Cette thèse propose une série de techniques dont l'objectif est l'amélioration de la couverture et de l'organisation des réseaux mobiles sans fil dans le contexte des Réseaux de Sécurité Publique (RSPs). Ces derniers sont des réseaux établis par les autorités pour d'une part, avertir la population d'une catastrophe imminente, et d'autre part pour coordonner les équipes de secours durant les phases de crise et de normalisation suite à une catastrophe. Une catastrophe peut être définie comme un événement extrême causant des dégâts extrêmes ou une perte profonde pour les populations affectées. Les RSPs ont le rôle fondamental d'assurer la communication et la coordination au cours des opérations d'urgence. Les contributions de cette thèse se concentrent principalement dans les phases d'alerte et de gestion de la crise. La solution proposée dans cette thèse pour aider durant la phase d'alerte est basée sur les réseaux opportunistes et utilise les moyens de communication disponibles sur les personnes sur place, et qui bientôt seront également disponibles dans les véhicules, pour pallier le problème de l'absence de couverture de réseau suite aux dégâts causés. Cette technique, que nous appelons Virtual Access Points (VAP), crée un 'cache' coopératif et distribué entre les nœuds mobiles dans la zone touchée par la catastrophe. Les problèmes que nous adressons relatifs à la phase de gestion de crise sont ceux du contrôle de la topologie et d'admission au réseau. Nous fournissons des solutions pour fournir des structures stables et fiables, qui sont essentiels à la coordination des équipes de secours pendant les situations les plus difficiles et défavorables.

Dans cette thèse, nous présentons plusieurs contributions pour le routage dans les réseaux tolérants aux délais (DTN). D'abord, nous démontrons, à l'aide d'une analyse de traces réelles, la présence d'hétérogénéité dans les interactions entre les noeuds et que celle-ci peut être prise en compte pour proposer le routage. Deuxièmement, nous proposons l'utilisation d'un formalisme générique basé sur un espace virtuel euclidien, appelé MobySpace, construit à partir d'informations sur les habitudes de mobilité des noeuds. Nous démontrons, avec le rejeux de traces de mobilité réelles, que ce formalisme peut s'appliquer au routage DTN et qu'il permet de créer des stratégies performantes en terme de taux de livraison et de coût de communication. Enfin, nous étudions une architecture de distribution de contenu en environnement urbain à l'aide de bornes courte portée Bluetooth. Nous étudions plusieurs stratégies de distribution en rejouant des traces collectées lors d'une expérience inédite.

Dans cette thèse, nous exploitons la mobilité des véhicules pour créer un médium de communication ad hoc utile pour déployer des services connectés. Notre objectif est de tirer partie des trajets quotidiens effectués en voiture ou en transport en commun pour surmonter les limitations des réseaux de données tels que l’Internet. Dans une première partie, nous profitons de la bande passante que génèrent les déplacements de véhicules équipés de capacités de stockage pour délester en masse l’Internet d’une partie de son trafic. Les données sont détournées vers des équipements de stockage appelés points de délestage installés aux abords de zones où les véhicules s’arrêtent habituellement, permettant ainsi de relayer les données entre véhicules jusqu'au point de délestage suivant où elles pourront éventuellement être déchargées. Nous proposons ensuite deux extensions étendant le concept de point de délestage selon deux directions dans le contexte de services reposant toujours la mobilité des véhicules. Dans la première extension, nous exploitons les capacités de stockage des points de délestage pour concevoir un service de stockage et partage de fichiers offert aux passagers de véhicules. Dans la seconde extension, nous dématérialisons les points de délestage en zones géographiques pré-définies où un grand nombre de véhicules se rencontrent suffisamment longtemps pour transférer de grandes quantités de données. L’évaluation des performances des différents travaux menés au cours de cette thèse montrent que la mobilité inhérente aux entités du quotidien permet la fourniture de services innovants avec une dépendance limitée vis-à-vis des réseaux de données traditionnels. / In this thesis, we exploit the daily mobility of vehicles to create an alternative transmission medium. Our objective is to draw on the many vehicular trips taken by cars or public transports to overcome the limitations of conventional data networks such as the Internet. In the first part, we take advantage of the bandwidth resulting from the mobility of vehicles equipped with storage capabilities to offload large amounts of delay-tolerant traffic from the Internet. Data is transloaded to data storage devices we refer to as offloading spots, located where vehicles stop often and long enough to transfer large amounts of data. Those devices act as data relays, i.e., they store data it is until loaded on and carried by a vehicle to the next offloading spot where it can be dropped off for later pick-up and delivery by another vehicle. We further extend the concept of offloading spots according to two directions in the context of vehicular cloud services. In the first extension, we exploit the storage capabilities of the offloading spots to design a cloud-like storage and sharing system for vehicle passengers. In the second extension, we dematerialize the offloading spots into pre-defined areas with high densities of vehicles that meet long enough to transfer large amounts of data. The performance evaluation of the various works conducted in this thesis shows that everyday mobility of entities surrounding us enables innovative services with limited reliance on conventional data networks.

