Abstract The research of early ad hoc-like networks, namely multi-hop packet radio networks, was mainly concentrated on lower layers (below network layer). Interestingly, the research of modern ad hoc networks has been mainly restricted to routing protocols. This is understandable, since routing is very challenging in such dynamic networks, but the drawback is that the lower layer models used in the studies are often highly simplified, giving inaccurate or even incorrect results. In addition, modern ad hoc network solutions are usually suboptimal because lower layers, not designed especially for ad hoc networking, are used. Thus, ad hoc networking performance, in general, can be notably enhanced by considering also the design of lower layers. The simple deployment and robustness make wireless ad hoc networks attractive for several applications (e.g., military, public authority, peer-to-peer civilian, and sensor networking), but the performance of the current solutions is typically not adequate. The focus of this work is on the effects of lower layer functionalities on the performance of ad hoc networks, while also taking into account the effects of upper layers (e.g., the effect of application traffic models). A CDMA (Code Division Multiple Access) based dual channel flat ad hoc network solution, incorporating cross-layering between all three lowest layers, is proposed and analyzed. The main element of this is the Bi-Code Channel Access (BCCA) method, in which a common code channel is used for broadcast information (e.g., route discovery), while a receiver-specific code channel is used for all directed transmissions. In addition, a new MAC (Medium Access Control) solution designed for BCCA is presented. Moreover, a novel network layer spreading code distribution (NSCD) method is presented. The advantage of these methods is that they are designed especially to be used in ad hoc networks. With an extensive set of case studies, it is shown that the presented methods outperform the typically used ad hoc network solutions (based on IEEE 802.11) in different kind of scenarios, environments, modeling concepts, and with different parameters. Detailed simulations are carried out in order to analyze the effects of different features at the lower layers, finding also interesting phenomena and dependencies between different layers. It is also shown that close attention should be paid to lower layer modeling even though the overall network performance would be in focus. In addition, various interesting features and behavior models regarding ad hoc networking are brought up. / Tiivistelmä Ensimmäiset tutkimukset rakenteettomista (ad hoc) verkoista esiintyivät nimellä monihyppypakettiradioverkot, ja ne koskivat pääasiassa verkkokerroksen alapuolella olevia tietoliikennekerroksia, mutta nykyiset tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet pääasiassa reititysprotokolliin. Tämä on sikäli ymmärrettävää, että reititys on hyvin haasteellista tämän tyyppisissä dynaamisissa verkoissa, mutta ongelma on, että käytetyt alempien kerrosten mallit ovat usein hyvinkin yksinkertaistettuja, mikä voi johtaa epätarkkoihin tai jopa vääriin tuloksiin. Tämän lisäksi nykyiset ehdotetut rakenteettomien verkkojen ratkaisut ovat usein tehottomia, sillä käytettyjä alempien kerrosten ratkaisuja ei ole tarkoitettu tällaisiin verkkoihin. Niinpä rakenteettomien verkkojen suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti kiinnittämällä huomiota alempien kerrosten suunnitteluun. Verkkojen rakenteettomuus on ajatuksena houkutteleva useissa käyttökohteissa (esimerkiksi sotilasympäristössä, viranomaiskäytössä, käyttäjien välisissä suorissa yhteyksissä ja sensoriverkoissa), mutta suorituskyky ei useinkaan ole riittävällä tasolla käytännön sovelluksiin. Työssä tutkitaan pääasiassa alempien kerrosten toiminnallisuuden vaikutusta rakenteettomien verkkojen suorituskykyyn ottaen huomioon myös ylemmät kerrokset, kuten sovellustason mallit. Työssä esitellään ja analysoidaan koodijakomonikäyttöön (CDMA, Code Division Multiple Access) perustuva kaksikanavainen tasaisen rakenteettoman verkon ratkaisu, jossa hyödynnetään kaikkien kolmen alimman kerroksen välistä keskinäistä viestintää. Ratkaisun ydin on BCCA-menetelmä (Bi-Code Channel Access), jossa käytetään kahta kanavaa tiedonsiirtoon. Yksi kanava on tarkoitettu kaikille yhteiseksi kontrollikanavaksi (esimerkiksi reitinmuodostus voi käyttää tätä kanavaa), kun taas toinen kanava on käyttäjäkohtainen kanava, jota käytetään suoraan viestittämiseen kyseiselle käyttäjälle (varsinainen data yms.). Tämän lisäksi esitellään myös BCCA-menetelmää varten suunniteltu kanavakontrollimenetelmä sekä verkkotasolla toimiva hajotuskooditiedon jakamiseen tarkoitettu menetelmä. Näiden uusien menetelmien etu on se, että ne on suunniteltu nimenomaan rakenteettomiin verkkoihin. Kattavan testivalikoiman avulla osoitetaan, että esitetty uusi ratkaisu peittoaa tyypilliset IEEE 802.11 -standardiin pohjautuvat rakenteettomien verkkojen ratkaisut. Testeissä käytetään erityyppisiä verkkorakenteita, ympäristöjä, mallinnusmenetelmiä ja parametreja. Yksityiskohtaisissa simuloinneissa ajetaan eri testitapauksia ja selvitetään, miten alempien kerrosten eri menetelmät missäkin tapauksessa vaikuttavat suorituskykyyn. Alempien kerrosten mallinnuksessa on syytä olla tarkkana, sillä työssä käy ilmi, että mallinnusvirheillä voi olla suurikin vaikutus myös ylempien kerrosten suorituskykyyn. Työ myös paljastaa useita mielenkiintoisia ilmiöitä ja vuorovaikutussuhteita, jotka liittyvät tutkittujen menetelmien ja yleisesti rakenteettomien verkkojen toimintaan.

