramètre très important. Les solutions à base de microcontrôleurs ou de FPGA ont été proposées pour aborder le besoin de flexibilité, mais au prix d'une efficacité énergétique réduite. Dans cette thèse, des contrôleurs flexibles à ultra-faible énergie basés sur un contexte de micro-tâches reconfigurables sont explorés comme alternative. Des architectures modulaires pour des machines d'états finis (FSM) et des chemins de données (DP) reconfigurables sont proposées. Les techniques de coupure de l'alimentation (PG pour power gating) sont utilisées pour adapter la consommation aux besoins et réduire la puissance statique. Dans un premier temps, des modèles pour l'estimation des paramètres clés d'un circuit avec PG sont proposés au niveau porte. Ensuite, les opportunités des techniques PG sont déterminées sur les FSM et DP reconfigurables pour en réduire l'énergie. Dans les chemins de données, la reconfiguration fait varier la précision des opérateurs et le PG permet d'éteindre les blocs logiques inutilisés. Une gestion de l'alimentation au niveau lookup table (LUT) est proposée pour réduire les courants de fuite en mode actif et en veille dans les FSM reconfigurables. Des résultats montrent les très bonnes performances des architectures proposées par rapport aux processeurs et FPGA. / A wireless sensor network (WSN) node may need to process signals from various sensors and perform different transceiver tasks apart from being able to change its functions dynamically. A controller in the node is therefore required to execute different control tasks to manage its resources implying that flexibility is a key concern. Microcontrollers and FPGAs have been proposed to address the need for flexibility at the cost of reduced energy efficiency. In this thesis, ultra-low power flexible controllers for WSN nodes based on reconfigurable microtasks are explored. A reconfigurable microtask is a digital control unit with a reconfigurable finite state machine (FSM) and datapath. Scalable architectures for reconfigurable FSMs along with variable precision adders in datapath are proposed for flexible controllers in this work. Power gating is considered for FSMs and adders for low power operation. First, the design issues in power gating are studied extensively. Models for estimation of key design parameters of power-gated circuits are derived at gate level. Next, power gating opportunities are determined in reconfigurable adders and FSMs proposed for microtasks. In adders, reconfigurability is used for varying the precision of operation and saving energy by power-gating unused logic. Power gating at the level of lookup table logic is proposed to achieve active leakage power reduction in reconfigurable FSMs. The proposed models are then applied to analyze energy savings in logic clusters due to power gating. Power estimation results show good performance of proposed architectures with respect to different metrics relative to others in the design space of controllers.

Le déferlement mondial des services de télécommunications, impose, aux réseaux qui les supportent, d’augmenter de plus en plus leurs capacités afin de subvenir aux besoins de ses utilisateurs dont le nombre ne cesse de croître. Le spectre radio, ressource de base pour les communications sans fils, ne suit malheureusement pas cette croissance. Même si des marges réutilisables sont disponibles, leur accès est limité par des politiques strictes de gestion du spectre radio-fréquentiel. Pour remédier à cette situation, les organismes régulateurs des télécommunications se dirigent vers un paradigme de gestion plus flexible, en autorisant de nouvelles méthodes basées sur l’accès dynamique au spectre (DSA - dynamic spectrum access) et les radio cognitives (CR - cognitive radio). Dans ce travail doctoral, est proposée une nouvelle technique pour traiter la problématique de la disponibilité du spectre radio-fréquentiel. Appelée multiplexage fréquentiel par sous-espace de Vandermonde (VFDM -Vandermonde-subspace frequency division multiplexing), elle permet à deux technologies d’accès radio (RATs - radio access technologies) de fonctionner côte-a-côte dans un environnement de petites cellules CR. Ceci se fait en partageant la bande radio tout en protégeant des interférences les systèmes pour lesquels le spectre radio avait été originellement réservé. VFDM transmet les données pré-codées dans le noyau du canal interférant entre l’émetteur opportuniste et le récepteur originel en utilisant la sélectivité en fréquence des canaux et duplexage temporel (TDD - time division duplexing). Le travail de cette thèse propose une approche exhaustive du développement de la technologie VFDM, en allant des bases théoriques jusqu’à la démonstration de faisabilité. Ainsi, les bases théoriques proposées ont été en premier lieu analysées. Puis, en partant de ces bases théoriques, VFDM a été graduellement développé vers une chaîne émetteur-récepteur complète. Des résultats significatifs sont apparus à mi-chemin dans la phase de développement, comme par exemple, l’établissement de stratégies de précodage optimales ou la mise en évidence d‘aspects critiques lors de l’implémentation. Sous certaines conditions, VFDM permet aux réseaux secondaires opportunistes d’être utilisés en même temps que le réseau originel, aux seules contraintes de la connaissance des canaux et de l’accroissement de la complexité du système. Au travers des résultats obtenus en simulation, il a été démontré que des taux de transfert de données significatifs peuvent être atteints, et ce, malgré que les capacités de VFDM soient toujours limitées par la taille du sous-espace de Vandermonde du canal interfèrent primaire-secondaire. Finalement, la chaîne émetteur-récepteur développée démontre la faisabilité de cette méthode. / The global deployment of PCS is pushing for more and more network capacity to accommodate an exponentially growing user base. Radio spectrum, the basic resource in radio communications, unfortunately does not follow this growth. Even though the current spectrum usage leaves margins for re-use, it is limited by the current fixed spectrum management policies. To remediate this issue, spectrum regulators are switching to a flexible management paradigm, leveraging new DSA schemes based on CR. In this PhD work, a novel CR-DSA technology is introduced to address spectrum scarcity problem. Called VFDM, it allows two RAT to operate side-by-side in a small-cell CR setting, sharing the band while protecting the legacy system from interference. VFDM transmits data pre-coded on the null-space of the interfering cross channel (channel from the opportunistic transmitter to the legacy receiver), assuming frequency selectivity and TDD communications. This PhD work proposes a rather exhaustive approach to the development of VFDM: to go from the theoretical basis up to a proof-of-concept development. Initially the theoretical background, basis of the technique itself was introduced and analyzed. Then, VFDM was gradually developed from a pure mathematical concept up to a full transceiver. During this development, several important mid-way results were developed, such as the multi-user strategy for pre-coding and critical implementation aspects. VFDM, under certain constraints, has been shown to allow a secondary opportunistic network to successfully be installed along with a legacy primary one at merely the cost of channel knowledge and added complexity. By means of numerical examples, it has been shown that significative rates can be attained, even though VFDM's performance is constrained by the size of the Vandermonde-subspace of the interfering channel between the secondary transmitter and primary receiver. Finally, a working VFDM transceiver implementation is shown, providing a proof-of-concept of the technique.

