Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Le Smart Grid (SG) permet une gestion intelligente du réseau électrique en mettant en place une infrastructure de communication pour l'échange des données. A travers cette thèse, nous avons proposé un protocole de routage des données pour les réseaux de capteurs sans fil (WSN) appliqués au niveau distribution des SGs. Nous avons proposé GRACO, un nouveau protocole de routage géographique basé sur l'intelligence d'essaim pour les WSNs. GRACO utilise le routage géographique comme mécanisme principal de routage de données, et un processus de recouvrement basé sur l'optimisation par colonies de fourmis pour contourner les vides de communication. Les performances du protocole ont été validées à travers des simulations. En comparant les résultats à l'état de l'art, le protocole proposé permet d'améliorer les performances du réseau en termes de taux de livraison, temps de réception et coût de livraison. Ensuite, nous avons proposé GRACO pour les réseaux de voisinages(NAN) sans fil du SG. GRACO permet d'assurer tous les types de paradigme de communication, surtout la communication Point-à-Point tout en offrant une évolutivité et des capacités d'auto-guérison. La faisabilité de GRACO dans les NANs a été confirmée à travers des simulations en utilisant des paramètres définis par le NIST.Enfin, nous nous sommes concentrés sur les qualités de service (QoS) requises par les applications du NAN. Nous avons ajouté un modèle de QoS à GRACO pour tenir compte de ces exigences. Les performances du protocole ont été validées à travers des simulations. Les résultats ont montré que le protocole permet de satisfaire les exigences en termes de fiabilité et de délai de réception des données. / The Smart Grid (SG) enables an intelligent management of the electrical grid. The implementation of SGs is conditional to the implementation of a communication infrastructure to exchange data between the entities connected to the grid. This thesis is positioned in the context of wireless sensor networks (WSN) in SGs. Through this work, we have proposed a data routing protocol for the communication network at the distribution level. First, we proposed GRACO, a new geographical routing protocol based on swarm intelligence for WSNs. GRACO uses the geographic routing as a main data routing mechanism, and a recovery process based on ant colony optimization to bypass communication voids. The protocol performances were validated through simulations. By comparing the results to the state of the art, the proposed protocol improves the network performances in terms of data delivery rate, end-to-end delay and delivery cost. Second, we proposed GRACO as the routing protocol for wireless neighborhood area networks (NANs) in SG. GRACO ensures all communication schemes, especially Point-to-Point communication while providing scalability and self-healing capabilities. The feasibility of the protocol in NANs was confirmed through simulations using parameters defined by NIST.Finally, we focused on the qualities of service (QoS) required by NAN's applications. We have added a QoS model to the proposed routing protocol to take account of NAN's communication requirements. The performances of the new protocol were validated through simulations. The results showed that the protocol can satisfy the most severe requirements in terms of reliability and end-to-end delay.

Cette thèse se positionne dans le contexte des réseaux sans fil multi-sauts (réseaux de capteurs/actionneurs/robots mobiles). Ces réseaux sont composés d’entités indépendantes à la puissance limitée et fonctionnant sur batteries qui communiquent exclusivement par voie radio. Pour pouvoir relayer les messages d’un robot à une station de base, on utilise des protocoles dits « de routage» qui ont en charge de déterminer quel robot doit relayer le message. Nous nous sommes basés sur le protocole CoMNet, qui adapte la topologie du réseau à son trafic lors du routage afin d’économiser de l’énergie en déplaçant les robots. Mais modifier la topologie c'est aussi modifier les possibilités de routage. Nous proposons donc MobileR (Mobile Recursivity) qui choisit le prochain noeud en ayant anticipé par le calcul les conséquences de tous les changements de topologie possibles. Un autre problème vient du fait qu’il y a souvent plusieurs nœuds qui détectent un même événement et vont émettre des messages à router vers la station de base. Ces messages vont finir par se croiser, et le nœud de croisement va sans cesse être relocalisé sur chacun des chemins. Le protocole PAMAL (PAth Merging ALgorithm) détecte ces intersections : il va provoquer une fusion des chemins de routage en amont du nœud de croisement et une agrégation de paquets en aval. Enfin, le protocole GRR (Greedy Routing Recovery) propose un mécanisme de récupération pour augmenter le taux de délivrance des messages dans les réseaux de capteurs/actionneurs avec obstacle(s). En effet, les protocoles de routage actuels échouent face à un obstacle. GRR va permettre de contourner l’obstacle en relocalisant des nœuds tout autour. / This thesis is about wireless multi-hop networks such as sensor/actuator networks and actuator networks. Those networks are composed of independent entities which have limited computing and memory capabilities and are battery powered. They communicate through the radio medium and do not require any static infrastructure. In order to relay messages between actuators up to the base station, we use what is called "routing protocols". My works rely on CoMNet, the first geographic routing protocol which aims to adapt the network topology to the routed traffic in order to save energy. Nevertheless, CoMNet does not consider the consequences of those relocations more than in a one-hop way. We proposed MobileR (Mobile Recursivity), which anticipates the routing in a multi-hop manner through computations over its one-hop neighbors. Hence it can select the “best” next forwarding node according to its knowledge. Another important topic is that events are likely to be detected by multiple sensors and all of them transmit message toward the destination. But those messages are likely to cross over an intersection node. This crossing provokes useless oscillation for it and premature node death. The PAMAL (PAth Merging ALgorithm) routing algorithm detects those routing path crossing and provokes a path merging upstream and uses a packet aggregation downstream. Finally, the Greedy Routing Recovery (GRR) protocol takes controlled mobility into account in order to increase delivery rate on topology with holes or obstacles. GRR includes a dedicated relocation pattern which will make it circumvent routing holes and create a routing path.

