Dans un proche futur, les véhicules connectés et autonomes remplaceront nos véhicules actuels, et il sera nécessaire de repenser intégralement la mobilité. Le conducteur, avec ses lacunes, sera de plus en plus assisté, et un jour détrôné par un système embarqué, capable d'agir plus rapidement, tout en ayant une représentation plus précise et fiable de son environnement de navigation. Pourtant, il reste encore du chemin à parcourir avant d'arriver à un tel stade de maturité : l'environnement du véhicule est complexe, imprévisible et conflictuel, car partagé avec d'autres acteurs de la mobilité. Ce travail de thèse vise à anticiper l'arrivée de ces nouveaux véhicules afin de proposer des comportements coopératifs au niveau des véhicules et de l'infrastructure tout en permettant un contrôle décentralisé de ce type de système complexe. Dans le cadre d'une approche multi-agents et d'une architecture distribuée, nous proposons d'abord une modélisation par couplage des dynamiques physique et communicationnelle, auxquelles s'ajoute une intégration de la fiabilité de l'information (confiance). L'étape suivante a été de développer un cadre de simulation propice à l'implémentation de nos modèles dans le cas des véhicules connectés. Nous introduisons un nouveau simulateur de trafic, construit comme une extension d'une plateforme existante, au sein duquel les flux d'informations entre les véhicules et avec l'infrastructure prennent la forme d'échanges de messages. Toutes les informations du système proviennent de capteurs, et toutes les entités, modélisées comme des agents, sont autonomes dans leur prise de décision. De nouvelles formes de contrôle sont désormais envisageables en utilisant des consignes transmises par l'infrastructure communicante. Le couplage des dynamiques assure la cohérence et l'inter-dépendance des différents modèles dans le simulateur. Nous montrons en simulation que, grâce à l'intégration d'informations supplémentaires via la communication, les véhicules, modélisés par un modèle microscopique multi-anticipatif bilatéral, sont capables de réduire l'effet de perturbations propagées au sein d'un flux. En termes de stratégies de contrôle, une des problématiques principales est de garantir une forme de contrôle qui s'adaptera aux différentes phases de déploiement des systèmes coopératifs. L'analogie avec des problèmes de l'IA (problème de cognition) nous a mené à traiter le problème de manière plus abstraite : comment permettre à un système autonome de contrôler son environnement. Les approches constructivistes, que nous avons retenues, modélisent le processus de cognition comme un phénomène de construction itératif. Pour le trafic coopératif, l'avantage est de disposer d'un système capable de générer ses propres stratégies, en utilisant ou non des connaissances expertes, et de les faire évoluer au cours du temps pour s'adapter aux véhicules composant le flux. Les résultats de notre approche sont présentés dans deux cadres de simulation. Le premier est un prototype visant à illustrer les comportements de bas niveau dans un environnement simplifié. Nous montrons que le modèle est capable dans ce cadre de combiner différentes représentations individuelles pour construire une représentation et de s'adapter à différents contextes en les recombinant dynamiquement. Puis, dans le cadre de simulation du trafic coopératif, les résultats laissent entrevoir le potentiel de notre approche dans des applications réelles / In a near future, connected and automated vehicles will progressively replace current vehicles, leading to deep changes in transportation. The driver will be soon assisted and then replaced by an embedded system, able to act quicker, relying on a more robust and precise representation of its surrounding environment. However, some steps are still needed before coming up with such a level of automation since the vehicle environment is complex and unpredictable. This work intends to anticipate the introduction of these new kinds of vehicles by providing cooperative behaviors at both infrastructure and vehicle levels, at the same time allowing a decentralized control of these systems. We propose a distributed modeling framework, using multi-agent systems, relying on the coupling of the system dynamics: information, communication and reliability (modeled through the concept of trust). The next step was to develop a simulation framework enabling the implementation of our models for connected vehicles applications. We present a new microscopic traffic simulator, built as an extension of an existing platform, and able to model information exchanges using messages between vehicles and with the infrastructure. All data are provided by sensors and all entities, modeled as agents, are autonomous regarding their decision process. Thanks to the simulator, it is possible to imagine new control strategies relying on recommendations disseminated by the connected infrastructure. Consistency and interdependence of the simulator components are ensured by the dynamic coupling. As for the vehicles’ dynamics, we propose a bilateral multi-anticipative model that integrates additional information from communications in the vehicle decision process. Results in simulation confirm that the model is able to reduce the propagation of perturbation through the flow, leading to a more homogeneous and stable traffic. One of