Study and optimization of data protection, bandwidth usage and simulation tools for wireless networks

par Mohamed Amine Ismaïl

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Walid Dabbous et de Antoine Clerget.

Soutenue en 2010

à Nice .

  • Titre traduit

    Étude et optimisation de la protection des données, de la bande passante et de la simulation des réseaux sans fil


  • Résumé

    La conception de systèmes de communication sans fil supportant les services émergents suscite de plus en plus d'intérêt et ne cesse de poser des problèmes et des défis techniques à la communauté scientifique. Dans cette thèse, nous avons adressé trois de ces problèmes. La première contribution porte sur la fiabilisation des liaisons sans fil et en particulier sur la protection des données contre les évanouissements de longue durée dans le cadre d'un lien "satellite vers mobile". Nous avons proposé un algorithme innovant, appelé Codage Multi-rafale Glissant (CMRG), qui étend la protection “intra-rafale” (MPE-FEC) de DVB-H à une protection “inter-rafale”. Ce nouveau mécanisme permet la récupération de rafales intégralement perdues tout en prenant en compte les spécificités des équipements mobiles de poche. S'appuyant sur une organisation intelligente des données, notre algorithme offre une protection améliorée contre les évanouissements du signal de longue durée tout en utilisant le codage Reed-Solomon implémenté dans les puces DVB-H. CMRG a été approuvé par le Forum DVB et a été intégré à la norme DVB-SH dans laquelle il joue désormais un rôle clé. La deuxième contribution de cette thèse est liée à l'optimisation pratique de la bande passante dans le cadre de liaisons sans fil. Nous avons proposé WANcompress, une technique de compression de bande passante permettant de détecter et d'éliminer le trafic réseau redondant en envoyant uniquement une étiquette au lieu d'envoyer les paquets d'origine. Là où les techniques de compression habituelles opèrent sur des kilooctets (quelques secondes de trafic), WANcompress travaille à une échelle beaucoup plus importante de l'ordre de giga-octets (plusieurs jours, voire semaines de trafic). Nous avons effectué des expérimentations poussées qui ont montré que que Wancompress permet d'atteindre un facteur 25 en compression, ainsi qu'un facteur 22 en accélération. Des essais conduits sur des liens WiMAX et Satellite opérationnels transportant un trafic réel ont montré que WANcompress a amélioré considérablement le débit (jusqu'à 10 fois), et en moyenne 33% de la bande passante a été économisée. La troisième contribution de cette thèse est liée à la simulation des réseaux sans fil. Nous avons proposé un module IEEE 802. 16 WiMAX pour le simulateur ns-3. Notre module fournit une mise en oeuvre détaillée et conforme au standard de la topologie point-à-multipoint (PMP) avec le mode “Time Division Duplex” (TDD). Il supporte un grand nombre de fonctionnalités, permettant ainsi la simulation d'un ensemble riche et varié de scénarios tout en fournissant des résultats proches de la réalité. Ces fonctionnalités incluent notamment la gestion de la qualité de service (QoS), l'ordonnancement efficace du trafic montant et descendant, la classification des paquets, la gestion de la bande passante, la création dynamique de flux de service, ainsi qu'une simulation fiable de la couche OFDM qui permet le passage à l'échelle. Ce module a été fusionné avec la branche principale du simulateur ns-3, et est devenue l'une de ses composantes de base à partir de la version v3. 8.


  • Résumé

    Today, many technical challenges remain in the design of wireless networks to support emerging services. The main contributions of this thesis are three-fold in addressing some of these issues. The first contribution addresses the reliability of wireless links, in particular through data protection against long fading time (also known as slow fading) in the context of a direct satellite-to-mobile link. We propose an innovative algorithm, called Multi Burst Sliding Encoding (MBSE), that extends the existing DVB-H intra-burst (MPEFEC) protection to an inter-burst protection. Our MBSE algorithm allows complete burst losses to be recovered, while taking into account the specificity of mobile hand-held devices. Based on an optimized data organization, our algorithm provides protection against long term fading, while still using the Reed-Solomon code already implemented in mobile hand-held chipsets. MBSE has been approved by the DVB Forum and was integrated in the DVB-SH standard in which it now plays a key role. The second contribution is related to the practical optimization of bandwidth usage in the context of wireless links. We have proposed WANcompress, a bandwidth compression technique for detecting and eliminating redundant network traffic by sending only a label instead of the original packets. It differs from standard compression techniques in that it removes redundant patterns over a large range of time (days/weeks, i. E. Giga-bytes) where as existing compression techniques operate on a smaller windwos scales (seconds, i. E. Few kilo-bytes). We performed intensive experiments that achieved compression factors up to 25 times, and acceleration factors up to 22 times. In a corporate trial conducted over a WiMAX network for one week, WANcompress improved the bitrate up to 10 times, and on average 33% of the bandwidth was saved. The third contribution is related to the simulation of wireless networks. We have proposed a 802. 16 WiMAX module for the widely used ns-3 simulator. Our module provides a detailed and standard-compliant implementation of the Point to Multi-Point (PMP) topology with Time Division Duplex (TDD) mode. It supports a large number of features, thus enabling the simulation of a rich set of WiMAX scenarios, and providing close-to-real results. These features include Quality of Service (QoS) management, efficient scheduling for both up-link and downlink, packet classification, bandwidth management, dynamic flow creation, as well as scalable OFDM physical layer simulation. This module was merged with the main development branch of the ns-3 simulator, and has become one of its standard features as of version v3. 8.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (xvi-148 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 139-146. Résumés en français et en anglais

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  • Bibliothèque : Université Nice Sophia Antipolis. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 10NICE4074
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