Le transport est devenu fondamental dans les villes pour le bon fonctionnement de l'économie et le bien-être de la population urbaine. Depuis plusieurs années, le transport est confronté à de nombreux problèmes tels que l'embouteillage, le taux élevé d'accidents, la vie malsaine due à la fumée et à la poussière, la pollution atmosphérique due aux émissions de carbone, etc. Pour faire face à ces problèmes, les recherches intègrent les technologies numériques au transport terrestre, connu sous le nom de système de transport intelligent (ITS). Les ITS peuvent détecter, analyser, collecter, contrôler et communiquer différentes données. Cette thèse étudie et propose un nouveau protocole pour les applications de collecte de données dans un environnement urbain. Nous faisons trois contributions principales. Tout d'abord, nous proposons un nouveau protocole dénommé le protocole "Internet of Bikes" IoB-DTN qui applique le paradigme DTN (Réseau tolérant aux délais) aux applications de l'Internet des objets (IoT) exécutant une application de collecte de données sur un système de partage de vélo urbain basé sur un réseau de capteurs. Le protocole est évalué sur un scénario réaliste en évaluant les politiques de gestion des buffers, le nombre de copies pulvérisé dans le réseau ainsi que le nombre des vélos utilisés. Deuxiément, une évaluation comparative des performances du protocole IoB-DTN multi-sauts avec une technologie de réseau étendu à basse consommation (LPWAN), de type LoRa/LoRaWAN est étudiée. LPWAN a été conçu pour fournir une connectivité à grande distance et rentable pour les applications IoT à faible débit: durée de vie de plusieurs années et une portée de multikilomètres pour les appareils mobiles alimentés par des batteries. Cette partie de notre travail vise à fournir aux concepteurs et aux managers de réseaux des idées sur la technologie la plus pertinente pour leurs applications urbaines pouvant fonctionner sur des systèmes de partage de vélos. Enfin, nous proposons un protocole efficace, IoB-DTN basé sur un mécanisme d’agrégation de données. Nous proposons trois variantes de IoB-DTN: IoB basé sur l'agrégation spatiale (IoB-SA), IoB basé sur l'agrégation temporelle (IoB-TA) et IoB basé sur l'agrégation spatio-temporelle (IoB-STA). Nous comparons les trois variantes avec le protocole multi-saut IoB-DTN sans agrégation et la technologie à faible puissance et longue portée, de type LoRa. Les résultats de la comparaison permettent de vérifier que les trois variantes de l’IoB-DTN basées sur l’agrégation de données améliorent plusieurs paramètres tels que le taux de livraison, la consommation d’énergie et le débit. / Transport has become fundamental in the cities to the well functioning of the economy and the welfare of the city population. For several years, transportation faces many issues such as traffic jamming, high accidents rate, unhealthy life due to smoke and dust, air pollution as a result of carbon emission, etc. To deal with these matters, researches integrate digital technologies to ground transportation which is known as Intelligent Transport System (ITS). ITS can sense, analyze, collect, control and communicate different data. This thesis investigates and proposes a new protocol for data collection applications in an urban environment. We make three main contributions: firstly, we propose a new protocol denoted the "Internet of Bikes" IoB-DTN protocol which applies Delay/Disruption Tolerant Network (DTN) paradigm to the Internet of Things (IoT) applications running a data collection application on urban bike sharing system based sensor network. The protocol is evaluated on a realistic scenario by assessing the buffer management policies, the