Cette thèse se situe dans le domaine des Systèmes Commandés en Réseaux, systèmes pluridisciplinairesqui connaissent un grand développement dans le contexte technologique actuel etqui introduisent de nouveaux problèmes de recherche, en particulier, pour les communautés Automatiqueet Réseau de Communication. L’objectif est de montrer l’intérêt de considérer un lienbidirectionnel entre la Qualité de Contrôle (QdC) (stabilité et performance des applications decontrôle-commande) et la Qualité de Service (QdS) (retards dans les transmissions) en se focalisantsur les réseaux locaux et plus particulièrement sur l’ordonnancement des trames dans la souscouche MAC où on considère des protocoles MAC de type CSMA.Notre travail se situe tout d’abord dans le cadre du réseau CAN où nous faisons trois propositions.La première proposition consiste en des solutions de QdS pour des applications decontrôle-commande sur la base du concept de priorité hybride, pour l’ordonnancement de trames,dans laquelle nous définissons une partie priorité dynamique qui dépend d’un paramètre de QdC.Ceci permet de réaliser une relation QdC→QdS. La deuxième proposition consiste en des solutionsde QdC par une méthode de compensation de retard (maintenance des pôles dominants)ce qui permet de réaliser une relation QdS→QdC. La troisième proposition consiste à réaliserune relation QdC⇋QdS qui assure lors de l’implantation de plusieurs applications, une propriétéd’équité comportementale. Nous abordons ensuite le cadre particulier des réseaux locaux sans filoù, d’une part, nous définissons des protocoles MAC de type CSMA sans collision sur la basede priorités et, d’autre part, nous montrons la faisabilité des idées développées dans le cadre duréseau CAN / This thesis is in the field of Networked Controlled Systems, which are multidisciplinary systemsand which experience a great development in the context of the current technology andintroduce new research problems, particularly for the communities of Automatic Control andCommunication Network. The aim is to show the interest in considering a bidirectional link betweenthe Quality of Control (QoC) (stability and performance of process control applications) andQuality of Service (QoS) (delays in the transmissions) and to focus on Local Area Networks and,more particularly, on the scheduling of frames in the MAC layer in which we consider CSMAMAC protocols.Our work first concerns a CAN network where we have three proposals. The first proposalconsists of solutions for QoS, for process control applications, which are based on the conceptof hybrid priority for the frame scheduling in which we define a dynamic priority part which dependson a QoC parameter. This allows to implement a relation QoC→QoS. The second proposalconsists of QoC solutions by using a compensation method for time delays (maintenance of dominantpoles) which allows to implement a relation QoS→QoC. The third proposal consists inimplementing a relation QoS⇋QoC that ensures, for the implementation of several applications,a fairness property. We then discuss the specific context of Wireless LANs, where, on the onehand, we define collision-free CSMA MAC protocols on the basis of priorities and, on the otherhand, we show the feasibility of the ideas developed in the CAN network

Chaque année en Europe, 1.300.000 accidents de la route ont comme conséquence 1.700.000 blessés. Le coût financier d’accidents de la route est évalué à 160 milliards d’euros (approximativement le même coût aux Etats-Unis). VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork) est une des technologies clés qui peut permettre de réduire d’une façon significative le nombre d’accidents de la route (e.g. message d’urgence signalant la présence d’un obstacle ou d’un véhicule en cas de brouillard). En plus de l’amélioration de la sécurité et du confort des conducteurs et des passagers, VANET peut contribuer à beaucoup d’applications potentielles telles que la prévision et la détection d’embouteillages, la gestion d’infrastructure de système de transport urbain (e.g. système de transport intelligent multimodal) etc. Dans cette thèse, je présenterai un système embarqué dédié à la communication inter-véhicule particulièrement pour les applications sécuritaires de passagers et de conducteurs. Nos efforts de recherche et de développement sont centrés sur deux principaux objectifs : minimiser le temps de latence intra-noeud et le délai de communication inter-véhicule en prenant en compte le changement dynamique du VANET. De ce fait pour atteindre ces objectifs, des nouvelles approches (e.g. inter-couche ‘Cross-layering’) ont été explorées pour respecter les contraintes de ressource (QoS, mémoire, CPU et énergie de la communication inter-véhicule) d’un système embarqué à faible coût. Le système de communication embarqué proposé comporte deux composants logiciels principaux : un protocole de communication dénommé CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) et un système d’exploitation temps réel appelé HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). CIVIC est un protocole de communication géographique à faible consommation énergétique et à faible temps de latence (délai de communication). HEROS gère contextuellement l’ensemble du système (matériel et logiciel) en minimisant le temps de latence et la consommation des ressources (CPU et mémoire). En outre, le protocole de communication CIVIC est équipé d’un système de localisation LCD-GPS (Low Cost Differential GPS). Pour tester et valider les différentes techniques et théories, la plateforme matérielle LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE) a été utilisée. En effet, la plateforme LiveNode permet de développer et de prototyper rapidement des applications dans différents domaines. Le protocole de communication CIVIC est basé sur la technique de ‘broadcast’ à un saut ; de ce fait il est indépendant de la spécificité du réseau. Pour les expérimentations, seule la norme d’IEEE 802.15.4 (ZigBee) a été choisie comme médium d’accès sans fil. Il est à noter que le médium d’accès sans fil ZigBee a été adopté comme le médium standard pour les réseaux de capteurs sans fil (RCSFs) et le standard 6LoWPAN ; car il est peu coûteux et peu gourmand en énergie. Bien que le protocole de communication à l’origine soit conçu pour répondre aux exigences de VANET, ses domaines d’application ne sont pas limités à VANET. Par exemple il a été utilisé dans différents projets tels que MOBI+ (système de transport urbain intelligent) et NeT-ADDED (projet européen FP6 : agriculture de précision). Les VANETs et les RCSFs sont les réseaux fortement dynamiques, mais les causes de changement topologique de réseau sont différentes : dans le réseau VANET, il est dû à la mobilité des véhicules, et dans le RCSF, il est dû aux pannes des noeuds sans fil. Il est à noter que le VANET et le RCSF sont généralement considérés comme un sous-ensemble du réseau MANET (réseau ad-hoc mobile). Cependant, ils sont réellement tout à fait différents du MANET classique, et leurs similitudes et différences seront expliquées en détail dans la thèse. La contribution principale de mes travaux est le protocole CIVIC, qui échange des messages en basant sur l’information géographique des noeuds (position). (...) / Each year in Europe, 1,300,000 vehicle accidents result in 1,700,000 personal injuries. The financial cost of vehicle accidents is evaluated at 160 billion Euros (approximately the same cost in the USA). VANET (Vehicular Ad-Hoc NETwork) is a key technology that can enable hazard alarming applications to reduce the accident number. In addition to improve the safety for drivers and passengers, VANET can contribute to many potential applications such as detecting and predicting traffic jams, auto-optimizing the traffic flow, and helping disabled passengers to access public transports.This thesis will present an embedded communication system dedicated to VANET especially for the safety-related applications. Our design mainly tries to achieve two requirements: as one can imagine, the embedded communication system for VANET requires extra effort to deal with the highly dynamic network topology caused by moving vehicles, thus to shorten the intra-node system latency and inter-node network delay is essential requirement for such embedded communication system. Besides, a fundamental requirement for any practical embedded system is resource-awareness. Although the embedded communication system on vehicles may gain better hardware supports, the characteristics of embedded hardware still have to cope with resource constraints in terms of QoS, memory, CPU and energy. The embedded communication system involves two major software components: a routing protocol called CIVIC (Communication Inter Véhicule Intelligente et Coopérative) and an embedded operating system called HEROS (Hybrid Event-driven and Real-time multitasking Operating System). The former is a quick reaction and low resource consumption geographic protocol for inter-vehicle message transmissions; and the latter controls the whole system and assures intra-node resource awareness. In addition, the system can use a localization software solution called LCD-GPS (Low Cost Differential GPS) to improve the accuracy of locations. The hardware platform is LiveNode (LImos Versatile Embedded wireless sensor NODE), which is a versatile wireless sensor node enabling to implement rapidly a prototype for different application domains. The communication system is based on the one-hop broadcast, thus it does not have a strict limitation on network specification. For the experiments only, the IEEE 802.15.4 standard is chosen as the underlying wireless access medium. The standard is well known as a low-power consumption standard requiring low-cost devices. Notice that the IEEE 802.15.4 standard is also the wireless access medium of 6LoWPAN. Although the embedded communication system is originally designed to meet the requirements of VANET, but its application domains are not limited to VANET. For example, another network which can use the embedded communication system is WSN (Wireless Sensor Network). CIVIC was used to implement different real-world projects such MOBI+ (intelligent urban transportation system) and EU-FP6 NeT-ADDED (precision agriculture). Both VANET and WSN are highly dynamic networks, but the causes of changing network topology are different: the former is because of the high-mobility feature of vehicles, and the latter is because of the fault of wireless sensors. Note that, although VANET and WSN are both commonly considered as the subset of MANET (Mobile Ad-hoc NETwork), they are actually quite different from the classical MANET, and the similarities and differences will be further explained in the thesis. The major contribution of my works relates to the CIVIC protocol, which routes messages based on the geographic information. The related works of the thesis will focus on the geographic routing techniques, problems and solutions, but other related techniques will also be addressed. Note that, although some related projects were investigated but their implementation and experiment aspects were not detailed. (...)