Internet est le réseau le plus gigantesque que l'humanité ne se soit pourvu. Il fournit un nombre important de services à plus de deux milliards d'utilisateurs. Cette topologie grandissante et complexe pêche en stabilité, ce qui peut notamment être constaté quand un appel voix est interrompu, quand une page web à besoin d'être rafraîchie, etc. L'initiateur de cette instabilité est l'ensemble des événements constatés dans l'Internet. Ceci nous motive à une Étude profonde de la stabilité d'Internet afin de suggère des solutions à cette problématique. Internet est divisé en deux niveaux de base: le niveau AS (Autonomous System) et le niveau de routage. Cette distinction se répercute dans les protocoles de routage qui contrôlent le trafic Internet à travers deux types de protocoles: extérieur (inter-AS) et intérieur (intra-AS). L'unique protocole de routage extérieur utilité est le mode externe de BGP (External Border Gateway Protocol) tandis qu'il en existe plusieurs de type intérieur. De fait, la stabilisation de l'Internet est corrélée à la stabilité des protocoles de routage. Cela pousse les efforts de traitement de l'instabilité de l'Internet à Étudier le comportement du protocole de routage (BGP). Analyser les résultats des comportements de BGP dans son mode externe (eBGP) souffre d'un temps de convergence important menant notamment à des réponses lentes des évènements de topologie et, à terme, à la perte du trafic. Les études établissent également que le mode interne de BGP (iBGP) souffre de plusieurs types d'anomalies de routage causant la divergence. Afin d'illustrer la stabilité de BGP, nous avons besoin d'un modèle de routage qui formule la procédure de décision et le flot de signalisation. De plus, les améliorations de BGP ne peuvent pas être aisément validées dans l'Internet, rendant ainsi les modèles de BGP indispensables à une validation formelle. De fait, la première étape dans l'étude du routage inter-domaine est de définir un modèle approprié permettant la formulation de ses opérations et de prouver sa correction. Nous avons proposé deux modèles complémentaires: topologique et fonctionnel, avec lesquels nous avons formulé le processus de convergence du routage et démontré la sécurité et la robustesse de nos solutions d'inter/intra-AS. Notre proposition d'inter-AS élimine les déconnections transitoires causées par une faible convergence d'eBGP en suggérant une stratégie de backup lors d'une panne. Notre proposition d'intra-AS (skeleton) donne une alternative aux configurations internes existantes, pour laquelle nous avons montré l'absence d'anomalies. / Internet is the hugest network the humanity has ever known. It provides a large number of various services to more than two billion users. This complex and growing topology lacks stability, which we can notice when a voice call is dropped, when a web page needs to be refreshed, etc. The initiator of this instability is the frequent events around the Internet. This motivates us to unleash a profound study to tackle Internet stability and suggest solutions to overcome this concern. Internet is divided into two obvious levels: AS (Autonomous System) level and router level. This distinction is reflected on the routing protocols that control the Internet traffic through two protocol types: exterior (inter-AS) and interior (intra-AS). The unique used exterior routing protocol is the external mode of BGP (External Border Gateway Protocol), while there are several used internal routing protocols. Therefore, stabilizing the Internet is correlated to the routing protocol stability, which directs such efforts to the investigation of routing protocol (BGP) behavior. Studying BGP behaviors results in that its external mode (eBGP) suffers from long convergence time which is behind the slow response to topology events and, in turn, the traffic loss. Those studies state also that BGP internal mode (iBGP) suffers from several types of routing anomalies that causes its divergence.Therefore, we propose enhancements for both BGP modes: eBGP and iBGP and try to meet the following objectives: Scalability, safety, robustness, correctness, and backward compatibility with current version of BGP. Our eBGP proposal eliminates the transient disconnectivity caused by slow convergence by suggesting a backup strategy to be used upon the occurrence of a failure. IBGP proposal (skeleton) gives an alternative to the existing internal configurations, that we prove its freeness of anomalies. Validation methods are essential to prove that the suggested enhancements satisfy the attended objectives. Since we are tackling an interdomain subject, then it is not possible to do validation in the real Internet. We suggested several validation methods to show that our enhancements meet the above objectives. We used simulation environment to implement eBGP backup solution and observe the convergence time and the continuous connectivity. We relied on two tools: brite and rocketfuel to provide us with inter and intra AS topologies respectively. And to prove the safety of our approaches we employed an algebraic framework and made use of its results.