number of copies sprayed in the network as well as the number of bicycles used. Secondly, a comparative evaluation of the performance of the multi-hop IoB-DTN protocol with a low-power wide-area network (LPWAN) technology, LoRa/LoRaWAN type is investigated. LPWAN have been designed to provide cost-effective wide area connectivity for small throughput IoT applications: multiyear lifetime and multikilometer range for battery-operated mobile devices. This part of our work aims at providing network designers and managers insights on the most relevant technology for their urban applications that could run on bike sharing systems. Finally, we propose an efficient IoB-DTN protocol based on data aggregation mechanism. We propose three variants of IoB-DTN: IoB based on spatial aggregation (IoB-SA), IoB based on temporal aggregation (IoB-TA) and IoB based on spatio-temporal aggregation (IoB-STA). We compare the three variants with the multi-hop IoB-DTN protocol without aggregation and the low-power long-range technology, LoRa type. Comparison results verify that the three variants of IoB-DTN based on data aggregation improve several metrics such as the delivery rate, energy consumption and throughput.

Dans les systèmes répartis asynchrones, l'horloge logique et le vecteur d'horloges sont deux outils fondamentaux pour gérer la communication et le partage de données entre les entités constitutives de ces systèmes. L'objectif de cette thèse est d'exploiter ces outils avec une perspective d'implantation. Dans une première partie, nous nous concentrons sur la communication de données et contribuons au domaine de la diffusion uniforme à ordre total. Nous proposons le protocole des trains : des jetons (appelés trains) circulent en parallèle entre les processus participants répartis sur un anneau virtuel. Chaque train est équipé d'une horloge logique utilisée pour retrouver les train(s) perdu(s) en cas de défaillance de processus. Nous prouvons que le protocole des trains est un protocole de diffusion uniforme à ordre total. Puis, nous créons une nouvelle métrique : le rendement en termes de débit. Cette métrique nous permet de montrer que le protocole des trains a un rendement supérieur au meilleur, en termes de débit, des protocoles présentés dans la littérature. Par ailleurs, cette métrique fournit une limite théorique du débit maximum atteignable en implantant un protocole de diffusion donné. Il est ainsi possible d'évaluer la qualité d'une implantation de protocole. Les performances en termes de débit du protocole des trains, notamment pour les messages de petites tailles, en font un candidat remarquable pour le partage de données entre coeurs d'un même processeur. De plus, sa sobriété en termes de surcoût réseau en font un candidat privilégié pour la réplication de données entre serveurs dans le cloud. Une partie de ces travaux a été implantée dans un système de contrôle-commande et de supervision déployé sur plusieurs dizaines de sites industriels. Dans une seconde partie, nous nous concentrons sur le partage de données et contribuons au domaine de la RFID. Nous proposons une mémoire répartie partagée basée sur des étiquettes RFID. Cette mémoire permet de s'affranchir d'un réseau informatique global. Pour ce faire, elle s'appuie sur des vecteurs d'horloges et exploite le réseau formé par les utilisateurs mobiles de l'application répartie. Ainsi, ces derniers peuvent lire le contenu d'étiquettes RFID distantes. Notre mémoire répartie partagée à base de RFID apporte une alternative aux trois architectures à base de RFID disponibles dans la littérature. Notre mémoire répartie partagée a été implantée dans un jeu pervasif qui a été expérimenté par un millier de personnes.