La dégradation géométrique de la voie ballastée sous circulation commerciale nécessite des opérations de maintenance fréquentes et onéreuses. La caractérisation du comportement des pro-cédés de maintenance comme le bourrage, la stabilisation dynamique, est nécessaire pour proposer des améliorations en terme de méthode, paramétrage pour augmenter la pérennité des travaux. La simulation numérique d'une portion de voie soumise à un bourrage ou une stabilisation dynamique permet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le ballast. Toutefois, la complexité numérique de ce problème concernant l'étude de systèmes à très grand nombre de grains et en temps de sollicitation long, demande donc une attention particulière pour une résolution à moindre coût. L'objectif de cette thèse est de développer un outil de calcul numérique performant qui permet de réaliser des calculs dédiés à ce grand problème granulaire moins consommateur en temps. La méthodologie utilisée ici se base sur l'approche Non Smooth Contact Dynamic s(NSCD) avec une discrétisation par Éléments Discrets (DEM). Dans ce cadre, une méthode de dé-composition de domaine (DDM) alliée à une parallélisation adaptée en environnement à mémoire partagée utilisant OpenMP sont appliquées pour améliorer l'efficacité de la simulation numérique. / The track deterioration rate is strongly influenced by the ballast behaviour under commercial traffic. In order to restore the initial track geometry, different maintenance processes are performed, like tamping, dynamic stabilisation. A better understanding of the ballast behaviour under these operations on a portion of railway track is a key to optimize the process, to limit degradationand to propose some concept for a better homogeneous compaction. The numerical simulation isdeveloped here to investigate the mechanical behaviour of ballast. However, the main difficultiesof this research action concerns the size of the granular system simulation increasing both in termof number of grains and of process duration. The purpose of this thesis is to develop an efficient numerical tool allows to realize faster computations devoted to large-scale granular samples. In this framework, the Non-Smooth Contact Dynamics (NSCD) of three-dimensional Discrete ElementMethod (DEM) simulations, improved by Domain Decomposition Method (DDM) and processedwith the Shared Memory parallel technique (using OpenMP) has been applied to study the ballast media mechanics.

La simulation numérique est un outil essentiel pour mieux comprendre la réalité des phénomènes qui se produisent au sein des milieux discrets, en particulier des milieux rocheux fracturés. Notre travail a pour objectif d'étudier le comportement mécanique et dynamique des milieux rocheux en réalisant des modèles discontinus dans lesquels les mesures de l'orientation et l'espacement interfractura, effectuées sur le terrain, sont intégrées au modèle de façon stochastique. Pour la génération des milieux fracturés numériques des algorithmes basés sur les méthodes statistiques et géostatistiques sont développés. Le comportement mécanique de modèles académiques et de structures réelles en maçonnerie est étudié grâce à la méthode Non Smooth Contact Dynamics (NSCD). Des structures en maçonneries telles que le monument historique de l'amphithéâtre de Nîmes et l'aqueduc d'Arles sont étudiées, à échelle réelle, en deux et trois dimensions pour leurs comportements dynamiques pendant une sollicitation sismique. Les modèles de milieux rocheux fracturés engendrés à partir d'études de cas sont analysés selon deux axes : l'étude de la stabilité de pentes rocheuses et la conception de travaux souterrains par la méthode NSCD en utilisant le code LMGC90. La stabilité de ces modèles est étudiée en deux et trois dimensions. Les analyses effectuées sur ces modèles ont permis de proposer des recommandations pour l'installation d'éventuels soutènements. Elles ont également permis la distinction des familles des fractures jouant un rôle prépondérant dans l'instabilité de ces massifs. La modélisation de certaines méthodes de protection en travaux au rocher telles que le boulonnage et les filets pare-pierres est ensuite abordée dans les perspectives envisagées comme développement de nos travaux.

