FlexRay is a new automotive network communication protocol for control and interconnection among ECUs (electronic control units) in the cluster. In the FlexRay protocol, a communication cycle consists of static segment and dynamic segment. The static segment is a TDMA scheme designed for transmitting time-triggered messages. Due to its determinism and reliability, it is particularly applicable to X-by-wire applications. Each static slot is allocated to a specified task and the task can transmit message during the exclusive slot. However, if the task has no message to transmit during its assigned slot, the slot cannot be used by other tasks. The overall utilization is low if the bandwidth requirement of each task is not high. To improve the system utilization, we apply the real-time scheduling techniques to devising a deterministic, static cyclic scheduling. The objective is to reduce the demand on the number of static slots needed for scheduling time-triggered tasks. Specifically, we treat the set of static slots that are in the same position in every communication cycle as an individual real-time channel. We model each task as a real-time task, specified by (Ci,Ti). It requires that for every Ti communication cycles, the system must allocate at least Ci time slots to satisfy the real-time constraint of the task. We decompose each such task into a set of subtasks, allocate them to the real-time channels and then apply the rate-monotonic scheduling algorithm to schedule the subtasks within each channel. Finally, we perform computer simulation to evaluate the effectiveness of our proposal. From the simulation results, we conclude that our proposal is able to effectively reduce the demand for the static slots under a wide range of real-time requirements.

Les accidents routiers et leurs dommages représentent un problème croissant dans le monde entier. Dans ce contexte, les réseaux véhiculaires (VANETs) peuvent être déployés pour réduire les risques et pour améliorer le confort. Ils permettent aux véhicules d'échanger différents types de données qui vont des applications de sécurité et de gestion du trafic aux applications de confort. De nos jours, les applications de sécurité sont l’objet de beaucoup d'attention des chercheurs ainsi que des fabricants d'automobiles. Dans cette thèse, nous étudierons les applications critiques pour la sécurité routière visant à fournir une assistance dans des situations dangereuses ou difficiles. Notre objectif principal sera de proposer de nouveaux protocoles de contrôle d'accès au support de transmission (MAC) et de routage, qui peuvent s’adapter dynamiquement aux changements fréquents de topologies des VANETs. Après un aperçu des protocoles d’accès sans contention dans les VANETs, nous proposons des solutions basées sur la technique de division du temps: Time Division Multiple Access (TDMA). D’abord, nous nous concentrons sur le développement d’un nouveau protocole distribué (DTMAC), qui ne repose pas sur l’utilisation d’infrastructure. DTMAC utilise les informations de localisation et un mécanisme de réutilisation des slots pour assurer que les véhicules accèdent au canal efficacement et sans collision. Les résultats obtenus ont confirmé l’efficacité de notre protocole, DTMAC se comporte très significativement mieux que VeMAC (protocole MAC basé sur TDMA.) Ensuite nous proposons TRPM, un protocole de routage basé sur une approche cross-layer. Dans TRPM, l’ordonnancement des slots TDMA construit par DTMAC et la position de la destination sont utilisés pour choisir le meilleur relais. Les résultats montrent que TRPM offre de meilleures performances, du nombre moyen de relais et de la fiabilité de livraison des messages comparé à d’autres protocoles. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous focaliserons sur les mécanismes centralisés d’allocation de slots qui utilisent des coordinateurs. D’abord, nous proposons CTMAC, un protocole basé sur TDMA centralisé utilisant les RSUs (RoadSide Units) pour créer et maintenir les ordonnancements. CTMAC met en œuvre un mécanisme qui permet d’empêcher les “Access Collisions” de se produire plus que deux fois entre les véhicules qui tentent d’acquérir un même slot disponible. Les résultats ont montré que CTMAC permet de mieux minimiser les collisions, ainsi que le surcoût généré pour créer et maintenir les ordonnancements par rapport aux protocoles MAC, basés sur TDMA distribué. Cependant, dans CTMAC, les véhicules roulant vite devront acquérir des nouveaux slots après une courte période de temps à chaque fois qu’ils quittent les zones de leurs RSUs courants. Cette situation rend les protocoles centralisés inefficaces et couteux dans les réseaux à grande vitesse. Afin de pallier à ce problème inhérent à l’utilisation des RSUs, nous adaptons un algorithme d’ordonnancement basé sur le clustering dans lequel certains véhicules sont élus pour gérer l'accès au canal. Ceci permet aux véhicules de rester attachés à leurs clusters plus longtemps. Pour ce faire, nous proposons 1- un protocole de clustering nommé AWCP afin de former des clusters stables avec une longue durée de vie. AWCP est basé sur l’algorithme de clustering pour les réseaux mobiles WCA dans lequel les têtes des clusters sont élues en se basant sur une fonction de poids. 