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近年來無線網狀網路(Wireless Mesh Networks)備受矚目，無線網狀網路繼承原有的ad hoc networks的特性並提供階層式及多網卡的網路存取架構。在multi-hop networks下，傳輸功率的控制和網路路由的選擇是重要的議題，因為不同的傳輸功率產生不同的網路拓墣連結性和干擾。此外，在不同網路卡間的路由選擇也會產生不同程度的intra/inter-flow 干擾。這些特性對網路效能有密切的影響，過去相關的路由協定設計也大多未同時考量傳輸功率控制與多網路卡的特性。 在這篇論文中，我們提出了跨網路協定層的路由協定，稱作M2iRi2，同時考量傳輸功率的控制並將Intra/Inter-flow的干擾導入到路由路徑的選擇。節點上的網路卡在物理層(Physical layer) 計算目前對潛在可容忍的新增干擾，並將此訊息送到網路層(Network layer)和鄰居節點作交換。透過此資訊的交換，在路由發現時控制路由請求封包的傳輸功率，當路由建立後，封包根據路由表的記載，選擇所對應的路由路徑和傳輸功率。經由NS-2模擬結果顯示，我們所提出的跨網路協定層路由協定可同時兼顧網路的吞吐量和平均點對點的延遲。 / In recent years, WMNs (Wireless Mesh Networks) technologies have received significant attentions. WMNs not only accede to the advantages of ad hoc networks but also provide hierarchical multi-interface architecture. Transmission power control and routing path selections are critical issues in the past researches of multi-hop networks. Variable transmission power levels lead to different network connectivity and interference. Further, routing path selections among different radio interfaces will also produce different intra/inter-flow interference. These features tightly affect the network performance. Most of the related works on routing protocol design do not consider transmission power control and multi-interface environment simultaneously. In this thesis, we proposed a cross-layer routing protocol called M2iRi2 which coordinates transmission power control and intra/inter-flow interference considerations as routing metrics. Each radio interface calculates the potential tolerable added transmission interference in the physical layer. When the route discovery starts, the M2iRi2 will adopt the appropriate power level to evaluate each interface quality along paths. The simulation results demonstrate that our protocol can enhance both network throughput and end-to-end delay.

L'évolution importante des réseaux sans fil tend à fournir les supports nécessaires aux applications ubiquitaires émergentes dans les réseaux Mesh sans fil. Les réseaux mesh comprennent des nœuds stationnaires qui remplissent la fonction de routage et appelés routeurs Mesh sans fil (WMR) et qui consitutent le réseau backbone sans fil (WBMN) ainsi que des nœuds clients mesh sans fil (WMCs). Alors que les WMCs sont limités en termes de fonctions et de resources radio, les WMRS fournissent des fonctions de pont et de passerelle afin de connecter les réseaux WMNs aux autres réseaux comme les réseaux cellulaires, les réseaux IEEE 802.11, les réseaux IEEE 802.16, ou tout simplement à Internet. Par conséquent, les réseaux WMRs sont construits à partir sur la base d'équipement radio de communication rapide et/ou multi-radio et multi-canaux. Les routeurs WMRs sont supposes être auto-organisés, auto-configurés et constituant un réseau WNMN robuste ce qui nécessite de soutenir des volumes importants de trafic de données et sur de longues périodes. Cependant, répondre à attentes élevées en termes de services nécessite le développement d'approches décentralisés pour le control dynamique des puissances de transmission (DTPC). La présente thèse se focalise sur le problème DTPC pour les deux cas de réseaux; utilisant un canal de communication et multicanaux. Pour les réseaux exploitant un seul canal, le problème est formulé en termes de problème d'optimisation où l'objectif est de minimiser en même temps des critères convexes associés aux liens et aux réseaux. Afin de résoudre ce problème, des modèles et des algorithmes, appelés MATA (multiple access transmission aware), ont été proposés. Pour les réseaux WBMNs utilisant des systèmes multi-radio et multi-canaux (MRMC), le réseau est modélisé par un ensemble de graphes appelés UCGs (unified channel graphs), chacun consistant les utilisateurs connectés au point d'accès en utilisant le même canal fréquentiel. Pour chaque ensemble UCG, le problème à résoudre un problème quadratique et stochastique soumis aux contraintes des états des liens dynamiques LSI (Link State Information) de tous les UCGs. Le protocole PMMUP, mutli-radio et minimisant la consummation énegétique, est propose au niveau de la couche liaison. Algorithmes d'estimation prédictive base sur ce protocol sont proposes pour résoudre les problèmes d'optimisation associés aux UGCs. Les problèmes énergétiques, les instabilités des queues et les interférences, sont formulés en termes de problèmes de commande optimale couplée, appelés SPWC (singularly-perturbed weakly-coupled). Pour résoudre les problèmes SPWC caractérisant le problème de commande optimal des energies de transmission, l'algorithme HORA (aeneralized higher-order recursive algorithm) qui permet d'obtenir les solutions stables pour les équations de Riccati a été développé. Les performes des modèles et algorithmes proposés dans le cadre de la présente thèse ont été évalués tant sur le plan théorique qu'en simulation. Différentes simulations ont été effectuées sur un large ensemble de topologies réseaux générés aléatoirement. Les résultats de simulation et analytiques Simulation confirment l'efficacité des algorithmes proposés par rapport à la majorité des techniques existantes / The remarkable evolution of wireless networks into the next generation to provide ubiquitous and seamless broadband applications has recently triggered the emergence of Wireless Mesh Networks (WMNs). The WMNs comprise stationary Wireless Mesh Routers (WMRs) forming Wireless Backbone Mesh Networks (WBMNs) and mobile Wireless Mesh