Les réseaux ad hoc de véhicules accueillent une multitude d’applications intéressantes. Parmi celles-ci, les applications d’info-divertissement visent à améliorer l’expérience des passagers. Ces applications ont des exigences rigides en termes de délai de livraison et de débit. De nombreuses approches ont été proposées pour assurer la qualité du service des dites applications. Elles sont réparties en deux couches : réseau et contrôle d’accès. Toutefois, ces méthodes présentent plusieurs lacunes. Cette thèse a trois volets. Le premier aborde la question du routage dans le milieu urbain. A cet égard, un nouveau protocole, appelé SCRP, a été proposé. Il exploite l’information sur la circulation des véhicules en temps réel pour créer des épines dorsales sur les routes et les connecter aux intersections à l’aide des nœuds de pont. Ces derniers collectent des informations concernant la connectivité et le délai, utilisées pour choisir les chemins de routage ayant un délai de bout-en-bout faible. Le deuxième s’attaque au problème d’affectation des canaux de services afin d’augmenter le débit. A cet effet, un nouveau mécanisme, appelé ASSCH, a été conçu. ASSCH collecte des informations sur les canaux en temps réel et les donne à un modèle stochastique afin de prédire leurs états dans l’avenir. Les canaux les moins encombrés sont sélectionnés pour être utilisés. Le dernier volet vise à proposer un modèle analytique pour examiner la performance du mécanisme EDCA de la norme IEEE 802.11p. Ce modèle tient en compte plusieurs facteurs, dont l’opportunité de transmission, non exploitée dans IEEE 802.11p. / The fact that vehicular ad hoc network accommodates two types of communications, Vehicle-to-Vehicle and Vehicle-to-Infrastructure, has opened the door for a plethora of interesting applications to thrive. Some of these applications, known as infotainment applications, focus on enhancing the passengers' experience. They have rigid requirements in terms of delivery delay and throughput. Numerous approaches have been proposed, at medium access control and routing layers, to enhance the quality of service of such applications. However, existing schemes have several shortcomings. Subsequently, the design of new and efficient approaches is vital for the proper functioning of infotainment applications. This work proposes three schemes. The first is a novel routing protocol, labeled SCRP. It leverages real-time vehicular traffic information to create backbones over road segments and connect them at intersections using bridge nodes. These nodes are responsible for collecting connectivity and delay information, which are used to select routing paths with low end-to-end delay. The second is an altruistic service channel selection scheme, labeled ASSCH. It first collects real-time service channels information and feeds it to a stochastic model that predicts the state of these channels in the near future. The least congested channels are then selected to be used. The third is an analytical model for the performance of the IEEE 802.11p Enhanced Distributed Channel Access mechanism that considers various factors, including the transmission opportunity (TXOP), unexploited by IEEE 802.11p.

Abstract Fading in wireless channels, the limited battery energy available in wireless handsets, the changing user demands and the increasing demand for high data rate and low delay pose serious design challenges in the future generations of mobile communication systems. It is necessary to develop efficient transmission policies that adapt to changes in network conditions and achieve the target delay and rate with minimum power consumption. In this thesis, a number of new paradigms in wireless networks are presented. Dynamic programming tools are used to provide dynamic network stabilizing resource allocation solutions for virtualized data centers with clouds, cooperative networks and heterogeneous networks. Exact dynamic programming is used to develop optimal resource allocation and topology control policies for these networks with queues and time varying channels. In addition, approximate dynamic programming is also considered to provide new sub-optimal solutions. Unified system models and unified control problems are also provided for both secondary service provider and primary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. The results show that by adapting to the changes in queue lengths and channel states, the dynamic policy mitigates the effects of primary service provider and secondary service provider cognitive networks on each other. We investigate the network stability and provide new unified stability regions for primary service provider and secondary service provider cognitive networks as well as for conventional wireless networks. The K-step Lyapunov drift is used to analyse the performance and stability of the proposed dynamic control