Deux situations de comportement égoïste des agents dans les réseaux de communication sont considérées dans le cadre de la théorie des jeux.La première situation concerne les réseaux de communication utilisant un routage décentralisé basé sur des agents autonomes. Nous étudions les propriétés de convergence des dynamiques de meilleures réponses dans un jeu de routage sur des liens parallèles. Le jeu implique un nombre fini d'agents, chacun décidant comment son trafic est routé sur les liens de manière à minimiser son propre coût. Nous proposons l'utilisation du rayon spectral généralisé des matrices Jacobiennes de l'opérateur de meilleure réponse pour démontrer la convergence.La seconde situation apparaît dans les réseaux tolérants aux délais dont l'objectif est de permettre la communication dans des environnements où la connectivité n'est qu'intermittente et où les délais de communication peuvent être très longs. Nous proposons tout d'abord un mécanisme d'incitation basé sur une récompense pour convaincre les noeuds mobiles de relayer les messages, et analysons l'influence de l'information donnée par la source (nombre de copies du message, âge de ces copies) aux relais sur le prix à payer pour transmettre le message. Nous considérons ensuite un modèle dans lequel la source propose une récompense fixe. Les noeuds mobiles peuvent alors décider d'accepter ou non le message, et s'ils l'acceptent, peuvent ensuite à tout moment décider de l'abandonner. Nous modélisons l'interaction entre les noeuds mobiles sous la forme d'un jeu stochastique partiellement observable et analysons les politiques optimales pour les relais. / This thesis focuses on the issues related to the selfish behavior of the agents in the communication networks. We are particularly interested in two situations in which these issues arise and we address game-theoretical framework to study them.The first situation relates to communication networks using a distributed routing based on autonomous agents. Compared to a centralized routing, this type of routing offers significant advantages in terms of scalability, ease of deployment or robustness to failures and environmental disturbances. We investigate the convergence properties of the sequential best-response dynamics in a routing game over parallel links. The game involves a finite number of routing agents each of which decides how much flow to route on each of the links with the objective of minimizing its own costs. For some particular cases (e.g., two players), the convergence of the best-response dynamics can be proved by showing that this game has a potential function. For other cases, a potential function has remained elusive. We propose the use of non-linear spectral radius of the Jacobian of the best-response dynamics as an alternative approach to proving its convergence.The second situation occurs in Delay Tolerant Networks (DTNs) that have been the subject of intensive research over the past decade. DTN has an idea to support communication in environments where connectivity is intermittent and where communication delays can be very long. We focus on game-theoretic models for DTNs. First, we propose an incentive mechanism to persuade selfish mobile nodes to participate in relaying messages, and investigate the influence of the information given by the source (number of existing copies of the message, age of these copies) to the relays on the rewards proposed. For static information polices, that is the same type of information given to all the relays, it is shown that the expected reward paid by the source is independent of the policy. However, the source can reduce the reward by dynamically adapting the type of information based on the meeting times with the relays. For the particular cases, we give some structural results of the optimal adaptive policy. Next, we consider the model where the source proposes a fixed reward. The mobile relays can decide to accept or not the packet and then to drop the packet in the future. This game can be modelled as a partially-observable stochastic game. For two relays, we have shown that the optimal policies for the relays relates to the threshold type.

Dans les systèmes répartis asynchrones, l'horloge logique et le vecteur d'horloges sont deux outils fondamentaux pour gérer la communication et le partage de données entre les entités constitutives de ces systèmes. L'objectif de cette thèse est d'exploiter ces outils avec une perspective d'implantation. Dans une première partie, nous nous concentrons sur la communication de données et contribuons au domaine de la diffusion uniforme à ordre total. Nous proposons le protocole des trains : des jetons (appelés trains) circulent en parallèle entre les processus participants répartis sur un anneau virtuel. Chaque train est équipé d'une horloge logique utilisée pour retrouver les train(s) perdu(s) en cas de défaillance de processus. Nous prouvons que le protocole des trains est un protocole de diffusion uniforme à ordre total. Puis, nous créons une nouvelle métrique : le rendement en termes de débit. Cette métrique nous permet de montrer que le protocole des