Clients (WMCs) forming the WMN access. While WMCs are limited in function and radio resources, the WMRs are expected to support heavy duty applications : that is, WMRs have gateway and bridge functions to integrate WMNs with other networks such as the Internet, cellular, IEEE 802.11, IEEE 802.15, IEEE 802.16, sensor networks, et cetera. Consequently, WMRs are constructed from fast switching radios or multiple radio devices operating on multiple frequency channels. WMRs are expected to be self-organized, self-configured and constitute a reliable and robust WBMN which needs to sustain high traffic volumes and long “online” time. However, meeting such stringent service expectations requires the development of decentralized dynamic transmission power control (DTPC) approaches. This thesis addresses the DTPC problem for both single and multiple channel WBMNs. For single channel networks, the problem is formulated as the minimization of both the link-centric and network-centric convex cost function. In order to solve this issue, multiple access transmission aware (MATA) models and algorithms are proposed. For multi-radio multi-channel (MRMC) WBMNs, the network is modelled as sets of unified channel graphs (UCGs), each consisting of interconnected active network users communicating on the same frequency channel. For each UCG set, the minimization of stochastic quadratic cost functions are developed subject to the dynamic Link State Information (LSI) equations from all UCGs. An energy-efficient multi-radio unification protocol (PMMUP) is then suggested at the Link-Layer (LL). Predictive estimation algorithms based on this protocol are proposed to solve such objective functions. To address transmission energy and packet instabilities, and interference across multiple channels, singularly-perturbed weakly-coupled (SPWC) control problems are formulated. In order to solve the SPWC transmission power control problem, a generalized higher-order recursive algorithm (HORA) that obtains the Riccati Stabilizing Solutions to the control problem is developed. The performance behaviours of the proposed models and algorithms are evaluated both analytically and through computer simulations. Several simulations are performed on a large number of randomly generated topologies. Simulation and analytical results confirm the efficacy of the proposed algorithms compared to the most recently studied techniques

Each day, Humanity loses thousands of persons on roads when they were traveling to work, to study or even to distract. The financial cost of these injuries is also terrifying: Some statistics evaluate the financial cost of vehicle accidents at 160 billion Euro in Europe each year. These alarming figures have driven researchers, automotive companies and public governments to improve the safety of our transportation systems and communication technologies aiming at offering safer roads and smooth driving to human beings. In this context, Vehicular Adhoc Networks, where vehicles are able to communicate with each others and with existent road side units, emerge as a promising wireless technology able to enhance the vision of drivers and offer larger telematic horizon. VANETs promising applications are not only restricted to road safety but span from vehicle trafficoptimization like flow congestion control to commercial applications like file sharing and internet access. Safety applications require that their alert information is propagated to the concerned vehicles (located in the hazardous zone) with little delay and high reliability. For these reasons, this category of applications is considered as delay sensitive and broadcast-oriented nature. While classical blind flooding is rapid, its major drawback is its huge bandwidth utilization. In this thesis, we are interested on enhancing vehicular communications under different scenarios and optimizations: First, We focus on deriving a new solution (EBDR) to disseminate alert messages among moving vehicles while maintaining it efficient and rapid. Our proposal is based on directional antennas to broadcast messages and a route guidance algorithm to choose the best path for the packets. Findings confirmed the efficiency of our approach in terms of probability of success and end-to-end delays. Moreover, in spite of the broadcast nature of the proposed technique, all transmissions stop very soon after the arrival of a packet to its destination representing a strong feature in the conception of EBDR. Second, we propose a novel mathematical framework to evaluate the performance of EBDR analytically. Although most of the proposed techniques present in literature use experimental or simulation tools to defend their performance, we rely here on mathematical models to confirm our achieved results. Our proposed framework allows to derive meaningful performance metrics including the probability of transmission success and the required number of hops to reach thefinal destination. Third, we refine our proposed broadcast-based routing EBDR to provide more efficient broadcasting by adjusting the transmission range of each vehicle based on its distance to the destination and the local node density. This mechanism allows better minimization of interferences and bandwidth's saving. Furthermore, an analytical model is derived to calculate thetransmission area in the case of a simplified node distribution. Finally, we are interested on data collection mechanisms as they make inter-vehicle