policies, and new unified stability analysis and queuing bound are provided for both primary service provider and secondary service provider cognitive networks and for conventional wireless networks. By adapting to the changes in network conditions, the dynamic control policies are shown to stabilize the network and to minimize the bound for the average queue length. In addition, we prove that the previously proposed frame based does not minimize the bound for the average delay, when there are shared resources between the terminals with queues. / Tiivistelmä Langattomien kanavien häipyminen, langattomien laitteiden akkujen rajallinen koko, käyttäjien käyttötarpeiden muutokset sekä lisääntyvän tiedonsiirron ja lyhyemmän viiveen vaatimukset luovat suuria haasteita tulevaisuuden langattomien verkkojen suunnitteluun. On välttämätöntä kehittää tehokkaita resurssien allokointialgoritmeja, jotka sopeutuvat verkkojen muutoksiin ja saavuttavat sekä tavoiteviiveen että tavoitedatanopeuden mahdollisimman pienellä tehon kulutuksella. Tässä väitöskirjassa esitetään uusia paradigmoja langattomille tietoliikenneverkoille. Dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan dynaamisia verkon stabiloivia resurssien allokointiratkaisuja virtuaalisille pilvipalveludatakeskuksille, käyttäjien yhteistyöverkoille ja heterogeenisille verkoille. Tarkkoja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään kehittämään optimaalisia resurssien allokointi ja topologian kontrollointialgoritmeja näille jonojen ja häipyvien kanavien verkoille. Tämän lisäksi, estimoituja dynaamisen ohjelmoinnin välineitä käytetään luomaan uusia alioptimaalisia ratkaisuja. Yhtenäisiä systeemimalleja ja yhtenäisiä kontrollointiongelmia luodaan sekä toissijaisen ja ensisijaisen palvelun tuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. Tulokset osoittavat että sopeutumalla jonojen pituuksien ja kanavien muutoksiin dynaaminen tekniikka vaimentaa ensisijaisen ja toissijaisen palvelun tuottajien kognitiivisten verkkojen vaikutusta toisiinsa. Tutkimme myös verkon stabiiliutta ja luomme uusia stabiilisuusalueita sekä ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille että tavallisille langattomille verkoille. K:n askeleen Lyapunovin driftiä käytetään analysoimaan dynaamisen kontrollointitekniikan suorituskykyä ja stabiiliutta. Lisäksi uusi yhtenäinen stabiiliusanalyysi ja jonon yläraja luodaan ensisijaisen ja toissijaisen palveluntuottajan kognitiivisille verkoille ja tavallisille langattomille verkoille. Dynaamisen algoritmin näytetään stabiloivan verkko ja minimoivan keskimääräisen jonon pituuden yläraja sopeutumalla verkon olosuhteiden muutoksiin. Tämän lisäksi todistamme että aiemmin esitetty frame-algoritmi ei minimoi keskimääräisen viiveen ylärajaa, kun käyttäjät jakavat keskenään resursseja.

Cognitive radio is frequently touted as a platform for implementing dynamic distributed radio resource management algorithms. In the envisioned scenarios, radios react to measurements of the network state and change their operation according to some goal driven algorithm. Ideally this flexibility and reactivity yields tremendous gains in performance. However, when the adaptations of the radios also change the network state, an interactive decision process is spawned and once desirable algorithms can lead to catastrophic failures when deployed in a network. This document presents techniques for modeling and analyzing the interactions of cognitive radio for the purpose of improving the design of cognitive radio and distributed radio resource management algorithms with particular interest towards characterizing the algorithms' steady-state, convergence, and stability properties. This is accomplished by combining traditional engineering and nonlinear programming analysis techniques with techniques from game to create a powerful model based approach that permits rapid characterization of a cognitive radio algorithm's properties. Insights gleaned from these models are used to establish novel design guidelines for cognitive radio design and powerful low-complexity cognitive radio algorithms. This research led to the creation of a new model of cognitive radio network behavior, an extensive number of new results related to the convergence, stability, and identification of potential and supermodular games, numerous design guidelines, and several novel algorithms related to power control, dynamic frequency selection, interference avoidance, and network formation. It is believed that by applying the analysis techniques and the design guidelines presented in this document, any wireless engineer will be able to quickly develop cognitive radio and distributed radio resource management algorithms that will significantly improve spectral efficiency and network and device performance while removing the need for significant post-deployment site management. / Ph. D.