Ce travail est dédié à la simulation numérique des milieux granulaires denses dont les interaction sont régies par des lois de contact frottant. L'approche utilisée est la méthode "Non Smooth Contact Dynamics" qui traite le contact sans régularisation numérique et utilise un algorithme de type Gauss-Seidel. Pour diminuer le temps nécessaire aux simulations, et mener des études paramétriques fines, nous avons procédé à plusieurs types d'optimisation numérique portant, dans un premier temps, sur la mise en oeuvre de différents types d'implémentation exploitant ou non le calcul parallèle (optimisation informatique) puis, dans un second temps, sur le développement d'un algorithme de type Gradient Conjugué (optimisation algorithmique). Ces différentes stratégies se révèlent très efficaces nous permettant de simuler plus rapidement des problèmes bi et tridimensionnels. Deux applications pointant sur la diversité de comportement des milieux granulaires (liquide/solide) ont été abordées: une étude numérique sur les écoulements en tambour tournant venant compléter des résultats expérimentaux et une étude de mouvements tectoniques par éléments discrets permettant de porter un nouveau regard sur les expériences analogiques en "boîtes à sable" effectuées en géophysique.

La dégradation géométrique de la voie ballastée sous circulation commerciale nécessite des opérations de maintenance fréquentes et onéreuses. La caractérisation du comportement des procédés de maintenance comme le bourrage, la stabilisation dynamique, est nécessaire pour proposer des améliorations en terme de méthode, paramétrage pour augmenter la pérennité des travaux. La simulation numérique d'une portion de voie soumise à un bourrage ou une stabilisation dynamique permet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le ballast. Toutefois, la complexité numérique de ce problème concernant l'étude de systèmes à très grand nombre de grains et en temps de sollicitation long, demande donc une attention particulière pour une résolution à moindre coût. L'objectif de cette thèse est de développer un outil de calcul numérique performant qui permet de réaliser des calculs dédiés à ce grand problème granulaire moins consommateur en temps. La méthodologie utilisée ici se base sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics (NSCD) avec une discrétisation par Éléments Discrets (DEM). Dans ce cadre, une méthode de décomposition de domaine (DDM) alliée à une parallélisation adaptée en environnement à mémoire partagée utilisant OpenMP sont appliquées pour améliorer l'efficacité de la simulation numérique.

Les besoins industriels en simulation numérique de milieux granulaires sont de plus en plus conséquents pour des systèmes de grande dimension. Le cas d'interactions entre grains de type contact unilatéral avec frottement présente des difficultés supplémentaires pour de telles simulations. Dans ce mémoire une approche par décomposition de domaine est proposée. Les méthodes de sous structuration ont été initialement développées pour des milieux continus généralement discrétisés en mécanique des solides en éléments finis. La plateforme LMGC90 (Logiciel de Mécanique Gérant le Contact en Fortran 90) constitue le cadre d'implantation d'algorithmes dédiés. Ainsi des algorithmes de décomposition de domaine, reposant sur les méthodes LArge Time Increment et Gauss Seidel Non Linéaire, adaptés à un système de type granulaire sont définis, implantés et comparés.Pour exploiter le potentiel en calcul parallèle des méthodes ci-dessus, les procédures d'échange de message par MPI (Message Passing Interface) sont ajoutées au code. Ensuite, l'amélioration de l'extensibilité des approches multidomaines par l'ajout d'une échelle macroscopique est testée. Enfin, dans la perspective d'un dialogue entre modèles discret (échelle microscopique) et continu (échelle macroscopique), une version enrichie de la méthode GSNL-DD (Gauss Seidel Non Linéaire en Décomposition de domaine) est proposée. L'accélération de convergence attendue est ensuite étudiée théoriquement sur des exemples de taille réduite, avant quelques tests sur échantillons plus conséquents.