Le trafic de données mobiles augmente de façon permanente. Afin d'éviter une saturation, les opérateurs doivent décharger le réseau cellulaire vers des réseaux d'accès alternatifs. WiFi se trouve être une bonne solution qui permet à l'opérateur de tirer parti de bandes de fréquence sans licence ainsi que du très grand nombre de points d'accès déjà déployés. Dans cette thèse, nous présentons tout d'abord un état de l'art des différentes solutions de couplage entre LTE et WiFi. Nous montrons que la plupart de ces solutions ne garantissent pas la continuité de session ou sont sujettes à une duplication des procédures de sécurité. Ceci a conduit à la proposition du Very Tight Coupling entre LTE et WiFi. Dans ce type d'architecture, les points d'accès WiFi sont connectés à une station de base LTE et les mécanismes de sécurité LTE sont réutilisées afin de permettre un accès rapide au réseau WiFi. Ceci permet également d'avoir une double connectivité et de garder le trafic de signalisation sur le réseau LTE, ce qui donne la possibilité d'avoir des procédures de sélection optimisées. Nous étudions comment le Very Tight Coupling peut être implémenté et comment les points d'accès WiFi intégrés dans les passerelles résidentielles peuvent être connectées aux stations de base LTE dans le cas d'un réseau fixe/cellulaire convergent. Nous évaluons ensuite par des outils mathématiques, les performances de différents schémas de couplage et calculons le taux de capacité pouvant être économisée. Ensuite, nous présentons une implémentation du Very Tight Coupling sur une plateforme utilisant une interface radio LTE réelle basée sur Open Air Interface. Nous effectuons plusieurs expérimentations afin de trouver la meilleure configuration du protocole de la couche liaison de données. Nous démontrons que le fait d'utiliser WiFi et LTE en parallèle n'augmente pas systématiquement le débit. / The mobile data traffic has been continuously increasing. To avoid saturation of cellular network, operators need to use alternative access networks for offloading purpose. WiFi is a good solution as the operator can take advantage of its unlicensed spectrum as well as the large number of deployed WiFi access points.In this thesis, we first provide a state-of-the-art of the different coupling solutions between LTE and WiFi. We show that most solutions cannot guarantee session continuity or duplicate the security procedures. This leads to propose "Very Tight Coupling" between LTE and WiFi. In this architecture, WiFi access points are connected to the LTE base stations and the security mechanisms of LTE are reused to ensure fast access to WiFi. It allows dual connectivity and to keep control signalling in the LTE network, which gives the possibility to have optimized interface selection procedures.We study how very tight coupling can be implemented and how WiFi APs that integrated in customer residential gateways can be connected to LTE base stations in a converged fixed/cellular network. We then mathematically evaluate the performance of different deployment schemes and compute how much capacity can be saved on the LTE network. Furthermore, we implement the solution on a platform with a real LTE radio interface based on the Open Air Interface framework as a proof-of-concept. We perform several experiments to find the configuration of the link-layer protocols that gives the highest bit rate. In particular, we show that using WiFi and LTE simultaneously does not always increase the bit rate.