當大型災害來臨，通訊系統對救災效益具有不可或缺的重要性。然而，一般公眾通訊系統，如行動通訊網路等，常因各種不同因素導致系統攤瘓，使得協調大批非組織的救災志工，顯得異常困難。現存多個緊急通訊系統的佈建，需仰頼良好的交通運輸。不幸的是，部分道路和橋樑常因大型災害而斷裂或變型，導致災區對外交通運輸中斷，無法快速的將緊急通訊系統的網路元件，運送至災區佈建。我們提出應急行動通訊系統(Contingency Cellular Network, CCN) 以提供災區救災工作的緊急通訊。部分行動基地台雖然結構完整，但因失去與核心網路連線能力或電力供應，而無法提供服務，成為孤立基地台。應急行動通訊網路(CCN) 搭配無線通訊與衛星通訊技術建置一多重跳接無線網路，以恢復孤立基地台與核心網路連線能力；並配備發電機，提供電力，使孤立基地台可提供有限的服務。救災志工和災民無需使用特殊手持設備或額外的訓練，只需使用原有的手機，即可使用CCN的應急通訊服務。CCN可於第一時間，提供大批救災志工和災民通訊服務，以提高救災效益，因而拯救更多寶貴的生命。 本論文主要聚焦在應急行動通訊系統設計所衍生出的相關議題，如 應急網路需求分析、系統架構設計、網路拓樸規劃、網路頻寬規劃、佈署行程規劃等議題。本論文針對網路拓樸規劃、網路頻寬規劃、佈署行程規劃問題以數學模式進行塑模並證明這些問題為NP-Hard問題。因網路拓樸規劃、網路頻寬規劃、佈署行程規劃需緊急完成，我們也提出啟發式算法快速解決這些規劃問題。實驗結果顯示，這些啟發式算法均具良好的效能。 / Communication system is crucial to the efficiency of disaster response operation in the large-scale disaster. However, communication systems, such as cellular networks, usually crashed due to various causes making coordination among disorganized disaster responders extremely difficult. Unfortunately, rapid deployment of many existing emergency communication systems relies on a good transportation system, which is usually not available in a catastrophic natural disaster. We proposed a Contingency Cellular Network (CCN) for emergency communication by connecting disconnected base stations together with wireless links to construct a wireless multi-hop cellular network. CCN can support existing mobile phone users with reduced capability. Such a system can support a large number of disaster responders in the early hours of a catastrophic natural disaster, thus save many lives. Our research addresses the design issues of the network topology of CCN, such as network topology planning, bandwidth management, deployment scheduling and etc., and we take the degree of emergency and population of each stricken area as the priority measure as well as the available resources as the constraint to determine the network topology. Mathematical models of these design issues are proposed and proved as NP-Hard problems. Since the network topology, bandwidth management, deployment scheduling are needed in urgent, we propose heuristic algorithms to solve these problems quickly. Finally, we evaluated the proposed algorithms by simulation. A significant improvement in resiliency is reached.

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De nos jours, la voiture est devenue le mode de transport le plus utilisé, mais malheureusement, il est accompagné d’un certain nombre de problèmes (accidents, pollution, embouteillages, etc.), qui vont aller en s’aggravant avec l’augmentation prévue du nombre de voitures particulières, malgré les efforts très importants mis en œuvre pour tenter de les réduire ; le nombre de morts sur les routes demeure très important. Les réseaux sans fil de véhicules, appelés VANET, qui consistent de plusieurs véhicules mobiles sans infrastructure préexistante pour communiquer, font actuellement l’objet d'une attention accrue de la part des constructeurs et des chercheurs, afin d’améliorer la sécurité sur les routes ou encore les aides proposées aux conducteurs. Par exemple, ils peuvent avertir d’autres automobilistes que les routes sont glissantes ou qu’un accident vient de se produire. Dans VANET, les protocoles de diffusion (broadcast) jouent un rôle très important par rapport aux messages unicast, car ils sont conçus pour transmettre des messages de sécurité importants à tous les nœuds. Ces protocoles de diffusion ne sont pas fiables et ils souffrent de plusieurs problèmes, à savoir : (1) Tempête de diffusion (broadcast storm) ; (2) Nœud caché (hidden node) ; (3) Échec de la transmission. Ces problèmes doivent être résolus afin de fournir une diffusion fiable et rapide. L’objectif de notre recherche est de résoudre certains de ces problèmes, tout en assurant le meilleur compromis entre fiabilité, délai garanti, et débit garanti (Qualité de Service : QdS). Le travail de recherche de ce mémoire a porté sur le développement d’une nouvelle technique qui peut être utilisée pour gérer le droit