Academic literature on the topic 'Téléphonie sans fil – Modèles mathématiques'

La convergence des réseaux sans fil hétérogènes autour d'un réseau cœur IP est la conséquence de plusieurs facteurs qui sont d'une part la complémentarité des technologies déployées (en terme de zone de couverture, de capacité,. . . ) et la démocratisation d'équipements terminaux sophistiqués supportant de nouveaux services multimédia d'autre part. Dans ce travail, nous nous intéressons à la qualité d'expérience des utilisateurs mobiles afin qu'ils soient toujours connectés au mieux et qu'ils puissent bénéficier des meilleurs services selon leurs préférences. Pour cela, nous avons proposé une solution qui s'appuie sur le paradigme de l’autonomique et qui s’articule autour de deux axes de recherche à savoir la gestion de la connaissance (plan de connaissance) et la gestion des traitements et de l’optimisation (plan de pilotage). Nous avons donc proposé un plan de connaissance uniquement dédié à la connaissance et à sa gestion afin de réduire sa complexité. Ce plan permettra d'introduire de nouvelles informations dans le réseau et enrichira le processus de décision du handover. Par ailleurs, une stratégie de décision basée sur la théorie de l’utilité a également été mise en œuvre pour traiter les challenges d’un problème multiobjectifs que pose la procédure de décision du handover.

La bonne gestion des ressources radio est un élément clé pour offrir une bonne Qualité de Service (QdS) pour les utilisateurs tout en assurant la meilleure gestion des ressources du réseau. Nous évaluons la performance de certaines fonctionnalités de gestion de ressources, à savoir l’ordonnancement et l'accès MAC et dans une deuxième étape nous proposons des méthodes de coordination de la puissance dans les liens ascendants et descendants des systèmes LTE. Nous proposons des mécanismes de coordination des interférences dans les systèmes LTE dans le cadre de l’auto-optimisation des réseaux (Self-Optimizing Networks). Le problème est modélisé par un système multi-agent effectuant un apprentissage par renforcement. La théorie de l’apprentissage de système d’inférence floue permet d’apprendre, à partir de l’expérience les décisions optimales correspondant à chaque état du système. La logique floue permet de gérer l’état continu du système. Chaque station de base est alors un agent responsable de modéliser son propre état et l’état des stations voisines et de calculer des récompenses tout au long du processus d’apprentissage afin d’apprendre la politique optimale de façon distribuée mais coopérative. Dans le sens descendant, le but est de décider la quantité de puissance allouée par spectre, dans un contexte de réutilisation totale du spectre. Dans le sens montant, nous proposons une optimisation dynamique du mécanisme de compensation partielle de puissance, Fractional Power Control, standardisé par le 3GPP. L’algorithme de gestion de puissance est adapté pour l’optimisation des performances dans ce contexte sujet à des variations très rapides et chaotiques.

Dans l’étude des réseaux, et plus généralement dans celle des systèmes complexes, il y a souvent un compromis entre la simplicité des outils mathématiques, les expressions analytiques ou les approches numériques d’une part, et la précision des résultats d’autre part. Nous analysons une telle situation pour les réseaux sans fils. Nous proposons un nouveau cadre pour l'étude des réseaux sans fil appelé "modèle fluide". L'idée sur laquelle repose le modèle fluide de réseau sans fil que nous développons dans cette thèse consiste à considérer l'ensemble des stations de base d'un réseau comme un continuum d'émetteurs. Cette approche permet d'établir une expression analytique simple d'une caractéristique des réseaux radio cellulaires, le facteur d'interférence f, utile dans un grand nombre d'analyses telles que le dimensionnement, la qualité de service, la gestion des ressources radio. . . Cette expression simplifie considérablement la complexité des calculs requis pour obtenir des résultats précis. Une des principales sources d'inexactitude des approches existantes se situe dans le fait que bien que le facteur d'interférence sur la voie descendante (downlink) dépende de la position du mobile dans la cellule, le calcul de f n'en tient en général pas compte. Le but de notre approche est de proposer un modèle plus précis, qui prend en compte la distance d'un mobile à sa station de base serveuse et qui reste suffisamment simple pour établir unr formule analytique du facteur d'interférence f.

