Les applications de sécurité routière sont la principale motivation des réseaux de véhicules, bien que d'autres applications de gestion du trafic routier et de divertissement soient envisagées. La communication par diffusion sur plusieurs sauts est une composante importante de ces applications telles que, la signalisation du danger sur la route où la diffusion sur plusieurs sauts est utilisée pour notifier un accident sur la route, une présence d'animal, un objet qui barre la route, un freinage brusque du véhicule en avant, etc. Comme l'information traitée dans ces applications est très critique et peut avoir un effet sur la vie humaine, la diffusion doit être rapide et fiable. Cependant, la diffusion de messages sur plusieurs sauts a de nombreux défis à relever tels que le problème de tempête de diffusion (à savoir, des retransmissions redondantes, une haute charge du canal, une grande contention sur le canal de communication et ainsi, un taux de perte de paquets élevé) dans le cas d'un réseau dense, et le problème de déconnexion quand le réseau est clairsemé. En plus, les applications de sécurité routière sont à temps critique et la satisfaction de leurs exigences est très difficile, car il y a un compromis entre la fiabilité de la dissémination et le délai de livraison. De nombreux travaux ont été menés ces dernières années et une large gamme de mécanismes ont été proposés. Néanmoins, la plupart d'entre eux souffrent toujours de problèmes de collisions quand le réseau est dense et une latence élevée quand la densité du réseau est faible. Le but de cette thèse est d'étudier les protocoles permettant une livraison fiable et rapide de messages d'alerte, de comprendre leurs limites et de proposer une solution pour la dissémination rapide et fiable de l'information de sécurité dans un réseau de véhicule. / Road safety applications are the main motivation of vehicular networks, although other road traffic management and entertainment applications are considered. The multi-hop broadcasting communication is an important component of these applications, such as Road Hazard Signaling application where the multi-hop broadcasting is used to notify an accident on the road, a presence of animal, an object that blocks the road, sudden braking of the vehicle in front, etc. As the information handled in these applications is very critical and can affect the human life the dissemination must be fast and reliable. However, broadcasting messages over several hops comes with many challenges to overcome such as broadcast storm problem (i.e. redundant retransmissions, high load of the channel, high contention on the communication channel and thus, high packet loss rate) in the case of dense network, and the problem of disconnection when the network is sparse. In addition, road safety applications are time-critical and satisfaction of their demands is very difficult because there is a trade-off between the dissemination reliability and the delivery delay. Many studies have been conducted in recent years and a variety of mechanisms have been proposed. However, most of them still suffer from problems of collisions when the network is dense and a high latency when the density of the network is low. The aim of this thesis is to analyze protocols allowing a reliable and fast delivery of alert messages, understand their limitations and propose a solution for fast and reliable dissemination of safety information in vehicular networks.

Les réseaux véhiculaires, connus sous le terme VANETs, sont des réseaux impliquant des communications entre deux ou plusieurs véhicules et éventuellement une communication avec des éléments d’infrastructure sur la route. Récemment, le concept de systèmes de transport intelligents (STI) a connu beaucoup d’intérêt. Les STI sont des systèmes utilisant les nouvelles technologies de communication sans fil appliquées au domaine du transport pour améliorer la sécurité routière, la logistique et les services d’information. Des défis majeurs ont besoin cependant d'être abordés pour offrir une communication sur la route sécurisée et fiable dans des environnements anonymes et quelquefois hostiles à la communication. Comme dans tout système de communication, les réseaux véhiculaires doivent opérer en respectant des contraintes en termes de qualité de service. Ces contraintes sont d’autant plus strictes quand il s’agit de fournir des services de sécurité sur la route. Ce projet vise à développer des techniques de communication véhiculaires pour le transfert des informations de manière fiable entre véhicules roulant à grande vitesse tout en contrôlant la surcharge du réseau. Ces techniques visent la prise en compte des contraintes temporelles sur les délais de transfert afin d’envisager leur utilisation dans des applications critiques telle que la sécurité sur la route. Pour ce faire, cette thèse propose d’abord un protocole optimal de dissémination de messages d’urgence pour les VANETs. Il est basé sur une stratégie de diffusion qui exploite les véhicules sur la direction opposée afin d’accélérer la dissémination du message d’urgence tout en réduisant le nombre de transmissions. Ainsi, et dans le but d’assurer une dissémination fiable et à faible surcoût, une technique de retransmission périodique intelligente permettant l’adaptation du protocol proposé à différentes densités du trafic routier est proposée. Dans un second volet, ce projet propose une approche hybride de dissémination de messages d’urgence qui combine alternativement les avantages des deux principales approches de dissémination existantes (Sender-oriented et Receiver-oriented dont notre première proposition fait partie) afin de garantir une transmission fiable des alertes tout en réduisant les délais. Les approches Receiver-Oriented qui sont les plus adaptées pour les applications de sécurité dans les VANETs peuvent minimiser la latence et les limitations des approches Sender-Oriented. Mais, ilsdoivent aussi mieux exploiter les apports des messages hello (beacons) échangés dans la technologie IEEE802.11P. Ainsi, et dans le but de surmonter les limites des approches de retransmissions périodiques et celles de relais- multiples afin d’assurer des échanges fiables de messages de sécurité tout en réduisant la surcharge de la bande passante, nous introduisons un nouveau mécanisme DR/BDR (Designated Relay/Backup Designated Relay). Le BDR, dans ce mécanisme, doit remplacer le DR et assurer sa tâche quand il détecte, à travers les beacons colorés échangés,l’échec de ce dernier dans la dissémination du message d’urgence. / Vehicular Ad hoc NETworks (VANETs) have gained considerable attention in the past few years due to their promising applications such as safety warning, transport efficiency or mobile infotainment. Avoiding accidents and traffic jams are two main immediate benefits of vehicular networks. For instance, most drivers would like to receive real-time alerts about accidents happening at a short distance in front of their vehicles since these accidents could lead to collision chains involving tens of vehicles. Also, the ability to receive an alert about a potential traffic jam would allow drivers to take alternate routes, saving both time and fuel. In both cases, warning messages should be broadcasted to all vehicles traveling over a geographical area, and need to be delivered with high reliability, low delay and low overhead. It is therefore important to develop a reliable and efficient safety information dissemination protocol in vehicular networks. Due to the vehicle mobility and lossy wireless channel, highly reliable, scalable and fast multi-hop broadcast protocol is very challenging to design. A number of solutions have been proposed in the past few years. However, the tradeoff between reliability and efficiency in such solutions needs to be carefully considered. This thesis presents an optimal protocol for the broadcast of safety messages in VANETs. Optimality, in terms of delay and transmission count, is achieved using a broadcast strategy that exploits opposite vehicles. To carry out reliable and efficient broadcast coordination, intelligent periodic rebroadcasts, which effectively adapt our protocol to sparse and dense networks, are proposed. Simulations are conducted and results are presented to show that it has a better performance over existing competing protocols. As a second contribution, we propose an alternative Receiver-Sender approach that combines advantages of the two existing dissemination approaches (Sender-oriented and Receiver-oriented to which our first proposal belongs) to ensure low latency and high reliability. The proposal can use any sender or receiver oriented protocol but the same selected one is used during all the dissemination process. In order to overcome the unreliability and broadcast overhead generated by periodic rebroadcasts and multiple relays schemes, we introduce a DR/BDR (Designated Relay/Backup Designated Relay) mechanism where the BDR has to replace the DR when detecting,from exchanged colored beacons, its failure in informing concerned vehicles.

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