d’accès aux médias (protocole de gestion des émissions), la gestion de grappe (cluster) et la communication. Ce protocole intègre l'approche de gestion centralisée des grappes stables et la transmission des données. Dans cette technique, le temps est divisé en cycles, chaque cycle est partagé entre les canaux de service et de contrôle, et divisé en deux parties. La première partie s’appuie sur TDMA (Time Division Multiple Access). La deuxième partie s’appuie sur CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) pour gérer l’accès au medium. En outre, notre protocole ajuste d’une manière adaptative le temps consommé dans la diffusion des messages de sécurité, ce qui permettra une amélioration de la capacité des canaux. Il est implanté dans la couche MAC (Medium Access Control), centralisé dans les têtes de grappes (CH, cluster-head) qui s’adaptent continuellement à la dynamique des véhicules. Ainsi, l’utilisation de ce protocole centralisé nous assure une consommation efficace d’intervalles de temps pour le nombre exact de véhicules actifs, y compris les nœuds/véhicules cachés; notre protocole assure également un délai limité pour les applications de sécurité, afin d’accéder au canal de communication, et il permet aussi de réduire le surplus (overhead) à l’aide d’une propagation dirigée de diffusion. / Nowadays, the car has become the most popular mode of transport, but unfortunately its use is accompanied by a number of problems (accidents, pollution, congestion, etc.). These problems will get worse with the increase in the number of passenger cars, despite very significant efforts made to reduce the number of road deaths, which is still very high. Wireless networks for vehicles called VANET (Vehicle Ad Hoc Networks), were developed when it became possible to connect several mobile vehicles without relying on pre existing communication infrastructures. These networks have currently become the subject of increased attention from manufacturers and researchers, due to their potential for improving road safety and/or offering assistance to drivers. They can, for example, alert other drivers that roads are slippery or that an accident has just occurred. In VANETs, broadcast protocols play a very important role compared to unicast protocols, since they are designed to communicate important safety messages to all nodes. Existing broadcast protocols are not reliable and suffer from several problems: (1) broadcast storms, (2) hidden nodes, and (3) transmission failures. These problems must solved if VANETs are to become reliable and able to disseminate messages rapidly. The aim of our research is to solve some of these problems while ensuring the best compromise among reliability, guaranteed transmission times and bandwidth (Quality of Service: QoS). The research in this thesis focuses on developing a new technique for managing medium access. This protocol incorporates the centralized management approach involving stable clusters. In this technique, time is divided into cycles; with each cycle being shared among the control and service channels, and is divided into two segments. The first is based on TDMA (Time Division Multiple Access) while the second is based on CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) to manage access to the medium. Furthermore, our protocol adaptively adjusts the time consumed in broadcasting safety messages, thereby improving channel capacity. It is implemented in the MAC (Medium Access Control), and centralized in stable cluster heads that are able to adapt to the dynamics of vehicles. This protocol provides a centralized and efficient use of time intervals for an exact number of active vehicles, including hidden nodes/vehicles. Our protocol also provides time intervals dedicated to security applications for providing access to communication channels, and also reduces overhead via directed diffusion of data. Keywords: Ad-hoc networks, VANET, Vehicle, Periodic Safety Messages, broadcast protocols, contention-free.

