Approche inter-couches dans les réseaux sans fil

Cross-layer techniques for Wireless Local Area Networks

• Auteur / Autrice : Maria Eugenia Berezin
• Direction : Andrzej Duda, Franck Rousseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 19/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de Grenoble - Laboratoire d'Informatique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Vivien Quéma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Rousseau, Alexandre Guitton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Noël, Marcelo Dias de Amorim

Mots clés

Mots clés libres

IEEE 802.11

WLANs

Performance

Mobilité

QoS

WiFi

IEEE 802.11

WLANs

Performance

Mobility

QoS

WiFi

Résumé

Dans cette thèse, nous examinons les aspects essentiels des réseaux locaux sans fil IEEE 802.11 (réseaux WiFi) en mode infrastructure, et identifions les problèmes qui peuvent affecter leurs performances. Après avoir étudié l'état de l'art, nous constatons que de nombreux efforts de recherche ont proposé des solutions diverses mais présentant des limitations qui empêchent leur déploiement dans les réseaux locaux sans fil existants. En outre, les utilisateurs de ces réseaux ont des attentes toujours croissantes de disponibilité, de fiabilité, de réponse instantanée et de sécurité de la part de leurs connexions sans fil. Motivés par ces défis, nous concevons et mettons en œuvre des solutions nouvelles et concrètes aux problèmes ouverts liés à la performance des réseaux locaux sans fil IEEE 802.11. Nous adoptons une approche centrée sur le point d'accès (Access Point), qui n'introduit pas de modifications côté client. Nous nous concentrons sur les aspects suivants des réseaux locaux sans fil : la mobilité des clients, la gestion des canaux, et la qualité de service, et nous explorons trois différents scénarios pour les déploiements les plus répandus : une entreprise, une ville (zone urbaine), et une résidence personnelle (maison ou appartement). Afin de fournir une base commune pour la mise en œuvre pratique de nouvelles solutions 802.11, nous introduisons un modèle de point d'accès intelligent, inspiré des techniques d'auto-gestion. Les contributions principales de cette thèse sont les suivantes : 1. Nous développons une solution de mobilité transparente pour la Voix sur IP (VoIP) dans les réseaux sans fil d'entreprise, appelée Multichannel Virtual Access Point (mVAP), qui n'introduit aucune modification côté client et reste compatible avec les appareils actuels. Nous mettons en œuvre et évaluons mVAP en utilisant du matériel 802.11 standard, et accomplissons une mobilité transparente sans interruption ni dégradation des communications en cours. 2. Nous étudions la possibilité d'exploiter la couverture WiFi existante dans les zones urbaines pour obtenir un accès mobile à Internet, grâce à des simulations réalisées à partir de données réelles collectées par des téléphones portables. Les résultats montrent que cette couverture WiFi est large et que la connectivité offerte peut être efficacement utilisée. Nous identifions des questions ouvertes concernant le déploiement effectif d'un tel réseau WiFi à l'échelle d'une ville, et les applications qui pourraient en bénéficier. 3. Nous proposons un mécanisme dynamique de sélection de canal pour les réseaux locaux sans fil personnels (maisons et appartements), qui utilise la charge de trafic variable dans le temps pour l'estimation d'interférences. Nous mettons en œuvre cette solution en utilisant du matériel 802.11 standard, et nous l'évaluons expérimentalement : les performances d'un tel réseau sont considérablement améliorées en choisissant le canal qui présente le moins d'interférences.

In this dissertation, we examine important aspects of infrastructure IEEE 802.11 Wireless Local Area Networks (WLANs) and identify issues that can affect their performance. Reviewing the state of the art, we observe that numerous research efforts have proposed diverse solutions with several limitations that impede their deployment in existing WLANs. Moreover, users have ever-increasing expectations of availability, reliability, instantaneous response and security from their wireless connections. Motivated by these challenges, we design and implement novel but practical solutions that address open issues affecting the performance of IEEE 802.11 WLANs. We adopt an Access Point (AP)-based approach, which does not require any modification in the clients. We focus on the following aspects of WLANs: client mobility, channel management, and quality of service, and explore three different scenarios for the most common deployments: an enterprise, a city (urban area), and a personal residence (home). To provide a common basis for practical implementation of new 802.11 solutions, we present a Smart AP model, inspired by self-management techniques. The main contributions of this thesis are: 1. We develop a seamless mobility solution for Voice over IP (VoIP) services in Enterprise WLANs, called Multichannel Virtual Access Points (mVAP), which requires no client modifications and is compatible with current devices. We implement and evaluate mVAP using commodity 802.11 hardware, and achieve transparent mobility without interruption or degradation of ongoing communications. 2. We investigate the feasibility of harnessing the existing WiFi coverage in urban areas for mobile Internet access, through trace-based simulations using real data collected by mobile phones. The results show that the WiFi coverage is large and the connectivity it offers can be effectively exploited. We identify open issues for the actual deployment of such a citywide WiFi network and the applications that could benefit from it. 3. We propose an adaptive traffic-aware channel selection mechanism for Home WLANs, that uses the time-varying traffic load for interference estimation. We implement this solution using commodity 802.11 hardware and experimentally evaluate it: the network performance is drastically improved by constantly picking the channel with the least interference.