trains a un rendement supérieur au meilleur, en termes de débit, des protocoles présentés dans la littérature. Par ailleurs, cette métrique fournit une limite théorique du débit maximum atteignable en implantant un protocole de diffusion donné. Il est ainsi possible d'évaluer la qualité d'une implantation de protocole. Les performances en termes de débit du protocole des trains, notamment pour les messages de petites tailles, en font un candidat remarquable pour le partage de données entre coeurs d'un même processeur. De plus, sa sobriété en termes de surcoût réseau en font un candidat privilégié pour la réplication de données entre serveurs dans le cloud. Une partie de ces travaux a été implantée dans un système de contrôle-commande et de supervision déployé sur plusieurs dizaines de sites industriels. Dans une seconde partie, nous nous concentrons sur le partage de données et contribuons au domaine de la RFID. Nous proposons une mémoire répartie partagée basée sur des étiquettes RFID. Cette mémoire permet de s'affranchir d'un réseau informatique global. Pour ce faire, elle s'appuie sur des vecteurs d'horloges et exploite le réseau formé par les utilisateurs mobiles de l'application répartie. Ainsi, ces derniers peuvent lire le contenu d'étiquettes RFID distantes. Notre mémoire répartie partagée à base de RFID apporte une alternative aux trois architectures à base de RFID disponibles dans la littérature. Notre mémoire répartie partagée a été implantée dans un jeu pervasif qui a été expérimenté par un millier de personnes. / In asynchronous distributed systems, logical clock and vector clocks are two core tools to manage data communication and data sharing between entities of these systems. The goal of this PhD thesis is to exploit these tools with a coding viewpoint. In the first part of this thesis, we focus on data communication and contribute to the total order broadcast domain. We propose trains protocol: Tokens (called trains) rotate in parallel between participating processes distributed on a virtual ring. Each train contains a logical clock to recover lost train(s) in case of process(es) failure. We prove that trains protocol is a uniform and totally ordered broadcast protocol. Afterwards, we create a new metric: the throughput efficiency. With this metric, we are able to prove that, from a throughput point of view, trains protocol performs better than protocols presented in literature. Moreover, this metric gives the maximal theoretical throughput which can be reached when coding a given protocol. Thus, it is possible to evaluate the quality of the coding of a protocol. Thanks to its throughput performances, in particular for small messages, trains protocol is a remarkable candidate for data sharing between the cores of a processor. Moreover, thanks to its temperance concerning network usage, it can be worthwhile for data replication between servers in the cloud. Part of this work was implemented inside a control-command and supervision system deployed among several dozens of industrial sites. In the second part of this thesis, we focus on data sharing and contribute to RFID domain. We propose a distributed shared memory based on RFID tags. Thanks to this memory, we can avoid installing a computerized global network. This is possible because this memory uses vector clocks and relies on the network made by the mobile users of the distributed application. Thus, the users are able to read the contents of remote RFID tags. Our RFID-based distributed shared memory is an alternative to the three RFID-based architectures available in the literature. This distributed shared memory was implemented in a pervasive game tested by one thousand users.

Durant ces dernières années, de nombreux travaux de recherches ont été menés dans le domaine des réseaux multi-sauts sans fil à contraintes (MWNs: Multihop Wireless Networks). Grâce à l'évolution de la technologie des systèmes mico-electro-méchaniques (MEMS) et, depuis peu, les nanotechnologies, les MWNs sont une solution de choix pour une variété de problèmes. Le principal avantage de ces réseaux est leur faible coût de production qui permet de développer des applications ayant un unique cycle de vie. Cependant, si le coût de fabrication des nœuds constituant ce type de réseaux est assez faible, ces nœuds sont aussi limités en capacité en termes de: rayon de transmission radio, bande passante, puissance de calcul, mémoire, énergie, etc. Ainsi, les applications qui visent l'utilisation des MWNs doivent être conçues avec une grande précaution, et plus spécialement la conception de la fonction de routage, vu que les communications radio constituent la tâche la plus consommatrice d'énergie.Le but de cette thèse est d'analyser les différents défis et contraintes qui régissent la conception d'applications utilisant les MWNs. Ces contraintes se répartissent tout le long de la pile protocolaire. On trouve au niveau application des contraintes comme: la qualité de service, la tolérance aux pannes, le modèle de livraison de données au niveau application, etc. Au niveau réseau, on peut citer les problèmes de la dynamicité de la