In-Flight Entertainment and Connectivity (IFEC) is becoming a key trend and offering in-flight connectivity is one of the most essential demands of commercial airline passengers. A grand challenge is to provide in-flight connectivity in high altitudes and particularly in isolated locations, such as the oceans, where establishing an air-to-ground link is not possible. Moreover, the high speed and dynamic characteristics of such aircraft make this task difficult. Aeronautical Ad-Hoc Networking (AANET) intends to cope with this challenge by forming a network of airplanes having air-to-air (A2A) connections. However, the dynamic nature of such a network is likely to lead to unstable connections. The primary root cause of the majority of these stability issues is known to be the short life of A2A links which is the result of poor topology formation of aircraft. Concentrating on aircraft clustering and making them more stable can improve connection lifetime and improve the stability and performance of the network. Therefore the main objective in making AANETs feasible should be to form the topology as clusters of aircraft. With this in mind, the thesis's proposition is twofold: First, unveil the benefits of density-based clustering to improve the AANET performance. To do so, a modified DBSCAN algorithm is employed for the clustering problem that exploits several features of real flight datasets. This method also includes a weighted scheme to reflect the relative importance of each feature of the final calculation. The proposed method improved the packet delivery ratio and end-to-end latency of the state-of-the-art clustering-based AANET solutions by 51 % and 30 %, respectively. In addition, the proposed approach reduces the number of cluster changes by 22%. Second, selecting a well-connected cluster head is the next stage in enhancing connection and stability. This thesis presents a new cluster head selection technique for AANETs that calculates the Neighbor Nodes within a given distance of each node and selects the node with the most connections as the new cluster head. In instances where a cluster head cannot interact directly with another cluster, a Gateway node is chosen to facilitate connection with other clusters. According to simulations, the suggested method increases packet delivery ratio by 3, end-to-end delay by 9 and throughput by up to 10% compared to the current state of the art. In addition, the proposed method reduces cluster head replacements by 17% and increases cluster head longevity by 8%.

Les systèmes de communication de l'aviation civile sont soumis à une demande de capacité toujours croissante pour répondre à l'augmentation du nombre de vols et au développement de nouveaux services. Dans ce contexte, les réseaux ad hoc aéronautiques, aussi appelés AANET (Aeronautical Ad-hoc NETwork), sont étudiés comme une solution de communication innovante et complémentaire des systèmes existants. Un AANET est un réseau ad hoc dont les nœuds sont des avions. Il exploite les capacités de communication directe entre les nœuds pour transmettre des données au delà de la portée radio en utilisant une chaîne de nœuds relais. Cette thèse a pour objectif de proposer des solutions à deux problématiques complexes dans les réseaux ad hoc en tenant compte des contraintes spécifiques aux AANET : la gestion de l'accès au canal et le routage des données. La faisabilité de tels réseaux a déjà été démontrée dans la littérature, et une architecture de communication basée sur le CDMA (Code Division Multiple Access) a été proposée afin de pouvoir discriminer des transmissions concurrentes entre plusieurs utilisateurs. Cependant, aucune méthode d'attribution des codes d'étalement n'a été spécifiée. Pour résoudre ce problème dans un réseau à grande échelle tel qu'un AANET, nous proposons d'améliorer une méthode existante : le RP-CDMA (Random Packet CDMA). Nous présentons ensuite le protocole de routage novateur que nous avons conçu : NoDe-TBR (Node Density TBR). Dans le paradigme de routage TBR (Trajectory Based Routing), les paquets sont transférés de manière à suivre un chemin géographique appelé geopath, spécifié par l'émetteur. Nous avons conçu à travers NoDe-TBR une méthode pour déterminer ces chemins dans un AANET. Dans ce protocole, les geopath sont calculés en tant que géodésiques qui prennent en compte la densité effective des avions. Cette approche a été choisie car elle devrait présenter les avantages des algorithmes de routage géographique (très faible signalisation générée) tout en étant robuste aux conditions spécifiques rencontrées dans les AANET (mobilité, densité d'avions non uniforme). Afin d'évaluer les performances des solutions que nous proposons, nous avons développé des modèles avec le simulateur Omnet++. Nous avons utilisé une approche basée sur le rejeu de trajectoires réelles d'avions afin de rendre compte au mieux de la diversité des contraintes qui s'y appliquent. Le trafic de données simulé représente des communications