Il est très probable que l'Internet du futur interconnectera des réseaux encore plus hétérogènes qu'ils ne le sont aujourd'hui. Aussi, les nouvelles applications incluant la surveillance de l'environnement, l'intervention d'urgence et la communication véhiculaire nécessitent une plus grande tolérance aux délais ainsi qu'aux pertes de connectivité. L'interconnexion des réseaux hétérogènes robustes aux coupures de connectivité pose de nombreux défis scientifiques. Dans cette thèse nous proposons trois contributions principales dans ce domaine. Premièrement, nous présentons une classification des protocoles de routage DTN qui se base sur les stratégies de routage. Nous proposons des heuristiques pour choisir le meilleur module de routage à utiliser. Deuxièmement, nous proposons un nouveau protocole, appelé MeDeHa, pour disséminer des messages dans les réseaux hétérogènes à connectivité intermittente. MeDeHa permet d'interconnecter des réseaux infrastructures avec des réseaux ad-hoc, en utilisant plusieurs interfaces réseaux et il permet d'utiliser des protocoles de routage existants comme OLSR pour les réseaux MANETs. Nous évaluons MeDeHa par des simulations utilisant des traces de mobilités synthétiques et réelles, mais aussi en effectuant des expérimentations hybrides fonctionnant en partie sur simulateur et en partie sur des machines réelles. Troisièmement, nous proposons un mécanisme de nommage appelé HeNNA pour des réseaux hétérogènes à connectivité épisodique. Ce mécanisme permet de transmettre des messages aux noeuds indépendamment de leurs adresses IP et donc de leur localité. HeNNA est compatible avec le routage actuel de l'Internet. Enfin, nous avons intégré HeNNA dans le protocole MeDeHa afin d'illustrer le fonctionnement de l'ensemble de la pile de communication.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse permet d'évaluer et d'optimiser la charge de signalisation dans les réseaux intelligents (RI) à grande échelle ainsi que d'analyser plusieurs aspects liés aux réseaux hétérogènes.L'objectif principal des RI est de faciliter l'introduction de nouveaux services en se basant sur plus de flexibilité et de nouvelles fonctionnalités. Les composants principaux d'un RI sont le point de commutation de services (SSP) et le point de commande de services (SCP). L'emplacement des équipements de réseau et la répartition du trafic peuvent jouer un rôle important dans la réduction du volume de la signalisation. Dans la première partie de la thèse, nous examinons plusieurs configurations du RI à grande échelledans le but d'analyser les effets du déplacement, de l'addition des nouveaux commutateurs SSP et de la redistribution du trafic au sein du réseau sur le nombre requis de liens de signalisation. Nous proposons un algorithme assurant la distribution optimale du trafic sur les commutateurs SSP avecle nombre minimum requis de liens de signalisation. Dans la deuxième partie de la thèse, nous analysons les différentes stratégies de sélection de réseaux dans un contexte de réseaux hétérogènes. En effet, dans la prochaine génération de réseaux sans fil et mobiles, les utilisateurs pourront se déplacer entre les réseaux hétérogènes en utilisant des terminaux équipés d'interfaces d'accès de plusieurs types. Dans ce contexte, les terminaux mobiles sont en mesure de choisir le lien d'accès le plus approprié parmi lesoptions disponibles. Dans notre travail, nous proposons une stratégie de sélection basée sur la valeur estimée de SINR (Rapport signal à interférence plus bruit) dans un système hétérogène composé de deux types de réseau : LTE et WiFi. Avec cette stratégie, les utilisateurs sélectionnent toujours leréseau présentant le SINR le plus élevé afin d'effectuer leurs communications. En se basant sur la méthode de Markov, nous analysons dans un premier temps, les performances de la stratégie de sélection basée sur le SINR en termes de probabilités de blocage de demandes d'accès aux services, de probabilités de blocage de handover vertical ou horizontal et de qualité de connexion. Nous comparons les résultats obtenus avec deux autres stratégies basées sur la puissance du signal reçu et sur la disponibilité de bande passante. Les performances sont analysées et comparées selon les modèles de mobilité 2D fluid flow et Random WayPoint qui sont largement utilisés dans l'analyse des réseaux sans fil et mobiles. Finalement, nous analysons les influences de l'allocation de ressources du réseau LTE aux services Multicast et Unicast sur les performances du système.