topologie réseau, la présence de trous, la mobilité, etc. Nos contributions dans cette thèse sont centrées sur l'optimisation de la fonction de routage en considérant les besoins de l'application et les contraintes du réseau. Premièrement, nous avons proposé un protocole de routage multi-chemin "en ligne" pour les applications orientées QoS utilisant des réseaux de capteurs multimédia. Ce protocole repose sur la construction de multiples chemins durant la transmission des paquets vers leur destination, c'est-à-dire sans découverte et construction des routes préalables. En permettant des transmissions parallèles, ce protocole améliore la transmission de bout-en-bout en maximisant la bande passante du chemin agrégé et en minimisant les délais. Ainsi, il permet de répondre aux exigences des applications orientées QoS.Deuxièmement, nous avons traité le problème du routage dans les réseaux mobiles tolérants aux délais. Nous avons commencé par étudier la connectivité intermittente entre les différents et nous avons extrait un modèle pour les contacts dans le but pouvoir prédire les future contacts entre les nœuds. En se basant sur ce modèle, nous avons proposé un protocole de routage, qui met à profit la position géographique des nœuds, leurs trajectoires, et la prédiction des futurs contacts dans le but d'améliorer les décisions de routage. Le protocole proposé permet la réduction des délais de bout-en-bout tout en utilisant d'une manière efficace les ressources limitées des nœuds que ce soit en termes de mémoire (pour le stockage des messages dans les files d'attentes) ou la puissance de calcul (pour l'exécution de l'algorithme de prédiction).Finalement, nous avons proposé un mécanisme de contrôle de la topologie avec un algorithme de routage des paquets pour les applications orientés évènement et qui utilisent des réseaux de capteurs sans fil statiques. Le contrôle de la topologie est réalisé à travers l'utilisation d'un algorithme distribué pour l'ordonnancement du cycle de service (sleep/awake). Les paramètres de l'algorithme proposé peuvent être réglés et ajustés en fonction de la taille du voisinage actif désiré (le nombre moyen de voisin actifs pour chaque nœud). Le mécanisme proposé assure un compromis entre le délai pour la notification d'un événement et la consommation d'énergie globale dans le réseau. / Great research efforts have been carried out in the field of challenged multihop wireless networks (MWNs). Thanks to the evolution of the Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology and nanotechnologies, multihop wireless networks have been the solution of choice for a plethora of problems. The main advantage of these networks is their low manufacturing cost that permits one-time application lifecycle. However, if nodes are low-costly to produce, they are also less capable in terms of radio range, bandwidth, processing power, memory, energy, etc. Thus, applications need to be carefully designed and especially the routing task because radio communication is the most energy-consuming functionality and energy is the main issue for challenged multihop wireless networks.The aim of this thesis is to analyse the different challenges that govern the design of challenged multihop wireless networks such as applications challenges in terms of quality of service (QoS), fault-tolerance, data delivery model, etc., but also networking challenges in terms of dynamic network topology, topology voids, etc. Our contributions in this thesis focus on the optimization of routing under different application requirements and network constraints. First, we propose an online multipath routing protocol for QoS-based applications using wireless multimedia sensor networks. The proposed protocol relies on the construction of multiple paths while transmitting data packets to their destination, i.e. without prior topology discovery and path establishment. This protocol achieves parallel transmissions and enhances the end-to-end transmission by maximizing path bandwidth and minimizing the delays, and thus meets the requirements of QoS-based applications. Second, we tackle the problem of routing in mobile delay-tolerant networks by studying the intermittent connectivity of nodes and deriving a contact model in order to forecast future nodes' contacts. Based upon this contact model, we propose a routing protocol that makes use of nodes' locations, nodes' trajectories, and inter-node contact prediction in order to perform forwarding decisions. The proposed routing protocol achieves low end-to-end delays while using efficiently constrained nodes' resources in terms of memory (packet queue occupancy) and processing power (forecasting algorithm). Finally, we present a topology control mechanism along a packet forwarding algorithm for event-driven applications using stationary wireless sensor networks. Topology control is achieved by using a distributed duty-cycle scheduling algorithm. Algorithm parameters can be tuned according to the desired node's awake neighbourhood size. The proposed topology control mechanism ensures trade-off between event-reporting delay and energy consumption.