Les réseaux sans fil multisauts présentent un certain nombre d'intérêts car ils n'ont pas besoin d'infrastructure fixe, sont peu coûteux et sont simples d'utilisation. Le mode DCF de IEEE 802.11 est souvent utilisé comme le protocole d'accès au canal pour les nœuds dans ces réseaux. Un avantage de ce protocole est qu'il est facile à implémenter. Pourtant, ses performances dépendent de deux facteurs importants : le partage du canal sans fil et les collisions entre paquets provenant des nœuds cachés. L'évaluation de ces paramètres est donc importante afin d'améliorer la performance de ce protocole. La première partie de la thèse est consacrée à l'évaluation de la bande passante disponible. C'est un paramètre qui est souvent utilisé pour le contrôle d'admission ou pour le routage dans ces réseaux. Dans la littérature, il existe de nombreuses méthodes qui permettent d'estimer la bande passante disponible sur un lien sans fil. Pourtant, ces méthodes ne prennent pas en compte la notion de retransmission qui est définie dans IEEE 802.11 et qui a clairement des impacts sur la bande passante disponible. Nous proposons donc une nouvelle méthode passive, appelée RABE (Retransmission-based Available Bandwidth Estimation). Notre méthode se base principalement sur des informations locales qui peuvent être détectées par chaque nœud du lien. Nous évaluons également la probabilité de collisions non conditionnelle des paquets provenant des nœuds cachés via un modèle analytique. Cette probabilité nous permet d'estimer le nombre moyen de retransmissions qui est ensuite utilisé pour évaluer d'autres paramètres utilisé par RABE. Les simulations réalisées avec le simulateur ns2.33 montrent que notre méthode produit des résultats plus précis que d'autres méthodes existantes / The first part of the thesis is devoted to the evaluation of the available bandwidth. This is a parameter that is often used for admission control in these networks. In the literature, there are many methods for estimating the available bandwidth on a wireless link. However, these methods do not take into account the concept of retransmission which is defined in IEEE 802.11 and have clear impacts on the available bandwidth. We propose therefore a new passive method called RABE (Retransmission-based Available Bandwidth Estimation). Our method is based mainly on local information that can be detected by each node. We also evaluate the unconditional collision probability of packets from hidden nodes via an analytical model. This probability allows us to estimate the average number of retransmissions, which is then used to evaluate other parameters used by RABE. The simulations performed with the simulator ns2.33 show that our method produces more accurate results than other existing solutions. In the second part, we focus on the distribution of idle periods of a node that is often used to evaluate the performance of wireless networks based on IEEE 802.11. The problem is that there are different assumptions for this distribution in literature. We first characterize different types of idle periods in some fundamental scenarios such as the scenario as asymetric hidden stations and the scenario of flow in the middle. We then generalize these types of idle periods for relatively highly loaded networks. The obtained simulation results in ns2.33 are similar to our proposed model. This work also brings out that these distributions are multimodal, unlike what is often assumed in the literature