Chaque année en Europe, 1.300.000 accidents de la route ont comme conséquence 1.700.000 blessés. Le coût financier d’accidents de la route est évalué à 160 milliards d’euros (approximativement le même coût aux Etats-Unis). VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork) est une des technologies clés qui peut permettre de réduire d’une façon significative le nombre d’accidents de la route (e.g. message d’urgence signalant la présence d’un obstacle ou d’un véhicule en cas de brouillard). En plus de l’amélioration de la sécurité et du confort des conducteurs et des passagers, VANET peut contribuer à beaucoup d’applications potentielles telles que la prévision et la détection d’embouteillages, la gestion d’infrastructure de système de transport urbain (e.g. système de transport intelligent multimodal) etc. Dans cette thèse, je présenterai un système embarqué dédié à la communication inter-véhicule particulièrement pour les applications sécuritaires de passagers et de conducteurs. Nos efforts de recherche et de développement sont centrés sur deux principaux objectifs : minimiser le temps de latence intra-noeud et le délai de communication inter-véhicule en prenant en compte le changement dynamique du VANET. De ce fait pour atteindre ces objectifs, des nouvelles approches (e.g. inter-couche ‘Cross-layering’) ont été explorées pour respecter les contraintes de ressource (QoS, mémoire, CPU et énergie de la communication inter-véhicule) d’un système embarqué à faible coût. Le système de communication embarqué proposé comporte deux composants logiciels principaux : un protocole de communication dénommé CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) et un système d’exploitation temps réel appelé HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). CIVIC est un protocole de communication géographique à faible consommation énergétique et à faible temps de latence (délai de communication). HEROS gère contextuellement l’ensemble du système (matériel et logiciel) en minimisant le temps de latence et la consommation des ressources (CPU et mémoire). En outre, le protocole de communication CIVIC est équipé d’un système de localisation LCD-GPS (Low Cost Differential GPS). Pour tester et valider les différentes techniques et théories, la plateforme matérielle LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE) a été utilisée. En effet, la plateforme LiveNode permet de développer et de prototyper rapidement des applications dans différents domaines. Le protocole de communication CIVIC est basé sur la technique de ‘broadcast’ à un saut ; de ce fait il est indépendant de la spécificité du réseau. Pour les expérimentations, seule la norme d’IEEE 802.15.4 (ZigBee) a été choisie comme médium d’accès sans fil. Il est à noter que le médium d’accès sans fil ZigBee a été adopté comme le médium standard pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) et le standard 6LoWPAN ; car il est peu coûteux et peu gourmand en énergie. Bien que le protocole de communication à l’origine soit conçu pour répondre aux exigences de VANET, ses domaines d’application ne sont pas limités à VANET. Par exemple il a été utilisé dans différents projets tels que MOBI+ (système de transport urbain intelligent) et NeT-ADDED (projet européen FP6 : agriculture de précision). Les VANETs et les RCSFs sont les réseaux fortement dynamiques, mais les causes de changement topologique de réseau sont différentes : dans le réseau VANET, il est dû à la mobilité des véhicules, et dans le RCSF, il est dû aux pannes des noeuds sans fil. Il est à noter que le VANET et le RCSF sont généralement considérés comme un sous-ensemble du réseau MANET (réseau ad-hoc mobile). Cependant, ils sont réellement tout à fait différents du MANET classique, et leurs similitudes et différences seront expliquées en détail dans la thèse. La contribution principale de mes travaux est le protocole CIVIC, qui échange des messages en basant sur l’information géographique des noeuds (position). (...) / Each year in Europe, 1,300,000 vehicle accidents result in 1,700,000 personal injuries. The financial cost of vehicle accidents is evaluated at 160 billion Euros (approximately the same cost in the USA). VANET (Vehicular Ad-Hoc NETwork) is a key technology that can enable hazard alarming applications to reduce the accident number. In addition to improve the safety for drivers and passengers, VANET can contribute to many potential applications such as detecting and predicting traffic jams, auto-optimizing the traffic flow, and helping disabled passengers to access public transports.This thesis will present an embedded communication system dedicated to VANET especially for the safety-related applications. Our design mainly tries to achieve two requirements: as one can imagine, the embedded communication system for VANET requires extra effort to deal with the highly dynamic network topology caused by moving vehicles, thus to shorten the intra-node system latency and inter-node network delay is essential requirement for such embedded communication system. Besides, a fundamental requirement for any practical embedded system is resource-awareness. Although the embedded communication system on vehicles may gain better hardware supports, the characteristics of embedded hardware still have to cope with resource constraints in terms of QoS, memory, CPU and energy. The embedded communication system involves two major software components: a routing protocol called CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) and an embedded operating system called HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). The former is a quick reaction and low resource consumption geographic protocol for inter-vehicle message transmissions; and the latter controls the whole system and assures intra-node resource awareness. In addition, the system can use a localization software solution called LCD-GPS (Low Cost Differential GPS) to improve the accuracy of locations. The hardware platform is LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE), which is a versatile wireless sensor node enabling to implement rapidly a prototype for different application domains. The communication system is based on the one-hop broadcast, thus it does not have a strict limitation on network specification. For the experiments only, the IEEE 802.15.4 standard is chosen as the underlying wireless access medium. The standard is well known as a low-power consumption standard requiring low-cost devices. Notice that the IEEE 802.15.4 standard is also the wireless access medium of 6LoWPAN. Although the embedded communication system is originally designed to meet the requirements of VANET, but its application domains are not limited to VANET. For example, another network which can use the embedded communication system is WSN (Wireless Sensor Network). CIVIC was used to implement different real-world projects such MOBI+ (intelligent urban transportation system) and EU-FP6 NeT-ADDED (precision agriculture). Both VANET and WSN are highly dynamic networks, but the causes of changing network topology are different: the former is because of the high-mobility feature of vehicles, and the latter is because of the fault of wireless sensors. Note that, although VANET and WSN are both commonly considered as the subset of MANET (Mobile Ad-hoc NETwork), they are actually quite different from the classical MANET, and the similarities and differences will be further explained in the thesis. The major contribution of my works relates to the CIVIC protocol, which routes messages based on the geographic information. The related works of the thesis will focus on the geographic routing techniques, problems and solutions, but other related techniques will also be addressed. Note that, although some related projects were investigated but their implementation and experiment aspects were not detailed. (...)

Les réseaux de capteurs sans fils (WSN) sont composés d'un très grand nombre de capteurs, capables de mesurer des paramètres physiques de l'environnement, de mettre en forme l'information obtenue et de la communiquer aux autres capteurs grâce à une interface radio. Les capteurs étant en général déployés sur de très grandes étendues géographiques, l'énergie nécessaire pour les faire fonctionner est fournie par une batterie embarquée sur le capteur. En général, il est difficile de recharger les batteries une fois les capteurs déployés. Economiser l'énergie est donc une préoccupation constante lors de la conception des capteurs et des protocoles de communication utilisés, de manière à prolonger la durée de vie du réseau. Dans ce but, les capteurs transmettent leurs données avec des puissances d'émission très faibles. Avec de telles puissances d'émission, un message ne peut être transmis que sur quelques dizaine de mètres. De ce fait, lorsqu'un capteur détecte un événement, le message est transmis en mode ad-hoc multisauts jusqu'au puits, un nœud spécifique du réseau, qui récolte toutes les informations et est capable de réagir de manière adéquate. Dans cette thèse, nous donnons d'abord un état de l'art avancé sur les WSN. Ensuite nous analysons l'impact du cycle d'endormissement et des liens non fiable sur la couche de routage. A partir des résultats analytiques, nous proposons trois méthodes originales, simples et efficaces pour construire des coordonnées virtuelles en prenant en compte la non fiabilité des liens dans les WSN. En prenant en compte le cycle d'endormissement et les contraintes temps-réel, nous proposons deux protocoles cross-layer qui ont de bons taux de livraison et qui permettent de respecter des contraintes temporelles. Pour pallier à la dynamicité des réseaux de capteurs sans fil, nous proposons un protocole de routage robuste qui adapte ses paramètres quand la topologie change. Enfin, nous concluons et donnons quelques perspectives. / Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of a large number of battery-powered sensor nodes that have the ability to sense the physical environment, compute the obtained information and communicate using the radio interfaces. Because sensor nodes are generally deployed on a large and wild area, they are powered by embedded battery. And it is difficult to change or recharge the battery, thus to reduce the energy consumption when sensors and protocols are designed is very important and can extend the lifetime of WSNs. So sensor nodes transmit packets with a lower transmission power (e.g. OdBm). With this transmission power, a packet can only be transmitted dozens of meters away. Therefore, when a sensor detects an event, a packet is sent in a multi-hop, ad-hoc manner (without fixed infrastructure and each sensor is able to relay the packet) to the sink (specific node which gathers information and reacts to the network situation). In this thesis, we first give an elaborate state of the art of WSNs. Then the impacts of duty-cycle and unreliable links or the performances of routing layer are analyzed. Based on the analytical results, we then propose three new simple yet effective methods to construct virtual coordinates under unreliable links in WSNs. By further taking the duty-cycle and real-time constraints into consideration we propose two cross-layer forwarding protocols which can have a greater delivery ratio and satisfy the deadline requirements. In order to have protocols for the WSNs that have dynamic topology, we then propose a robust forwarding protocol which can adapt its parameters when the topology changes. At last, we conclude this thesis and give some perspectives.