La recherche dans les réseaux de communication cherche à améliorer la capacité et les performances des technologies de réseaux tout en satisfaisant à la fois la demande croissante d’instantanéité des accès et des échanges d’information. Par exemple, les travaux sur les systèmes sans-fil de cinquième génération (5G) visent à augmenter le débit de données et l’efficacité spectrale mais aussi à réduire la latence et la consommation d’énergie. Dans ce contexte, la mise en réseau basée sur la proximité est envisagée afin d’améliorer l’échange d’information entre périphériques proches, même dans le cas où aucune infrastructure n’est disponible. Une composante essentielle de ces solutions est la capacité de rapidement détecter (ou découvrir) les autres systèmes à proximité. Bien que l’utilisation de la découverte des systèmes et de services ne soit pas à proprement parler une nouveauté dans les réseaux, son adoption dans les réseaux sans-fil a augmenté l’importance et la pertinence de ce type de mécanismes. Par conséquence, l’objectif de cette thèse est d’optimiser les performances du processus de découverte en utilisant des mécanismes contextuels. Dans un premier temps, nous commençons par une description préliminaire des défis auxquels sont confrontés les utilisateurs du réseau et comment les solutions actuelles (c’est-à-dire Long Term Evolution (LTE)) ne peuvent pas couvrir leurs besoins. Dans un deuxième temps, nous présentons l’architecture utilisée pour évaluer nos propositions: l’architecture appareil-à-appareil (D2D) qui est définie par le programme de partenariat de troisième génération (3GPP) pour être utilisée dans les réseaux LTE. Nous mettrons tout particulièrement l’accent sur la description du processus de découverte tel qu’il est défini dans les spécifications. Finalement, nous présentons une étude analytique, avec un modèle de mise en oeuvre pour tester et valider les performances de la découverte directe. En utilisant cette analyse, nous proposons un algorithme de transmission adaptatif qui optimise le processus de découverte pour les topologies statiques. Cette contribution sert de base à des algorithmes étendus et améliorés ciblant premièrement des scénarios où la disponibilité de données historiques permet de prédire les fluctuations de la densité des utilisateurs, et deuxièmement des situations entièrement dynamiques sans infrastructure ou support externe, montrant comment les mécanismes contextuels peuvent fournir des performances presque optimales. Toutes ces contributions et ces analyses sont supportées et validées par des modèles de simulation et des expériences qui montrent l’importance et l’exactitude de nos propositions dans l’optimisation de la performance et de la fiabilité dans le cadre de la découverte directe / Research in communication networks aims to improve the capabilities and performance of network technologies, and to satisfy the ever increasing demand for instant information access and exchange. For example, work on Fifth Generation (5G) Wireless Systems aims to increase data rates and spectral efficiency while lowering latency and energy consumption. Within this context, proximity-based networking is being considered in order to improve the data sharing between nearby devices, regardless of the availability of additional infrastructure. An integral component of these solutions is the ability to quickly detect (or discover) other systems in the vicinity. While system and service discovery has been a concept used in networks for some time, its adoption by wireless networks has increased the importance and relevance of this type of mechanisms. Therefore, the goal of this thesis is to optimize the performance of the discovery process by using context-aware mechanisms. First, we start by an introductory description of the challenges faced by network users and how current solutions (i.e. Long Term Evolution (LTE)) are unable to cover their needs. Second, we present the architecture we will use to evaluate our proposals, namely the device-to-device (D2D) architecture defined by the Third-Generation Partnership Program (3GPP) for use in LTE networks, with an emphasis on the description of the discovery process as defined in the standard specifications. Then, we present an analytical study, along with an implementation model to test and validate the performance of direct discovery. Building upon that analysis, we propose an adaptive transmission algorithm that optimizes the discovery process for static topologies. This contribution is used as the foundation for extended and enhanced algorithms targeting scenarios where the availability of historic data allows for predicting user density fluctuations, and fully dynamic situations without external infrastructure or support, showing how context-aware mechanisms can provide almost optimal performance. All these contributions and analysis are supported and validated by simulation models and experiments that showcase the importance and correctness of our proposals in the optimization of the performance and reliability in D2D direct discovery

Dans cette thèse, les techniques de coopération ont été étudiées pour un canal multi-accès multi-relais composé d'au moins deux sources qui communiquent avec une seule destination à l'aide d'au moins deux nœuds de relayage en mode semi-duplex. Le multiplexage par répartition dans le temps est supposé. Tout d'abord, l’algorithme d’adaptation de lien est exécuté par l'ordonnanceur centralisé. Durant la première phase de transmission, les sources transmettent chacune à leur tour leur message respectif pendant des intervalles de temps consécutifs. Dans chaque intervalle de temps dans la deuxième phase, la destination planifie un nœud pour transmettre les redondances, mettant en œuvre un protocole coopératif d'Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ), où les canaux de contrôle limités bidirectionnels sont disponibles depuis les sources et les relais vers la destination. Dans la première partie de la thèse, les stratégies de sélection des nœuds centralisé sont proposées pour la deuxième phase de transmission. Les décisions d’ordonnancement sont prises en fonction de la connaissance des ensembles de sources correctement décodées par chaque noeud et ayant comme objectif de maximiser l’efficacité spectrale moyenne. L'analyse de la probabilité de coupure de l'information ainsi que les simulations Monte-Carlo (MC) sont effectués afin de valider ces stratégies. Dans la seconde partie, un algorithme d’adaptation de lien lent est proposé afin de maximiser l’efficacité spectrale moyenne sous contrainte de vérification d'une qualité de service individuelle cible pour une famille donnée de schémas de modulation et de codage, réposant sur l'information sur la distribution des canaux signalée. Les débits des sources discrets sont déterminés en utilisant l’approche "Genie-Aided" suivie d’un algorithme itératif de correction de débit. Les simulations MC montrent que l’algorithme d’adaptation de lien proposé offre des performances proches de celles de la recherche exhaustive. Dans la troisième partie, les performances de protocole HARQ à redondance incrémentale (IR) avec codage mono et multi-utilisateur, ainsi que l'HARQ de type Chase Combining avec codage mono-utilisateur sont comparées. Les simulations MC montrent que l'IR-HARQ avec codage mono-utilisateur offre le meilleur compromis entre performance et complexité pour le scénario de petit nombre de sources. Un schéma de codage pratique est proposé et validé à l'aide de simulations MC. / In this thesis, cooperation techniques have been studied for Multiple Access Multiple Relay Channel, consisted of at least two sources which communicate with a single destination with the help of at least two half-duplex relaying nodes. Time Division Multiplexing is assumed. First, the link adaptation algorithm is performed at the centralised scheduler. Sources transmit in turns in consecutive time slots during the first transmission phase. In each time slot of the second phase, the destination schedules a node to transmit redundancies, implementing a cooperative Hybrid Automatic Repeat reQuest (HARQ) protocol, where bidirectional limited control channels are available from sources and relays towards the destination. In the first part of the thesis, centralized node selection strategies are proposed for the second phase. The scheduling decisions are made based on the knowledge of the correctly decoded source sets of each node, with the goal to maximize the average spectral efficiency. An information outage analysis is conducted and Monte-Carlo (MC) simulations are performed to evaluate their performance. In the second part, a slow-link adaptation algorithm is proposed which aims at maximizing the average spectral efficiency under individual QoS targets for a given modulation and coding scheme family relying on the reported Channel Distribution Information of all channels. Discrete source rates are first determined using the "Genie-Aided" assumption, which is followed by an iterative rate correction algorithm. The resulting link adaptation algorithm yields performance close to the exhaustive search approach as demonstrated by MC simulations. In the third part, performances of Incremental Redundancy (IR) HARQ with Single and Multi User encoding, as well as the Chase Combining HARQ with Single User encoding are compared. MC simulations demonstrate that IR-HARQ with Single User encoding offers the best trade-off between performance and complexity for a small number of sources in our setting. Practical coding scheme is proposed and validated using MC simulations.