Internet est le réseau le plus gigantesque que l'humanité ne se soit pourvu. Il fournit un nombre important de services à plus de deux milliards d'utilisateurs. Cette topologie grandissante et complexe pêche en stabilité, ce qui peut notamment être constaté quand un appel voix est interrompu, quand une page web à besoin d'être rafraîchie, etc. L'initiateur de cette instabilité est l'ensemble des événements constatés dans l'Internet. Ceci nous motive à une Étude profonde de la stabilité d'Internet afin de suggère des solutions à cette problématique. Internet est divisé en deux niveaux de base: le niveau AS (Autonomous System) et le niveau de routage. Cette distinction se répercute dans les protocoles de routage qui contrôlent le trafic Internet à travers deux types de protocoles: extérieur (inter-AS) et intérieur (intra-AS). L'unique protocole de routage extérieur utilité est le mode externe de BGP (External Border Gateway Protocol) tandis qu'il en existe plusieurs de type intérieur. De fait, la stabilisation de l'Internet est corrélée à la stabilité des protocoles de routage. Cela pousse les efforts de traitement de l'instabilité de l'Internet à Étudier le comportement du protocole de routage (BGP). Analyser les résultats des comportements de BGP dans son mode externe (eBGP) souffre d'un temps de convergence important menant notamment à des réponses lentes des évènements de topologie et, à terme, à la perte du trafic. Les études établissent également que le mode interne de BGP (iBGP) souffre de plusieurs types d'anomalies de routage causant la divergence. Afin d'illustrer la stabilité de BGP, nous avons besoin d'un modèle de routage qui formule la procédure de décision et le flot de signalisation. De plus, les améliorations de BGP ne peuvent pas être aisément validées dans l'Internet, rendant ainsi les modèles de BGP indispensables à une validation formelle. De fait, la première étape dans l'étude du routage inter-domaine est de définir un modèle approprié permettant la formulation de ses opérations et de prouver sa correction. Nous avons proposé deux modèles complémentaires: topologique et fonctionnel, avec lesquels nous avons formulé le processus de convergence du routage et démontré la sécurité et la robustesse de nos solutions d'inter/intra-AS. Notre proposition d'inter-AS élimine les déconnections transitoires causées par une faible convergence d'eBGP en suggérant une stratégie de backup lors d'une panne. Notre proposition d'intra-AS (skeleton) donne une alternative aux configurations internes existantes, pour laquelle nous avons montré l'absence d'anomalies.

Avec la multiplication des services dans un même réseau et les diversités des applications utilisées par les usagers finaux, le trafic transporté est devenu très complexe et dynamique. Le Partage de la Charge Dynamique (PCD) constitue une alternative intéressante pour résoudre cette problématique. Si une paire Source-Destination est connectée par plusieurs chemins, le problème est le suivant : comment distribuer le trafic parmi ces chemins de telle façon qu'une fonction objective soit optimisé. Dans ce cas les chemins sont fixés a priori et la quantité de trafic acheminée sur chaque route est déterminée dynamiquement en fonction de la demande de trafic et de la situation actuelle du réseau. Dans cette thèse nous étudions puis nous proposons plusieurs mécanismes de PCD. Tout d'abord, nous distinguons deux types d'architecture : celles dans lesquelles les ressources sont réservées pour chaque chemin, et celles pour lesquelles aucune réservation n'est effectuée. La simplification faite dans le premier type d'architecture nous permet de proposer l'utilisation d'un nouveau mécanisme pour gérer les chemins. Partant de ce mécanisme, nous définissons un nouvel algorithme de PCD. Concernant la deuxième architecture, nous étudions et comparons plusieurs fonctions objectives. À partir de notre étude, nous proposons un nouvel algorithme distribué permettant d'atteindre l'optimum de ces fonctions objectives. La principale caractéristique de notre algorithme, et son avantage par rapport aux propositions antérieures, est sa capacité d'auto-configuration, dans la mesure où la convergence de l'algorithme est garantie sans aucun besoin de réglage préalable de ses paramètres.

