Optimization and control in wireless and computer networks

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.NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF