Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l'aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût.La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d'utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu'à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d'avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d'une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d'améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l'infrastructure sol est limitée.Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.

Among the multimedia content distribution services to the handheld receivers, mobile TV is a popular service. Digital Video Broadcast (DVB) networks have high capacity and coverage to perform a mass multimedia content distribution. The conventional DVB networks are designed to cover fixed receivers, which have a roof antenna. The handheld receivers have different configurations which cause weaker link budgets. Generally, a broadcast system is unidirectional and it does not have a feedback channel to ensure the reception of the data at the receiver side. On the other hand, cellular networks have more reliable bidirectional links with the handheld receivers. Individual multimedia transmission to each handheld receiver generates a huge load in the cellular networks. In the specific example of mobile TV, it is not efficient to regenerate the same transmission load for each handheld receiver. In our thesis work, we consider a cooperation between the broadcast systems and the cellular networks for an efficient multimedia reception at the handheld receivers. We use the cellular network link for the retransmission of the lost packets from a multimedia broadcast data-flow reception. In this work we analyze the coverage for handheld receivers in a single frequency broadcast network. We specifically consider several outdoor and indoor scenarios in a DVB-T2 network. We analyze how a data flow is processed in DVB-T2 and propose a scheme for the identification of packets in the DVB transmission. The core contribution of our thesis work is the proposition of a Real-time Flow Repair (RFR) Service based on cellular network, which repairs any multimedia data-flow to the handheld receivers in real-time. The proposed RFR service is based on a light client-server application protocol, namely Constrained Application Protocol (CoAP). The RFR proposal is also supported by the analysis of the load generated in LTE Radio access network due to RFR service.

The current IP based Internet architecture was designed in 70s. The development of new technologies and the evolution of Internet usages make the limitations of this design more visible, especially for the content delivery services. Facing this shortcoming, Van Jacobson and his PARC team proposed Content-Centric Network (CCN) in 2009. The CCN aims to build a content-oriented network, which means the entire networking architecture and all the networking activities are based on the content (content names in particular). The CCN proposal integrates many features such as on-path caching, security, multicast, and native mobility management. This novel proposal has many benefits but it brings also a lot of challenges for current hardware technologies. The transition from IP addresses to content names requires a large memory space to store the content names. However today's fast memory chip cannot meet this requirement. In this thesis I firstly focus on the PIT (Pending Interest Table) element in CCN routers. I propose a distributed PIT system based on the Bloom filter structure to reduce memory requirements and further improve routing performances. The principle of my proposal is that each CCN face manages its own PIT table instead of using a global table read/write lock for a centralized table. This distributed design resolves the information retrieval problem, which is a native shortcoming of Bloom filters. Thus treatment and routing speeds are improved. Thereafter I concentrate on the FIB (Forwarding Information Base) element. In the original CCN design, the FIB is filled by flooding content advertisement. With respect to the huge number of potential content names, this method not only explodes the capacity of FIB tables, but also introduces a high networking traffic. I propose a content-aware CCN forwarding system, which includes a content advertisement publish protocol, a FIB filling algorithm and a downstream forwarding element. In short, the content publish protocol requires that each advertisement is forwarded only towards certain nodes while the downstream forwarding element is a table that is in charge of discovering the other potential content sources. In the third contribution I propose an interface for interconnecting the CCN networking structure with the CDN services. The CDN service has so far been the way to address the content delivery issues of Internet. The key point of interconnecting CCN with CDN service is how to resolve the CDN repository miss-hit problem. The original CCN proposal does not enable efficient interconnection between CDN and CCN. I propose a system, which includes a CDN repository forwarding element and a CDN repository miss awareness mechanism. The former element is in charge of sending the related Interests towards the CDN repositories while the latter one aims to detect the CDN content miss and recover this lost.

An ever increasing demand for mobile broadband applications and services is leading to a massive network densification. The current cellular system architectures are both economically and ecologically limited to handle this. The concept of small-cell networks (SCNs) based on the idea of dense deployment of self-organizing; low-cost, low-power base station (BSs) is a promising alternative. Although SCNs have the potential to significantly increase the capacity and coverage of cellular networks while reducing their energy consumption, they pose many new challenges to the optimal system design. Due to small cell sizes, the mobile users cross over many cells during the course of their service resulting in frequent handovers. Also, due to proximity of BSs, users (especially those at cell edges) experience a higher degree of interference from neighboring BSs. If one has to derive advantages from SCNs, these alleviated effects have to be taken care either by compromising on some aspects of optimality (like dedicating extra resources) or by innovating smarter algorithms or by a combination of the two. The concept of umbrella cells is introduced to take care of frequent handovers. Here extra resources are dedicated to ensure that the calls are not dropped within an umbrella cell. To manage interference, one might have to ensure that the neighboring cells always operate in independent channels or design algorithms which work well in interference dominant scenarios or use the backhaul to incorporate BS cooperation techniques. Further, small cell BS are most often battery operated, which calls for efficient power utilization and energy conservation techniques. Also, when deployed in urban areas, some of the small cells can have larger concentration of users throughout the cell, for example, hot-spots, which call in for design of SCNs with dense users. Also, with portable BSs, one has the choice to install them on street infrastructure or within residential complexes. In such cases, cell design and resource allocation has to consider aspects like user density, distribution (indoor/outdoor), mobility, attenuation, etc. We present the thesis in two parts. In the first part we study the cell design aspects, while the second part deals with the resource allocation. While the focus is on SCNs, some of the results derived and the tools and techniques used are also applicable to conventional cellular systems.

Le degré de pénétration du marché des appareils intelligents tels que les smartphones et les tablettes avec les technologies de communication embarquées comme le WiFi, 3G et LTE a explosé en moins d'une décennie. En complément de cette tendance technologique, les appli- cations des réseaux sociaux ont virtuellement connecté une grande partie de la population, en génèrant une demande de trafic de données croissant vers et depuis l'infrastructure de com- munication. Les communications pervasive ont aussi acquis une importance dans l'industrie automobile. L'émergence d' une gamme impressionnante d' appareils intelligents dans les véhicules permettant services tels que assistance au conducteur, infotainment, suivi à dis- tance du vehicule, et connectivité àux réseaux sociaux même en déplacement. La demande exponentielle de connectivité a encore défié les fournisseurs de services de télécommunications pour répondre aux attentes des utilisateurs du réseau à grande vitesse. L'objectif de cette thèse est de modéliser et comprendre la mobilité dynamique des utilisateurs à grande vitesse et leurs effets sur les architectures de réseau sans fil. Compte tenu de l' importance du développement de notre étude sur une représentation réal- iste de la mobilité des véhicules, nous étudions tout d'abord les approches les plus populaires pour la génération de trafic routier synthétique et discutons les caractéristiques des ensem- bles de données accessibles au public qui decrivent des mobilités véhiculaires. En utilisant l'information des déplacements de la population dans une région métropolitaine, les données du réseau routier détaillées et des modèles réalistes de conduite microscopiques, nous pro- posons un jeux de données de mobilité véhiculaire original qui redéfinit l'état de l'art et qui replie la circulation routière de facon realiste dans le temps et dans l'espace. Nous étudions ensuite l'impact des dynamiques de mobilité du point de vue de la couverture cellulaire en présence d'un déploiement réel des stations de base. En outre, en examinant les effets de la mobilité des véhicules sur les réseaux autonomes, nous voyons des possibilités pour les futurs paradigmes de réseaux hétérogènes. Motivés par l'évolution dynamique dans le temps de la mobilité des véhicules observée dans notre jeux de données, nous proposons également une approche en ligne pour prédire les flux de trafic macroscopiques. Nous analysons les paramètres affectant la prédiction de la mobilité en milieu urbain. Nous dévoilons quand et où la gestion des ressources réseau est plus crucial pour accueillir le trafic généré par les utilisateurs à bord. Ces études dévoilent des multiples opportunités de gestion intelligente des transports, soit pour construire de nouvelles routes, soit pour l'installation de bornes de recharge électriques, ou pour la conception de systèmes de feux de circulation intelligents, contribuant ainsi à la planification urbaine.

Les progrès de la robotique mobile nous permettent aujourd'hui d'ajouter la notion de mobilité dans plusieurs classes de réseaux de capteurs sans fil. Le déploiement de capteurs mobiles est possible et utile dans de nombreuses applications, comme la surveillance de l'environnement, les applications dans l'industrie, dans la santé et le domaine militaire. Le terme robot mobile peut représenter n'importe quel type de robot avec la capacité de modifier sa position. Cette notion inclut une vaste gamme de robots industriels utilisés dans les lignes de production. Dans le contexte spécifique de cette thèse, l'attention se focalise uniquement sur les robots mobiles et plus particulièrement les véhicules autonomes dont les mouvements ne sont pas limités par leur taille physique. Ainsi, un robot ou un groupe de robots mobiles peuvent être utilisés pour explorer des environnements inconnus et effectuer une variété de fonctions. La mobilité du robot dans le contexte des réseaux de capteurs, nous permet de résoudre les problèmes qui ne pourraient pas être résolues dans un cas statique. Les robots mobiles permettent d'augmenter la robustesse du réseau en remplaçant des nœuds de capteurs et de s'adapter aux environnements inconnus ou dynamiques. Deux thèmes sont abordées dans cette thèse : la conception d'un intergiciels pour les réseaux de robots mobiles et un ensemble d'approches pour le déploiement de robots mobiles dans le cadre de réseaux de capteurs sans fil. L'intergiciel proposé et décrit dans cette thèse permet à l'utilisateur de facilement mettre en œuvre différents types d'algorithmes de déploiement pour les robots mobiles. Il permet de déployer une application sur la station de base centrale qui permet à un utilisateur de rassembler toutes les informations captées par la flotte de robots. L'application de la station de base permet à un utilisateur d'envoyer des commandes à un groupe ou à un robot, introduisant ainsi la commande manuelle en option dans le réseau robotique. L'intergiciel présenté dans ce travail est dédié à être utilisé avec des robots mobiles Wifibot. Il permet réaliser plusieurs tâches. Tout d'abord, il interagit avec le microgiciel du robot pour piloter les moteurs des roues et recueille les informations concernant la sortie du capteur et de l'état de la batterie. Deuxièmement, il gère la communication avec d'autres robots et les stations de base du réseau. Troisièmement, il traite les informations sur l'environnement et les messages reçus des voisins dans le réseau. Enfin, il réagit et il s'adapte de manière rapide et fiable pour aux événements de l'environnement. Dans la deuxième partie de la thèse, trois problèmes sont présentés et analysés : le problème de l'amélioration de la qualité de service avec l'utilisation des réseaux robotiques mobiles, la couverture du point d'intérêt avec des robots mobiles et la découverte de points d'intérêt et leur couverture avec l'utilisation des robots mobiles. Le premier problème est résolu avec l'utilisation de l'algorithme de déploiement qui améliore les performances de la transmission multimédia. Cet algorithme utilise une méthode intrusive pour réunir les métriques de qualité de service. Ensuite, l'attention est focalisé sur l'application des réseaux de capteurs sans fil est la surveillance de l'environnement. Au lieu de surveiller toute la région, couvrir seulement un ensemble de points d'intérêt spécifiques accroît les performances du réseau et réduit le coût de déploiement. Nous faison l'hypothèse que la station de base fixe est placé à l'intérieur du domaine d'intérêt, tandis que les robots mobiles disponibles couvrent le point d'intérêt et relayent l'information vers la station de base. L'approche pour résoudre le dernier problème est basée sur le mouvement continu et à vitesse variable de capteurs mobiles, qui suivent des trajectoires circulaires concentriques afin d'explorer et de couvrir le domaine d'intérêt. En se déplaçant constamment, les capteurs exécutent la tâche de découverte de l'environnement et, en ajustant la vitesse de déplacement, ils répondent aux contraintes de la couverture et la connectivité avec la station de base. L'algorithme installé sur tous les capteurs mobiles est distribué et introduit une nouvelle technique de calcul de la vitesse en fonction des informations disponibles à partir des capteurs dans le voisinage à un-saut. Ces algorithmes de déploiement de robots mobiles ont prouvé leur faisabilité à travers de nom- breuses simulations ainsi que dans la mise en pratique en s'appuyant sur l'intergiciel proposé.

En cas de sinistre, les infrastructures de communication peuvent être partiellement ou totalement détruites, ou devenir inefficaces en raison du trafic élevé. Néanmoins, il est nécessaire d'assurer la connexité entre les équipes de secours et le centre de commandement. Par conséquent, des solutions de communication temporaires sont essentielles jusqu'à ce que l'infrastructure soit rétablie. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur le déploiement d'une solution de communication appelée réseaux de substitution. Ainsi, nous proposons un algorithme d'auto - déploiement pour permettre aux routeurs mobiles, composant un réseau de substitution, de se répartir pour couvrir la zone cible. Notre algorithme surveille les conditions du réseau pour décider si le routeur doit ou non se déplacer, il règle la position de ce dernier en fonction des informations provenant des nœuds voisins à un saut au moyen de la mesure active, c'est à dire, les paquets sondes. Ces paquets sondes permettent à l'algorithme de surveiller le canal et ses éventuels changements au fil du temps. Nous comparons les différents paramètres pour évaluer la qualité du lien et nous observons le comportement de notre algorithme de déploiement considérant chaque paramètre séparément. Par ailleurs, nous étudions comment la mobilité contrôlée des routeurs affecte la performance du réseau au moyen des simulations. Afin d'évaluer la qualité de la liaison, la plupart des algorithmes de déploiement utilisent des techniques de la mesure active. Ces techniques nécessitent que les nœuds envoyent des paquets sondes sur le réseau pour obtenir des mesures. La précision de telles mesures dépend de la fréquence des paquets sondes transmis. Cette précision est importante lorsque les caractéristiques du canal changent au fil du temps. Néanmoins, il existe un compromis entre le taux de transmission des paquets sondes et la précision des mesures. Si le taux de transmission des paquets est suffisamment élevé, les connaissances obtenues seront exactes, cependant, le coût augmentera proportionnellement en consommant plus de ressources réseau. D'ailleurs, puisque notre algorithme de déploiement dépend de la mesure de la qualié du lien pour prendre une décision, si on réduit le taux de transmission des paquets sondes, on augmente le temps nécessaire au routeur pour rassembler des informations pour prendre la décision de mouvement et, en conséquence on augmente le temps de déploiement. C'est pourquoi, nous proposons d'utiliser des données de substitution obtenues au moyen d'un estimateur autorégressif pour réduire la surcharge sans impacter notre algorithme de déploiement. Nous montrons par simulation l'efficacité des deux algorithmes et de leurs performances en termes de temps de déploiement, de délai, de gigue et de débit.

L'évolution actuelle des systèmes embarqués à bord des systèmes complexes (avions, satellites, navires, automobiles, etc.) les rend de plus en plus vulnérables à des attaques, en raison de : (1) la complexité croissante des applications ; (2) l'ouverture des systèmes vers des réseaux et systèmes qui ne sont pas totalement contrôlés ; (3) l'utilisation de composants sur étagère qui ne sont pas développés selon les méthodes exigées pour les systèmes embarqués critiques ; (4) le partage de ressources informatiques entre applica- tions, qui va de pair avec l'accroissement de puissance des processeurs. Pour faire face aux risques de malveillances ciblant les systèmes embarqués, il est nécessaire d'appli- quer ou d'adapter les méthodes et techniques de sécurité qui ont fait leurs preuves dans d'autres contextes : Méthodes formelles de spécification, développement et vérification ; Mécanismes et outils de sécurité (pare-feux, VPNs, etc.) ; Analyse de vulnérabilités et contre-mesures. C'est sur ce dernier point que portent nos travaux de thèse. En effet, cet aspect de la sécurité a peu fait l'objet de recherche, contrairement aux méthodes formelles. Cependant, il n'existe pas actuellement de modèle formel capable de couvrir à la fois des niveaux d'abstraction suffisamment élevés pour permettre d'exprimer les propriétés de sécurité désirées, et les détails d'implémentation où se situent la plupart des vulnérabilités susceptibles d'être exploitées par des attaquants : fonctions des noyaux d'OS dédiées à la protection des espaces d'adressage, à la gestion des interruptions et au changement de contextes, etc. ; implémentation matérielle des mécanismes de protection et d'autres fonctions ancillaires. C'est sur ces vulnérabilités de bas niveau que se focalise notre étude. Nos contributions sont résumées par la suite. Nous avons proposé une classification des attaques possibles sur un système temps-réel. En nous basant sur cette classification, nous avons effectué une analyse de vulnérabilité sur un système réaliste : une plateforme avionique expérimentale fournie par Airbus. Il s'agit d'un noyau temps-réel critique or- donnancé avec plusieurs autres applications, le tout exécuté sur une plateforme Freescale QorIQ P4080. C'est à travers une application dite " malveillante ", présente parmi l'en- semble des applications, que nous essayons de modifier le comportement des autres appli- cations ou du système global pour détecter des vulnérabilités. Cette méthode d'analyse de vulnérabilités a permis de détecter plusieurs problèmes concernant les accès mémoire, la communication entre applications, la gestion du temps et la gestion des erreurs qui pouvaient conduire à la défaillance du système global. Enfin, nous avons proposé des contre-mesures spécifiques à certaines attaques et des contre-mesures génériques pour le noyau temps-réel qui permet d'empêcher une application d'obtenir des accès privilégiés ou encore de perturber le comportement du système.

Les réseaux de communication jouant un rôle de plus en plus important dans nos activités quotidiennes, l'interruption des services qu'ils fournissent, ou même une degradation significative de leur qualité, deviennent de moins en moins acceptables. La sécurisation des réseaux et le contrôle de qualité de service sont ainsi devenus des enjeux majeurs qui nécessitent de réelles avancées méthodologiques dans plusieurs domaines. Nos contributions en ce sens peuvent se répartir en deux volets : d'une part celui de l'évaluation de performance et d'autre part celui de l'optimisation de réseaux. Nos travaux en évaluation de performance sont basés sur la théorie des files d'attente et sur la théorie des jeux. Ils visent le développement de modèles stochastiques analytiques ou de simulation permettant le passage à l'échelle pour l'évaluation, en régimes stationnaire et transitoire, des principales métriques de performance au niveau paquet (délai, taux de perte et gigue), mais aussi au niveau flot (nombre de sessions actives, temps de téléchargement, etc.). Ils concernent également l'analyse pire cas de la performance des stratégies de routage décentralisées. Les travaux en optimisation sont quant à eux essentiellement consacrés au développement de méthodes pour la conception de réseaux (d'accès ou de backbone) résilients, leur dimensionnement et l'optimisation de leur routage (avec OSPF ou MPLS). Les problèmes abordés étant généralement des problèmes combinatoires difficiles, avec souvent des fonctions objectifs non-linéaires, les approaches heuristiques sont privilégiées. D'autres travaux sont consacrés à l'ordonnancement de tâches strictement périodiques dans les systèmes embarqués avioniques.

Cette dernière décennie a connu une prolifération des réseaux d'accès sans fil, dominée par les réseaux locaux sans fil (ou Wireless Local Area Network - WLAN), les réseaux cellulaires 3GPP de troisième (3G) et quatrième génération (4G) et en moindre mesure les réseaux Digital Video Broadcast (DVB) pour la télévision numérique. Conjugué à l'apparition des téléphones intelligents (Smartphone) et des tablettes, les réseaux sans fil ont changé la façon dont les utilisateurs consomment les applications Internet, où on constate que l'accès aux plateformes vidéo (Youtube, vidéo à la demande, Télé sur IP) et aux réseaux sociaux à partir des réseaux sans fil et mobiles a explosé. L'accès massif à ces applications par le biais des réseaux sans fil introduit de nouveaux verrous, liés principalement à l'augmentation du trafic et l'aspect temps réel de certaines applications, où un certain niveau de Qualité de Service (QdS)/Qualité d'Expérience (QdE) doit être assuré. Par conséquent, un certain nombre de défis se posent : (i) aux opérateurs des réseaux sans fil et mobiles, pour lesquels il est nécessaire d'avoir des nouveaux mécanismes et protocoles réseaux pour éviter la congestion et garantir la QdS/QdE aux utilisateurs ; (ii) aux fournisseurs de contenus (service provider) qui doivent s'adapter au contexte de l'utilisateur (bande passante, terminal utilisé, résolution, etc.) lors de la création de contenus audiovisuels (audio et vidéo). Afin d'adresser les problématiques citées dans la section précédente, l'originalité de nos contributions se situe dans la proposition de protocoles et mécanismes de contrôle de réseau dits dynamiques ou adaptatifs. L'approche dynamique permet de s'adapter : (i) aux changements de l'état du réseau (niveau de charge/contention) ; (ii) aux changements de l'état du canal sans fil (dégradation/amélioration du canal physique) ; (iii) à l'augmentation ou la réduction du trafic d'une application ; (iv) à la dégradation de la qualité de service/expérience de l'utilisateur. De ce fait, nos travaux ont généralement considéré le réseau (ou l'application réseau) ainsi que la fonction ou le mécanisme à contrôler comme un système en boucle fermée, dont le but est de modifier (contrôler) l'état d'entrée (accepter ou refuser un nouveau flux, augmenter la durée de mise en veille d'une station, maitriser la congestion, etc.) du système et mesurer les paramètres en sortie (délais, QdE) pour les prendre en compte lors des prochaines décisions du mécanisme de contrôle. Ces mesures se font soit au niveau du réseau, terminal ou application. Nos contributions sont classées suivant la nature de la mesure utilisée. Une partie de nos travaux utilise des mesures centrées QdS/réseau (tel que l'intensité du trafic, la taille de la file d'attente, débit de la station, délai applicatif), et l'autre partie est centrée sur l'utilisateur (ou human-centric) à travers la mesure de la qualité d'expérience perçue par l'utilisateur.