Gestion adaptative des ressources dans les réseaux maillés sans fil à multiples-radios multiples-canaux

Depuis quelques années, la recherche dans le domaine des réseaux maillés sans fil ("Wireless Mesh Network (WMN)" en anglais) suscite un grand intérêt auprès de la communauté des chercheurs en télécommunications. Ceci est dû aux nombreux avantages que la technologie WMN offre, telles que l'installation facile et peu coûteuse, la connectivité fiable et l'interopérabilité flexible avec d'autres réseaux existants (réseaux Wi-Fi, réseaux WiMax, réseaux cellulaires, réseaux de capteurs, etc.). Cependant, plusieurs problèmes restent encore à résoudre comme le passage à l'échelle, la sécurité, la qualité de service (QdS), la gestion des ressources, etc. Ces problèmes persistent pour les WMNs, d'autant plus que le nombre des utilisateurs va en se multipliant. Il faut donc penser à améliorer les protocoles existants ou à en concevoir de nouveaux. L'objectif de notre recherche est de résoudre certaines des limitations rencontrées à l'heure actuelle dans les WMNs et d'améliorer la QdS des applications multimédia temps-réel (par exemple, la voix). Le travail de recherche de cette thèse sera divisé essentiellement en trois principaux volets: le contrôle d‟admission du trafic, la différentiation du trafic et la réaffectation adaptative des canaux lors de la présence du trafic en relève ("handoff" en anglais). Dans le premier volet, nous proposons un mécanisme distribué de contrôle d'admission se basant sur le concept des cliques (une clique correspond à un sous-ensemble de liens logiques qui interfèrent les uns avec les autres) dans un réseau à multiples-sauts, multiples-radios et multiples-canaux, appelé RCAC. Nous proposons en particulier un modèle analytique qui calcule le ratio approprié d'admission du trafic et qui garantit une probabilité de perte de paquets dans le réseau n'excédant pas un seuil prédéfini. Le mécanisme RCAC permet d‟assurer la QdS requise pour les flux entrants, sans dégrader la QdS des flux existants. Il permet aussi d‟assurer la QdS en termes de longueur du délai de bout en bout pour les divers flux. Le deuxième volet traite de la différentiation de services dans le protocole IEEE 802.11s afin de permettre une meilleure QdS, notamment pour les applications avec des contraintes temporelles (par exemple, voix, visioconférence). À cet égard, nous proposons un mécanisme d'ajustement de tranches de temps ("time-slots"), selon la classe de service, ED-MDA (Enhanced Differentiated-Mesh Deterministic Access), combiné à un algorithme efficace de contrôle d'admission EAC (Efficient Admission Control), afin de permettre une utilisation élevée et efficace des ressources. Le mécanisme EAC prend en compte le trafic en relève et lui attribue une priorité supérieure par rapport au nouveau trafic pour minimiser les interruptions de communications en cours. Dans le troisième volet, nous nous intéressons à minimiser le surcoût et le délai de re-routage des utilisateurs mobiles et/ou des applications multimédia en réaffectant les canaux dans les WMNs à Multiples-Radios (MR-WMNs). En premier lieu, nous proposons un modèle d'optimisation qui maximise le débit, améliore l'équité entre utilisateurs et minimise le surcoût dû à la relève des appels. Ce modèle a été résolu par le logiciel CPLEX pour un nombre limité de noeuds. En second lieu, nous élaborons des heuristiques/méta-heuristiques centralisées pour permettre de résoudre ce modèle pour des réseaux de taille réelle. Finalement, nous proposons un algorithme pour réaffecter en temps-réel et de façon prudente les canaux aux interfaces. Cet algorithme a pour objectif de minimiser le surcoût et le délai du re-routage spécialement du trafic dynamique généré par les appels en relève. Ensuite, ce mécanisme est amélioré en prenant en compte l‟équilibrage de la charge entre cliques. In the last few years, Wireless Mesh Networks (WMNs) area brought a new field of advanced research among network specialized scientists. This is due to the many advantages which WMN technology offers, such as: easy and inexpensive installation, reliable connectivity and flexible interoperability with other existing networks (Wi-Fi, WiMax, Cellular, Sensors, WPAN networks, etc.). However, several problems still remain to be solved such as the scalability, the security, the quality of service (QoS), the resources management, etc. These problems persist for WMNs, therefore the researchers propose to improve the existing protocols or to conceive new protocols for WMNs.  In order to solve some of the current limitations met in the wireless networks and to improve QoS of real time multimedia applications in such networks, our research will be divided primarily into three parts: traffic admission control, traffic differentiation and handoff-aware channel assignment schemes.  In the first part, we propose a distributed admission control scheme for WMNs, namely, Routing on Cliques (a clique is defined as a subset of logical links that interfere with each other) Admission Control (RCAC). Particularly, we propose an analytical model to compute the appropriate acceptance ratio and guarantee that the packet loss probability in the network does not exceed a threshold value. The model also allows computing end-to-end delay to process flow requests with delay constraints. In the second part, we design an efficient scheduler for Mesh Deterministic Access (MDA) in IEEE 802.11s-based WMNs, called Enhanced Differentiated-MDA (ED-MDA) to support voice and video applications with strict requirements on delay and on blocking/dropping probability. ED-MDA together with Enhanced Admission Control, namely EAC, reserves the minimum amount of necessary resources while maintaining an acceptable handoff call dropping and high resource utilization. The final section addresses handoff-aware channel assignment (CA) problem in Multiple Radios WMNs (MR-WMNs). In this section, we first propose a multi-objective optimization model that, besides maximizing throughput, improves fairness and handoff experience of mesh clients. In this model, the Jain’s index is used to maximize users’ fairness and to allow same channel assignments to links involved in the same high handoff traffic, thus reducing handoff-triggered re-routing characterized by its high latency. Second, we solved this model to obtain exact solutions by the CPLEX software for a limited number of nodes. We therefore propose to use centralized heuristics/meta-heuristics algorithms as an offline CA process to obtain near-optimal solutions for larger instances (real size network). Moreover, in order to adapt to traffic dynamics caused especially by user handoffs, an online CA scheme is proposed that carefully re-assigns channels to interfaces with the purpose of continuously minimizing the re-routing overhead/latency during user handoffs. This online scheme is improved using load balancing.

Keyphrases: Réseaux maillés sans fil, contrôle d‟admission, différentiation de services, réaffectation des canaux, trafic en relève, qualité de service, méta-heuristiques, Wireless mesh network, admission control, handoff, gestion adaptative, Wireless mesh network, admission control, service differentiation, channel assignment, handoff, network management, quality of service, meta-heuristics