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux réseaux urbains considérés par le projet ANR ARESA2 qui sont principalement des réseaux de capteurs et actionneurs hétérogènes : l’hétérogénéité est causée par la coexistence des noeuds capteurs à faibles ressources et des noeuds actionneurs riches en ressources. Ces derniers devraient être utilisés de manière différenciée par le réseau. C’est dans ce contexte que se déroule cette thèse dans laquelle nous avons étudié des algorithmes d’auto-organisations et de routage s’appuyant sur l’hétérogénéité. Au début, nous nous sommes intéressés à l’auto-organisation dans un contexte hétérogène. Se basant sur l’idée que les ressources au niveau des noeuds actionneurs doivent être exploitées afin de réduire la charge de communication au niveau des noeuds capteurs, nous avons proposé un protocole d’auto-organisation appelée Far-Legos. Far-Legos permet de profiter de la puissance d’émission des actionneurs pour apporter une information de gradient au niveau des capteurs. Les actionneurs initient et construisent une topologie logique. Cette dernière sera utilisée pour faciliter la phase de collecte de données à partir des noeuds capteurs vers les noeuds actionneurs. Ensuite, nous nous sommes intéressés aux liens asymétriques causés par la présence de différents types de noeuds avec différentes portées de transmission. Ces liens asymétriques, causés par l’hétérogénéité au niveau des noeuds constituant le réseau, peuvent détériorer les performances des protocoles de routage qui ne tiennent pas compte de ce type de liens. Pour éviter la dégradation de ces protocoles de routage, nous introduisons une nouvelle métrique de calcul de gradient ou de rang. Celle-ci sera utile pour détecter et éviter les liens asymétriques au niveau de la couche réseau pour le protocole de routage RPL. Nous présentons aussi une adaptation du protocole de collecte de données basé sur Legos pour détecter et éviter ces liens asymétriques. Enfin, nous nous sommes intéressés à l’exploitation de ces liens asymétriques. Nous proposons ainsi un protocole de collecte de données dédiés aux réseaux hétérogènes contenant des liens asymétriques appelé AsymRP. AsymRP est un protocole de routage dédié au trafic de collecte de données basé sur une connaissance de voisinage à 2-sauts combinée avec l’utilisation des messages d’acquittements (ACKs) implicites et une technique de routage de messages ACKs explicites. Cette proposition tire profit des liens asymétriques afin d’assurer une collecte de données fiable. / In this thesis, we focused on urban wireless networks considered by the ANR project ARESA2. The networks considered by this project are heterogeneous networks. This heterogeneity is caused by the coexistence of sensor nodes with limited resources and actuator nodes with higher resources. Actuators nodes should be used differentially by the network. Hence designed protocols for WSANs should exploit resource-rich devices to reduce the communication burden on low power nodes. It is in this context that this thesis takes place in which we studied self-organizing and routing algorithms based on the heterogeneity. First, we are interested in self-organization protocols in a heterogeneous network. Based on the idea that resource-rich nodes must be exploited to reduce the communication load level on low-power nodes, we proposed self-organizing protocol called Far-Legos. Far-Legos uses the large transmit power of actuators to provide gradient information to sensor nodes. Actuators initiate and construct a logical topology. The nature of this logical topology is different inside and outside the transmission range of these resourceful nodes. This logical topology will be used to facilitate the data collection from sensor to actuator nodes. Second, we investigated the asymmetric links caused by the presence of heterogeneous nodes with different transmission ranges. The apparition of asymmetric links can dramatically decrease the performance of routing protocols that are not designed to support them. To prevent performance degradation of these routing protocols, we introduce a new metric for rank calculation. This metric will be useful to detect and avoid asymmetric links for RPL routing protocol. We also present an adaptation of data collection protocol based on Legos to detect and avoid these asymmetric links. Finally, we are interested in exploiting the asymmetric links present in the network. We proposed a new routing protocol for data collection in heterogeneous networks, called AsymRP. AsymRP, a convergecast routing protocol, assumes 2-hop neighborhood knowledge and uses implicit and explicit acknowledgment. It takes advantage of asymmetric links to ensure reliable data collection.