Les réseaux ad hoc sans fil ont reçu une attention considérable due à leurs applications militaires et commerciales. Les limites théorique et pratique des performances des réseaux ad hoc denses dévoilées récemment ont révélé le besoin de techniques alternatives pour améliorer leurs performances, principalement limitées par l'interférence. Cette thèse traite la problématique suivante : comment améliorer la capacité de lien dans les réseaux ad hoc sans fil grâce à des techniques plus avancées à la couche physique ? Dans un premier temps, les facteurs de la couche physique impactant les performances des réseaux ad hoc denses sont présentés. On montre notamment comment les antennes directionnelles ou la gestion du nombre et de la position des relais permettent d'améliorer le débit. Puis l'attention est portée vers les réseaux dont les nœuds sont dotés de capacités de coopération. Les réseaux avec un petit nombre de nœuds sont d'abord considérés et des techniques améliorant l'efficacité spectrale sont proposées. Ces stratégies coopératives permettent une meilleure utilisation de la ressource sans fil grâce à la relaxation d'orthogonalité et au codage Dirty Paper. Enfin la coopération est introduite dans les réseaux à haute densité de nœuds par une approche de clusters coopératifs. A l'aide de la théorie des matrices aléatoires et des probabilités libres, la capacité asymptotique est analysée quand la densité de nœuds augmente. Cette thèse montre que la capacité de lien dans les réseaux ad hoc sans fil denses peut être améliorée, à condition que les nœuds soient dotés de capacités de coopération à la couche physique et que les stratégies coopératives soient conçues efficacement.

Cette thèse est consacrée sur la couche physique des communications et en particulier sur le problème de l'estimation d'un canal à trajets multiples dans les transmissions sans fil. Plus spécifiquement,le sujet traité a évolué autour des trois axes principaux:D'abord, le problème de l'estimation aveugle adaptative d'un canal dans des systèmes de communications CDMA est considéré. Notre contribution principale consiste à développer des algorithmes adaptatifs du type RLS et LMS qui sont capables d'estimer efficacement la réponse impulsionelle d'un canal. Puis, nous abordons le problème de l'estimation aveugle adaptative d'un canal dans des systèmes de communications OFDM. Les schémas adaptatifs proposés sont caractérisés par leur simplicité, leur faible complexité, et leur stabilité numérique. Notre méthode constitue le premier schéma aveugle et adaptatif pour le problème d'estimation d'un canal dans les systèmes OFDM. Finalement, nous traitons le problème du suivi adaptatif d'un sous-espace. Tous les algorithmes existants d'une complexité faible pour estimer le sous-espace correspondant aux plus petites valeurs singulières, sont instables. Notre méthode résout ce problème sérieux.