Avec l’apparition des nouvelles technologies de communication, le nombre des systèmes embarqués avionique et automobile est en constante augmentation. La gestion des communications entre ces systèmes devient alors de plus en plus complexe à mettre en oeuvre dans un contexte où les contraintes temporelles et environnementales sont très fortes et où le taux d’échanges de messages en augmentation continuelle. L’utilisation optimale des réseaux pour acheminer les données tout en respectant les contraintes temporelles imposées est essentielle du point de vue de la sûreté de fonctionnement. Historiquement, pour répondre aux problématiques d’efficacité et de sûreté, les industriels ont développé une palette de réseaux embarqués dédiés à leurs applications cibles (CAN, LIN, . . . ). Ces réseaux présentaient des débits relativement faibles à un moment où un besoin croissant en bande passante se faisait ressentir. le choix d’utiliser le concept de composants dit ‘sur étagères’ (off the shelf COTS) permettait alors de pallier à ce nouveau besoin. Dans un souci de conservation des capacités des réseaux à garantir les contraintes temporelles imposées par les systèmes embarqués temps réel, les industriels ont dû adapter ce concept de composants sur étagères aux systèmes embarqués. L’intérêt de l’utilisation de ces composants est un gain non négligeable en bande passante et en poids pour des coûts de développements relativement faibles. L’introduction de ces composants nouveaux s’est faite de telle sorte que leur impact sur les standards préexistants et les systèmes connectés soit minimal. C’est ainsi que les réseaux dit ‘hétérogènes’ ont vu leur apparition. Ces réseaux constituent une hybridation entre les technologies embarquées historiques et les composants sur étagère. Ils consistent en des réseaux d’extrémité utilisant des technologies éprouvées (telles que le CAN) interconnectés via des passerelles à un réseau fédérateur (backbone) utilisant des composants sur étagères. Dès lors, le défi majeur à relever lors de l’utilisation d’un réseau fédérateur est de respecter les contraintes temporelles des applications sollicitant les différents réseaux. L’objectif est mis à mal sur les points d’interconnexion des réseaux hétérogènes (Passerelles). Ainsi l’approche principale utilisée pour le passage d’un réseau à un autre est l’encapsulation de trames. Pour atteindre l’optimalité de performance de cette technique plusieurs paramètres sont à prendre en compte tels que le nombre de trames à encapsuler, les ordonnancements utilisés, le coût en bande passante ainsi que l’impact sur les distributions de délais (gigue). Dans l’optique de préservation des performances des réseaux, l’objet de nos travaux porte sur l’étude, la comparaison et la proposition de techniques permettant l’interconnexion de réseaux hétérogènes temps réels à la fois pour des applications à faibles et à fortes contraintes temporelles. Après un état de l’art sur les réseaux temps réel, nous spécifions différentes techniques d’interconnexion de réseaux hétérogènes, puis, nous présentons une étude de cas basée sur une architecture réseau interconnectant différents bus CAN via un réseau fédérateur sans fil Wi-Fi. L’étude que nous avons menée montre, par le biais de différentes simulations, que cette architecture réseau est une bonne candidate pour la transmission de flux à contraintes temporelles faibles. Une architecture réseau interconnectant différents bus CAN via un réseau fédérateur Ethernet commuté est ensuite considérée dans une seconde étude de cas ciblant les applications à fortes contraintes temporelles. Dans un premier temps, nous prenons en compte le cas d’un réseau fédérateur Ethernet-PQSE et, dans un second temps, le cas d’Ethernet-AVB. Cette étude nous permet de montrer l’impact des différentes techniques d’interconnexion sur les délais des flux du réseau.

Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse permet d’évaluer et d’optimiser la charge de signalisation dans les réseaux intelligents (RI) à grande échelle ainsi que d’analyser plusieurs aspects liés aux réseaux hétérogènes.L’objectif principal des RI est de faciliter l’introduction de nouveaux services en se basant sur plus de flexibilité et de nouvelles fonctionnalités. Les composants principaux d’un RI sont le point de commutation de services (SSP) et le point de commande de services (SCP). L’emplacement des équipements de réseau et la répartition du trafic peuvent jouer un rôle important dans la réduction du volume de la signalisation. Dans la première partie de la thèse, nous examinons plusieurs configurations du RI à grande échelledans le but d’analyser les effets du déplacement, de l’addition des nouveaux commutateurs SSP et de la redistribution du trafic au sein du réseau sur le nombre requis de liens de signalisation. Nous proposons un algorithme assurant la distribution optimale du trafic sur les commutateurs SSP avecle nombre minimum requis de liens de signalisation. Dans la deuxième partie de la thèse, nous analysons les différentes stratégies de sélection de réseaux dans un contexte de réseaux hétérogènes. En effet, dans la prochaine génération de réseaux sans fil et mobiles, les utilisateurs pourront se déplacer entre les réseaux hétérogènes en utilisant des terminaux équipés d’interfaces d’accès de plusieurs types. Dans ce contexte, les terminaux mobiles sont en mesure de choisir le lien d’accès le plus approprié parmi lesoptions disponibles. Dans notre travail, nous proposons une stratégie de sélection basée sur la valeur estimée de SINR (Rapport signal à interférence plus bruit) dans un système hétérogène composé de deux types de réseau : LTE et WiFi. Avec cette stratégie, les utilisateurs sélectionnent toujours leréseau présentant le SINR le plus élevé afin d’effectuer leurs communications. En se basant sur la méthode de Markov, nous analysons dans un premier temps, les performances de la stratégie de sélection basée sur le SINR en termes de probabilités de blocage de demandes d’accès aux services, de probabilités de blocage de handover vertical ou horizontal et de qualité de connexion. Nous comparons les résultats obtenus avec deux autres stratégies basées sur la puissance du signal reçu et sur la disponibilité de bande passante. Les performances sont analysées et comparées selon les modèles de mobilité 2D fluid flow et Random WayPoint qui sont largement utilisés dans l’analyse des réseaux sans fil et mobiles. Finalement, nous analysons les influences de l’allocation de ressources du réseau LTE aux services Multicast et Unicast sur les performances du système. / This thesis analyses the signaling load in intelligent large scale networks as well as the network selection strategies in the heterogeneous environment. The main objective of Intelligent Networks (IN) is to simplify the introduction of new services based on new features and more flexibility. The main components of the IN are the Service Switching Point (SSP) and the Service Control Point (SCP).The location of intelligent large-scale network equipments and the distribution of traffic on them can play an important role in reducing the volume of signaling in the network. In the firstpart of this thesis, we examine various configurations of the IN in order to study the effect of displacement or addition of new SSP and redistribution of traffic within the network on therequired number of signaling links. Finally, we propose a new algorithm giving the optimal distribution of traffic on the SSPs with a minimum required number of signaling links.In the second part of the thesis, we analyze the different network selection strategies as well as simulate other approaches related to heterogeneous wireless environment. Indeed, in the next generation of wireless heterogeneous networks, mobile users can move between several types ofnetworks, using terminals with multiple access interfaces. In this environment, the mobile terminals are able to choose the most appropriate access link among the available alternatives. In our work, we propose a network selection strategy based on the estimated SINR value (Signal to Interference-plus-NoiseRatio) in a heterogeneous system composed of two types of network: LTE and WiFi. According to this strategy, users always select the network presenting the highest SINR value. Based on the Markov method, we analyze the system performance in terms of blocking probabilities of calls, blocking probabilities of vertical or horizontal handover and connection quality. We compare our results with two other strategies based on the received signal strength and on the bandwidth availability.The performances are analyzed and compared according to the 2D fluid flow and the Random Waypoint mobility models which are widely used in the analysis of wireless and mobile networks. Finally, we analyze the influence of the resource blocks allocation to services Multicast and Unicast on the system performance.