communications more efficient and reliable and minimize the bandwidth utilization. Our technique uses Q-learning to collect data among moving vehicles in VANETs. The aim behind using the learning technique is to make the collecting operation more reactive to nodes mobility and topology changes. For the simulation part, we compare it to a non-learning version to study the effect of the learning technique. Findings show that our technique far outperforms other propositions and achieves a good trade off between delay and collection ratio. In conclusion, we believe that the different contributions presented in this Thesis will improve the efficiency of inter-vehicle communications in both dissemination and data collection directions. In addition, our mathematical contributions will enrich the literature in terms of constructing suitable models to evaluate broadcasting techniques in urban zones

Chaque jour, l'humanité perd des milliers de personnes sur les routes pendant qu'ils se rendaient à travailler, à étudier ou même à se distraire. Ce nombre alarmant s'accumule avec le coût financier terrifiant de ces décès: Certaines statistiques évaluent le coût à 160 milliards d'euros par an en Europe. Dans ce contexte, les réseaux véhiculaires (VANETs) émergent comme une technologie sans fil prometteuse capable d'améliorer la vision des conducteurs et ainsi offrir un horizon télématique plus vaste. Les applications de sécurité routière exigent que le message d'alerte soit propagé de proche en proche par les véhicules jusqu'à arriver à la zone concernée par l'alerte tout en respectant les délais minimaux exigés par ce type d'applications et la grande fiabilité des transmissions. Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'amélioration de l'efficacité des communications inter-véhiculaires sous différents scénarios: tout d'abord, nous nous concentrons sur le développement d'une nouvelle solution, appelée EBDR, pour disséminer les informations d'alertes dans un réseau VANET tout en assurant des courts délais de bout en bout et une efficacité pour les transmissions. Notre proposition est basée sur des transmissions dirigées effectuées à l'aide des antennes directionnelles pour la diffusion des messages et un algorithme de guidage d'itinéraire afin de choisir le meilleur chemin pour le paquet. En dépit de son fonctionnement en diffusion, les transmissions de notre technique s'arrêtent très rapidement après l'arrivée du paquet à la destination finale ce qui représente une caractéristique fondamentale dans la conception d’EBDR. Deuxièmement, nous proposons un framework mathématique ayant pour objectif l'évaluation des performances d’EBDR analytiquement. Nos modèles analytiques permettent de dériver des métriques de performances significatives à savoir la probabilité de succès et le nombre de sauts requis pour atteindre la destination finale. En outre, nous proposons une amélioration de notre protocole EBDR dans le but de fournir une diffusion plus efficace. Pour cela, nous nous basons sur l'ajustement de la puissance de transmission de chaque véhicule en fonction de la distance qui le sépare de la destination et la densité locale des nœuds. Ce mécanisme de contrôle de congestion permet de mieux minimiser les interférences et économiser de la bande passante. En plus, un modèle mathématique a été élaboré pour calculer la surface de la zone de transmission dans le cas d'une distribution uniforme des nœuds. Finalement, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de collecte de données dans les réseaux véhiculaires. Notre approche est basée sur l'utilisation du principe du Q-learning pour la collecte des données des véhicules en mouvement. L'objectif de l'utilisation de ce mécanisme d'apprentissage est de rendre l'opération de collecte mieux adaptée à la mobilité des nœuds et le changement rapide de la topologie du réseau. Notre technique a été comparée à des méthodes n'utilisant pas du "learning", afin d'étudier l'effet du mécanisme d'apprentissage. Les résultats ont montré que notre approche dépasse largement les autres propositions en terme de performances et réalise un bon compromis entre le taux de collecte et les délais de bout en bout. Pour conclure, nous pensons que nos différentes contributions présentées tout le long de cette thèse permettront d'améliorer l'efficacité des communications sans fil inter-véhiculaires dans les deux directions de recherches ciblées par cette thèse à savoir : la dissémination des messages et la collecte des données. En outre, nos contributions de modélisation mathématique enrichiront la littérature en termes de modèles analytiques capables d'évaluer les techniques de transmission des données dans un réseau véhiculaire / Each day, Humanity loses thousands of persons on roads when they were traveling to work, to study or even to distract. The financial cost of these injuries is also terrifying: Some statistics evaluate the financial cost of vehicle accidents at 160 billion Euro in Europe each year. These alarming figures have driven researchers, automotive companies and public governments to improve the safety of our transportation systems and communication technologies aiming at offering safer roads and smooth driving to human beings. In this context, Vehicular Adhoc Networks, where vehicles are able to communicate with each others and with existent road side units, emerge as a promising wireless technology able to enhance the vision of drivers and