Cette thèse traite des divers problèmes d'optimization et de contrôle liés aux réseaux d'accès et ad hoc sans-fil et la modélisation de la performance des réseaux informatiques. Dans les réseaux d'accès sans-fil, nous étudions deux différents technologies: 802. 11 WLAN et 3G UMTS, les deux seuls et ensemble. Avec les deux ensemble, nous étudions l'association optimale d'utilisateur et réseau dans une `cellule hybride' de WLAN et UMTS. Dans une seule cellule WLAN apart nous étudions contrôle non-coopératif du taux PHY et dans un autre problème, analyze de performance d'une protocole simple du transport basée sur `Fountain Codes'. Pour une seule cellule UMTS apart, nous proposons une politique de commutation améliorée pour les canaux descendante. Dans les réseaux ad hoc sans-fil, nous étudions la distance saut pour optimiser la capacité dans un réseau ad hoc des mobiles (MANET) dense et le sélection optimale du prochain saut dans un réseau ad hoc des véhicules (VANET) sur une autoroute. Des outils tels que SMDP (semi-Markov Decision Process), la théorie des jeux, des chaînes de Markov, théorème de renouvellement et récompense, techniques inter-couches, Lemme du Wald et filtrage de Kalman sont employés pour obtenir des politiques du contrôle optimal dans certains cas, et le choix ou l'estimation des paramètres optimaux du système dans d'autres. En particulier, l'association utilisateur-réseau globalement optimale est formulée comme une problème de contrôle de routage de connexion utilisant SMDP. Ici, nous obtenons une politique stationnaire et optimale qui possède à la fois des propriétés `mobile gourmand' et `équilibrage de la charge' avec une structure de courbe de commutation du type ni convexe ni concave. Dans une autre perspective, l'association utilisateur-réseau individuellement optimale est formulée dans un cadre de jeu non-coopératif où la politique d'association qui réalise l'équilibre de Nash est observée à disposer d'une structure de courbe escalier-descendant. À nouveau en utilisant la théorie des jeux, nous démontrer que l'IEEE 802. 11 MAC protocole est inefficace en vertu de contrôle non-coopératif du taux PHY. Un modèle stochastique de Markov est proposé pour une protocole simple du transport basée sur `Fountain Codes' dans une cellule 802. 11 WLAN où les analyze et simulations donnent un aperçu sur les choix optimal des paramètres du système. Des techniques inter-couches sont utilisées pour concevoir une politique de commutation des canaux descendante pour 3G UMTS qui améliore performance de TCP. Pour les problèmes de distance optimal du saut et sélection optimale du prochain saut dans les réseaux ad hoc, divers propriétés structurelles non-trivial et des expressions explicites pour le choix optimal de la vitesse du prochain saut et distance entre-nœud sont obtenus. Enfin, nous présentons une approche novatrice de l'utilization de filtrage de Kalman avec des modèles de performance basée sur la théorie des files d'attente afin d'être en mesure de poursuivre en `temps réel' la modélisation de la performance des systèmes réseaux informatiques en-ligne possèdent des caractéristiques non-stationnaires. Dans de tels systèmes, ni l'analyze stationnaire ni transitoire de la théorie traditionnelle des files d'attente peut être pratiquement appliqué pour obtenir en temps réel l'estimations des paramètres de modèle tels que temps de service et délais réseaux
This thesis deals with various optimization and control problems related to wireless access and ad hoc networks and performance modeling in computer networks. In wireless access networks, we study two different technologies: 802. 11 WLAN and 3G UMTS, both stand alone and together. With both of them together, optimal user-network association in a WLAN and UMTS `hybrid cell' is investigated. In a stand alone single WLAN cell we study non-cooperative PHY rate control and in another problem, performance analysis of a simple Fountain Codes based transport protocol. For a single UMTS cell we propose an improved channel switching policy for the downlink. In wireless ad hoc networks, we study capacity optimizing hop distance in a dense Mobile ad hoc network (MANET) and optimal next hop selection in a Vehicular ad hoc network (VANET) on a highway. Tools such as SMDP (semi-Markov Decision Process), game theory, Markov chains, renewal reward theorem, cross-layer techniques, Wald's lemma and Kalman filtering are employed to derive optimal control policies in some cases, and choice or estimation of optimal system parameters in others. In particular, globally optimal user-network association is formulated as a connection routing control problem using SMDP. Here, we obtain a stationary optimal policy possessing both `mobile-greedy' and `load-balancing' properties with a neither convex nor concave type switching curve structure. From another perspective, individually optimal user-network association is formulated within a non-cooperative game framework where the Nash equilibrium achieving association policy is observed to possess a descending staircase curve structure. Again using game theory, we demonstrate that the IEEE 802. 11 MAC protocol is inefficient under non-cooperative PHY rate control. A Markovian stochastic model is proposed for a simple Fountain Codes based transport protocol in an 802. 11 WLAN cell where analysis and simulations provide insights into choice of optimal system parameters. Cross-layer techniques are used to design a channel switching policy for 3G UMTS downlink that improves performance of TCP. For the optimal hop distance and next hop selection problems in ad hoc networks, various non-trivial structural properties and explicit expressions for optimal choice of next hop node's speed and inter-node distance are obtained. Finally, we present an innovative approach of using Kalman filtering with queueing theory based performance models in order to be able to pursue `real time' performance modeling of online computer network systems having fast changing non-stationary characteristics. In such systems, neither stationary nor transient analysis from traditional queueing theory can be practically applied to obtain real time estimates of model parameters such as service times and network delays