Le réseau électrique a subi d’importantes évolutions ces dernières décennies, pour devenir ce qu’on appelle le Smart Grid. Le réseau électrique évolue actuellement d’une architecture centralisée vers une architecture décentralisée, tenant compte des consommations et sources d’énergies à caractère imprédictible et irrégulier. L’Advanced Metering Infrastructure est une architecture clé du Smart Grid qui permet des communications bidirectionnelles entre le consommateur et le fournisseur d’énergie. Les réseaux de compteurs intelligents qui constituent notamment cette architecture reposent communément sur des communications à courant porteur, une technologie qui est hautement sensible aux interférences. Malgré l’utilisation de protocoles de niveau 2 spécifiques, les technologies employées ne permettent pas de respecter les exigences de toutes les applications Smart grid. La plupart des technologies considérées pour les réseaux de compteurs intelligents sont de courte portée, chaque compteur ne peut communiquer directement avec le concentrateur. Les noeuds doivent collaborer entre eux, utilisant un protocole de routage tel que RPL pour atteindre la destination. Le but de cette thèse est d’adapter RPL à un environnement multi interfaces, et étudier comment l’hétérogénéité des interfaces peut améliorer la fiabilité et les performances d’un réseau de compteurs intelligents. / Since decades, the power grid is Under going a tremendous evolution, toward what is called the Smart Grid. The grid is actually evolving from a centralized architecture to a decentralized one, taking into account all the unpredictable sources and consumption. The Advanced Metering Infrastructure is the network dedicated to the Smart Grid that allows two-ways communications between the consumers and the energy providers. Smart Meters networks, that are part of this architecture, rely on powerline communications, a technology that is highly sensitive to interference. Despite dedicated layer 2 protocols, the employed technologies cannot fulfill most of smart grid applications requirements. The majority of smart meter network technology candidates are short range, each meter cannot reach the concentrator in one hop. Nodes need to collaborate, using a routing protocol like RPL to reach the destination. The goal of this thesis is to modify RPL to a multi interfaces environment, and study how interface heterogeneity could increase the reliability and the performance of a smart meter network.

Aujourd'hui, les utilisateurs mobiles intègrent plusieurs interfaces sans fil dans leurs dispositifs mobiles, tels que IEEE 802.11, des technologies cellulaires 2G/3G/4G, WiMAX ou Bluetooth, car ces technologies hétérogènes peuvent fournir un accès Internet dans les zones urbaines. Dans ce contexte, il existe un potentiel pour les utilisateurs mobiles d'exploiter la diversité des interfaces sans fil, afin d'être connectés aux réseaux de la meilleure manière possible, à tout moment et partout. Cependant, afin de profiter de cette diversité des réseaux il est nécessaire d'avoir une gestion efficace de la mobilité et de la multi-domiciliation. En ce qui concerne la mobilité, les utilisateurs mobiles ont besoin de découvrir les réseaux sans fil et basculer entre des points d'accès d'une façon transparente et sans coupures. Afin de supporter la multi-domiciliation et de permettre l'utilisation de plusieurs réseaux sans fil simultanément, il est nécessaire de définir des mécanismes de sélection des réseaux visant à attribuer les flux d'applications aux différentes inter- faces sans fil d'une manière optimale. Dans cette thèse, nous avons d'abord caractérisé la diversité des réseaux en explorant et en analysant les performances des déploiements sans fil actuelles dans les zones urbaines, en particulier les réseaux cellulaires et les réseaux communautaires basés sur IEEE 802.11. Ensuite, nous avons étudié la mobilité dans les réseaux IEEE 802.11, particulièrement le processus de découverte des points d'accès, en fournissant deux algorithmes adaptatifs qui visent à utiliser les paramètres de découverte les plus appropriés dans chaque scénario. Nous évaluons ces algorithmes par l'expérimentation et nous comparons leurs performances par rapport aux stratégies utilisant des paramètres par défaut. Enfin, nous étudions la sélection des réseaux dans un scénario multi-domicilié et nous proposons un algorithme de prise de décision pour trouver l'attribution optimale des flux aux différentes interfaces, en prenant en compte des critères de qualité de service et de consommation d'énergie. Cet algorithme de décision est modélisé par un problème d'optimisation multi-objectif et est résolu avec des algorithmes génétiques. Nous évaluons, par le biais de simulations, les performances de notre approche contre des algorithmes de décision basés sur des préférences.