2- Nous formulons le réglage des paramètres de protocole AWCP comme un problème d’optimisation multi-objective et nous proposons un outil d’optimisation qui combine la version multi-objective de l’algorithme génétique appelé NSGA-II avec le simulateur de réseau ns-2 pour trouver les meilleurs paramètres du protocole AWCP. 3- Nous proposons ASAS, une stratégie adaptative pour l’attribution des slots temporels basée sur une approche cross-layer entre TDMA et AWCP / Road crashes and their damages represent a serious issue and are one of the main causes of people death. In this context, Vehicular Ad hoc NETworks (VANETs) are deployed to reduce the risk of road accident as well as to improve passengers’ comfort by allowing vehicles to exchange different kinds of data which ranges widely from road safety and traffic management to infotainment. Nowadays, safety applications are receiving a great deal of attention from researchers as well as from automobile manufacturers. In this thesis, we particularly focus on safety-critical applications, designed to provide drivers assistance in dangerous situations and to avoid accidents in highway environments. Such applications must guarantee to the vehicles access to the medium and have strict requirements regarding end-to-end delay and packet loss ratio. Therefore, our main goal is to propose new medium access control and routing protocols, which can efficiently adapt to frequent changing VANET network topologies. After a comprehensive overview of free-contention MAC protocols, we propose several solutions, based on Time Division Multiple Access Technique (TDMA). We have designed DTMAC, a fully distributed TDMA-based MAC protocol, which does not rely on an expensive infrastructure. DTMAC uses vehicles’ locations and a slot reuse concept to ensure that vehicles in adjacent areas have collision-free schedule. Using simulations, we prove that DTMAC provides a lower rate of access and merging collisions than VeMAC, a well-known TDMA based MAC protocol in VANET. Then, in order to ensure that event-driven safety messages can be sent over a long distance, we propose TRPM, a TDMA aware Routing Protocol for Multi-hop communication. Our routing scheme is based on a cross layer approach between the MAC and the routing layers, in which the intermediate vehicles are selected using TDMA scheduling information. Simulation results show that TRPM provides better performances in terms of average end-to-end delay, average number of hops and average delivery ratio. In the second part, we focus on coordinator-based TDMA scheduling mechanisms. First, we propose the Centralized TDMA based MAC protocol (CTMAC) which uses Road Side Units (RSUs) as a central coordinator to create and maintain the TDMA schedules. CTMAC implements an Access Collision Avoidance mechanism that can prevent the access collision problem occurring more than twice between the same vehicles that are trying to access the channel at the same time. Using simulation we show an improvement in terms of access and merging collisions as well as the overhead required to create and maintain the TDMA schedules compared to distributed scheduling mechanisms. However, in the CTMAC protocol, fast moving vehicles will need to compete for new slots after a short period of time when they leave their current RSU area, which makes a centralized scheduling approach very expensive. In order to further improve the performance of coordinator-based TDMA scheduling mechanisms, we focus on cluster-based TDMA MAC protocols in which some vehicles in the network are elected to coordinate the channel access, allowing the vehicles to remain connected with their channel coordinator for a longer period of time. To this end, first we propose an adaptive weighted clustering protocol, named AWCP, which is road map dependent and uses road IDs and vehicle directions to make the clusters’ structure as stable as possible. Then, we formulate the AWCP parameter tuning as a multi-objective problem and we propose an optimization tool to find the optimal parameters of AWCP to ensure its QoS. Next, we propose ASAS, an adaptive slot assignment strategy for a cluster-based TDMA MAC protocol. This strategy is based on a cross layer approach involving TDMA and AWCP. The objective is to overcome the inter-cluster interference issue in overlapping areas by taking into account vehicles’ locations and directions when the cluster head assign slots

Les réseaux de capteurs acoustiques sous-marins (UW-ASN) sont les plus nouveaux achèvements technologiques en termes de communication. Les UW-ASN visent à observer et à explorer les lacs, les rivières, les mers et les océans. Récemment, ils ont été soumis à une attention particulière en raison de leur grand potentiel en termes d'applications prometteuses dans divers domaines (militaires, environnementaux, scientifiques ...) et aux nouvelles questions scientifiques qu'ils suscitent. Un problème majeur dans les UW-ASN est l'épuisement rapide de l'énergie, car une grande puissance est nécessaire pour la communication acoustique, tandis que le budget de la batterie des capteurs est limité. Par conséquent, les protocoles de communication énergétiques revêtent une importance primordiale pour faire usage judiciaire du budget énergétique disponible. Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier les principales caractéristiques des capteurs acoustiques sous-marins difficiles afin de concevoir des protocoles de communication énergétiques, plus spécifiquement au niveau routage et MAC. Tout d'abord, nous abordons le problème des trous énergétiques dans UW-ASN. Le problème du « sink-hole » se produit lorsque les capteurs les plus proches du sink épuisent leur énergie plus rapidement en raison de leur charge plus lourde. En effet, ces capteurs, en particulier ceux qui sont à un seul saut du sinkstatique, agissent comme des relais pour tous les autres capteurs, ce qui leur épuise sévèrement l’énergie.A la couche de routage,en particulier, nous proposons de distribuer la charge transmise par chaque capteur parmi plusieurs voisins potentiels, en supposant que les capteurs peuvent ajuster leur gamme de communication entre deux niveaux lorsqu'ils envoient ou transmettent des données. Plus précisément, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des prochains sauts avec les poids de charge associés qui entraînent un épuisement équitable d'énergie entre tous les capteurs