Dans cette thèse, nous nous basons sur les outils apportés par la programmation mathématique afin de modéliser et résoudre des problèmes relevant du domaine des télécommunications. Notre premier objectif consiste à se conformer aux contraintes réelles, prenant en compte les aléas courants, afin de définir des stratégies optimales de routage et de planification dans les réseaux. Les contributions théoriques concernent l'optimisation convexe non linéaire mixte en nombres entiers. Parmi les résultats majeurs, nous établissons en particulier : *une formulation compacte des contraintes de type "on/off" qui s'écrivent f(x) ≤ 0 si z = 1,I ≤ x ≤ u si z = 0, basée sur une nouvelle caractérisation de l'enveloppe convexe de l'union d'un hyper-rectangle et d'un ensemble convexe dans l'espace des variables d'origine. * Une prise en compte de l'incertitude au niveau des fonctions additives ∑i(fi(xi) + vi) ≤ 0 où vi représente une perturbation bornée de chaque fonction univarée fi(xi). * Un algorithme spécialisé pour les problèmes d'optimisation non-linéaires mixtes en nombres entiers faisant intervenir des fonctions additives. D'un point de vue industriel, ces apports théoriques nous permettent de nous rapprocher de notre objectif consistant à définir des stratégies de gestion optimales pour des réseaux de télécommunications plus fiables. La qualité de service perçue par le client est modélisée par une fonction délai de bout en bout, différentiée selon le type de service et dépendant de la congestion au niveau de chaque lien / In our work, we rely on the powerful arsenal of mathematical programming theory to model telecommunication problems and devise efficient methods for solving them. Our goal is to comply to real life constraints when defining optimal routing strategies and designing efficient capacity planning tools. Theoretical contributions apply the field of Mixed Integer Non-Linear Optimization. Among relevant results, let us mention :Explicit formulations of convex hulls in disjunctive programming, generalizing the famous perspective formulationsTractable compact formulations of problems featuring inerval uncertainty in Robust OptimizationAn efficient Outer-Inner approximation algorithm for solving large families of separable mixed Integer Non-Linear Programs (MINLPs) and Second Order Cone Programs (SOCPs), outperforming state-of-the-art commercial solvers.In the application part, our work aims at introducing reliable telecommunication networks, offering appropriate and guaranteed Quality of Service to all its customers. Today, Wide Access Networks (WAN), Virtual Private Networks (VPN) or IP-based Backbones carry a wide range services, namely: voice, video streaming and data traffic. Each one of these contents has its own performance requirements. Unfortunately, best effort algorithms are implemented at all levels, offering no guarantee for delay sensitive applications. Is it possible to build routing strategies guaranteeing upper bounds on source-to-destination delays? Can we make these routing protocols to delay variation ? Does service differentiation affect capacity planning decisions ? Answers to these questions will be developed in this thesis.

Cette thèse est consacrée à l'étude de l’optimisation combinatoire multi-objective sous incertitudes. Plus particulièrement, nous abordons les problèmes multi-objectifs contenant des données floues qui sont exprimées par des nombres triangulaires floues. Pour faire face à ce type de problèmes, notre idée principale est d’étendre les concepts multi-objectifs classiques au contexte flou. Nous proposons, dans un premier temps, une nouvelle approche Pareto entre des objectifs flous (i.e. vecteurs des nombres triangulaires flous). Ensuite, nous étendons des méta-heuristiques basées sur Pareto afin de converger vers des solutions optimales floues. L’approche proposée est illustrée sur un problème bi-objectif de routage de véhicules avec des demandes floues. Dans le deuxième volet de ce travail, nous abordons l’aspect de robustesse dans le contexte multi-objectif flou en proposant une nouvelle méthodologie d’évaluation de robustesse des solutions. Finalement, les résultats expérimentaux sur des benchmarks flous du problème de routage de véhicules prouvent l’efficacité et la fiabilité de notre approche. / This thesis is devoted to the study of multi-objective combinatorial optimization under uncertainty. In particular, we address multi-objective problems with fuzzy data, in which fuzziness is expressed by fuzzy triangular numbers. To handle such problems, our main idea is to extend the classical multi-objective concepts to fuzzy context. To handle such problems, we proposed a new Pareto approach between fuzzy-valued objectives (i.e. vectors of triangular fuzzy numbers). Then, an extension of Pareto-based metaheuristics is suggested as resolution methods. The proposed approach is thereafter illustrated on a bi-objective vehicle routing problem with fuzzy demands. At the second stage, we address robustness aspect in the multi-objective fuzzy context by proposing a new methodology of robustness evaluation of solutions. Finally, the experimental results on fuzzy benchmarks of vehicle routing problem prove the effectiveness and reliability of our approach.