Les réseaux de capteurs sans fil sont constitués de nœuds de petite taille équipée d’une unité de calcul, de capteurs et d’une unité de communication sans fil qui rend possible la communication entre les nœuds. La consommation d’énergie est en général le paramètre à optimiser à tous les niveaux de la conception d’un nœud de réseau de capteurs sans fil car ces dispositifs sont généralement alimentés par des batteries de petite taille. Pour prolonger l’autonomie d’un nœud, il est nécessaire d’utiliser un système permettant de récupérer une partie de l’énergie disponible dans l’environnement. L’objectif de cette thèse est de proposer un environnement de simulation et une bibliothèque de modèles pour l’analyse de nœuds d’un réseau de capteurs avec récupération d’énergie, avec une attention particulière pour les politiques de gestion de la consommation d’énergie
Wireless Sensor Networks are composed of nodes equipped with a computational unit, sensors and a radio transceiver. Energy consumption is a major challenge in the WSN domain, and energy efficient solutions are required because the nodes carry a limited amount of power. Energy harvesting technologies can be used to scavenge energy from the environment, thus prolonging the lifespan of a WSN node. The goal of this thesis is on power management techniques

La modélisation de réseaux sans fil à géométrie stochastique est devenue populaire au cours des dernières décennies. Au moyen de processus ponctuels, les positions de l’infrastructure sans fil et des utilisateurs sont représentées dans le but de calculer des métriques d’intérêt telles que la capacité, le délai de routage, le temps de diffusion, etc. Cela a été fait avec succès pour des technologies telles que 3G / LTE / Wi-Fi. Cependant, avec l’arrivée de la 5G NR, il est devenu primordial de repenser les modèles pour le scénario de communication. Dans cette thèse, nous présentons un nouveau modèle pour la localisation d'appareils dans les réseaux de communication urbains. Le modèle combine la géométrie stochastique et la géométrie fractale. Il est appelé "hyperfractale". Il existe deux options: la possibilité de modéliser les densités des voitures dans les rues et celle de modéliser les densités et la répartition de l'infrastructure de communication auxiliaire. Nous présentons en détail le modèle proposé et ses propriétés de base. Afin de compléter la description du modèle et de plaider en faveur de sa facilité d'utilisation, nous proposons une méthode de calcul de la dimension fractale des villes. L'utilité du modèle est illustrée tout au long de cette thèse par plusieurs applications de réseaux sans fil. Une application évalue les compromis possibles entre le délai et la consommation d’énergie pour un réseau V2X en milieu urbain modélisé avec des hyperfractales. Une deuxième application consiste à étudier la diffusion dans un réseau à tolérance de retard V2V. Les limites atteignables sont présentées avec un phénomène spécifique aux hyperfractales : le phénomène de téléportation, qui permet une accélération de la diffusion
The modeling of wireless networks with stochastic geometry has become popular in the recent decades. By means of point processes, the positions of wireless infrastructure and users are represented with the aim of computing metrics of interest like capacity, routing delay, broadcast time, etc. This has been done successfully for technologies such as 3G/LTE/Wi-Fi yet, with the arrival of 5G NR, the necessity for rethinking the models for the communication scenario has become paramount. In this thesis we present a novel model for the locations of devices in urban communications networks. The model combines stochastic geometry with fractal geometry and it is called ``hyperfractal". The model exists in two options: the option for modeling the densities of cars on streets and the option for modeling the densities and repartition of auxiliary communication infrastructure. We present in detail the proposed model and its basic properties. In order to complete the description of the model and advocate for its ease of use, we provide a method for computing the fractal dimension of cities. The usefulness of the model is showcased throughout this thesis by several wireless networks applications. One application evaluates the achievable trade-offs between delay and energy consumption for a V2X network in urban environment modeled with hyperfractals. A second application consists into studying the broadcast in a V2V delay-tolerant network. Achievable limits are presented together with a phenomenon specific to hyperfractals: the teleportation phenomenon, which allows an acceleration of the broadcast