bidirectionnelles entre des avions en vol et des services de contrôle au sol. Nos simulations mettent en évidence que les modifications que nous avons apportées au RP-CDMA améliorent les performances globales du système. Ces simulations montrent aussi que l'algorithme NoDe-TBR est sensiblement plus performant que des algorithmes de routage classiques en termes de délai et de joignabilité, tout en générant un volume négligeable de messages de signalisation. / The communication systems used in civil aviation are subject to an ever increasing capacity demand because of the air traffic growth and the development of new services. In this context, the AANETs (Aeronautical Ad-hoc NETworks) are studied as an innovative communication solution that would complement existing systems. An AANET is an ad hoc network in which the nodes are aircraft. It makes use of direct inter-aircraft communications to transmit data beyond the radio range by using a chain of relays. The objective of this thesis is to propose a solution to two complex problematics present in AANETs : the channel access management and the routing. Previous studies have shown the feasibility of such networks, and a communication architecture based on CDMA (Code Division Multiple Access) has been proposed in the literature. The CDMA allows concurrent receptions between users. However, no spreading code assignment method have been specified. In order to solve this problem on large scale networks such as AANETs, we propose to improve an existing method : the RP-CDMA (Random Packet CDMA). We then describe the innovative routing protocol that we have designed: NoDe-TBR (Node Density TBR). In the TBR (Trajectory Based Routing) paradigm, the packets are forwarded along a geographical path (geopath), specified by the sender. We specify through NoDe-TBR a method to compute these paths. In this protocol, the geopaths are computed as geodesics which take into account the actual node density. This approach has been selected because it should have the benefits of geographic routing (very low overhead) while being robust to the specific conditions encountered in AANETs (mobility, uneven aircraft density). To assess the performances of our propositions, we have developed models for the simulator Omnet++. We have used an approach based on the replay of actual aircraft trajectories in order to take into account the variety of constraints applied to the movements of the aircraft. The simulated data traffic represents bidirectional communications between aircraft and ground stations. Our simulations shows that the modification we propose for RP-CDMA improve the overall performances of the system. The simulations results also shows that NoDe-TBR outperforms more classical routing methods in terms of reachability and delay, while generating less overhead.

Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l’aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût.La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu’à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d’avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d’une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d’améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l’infrastructure sol est limitée.Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant. / In the current aeronautical communications context, there is an increasing interest in offering new services to civil aircraft. For instance, airlines are looking into new solutions to back up flight data and cockpit voice records during the flight, or to provide more accurate meteorological data to pilots. Being able to offer Internet access to passengers is also a major demand from these companies. All these services represent new types of air-ground communications that require newcommunication systems. Indeed, traditional datalink systems are based on a direct airground link (e.g. VDL Mode 2) or on a satellite link (e.g. L-Band Inmarsat satellites).They all have limits in terms of capacity, coverage and cost. In this thesis, we study aeronautical ad hoc networks. They have recently been proposedas a new solution for future air-ground communications. The idea of such networks is to introduce wireless links between aircraft. This system can be seen as a mobile ad hoc network whose nodes are civil aircraft in flight. Each aircraft is able to act as a router to send data hop-by-hop to the destination. Such a solution would improve the coverage of conventional cellular solutions in continental area. It is also applicable to oceanic areas, where the only available solutions are now satellite and HF. The costs of deployment and maintenance would be relatively low because the ground infrastructure is limited. In this thesis, the feasibility of this innovative aeronautical communication system is investigated. A simulation tool has been developed to study the network connectivity, based on actual aircraft positions data both in continental and oceanic airspace.

Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l'aviation civile cherche de nouveaux systémes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les réseaux ad-hoc aéronautiques, AANET (Aeronautical Ad hoc NETworks) représentent une approche innovante pour répondre à cette problématique. Il s'agit de réseaux auto-configurés, n'utilisant pas d'infrastructure fixe et dont la spécificité réside dans le fait que les nfiuds composant le réseau sont des avions commerciaux. Les AANET peuvent être vus comme un sous ensemble des VANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) puisqu'ils partagent de nombreuses caractéristiques comme les contraintes imposées sur les trajectoires. Afin d'utiliser le plus eficacement ces réseaux mobiles tout en répondant aux besoins de nouvelles applications, telle que l'information météorologique temps réel sur des phénoménes dangereux, qui nécessitent des communications d'avion à avion, la proposition avancée dans cette thése est d'utiliser le paradigme du routage basé sur le contenu au dessus des AANET. Dans ce type de routage, ce n'est plus une adresse de destination qui est utilisée pour joindre le ou les correspondants, mais le contenu du message qui permet de décider des destinataires. Dans ce paradigme, un émetteur envoi un message possédant des attributs et le message est alors transmis par le réseau uniquement aux terminaux intéressés par le contenu du message. Appliqué à l'information météorologique, cette approche permet à un aéronef détectant un phénoméne dangereux tel qu'un orage de prévenir uniquement les avions intéressés par cet événement, c'est à dire ceux dont la trajectoire passe prés de l'orage dans le temps de vie du phénoméne. Dans cette thése, nous avons choisi de nous appuyer sur le paradigme populaire de publication/souscription (P/S) pour fournir un service de routage basé sur le contenu. Dans cette approche, des éditeurs publient des événements et des nfiuds envoient des abonnements pour déclarer les contenus qui les intéressent au systéme qui est alors en charge de leur faire suivre les événements répondant à leur demande. Aprés un état de l'art sur les systémes P/S existants, notamment ceux adaptés aux VANET, nous avons choisi de tester des solutions paraissant intéressantes dans un contexte AANET. Pour cela, nous avons développé sous Omnet++ un module de mobilité utilisant des reports de position réels afin de rejouer des journées complétes de trafic d'avions réels, ainsi que plusieurs applications aéronautiques s'appuyant sur un systéme P/S permettant de générer des données réalistes. Les résultats montrent que ces solutions ne sont pas complétement adaptées pour un contexte AANET. C'est pourquoi, dans un second temps, nous avons proposé un nouveau systéme P/S pour les AANET. Cette solution s'appuie sur une architecture recouvrante ("overlay network") construite à l'aide d'un algorithme original de regroupement à 1-saut (1-hop clusterisation) adapté aux AANET. Afin de favoriser la stabilité de l'architecture recouvrante, cet algorithme s'appuie sur le nombre de voisins et la mobilité relative entre les nfiuds voisins pour définir les groupes. Les tests réalisés montrent que le systéme P/S s'appuyant sur cette surcouche ofire de meilleurs résultats que les solutions testées précédemment, que ce soit en termes de charge réseau ou de pourcentage d'événements délivrés. / In a context of growing needs of communication means to increase ight safety and meet the expectations of companies and passengers, the world of civil aviation seeks new communication systems that can meet these objectives. The Aeronautical Ad-Hoc Networks, AANETs represent an innovative approach to address this problem. It is self-configured networks, using no fixed infrastructure where the nodes are commercial aircraft. The AANETs can be seen as a subset of the VANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) since they share many features as the constraints imposed on the trajectories. In order to use these mobile networks more eficiently while meeting the needs of new applications, such as the transmission of weather information in real time, requiring air to air communications. , we propose in this thesis to use the paradigm of content based routing above AANET. In this kind of routing, it is not a destination address that is used to identify the recipients, but the message content itself. In this paradigm, a transmitter sends a message having attributes and the message is then transmitted by the network to nodes interested by the content of the message. Applied to weather information update, this approach allows an aircraft detecting a dangerous phenomenon such as a thunderstorm to only prevent interested nodes, ie those whose the trajectorycome close to the storm during the lifetime of the event. In this thesis, we have chosen to rely on the popular Publish / Subscribe (P/S) paradigm to provide a content based routing service. In this approach, publishers publish events. On the other side, nodes send subscriptions to declare their interest and the system is then in charge of forward events to nodes that match their needs. After a state of the art about existing P / S systems, particularly those adapted to VANETs, we choose to test the solutions seemed interesting in a AANET context. To accomplish this, we have developed as a Omnet ++ mobility model using real position reports to replay a full day of trafic of aircraft and several aeronautical applications based on a P / S system to generate realistic data. The results show that these solutions are not completely suitable for AANET context. Therefore, in a second step, we proposed a new P / S system which is more eficient on a AANET. This solution is based on an overlay network built thanks to a new of 1-hopping clustering algorithm suitable for AANET. In order to increase the stability of the overlay architecture, this algorithm is based on the number of neighbors and the relative mobility between the nodes to define groups. The tests show that the P/S system based on this overlay provides better results than the previously tested solutions, whether in terms of network load or percentage of transmitted events.

Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l'aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût.La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d'utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu'à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d'avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d'une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d'améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l'infrastructure sol est limitée.Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.