offer larger telematic horizon. VANETs promising applications are not only restricted to road safety but span from vehicle trafficoptimization like flow congestion control to commercial applications like file sharing and internet access. Safety applications require that their alert information is propagated to the concerned vehicles (located in the hazardous zone) with little delay and high reliability. For these reasons, this category of applications is considered as delay sensitive and broadcast-oriented nature. While classical blind flooding is rapid, its major drawback is its huge bandwidth utilization. In this thesis, we are interested on enhancing vehicular communications under different scenarios and optimizations: First, We focus on deriving a new solution (EBDR) to disseminate alert messages among moving vehicles while maintaining it efficient and rapid. Our proposal is based on directional antennas to broadcast messages and a route guidance algorithm to choose the best path for the packets. Findings confirmed the efficiency of our approach in terms of probability of success and end-to-end delays. Moreover, in spite of the broadcast nature of the proposed technique, all transmissions stop very soon after the arrival of a packet to its destination representing a strong feature in the conception of EBDR. Second, we propose a novel mathematical framework to evaluate the performance of EBDR analytically. Although most of the proposed techniques present in literature use experimental or simulation tools to defend their performance, we rely here on mathematical models to confirm our achieved results. Our proposed framework allows to derive meaningful performance metrics including the probability of transmission success and the required number of hops to reach thefinal destination. Third, we refine our proposed broadcast-based routing EBDR to provide more efficient broadcasting by adjusting the transmission range of each vehicle based on its distance to the destination and the local node density. This mechanism allows better minimization of interferences and bandwidth's saving. Furthermore, an analytical model is derived to calculate thetransmission area in the case of a simplified node distribution. Finally, we are interested on data collection mechanisms as they make inter-vehicle communications more efficient and reliable and minimize the bandwidth utilization. Our technique uses Q-learning to collect data among moving vehicles in VANETs. The aim behind using the learning technique is to make the collecting operation more reactive to nodes mobility and topology changes. For the simulation part, we compare it to a non-learning version to study the effect of the learning technique. Findings show that our technique far outperforms other propositions and achieves a good trade off between delay and collection ratio. In conclusion, we believe that the different contributions presented in this Thesis will improve the efficiency of inter-vehicle communications in both dissemination and data collection directions. In addition, our mathematical contributions will enrich the literature in terms of constructing suitable models to evaluate broadcasting techniques in urban zones

Le routage et la gestion des clés sont les plus grands défis dans les réseaux de véhicules. Un comportement de routage inapproprié peut affecter l’efficacité des communications et affecter la livraison des applications liées à la sécurité. D’autre part, la gestion des clés, en particulier en raison de l’utilisation de la gestion des certificats PKI, peut entraîner une latence élevée, ce qui peut ne pas convenir à de nombreuses applications critiques. Pour cette raison, nous proposons deux modèles de confiance pour aider le protocole de routage à sélectionner un chemin de bout en bout sécurisé pour le transfert. Le premier modèle se concentre sur la détection de noeuds égoïstes, y compris les attaques basées sur la réputation, conçues pour compromettre la «vraie» réputation d’un noeud. Le second modèle est destiné à détecter les redirecteurs qui modifient le contenu d’un paquet avant la retransmission. Dans la gestion des clés, nous avons développé un système de gestion des clés d’authentification et de sécurité (SA-KMP) qui utilise une cryptographie symétrique pour protéger la communication, y compris l’élimination des certificats pendant la communication pour réduire les retards liés à l’infrastructure PKI. / Routing and key management are the biggest challenges in vehicular networks. Inappropriate routing behaviour may affect the effectiveness of communications and affect the delivery of safety-related applications. On the other hand, key management, especially due to the use of PKI certificate management, can lead to high latency, which may not be suitable for many time-critical applications. For this reason, we propose two trust models to assist the routing protocol in selecting a secure end-to-end path for forwarding. The first model focusses on detecting selfish nodes, including reputation-based attacks, designed to compromise the “true” reputation of a node. The second model is intended to detect forwarders that modify the contents of a packet before retransmission. In key management, we have developed a Secure and Authentication Key Management Protocol (SA-KMP) scheme that uses symmetric cryptography to protect communication, including eliminating certificates during communication to reduce PKI-related delays.