La thèse développe une contribution à la spécification, la modélisation et l’évaluation de mécanismes destinés à la fourniture de qualité de service dans les réseaux sans fil locaux et métropolitains. La première partie du travail concerne une modélisation en chaîne de Markov du protocole d’accès EDCA de IEEE 802. 11e qui, par rapport aux modèles présents dans la littérature, ajoute des mécanismes du standard qui n’avaient pas été introduits (prise en compte explicite de la collision virtuelle) et corrige des erreurs de conception (prise en compte des périodes AIFS de la procédure de Backoff). Ce modèle a été rendu synthétique pour en faciliter l’usage (réductions réalisées à l’aide des règles de Beizer). Ce modèle a ensuite été utilisé pour définir un algorithme de contrôle d’admission hybride, intégrant dans son processus de décision un modèle analytique et des mesures de l’état du réseau. L’algorithme de contrôle d’admission ainsi développé a été en premier lieu validé puis comparé à d’autres algorithmes de contrôle d’admission par simulation sous ns-2. Notons aussi que nous avons proposé, une modification du comportement de EDCA face à une collision virtuelle assurant une meilleure équité aux catégories d’accès. Cette modification a été évaluée à l’aide du modèle. Une deuxième partie du travail consiste en la proposition pour WiMAX d’une architecture de gestion de bande passante pouvant fournir des garanties de qualité de service. Cette architecture se compose de trois parties interagissantes : 1- une gestion de la bande passante sous WiMAX assimilée à une classe de serveurs dite classe des serveurs latence-débit, 2- un mécanisme de requête-réponse de bande passante agrégée simplifiant la gestion de bande passante et la rendant plus flexible, 3- un protocole de contrôle d’admission associé à l’architecture et qui en garantit le bon fonctionnement. L’architecture ainsi conçue s’inscrit dans une prospective de réseaux hétérogènes sans fil (réseaux métropolitain WiMAX connectant entre eux et à Internet des réseaux locaux WiFi). C’est dans cette optique que s’inscrira la suite de notre travail. Elle consistera en la combinaison des mécanismes que nous proposons afin de fournir une solution complète de qualité de service pour des réseaux hétérogènes sans fil
This thesis is a contribution to specifying, modelling and evaluating Quality of Service mechanisms destined to Wireless Local and Metropolitan networks. The first part of this work is the modelling, using Markov chains, of the IEEE 802. 11e EDCA access scheme. The model we introduce adds, with regards to state of the art models, mechanisms present in the standard which were not accounted for (explicit consideration of the virtual collision phenomena) and corrects misconceptions with regards to the standard (considering the AIFS periods within the Backoff procedure). The model was rendered synthetic in order to make easier it to use (for this purpose we used the Beizer rules of reduction). The model was then used within a hybrid admission control algorithm, using in its decision process both the model and network state measures. The algorithm was validated and compared to other admission control algorithms using ns-2 simulations. In parallel, we proposed a modification of EDCA’s behaviour towards virtual collisions making it fairer. This modification was evaluated using the Markov chain model. A second part of this work was the development, for WiMAX, of bandwidth management framework offering QoS guarantees. This framework is made out of three interacting parts : 1- a bandwidth management for WiMAX that can be modelled as a Latency-Rate server ; 2- an aggregated bandwidth request-response mechanism making the management simpler and more flexible ; 3- an admission control algorithm associated to the architecture guaranteeing its correct functioning. The framework was prospectively developed for heterogeneous wireless networks (WiMAX WMAN interconnecting WiFi WLANs). Our work’s perspectives are on this track : defining a complete QoS solution for heterogeneous wireless networks