De nombreux travaux concernant les performances des réseaux radio ambiants reposent sur une modélisation assez simpliste de la couche physique, qu'il s'agisse de réseaux d'accès sans fil (RLAN), de réseaux ad hoc ou de réseaux de capteurs. Si une telle modélisation permet d'établir des bornes et des lois simples conduisant au développement d'approches analytiques, le passage direct à un environnement réel en montre les limites. Certains protocoles révèlent en effet des failles importantes et inattendues, alors que certains problèmes s'atténuent naturellement. <br />Le premier axe de notre travail est d'améliorer les outils de simulation et de modélisation de la couche physique afin de réduire l'écart entre ces modèles et l'environnement réel. <br />Le deuxième axe consiste à évaluer l'impact d'une telle modélisation sur les performances des réseaux. Pour cela, nous étudions deux problématiques. La première concerne la planification des réseaux sans fil et la deuxième concerne la connexité des réseaux de capteurs.

L'un des défis majeurs dans la convergence des réseaux et des services vers la technologie IP est le maintien de la qualité de service (QoS) des flux audio/vidéo transmis sur des réseaux sans fil pour des utilisateurs mobiles et hétérogènes. Dans cet environnement, les services multimédia doivent faire face à plusieurs inconvénients engendrés par le manque de fiabilité d'un canal sans fil et son partage par plusieurs utilisateurs. Ces inconvénients sont accentués par l'hétérogénéité des terminaux de réception (capacité de décodage, espace de stockage, résolution d'affichage, etc.) qui doivent recevoir, décoder et afficher les flux multimédia.<br />Afin d'assurer un accès universel aux services n' importe où, n'importe quand et en utilisant n'importe quel terminal d'accès, les applications multimédia de nouvelle génération doivent interagir avec leur environnement pour, d'une part, informer les réseaux sous-jacents de leur besoins en QoS, et d'autre part, adapter dynamiquement leurs services en fonction des terminaux de réception et des variations intempestives des conditions de transmission. <br />Dans ce contexte, nous proposons un nouveau système pour la transmission des flux audio/vidéo sur les réseaux 802.11 basé sur l'approche Cross-layer. Ce nouveau système, appelé XLAVS (Cross Layer Adaptive Video Streaming), communique activement avec l'ensemble des couches réseaux ainsi que le récepteur final pour déterminer l'adaptation optimale qui permet d'optimiser la QoS des flux audio/vidéo. <br />Nos contributions se focalisent principalement sur les adaptations Cross-layer mises en œuvre par le XLAVS. Ces contributions sont organisées en deux grandes catégories : les adaptations ascendantes exécutées au niveau applicatif et les adaptations descendantes exécutées au niveau MAC 802.11.<br />Dans la première catégorie, notre apport s'articule au tour de : (1) l'adaptation dynamique du débit vidéo en fonction du débit physique disponible dans le réseau 802.11 et (2) l'adaptation conjointe du taux de redondance FEC et du débit vidéo contrôlée par la puissance du signal et les taux de perte. <br />Dans la deuxième catégorie, nous proposons deux mécanismes Cross-layer au niveau MAC 802.11 : (1) une fragmentation 802.11 adaptative pour trouver un compromis entre les pertes de paquets et l'overhead introduit par les couches 802.11 et (2) un groupage des images vidéo au niveau MAC pour permettre au flux vidéo d'avoir un accès au canal 802.11 proportionnel à son débit.

Cette thèse a été motivée par le nouveau contexte ubiquitaire des réseaux ambiants sans-fil. Les protocoles Internet ont été conçus il y a 30 ans sans prendre en considération l'usage nomade des réseaux et ne répondent pas aux nouvelles contraintes de la mobilité. Notre but a été de concevoir des mécanismes pour rendre la mobilité transparente aux applications et utilisateurs. Une partie de notre travail a été axé sur l'amélioration du délai du handoff au niveau physique 802.11 à quelques dizaines de millisecondes. Le déplacement des hôtes et le changement de réseau demandent souvent une reconfiguration des plusieurs paramètres au niveau IP. Dans le cas d'une mobilité locale, l'approche que nous avons choisi est de permettre aux hôtes de garder inchangées leurs adresses et de mettre en place des routes d'hôte dans le domaine local. Au contraire, pour la mobilité globale, le routage optimal à travers l'Internet nous oblige de concevoir une solution dans laquelle les hôtes mobiles changent leurs adresses IP, en conformité avec le réseau ou ils s'y trouvent. Notre solution est basée sur le principe général « de bout en bout » dans laquelle les deux hôtes impliquées dans une connexion sont les seuls à assurer le transfert de cette connexion aux nouveaux points d'attachement. Elle utilise l'interception des appels de la bibliothèque socket et des requêtes DNS ainsi que la translation locale d'adresses pour virtualiser les adresses IP réelles dans des identificateurs d'hôte stables présentés aux niveaux supérieurs.