du réseau. Ensuite, nous étendons notre stratégie de routage équilibrée en supposant que chaque capteur n'est pas seulement capable d'ajuster sa puissance d'émission à 2 niveaux mais aussi jusqu'à n niveaux où n> 2. Par conséquent, à la couche de routage, pour chaque valeur possible de n, nous déterminons pour chaque capteur l'ensemble des éventuels sauts avec les poids de charge associés qui mènent à une consommation d'énergie équitable chez tous les capteurs du réseau. En outre, nous obtenons le nombre optimal de puissances de transmission n qui équilibre la consommation d'énergie de tous les capteurs pour chaque configuration de réseau. En plus de cela, il convient de souligner que notre protocole de routage étendu utilise un modèle de canal à variation de temps plus réaliste qui tient compte de la plupart des caractéristiques fondamentales de la propagation acoustique sous-marine. Les résultats analytiques montrent que notre protocole de routage assure une réduction importante de la consommation d’énergie. Deuxièmement, pour atténuer les impacts de collision spectaculaires gaspillant l’énergie, nous concevons un protocole MAC multicanal (MC-UWMAC) évitant les collisions pour les UW-ASNs. MC-UWMAC fonctionne avec un canal de contrôle (décomposé en créneaux de temps) et un ensemble de canaux de données à bande passante égale. Les créneaux du canal de contrôle sont dédiés à l’échange RTS / CTS permettant à une paire de capteurs communicants de s'accorder sur l'heure de début de la communication sur un canal de données pré-alloué. Dans cette thèse, nous proposons deux nouvelles procédures associées d'allocation des créneaux du canal de contrôle et d'attribution des canaux de données sans nécessiter de frais de négociation supplémentaires. En conséquence, chaque capteur peut initier l'échange RTS / CTS uniquement à son créneau assigné, calculé à l'aide d'une procédure d'allocation basée sur une partition virtuelle de grille de la zone de déploiement. (...) / UnderWaterAcoustic Sensor Networks (UW-ASNs) are the newest technological achievement in terms of communication. Composed of a set of communicating underwater sensors, UW-ASNs are intended to observe and explore lakes, rivers, seas and oceans. Recently, they have been subject to a special attention due to their great potential in terms of promising applications in various domains (military, environmental, scientific...) and to the new scientific issues they raise. A great challenging issue in UW-ASNs is the fast energy depletion since high power is needed for acoustic communication while sensors battery budget is limited. Hence, energy-efficient networking protocols are of a paramount importance to make judicious use of the available energy budget while considering the distinguishing underwater environment characteristics. In this context, this thesis aims at studying the main challenging underwater acoustic sensors characteristics to design energy-efficient communication protocols specifically at the routing and MAC layers. First, we address the problem of energy holes in UW-ASNs. The sink-hole problem occurs when the closest nodes to sink drain their energy faster due to their heavier load. Indeed, those sensors especially the ones that are 1-hop away from the static sink act as relays to it on behalf of all other sensors, thus suffering from severe energy depletion. In particular, at the routing layer, we propose to distribute the transmission load at each sensor among several potential neighbors, assuming that sensors can adjust their communication range among two levels when they send or forward data. Specifically, we determine for each sensor the set of next hops with the associated load weights that lead to a fair energy depletion among all sensors in the network. Then, we extend our balanced routing strategy by assuming that each sensor node is not only able to adjust its transmission power to 2 levels but eventually up to n levels where n > 2. Consequently, at the routing layer, for each possible value of n, we determine for each sensor the set of possible next hops with the associated load weights that lead to a fair energy consumption among all sensors in the network. Moreover, we derive the optimal number of transmission powers n that balances the energy consumption among all sensors for each network configuration. In addition to that, it is worth pointing out that our extended routing protocol uses a more realistic time varying channel model that takes into account most of the fundamental characteristics of the underwater acoustic propagation. Analytical results show that further energy saving is achieved by our extended routing scheme. Second, to mitigate the dramatic collision impacts, we design a collision avoidance energy efficient multichannel MAC protocol (MC-UWMAC) for UW-ASNs. MC-UWMAC operates on single slotted control and a set of equal-bandwidth data channels. Control channel slots are dedicated to RTS/CTS handshaking allowing a communicating node pair to agree on the start time of communication on a pre-allocated data channel. In this thesis, we propose two novel coupled slot assignment and data channels allocation procedures without requiring any extra negotiation overhead. Accordingly, each node can initiate RTS/CTS exchange only at its assigned slot calculated using a slot allocation procedure based on a grid virtual partition of the deployment area. Moreover, for each communicating pair of nodes, one data channel is allocated using a channel allocation procedure based on our newly designed concept of singleton- intersecting quorum. Accordingly, each pair of communicating nodes will have at their disposal a unique 2-hop conflict free data channel. Compared with existing MAC protocol, MC-UWMAC reduces experienced collisions and improves network throughput while minimizing energy consumption.