Security of communications is a major requirement for Mobile Adhoc NETworks(MANETs) since they use wireless channel for communications which can be easily tapped, and physical capture of MANET nodes is also quite easy. From the point of view of providing security in MANETs, there are basically two types of MANETs, viz., authoritarian MANETs, in which there exist one or more authorities who decide the members of the network, and self-organized MANETs, in which there is no such authority. Ensuring security of communications in the MANETs is a challenging task due to the resource constraints and infrastructure-less nature of these networks, and the limited physical security of MANET nodes. Attacks on security in a MANET can be launched by either the external attackers which are not legitimate members of the MANET or the internal attackers which are compromised members of the MANET and which can hold some valid security credentials or both. Key management and authentication protocols(KM-APs)play an important role in preventing the external attackers in a MANET. However, in order to prevent the internal attackers, an intrusion detection system(IDS) is essential. The routing protocols running in the network layer of a MANET are most vulnerable to the internal attackers, especially to the attackers which launch packet dropping attack during data packet forwarding in the MANET. For an authoritarian MANET, an arbitrated KM-AP protocol is perfectly suitable, where trusts among network members are coordinated by a trusted authority. Moreover, due to the resource constraints of a MANET, symmetric key management protocols are more efficient than the public key management protocols in authoritarian MANETs. The existing arbitrated symmetric key management protocols in MANETs, that do not use any authentication server inside the network are susceptible to identity impersonation attack during shared key establishments. On the other hand, the existing server coordinated arbitrated symmetric key management protocols in MANETs do not differentiate the role of a membership granting server(MGS) from the role of an authentication server, and so both are kept inside the network. However, keeping the MGS outside the network is more secure than keeping it inside the network for a MANET. Also, the use of a single authentication server inside the network cannot ensure robustness against authentication server compromise. In self-organized MANETs, public key management is more preferable over symmetric key management, since the distribution of public keys does not require a pre-established secure channel. The main problem for the existing self-organized public key management protocols in MANETs is associated with the use of large size certificate chains. Besides, the proactive certificate chaining based approaches require each member of a MANET to maintain an updated view of the trust graph of the entire network, which is highly resource consuming. Maintaining a hierarchy of trust relationships among members of a MANET is also problematic for the same reason. Evaluating the strength of different alternative trust chains and restricting the length of a trust chain used for public key verification is also important for enhancing the security of self-organized public key management protocols. The existing network layer IDS protocols in MANETs that try to defend against packet dropping attack use either a reputation based or an incentive based approach. The reputation based approaches are more effective against malicious principals than the incentive based approaches. The major problem associated with the existing reputation based IDS protocols is that they do not consider the protocol soundness issue in their design objectives. Besides, most of the existing protocols incorporate no mechanism to fight against colluding principals. Also, an IDS protocol in MANETs should incorporate some secure and efficient mechanism to authenticate the control packets used by it. In order to mitigate the above mentioned problems in MANETs, we have proposed new models and designed novel security protocols in this thesis that can enhance the security of communications in MANETs at lesser or comparable cost. First, in order to perform security analysis of KM-AP protocols, we have extended the well known strand space verification model to overcome some of its limitations. Second, we have proposed a model for the study of membership of principals in MANETs with a view to utilize the concept for analyzing the applicability and the performance of KM-AP protocols in different types of MANETs. Third and fourth, we have proposed two novel KM-AP protocols, SEAP and CLPKM, applicable in two different types of MANET scenarios. The SEAP protocol is an arbitrated symmetric key management protocol designed to work in an authoritarian MANET, whereas the CLPKM protocol is a self-organized public key management protocol designed for self-organized MANETs. Fifth, we have designed a novel reputation based network layer IDS protocol, named EVAACK protocol, for the detection of packet dropping misbehavior in MANETs. All of the three proposed protocols try to overcome the limitations of the existing approaches in their respective categories. We have provided rigorous mathematical proofs for the security properties of the proposed protocols. Performance of the proposed protocols have been compared with those of the other existing similar approaches using simulations in the QualNet simulator. In addition, we have also implemented the proposed SEAP and CLPKM protocols on a real MANET test bed to test their performances in real environments. The analytical, simulation and experimentation results confirm the effectiveness of the proposed schemes.