Les réseaux véhiculaires sont passés du stade de simple curiosité pour revêtir aujourd'hui un intérêt certain aussi bien du point de vue de l'industrie automobile que des opérateurs de réseaux et services. Ces réseaux sont en effet une classe émergente de réseaux sans fil permettant des échanges de données entre véhicules ou encore entre véhicules et infrastructure. Ils suscitent un intérêt certain aussi bien en Europe qu’au Japon et en Amérique du Nord, dans le but de fournir de nouvelles technologies capables d'améliorer la sécurité et l'efficacité des transports routiers. Suivant cette même vision, nous nous intéressons dans cette thèse aux communications inter-véhicules dans un environnement urbain. Notre objectif est de proposer des solutions de routage ad hoc et de dissémination géolocalisée, adaptées à un environnement ville, répondant à la fois aux exigences et besoins technologiques des cas d'utilisation envisagés (principalement des services d'information et de confort), mais aussi et surtout aux contraintes des communications inter-véhiculaires ad hoc (fragmentation fréquente du réseau, connectivité intermittente, etc…). Notre démarche consiste à prendre en compte un paramètre clé qui influence le bon fonctionnement du réseau ad hoc de véhicules, à savoir la densité du réseau. Dans un premier temps, nous proposons un mécanisme distribué qui permet de caractériser de manière plus fine la densité de trafic d'un tronçon de route entre deux intersections, en fournissant une distribution spatiale des véhicules mobiles sur la voie de circulation. Ensuite, nous proposons un nouveau protocole de routage géographique, qui tire partie des caractéristiques des voies urbaines et qui intègre le mécanisme d'estimation de densité de trafic pour le routage des paquets. Pour finir, et afin de compléter les mécanismes de communication véhiculaire ad hoc (couche réseau) proposés, nous nous intéressons à la dissémination des données. Nous proposons un nouveau mécanisme distribué et ad hoc qui permet d'émuler le fonctionnement d'une infrastructure classique destinée à diffuser localement (au niveau d'une intersection) des paquets de données de manière périodique. Certains aspects de nos solutions sont évalués analytiquement alors que leurs performances sont évaluées par simulation à l'aide de l'outil QNAP, du simulateur QualNet et du modèle de mobilité réaliste VanetMobiSim. / Inter-Vehicle Communication (IVC) is attracting considerable attention from the research community and the automotive industry, where it is beneficial in providing Intelligent Transportation System (ITS) as well as assistant services for drivers and passengers. In this context, Vehicular Networks are emerging as a novel category of wireless networks, spontaneously formed between moving vehicles equipped with wireless interfaces that could have similar or different radio interface technologies, employing short-range to medium-range communication systems. The distinguished characteristics of vehicular networks such as high mobility, potentially large scale, and network partitioning introduce several challenges, which can greatly impact the future deployment of these networks. In this thesis, we focus on inter-vehicle communication in urban environments. Our main goal is to propose new routing and dissemination algorithms, which efficiently adapts to the vehicular networks characteristics and applications. Temporary disconnection in vehicular network is unavoidable. It is thereby of imminent practical interest to consider the vehicular traffic density. Therefore, at first, we propose a completely distributed and infrastructure–free mechanism for city road density estimation. Then, and based on such traffic information system, we propose a novel intersection-based geographical routing protocol, capable to find robust and optimal routes within urban environments. Finally, in order to help the efficient support of dissemination-based applications, a self-organizing mechanism to emulate a geo-localized virtual infrastructure is proposed, which can be deployed in intersections with an acceptable level of vehicular density. The advocated techniques are evaluated by a combination of network simulation and a microscopic vehicular traffic model.