Ce travail de thèse aborde les problématiques de coopération de réseaux hétérogènes et de leurs exploitations par un terminal multi-interfaces en situation de mobilité. Le phénomène de convergence des services vers un support unique place le protocole IP comme moyen de communication universel pour le transport de l'information. Cependant, le modèle TCP/IP actuel ne permet pas d'exploiter simultanément, et efficacement, les différentes connexions radio (UMTS, 802.11, DVB) potentiellement disponibles auprès d'un terminal.<br />Nous avons réalisé un état de l'art, mettant en exergue les insuffisances des solutions actuelles, et nous permettant de définir les modes de coopération de<br />réseaux. Nous proposons ici une nouvelle architecture protocolaire reposant sur les protocoles IPv6 et SCTP, et intégrant une entité de gestion des différents réseaux afin d'obtenir une coopération de réseaux optimisée pour un service donné. A travers une expérimentation et diverses simulations, nous avons pu évaluer, par partie, les performances du modèle proposé.

Les futurs réseaux sans fil devront être conçus pour répondre aux besoins hétérogènes de systèmes entièrement différents. De nouveaux services soumis à des contraintes variées coexisteront avec les utilisateurs actuels sur la même bande de fréquences. L'OFDM, la couche physique utilisée par les systèmes actuels, souffre d’un mauvais confinement spectral et ne permet pas cette coexistence. De nombreuses nouvelles formes d'onde avec une localisation spectrale améliorée ont donc été proposées. Nous étudions la coexistence de nouveaux systèmes basés sur ces formes d'onde avec des utilisateurs OFDM préexistant. Nous fournissons la première analyse théorique et expérimentale de l'interférence inter-système qui se produit dans ces scenarios. Nous appliquons ensuite cette analyse pour évaluer les performances de différentes formes d'ondes avancées et nous étudions finalement les performances d'un réseau où des utilisateurs cellulaires OFDM coexistent avec des paires D2D utilisant l'une des formes d'ondes améliorées étudiées. / Future wireless networks are envisioned to accommodate the heterogeneous needs of entirely different systems. New services obeying various constraints will coexist with legacy cellular users in the same frequency band. This coexistence is hardly achievable with OFDM, the physical layer used by current systems, because of its poor spectral containment. Thus, a myriad of multi-carrier waveforms with enhanced spectral localization have been proposed for future wireless devices. In this thesis, we investigate the coexistence of new systems based on these waveforms with legacy OFDM users. We provide the first theoretical and experimental analysis of the inter-system interference that arises in those scenarii. Then, we apply this analysis to evaluate the merits of different enhanced waveforms and we finally investigate the performance achievable by a network composed of legacy OFDM cellular users and D2D pairs using one of the studied enhanced waveforms.

La Qualité de Service (Quality of Service - QoS) est une garantie de paramètres réseau (bande passante élevée, délai court, etc.). Dans un réseaux inter-domaine, elle peut être assurée par des contrats entre domaines appelés Service Level Agreements (SLA). Dans cette thèse, nous nous intéressons d’abord à l’étape de négociation de SLA : la sélection des SLA proposés par un domaine. Nous proposons des méthodes exactes et approchées permettant aux domaines de proposer les SLA qui maximisent leurs revenus. Nous étudions également l'impact de la réputation des domaines sur cette négociation. Au niveau de l’instanciation des SLA, nous nous intéressons au calcul de chemins qui prennent en compte les encapsulations de protocoles (afin de pallier l’hétérogénéité technologique des domaines). En utilisant des outils de théorie des langages, nous proposons la première solution polynomiale au calcul de chemins dans un tel contexte / Quality of Service (QoS) is a guarantee of network parameters (high bandwidth, short delay, etc.). In an inter-domaine network, it can be provided by contracts between domains, called Service Level Agreements (SLAs). In this thesis, we first focus on the SLA negotiation step, i.e., the selection of SLAs proposed by a domain. We provide exact and approximate methods that allow the domains to propose the SLAs that maximize their revenues. We also study the impact of the domain reputation on the negotiation process. Regarding the SLA instantiation step, we focus on path computation processes that take into account the encapsulation of protocols (in order to overcome the domain technological heterogeneity). Using tools from Language Theory, we provide the first polynomial solution to the path computation problem in this context.