the major issues regarding traffic control strategies will be to dynamically adapt the action policy to the several deployment stages of cooperative transportation systems. The similarities with Artificial Intelligence problems like cognition motivate a more abstract study: how to model an autonomous system able to control its environment. We choose the constructivist approaches, that propose to model the cognition process as an iterative building process. For cooperative traffic, the benefits lie in the ability of the system to generate its own strategies, relying or not on domain specific knowledge, and then make them evolve to be adapted to vehicles in the flow. The results from our approach are presented in two distinct simulation frameworks. The first one is an experimentation prototype aiming at highlighting the low-level behaviors in a simplified environment. In this context, we show that the model is able to combine efficiently several individual concurrent representations in order to build a high-level representation that can be adapted to several contexts. The second framework is the traffic simulator where the results lead to some insights about the potential of our approach for such realistic applications

Les systèmes de communications par satellite sont utilisés dans le contexte de la radiodiffusion, de la navigation, du sauvetage et du secours aux sinistrés, car ils permettent de fournir des services sur une large zone de couverture. Cependant, cette zone de couverture est limitée par l'effet de masquage provoqué par des obstacles qui bloquent la liaison directe entre le satellite et un utilisateur terrestre. L'effet de masquage devient plus sévère en cas de satellites à faibles angles d'élévation ou lorsque l'utilisateur est à l'intérieur. Pour résoudre ce problème, les Systèmes Coopératifs Hybride Satellite-Terrestre (HSTCS) ont été proposés. Dans un système HSTCS, l'utilisateur mobile peut profiter de la diversité spatiale en recevant des signaux à la fois du satellite et des relais terrestres. Les gap-fillers fixes ou mobiles sont utilisés pour relayer le signal satellite. La plupart des systèmes de diffusion par satellite utilisent les gap-fillers fixes alors que les gap-fillers mobiles sont nécessaires en cas de communications d'urgence lorsque l'infrastructure fixe n'est pas disponible. Dans les scénarios d'urgence (incendie, tremblement de terre, inondations, explosion) l'infrastructure terrestre existante est endommagée, donc les HSTCSs sont appropriés pour mettre à jour des informations qui permettent aux sauveteurs d'intervenir efficacement et en toute sécurité. En particulier, une mise en œuvre rapide et souple est nécessaire, ce qui pourrait être fourni par le déploiement de gap-fillers mobiles (véhicule ou portable). Plusieurs scénarios coopératifs et techniques de transmission ont déjà été proposés et étudiés. Cependant, la plupart des méthodes proposées ne fournissent qu'une analyse de performance fondée sur la simulation alors que les expressions analytiques de la probabilité de coupure et de la Probabilité d'Erreur Symbole (SEP) n'ont pas encore été établies. Cette thèse se focalise sur l'analyse de performances des systèmes HSTCS. La probabilité de coupure et SEP du système utilisant le schéma de transmission Selective Decode-and-Forward (SDF), avec ou sans sélection de relais, est évaluée dans le cas des modulations MPSK et MQAM. Cette expression analytique permet de concevoir le système HSTCS. Ces résultats sont applicables aux cas des relais fixes ou mobiles. La seconde partie de cette thèse est consacrée à des problèmes de synchronisation (décalage en temps et en fréquence ainsi que l'étalement Doppler). La mobilité des utilisateurs crée l'étalement Doppler qui détruit l'orthogonalité des sous-porteuses dans les signaux de type Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Cette perte d'orthogonalité engendre de l'interférence entre sous-porteuses (ICI) et donc une dégradation des performances du système en termes de SEP. Dans ce cas, on présente les conditions dans lesquelles cette dégradation peut être compensée par une augmentation du Rapport Signal sur Bruit (SNR) du côté de l'émetteur. Le résultat dépend du schéma de modulation et aussi de la vitesse des utilisateurs. / Satellite communication systems are used in the context of broadcasting, navigation, rescue, and disaster relief since they allow the provision of services over a wide coverage area. However, this coverage area is limited by the masking effect caused by obstacles that block the Line-Of-Sight (LOS) link between the satellite and a terrestrial user. The masking effect becomes more severe in case of low satellite elevation angles or when the user is indoor. To address this issue, Hybrid Satellite-Terrestrial Cooperative Systems (HSTCSs) have been proposed. In an HSTCS, the mobile user can exploit the diversity advantages by receiving signals from both satellite and terrestrial components. Fixed or mobile gap-fillers are used to relay the satellite signal. Most of satellites broadcasting systems have been implemented using fixed gap-fillers while mobile gap-fillers are needed in emergency cases when the fixed infrastructure is not available. In emergency scenarios (e.g., fire, earthquake, flood and explosion), the existing terrestrial infrastructure has been destroyed. So, an HSTCS is appropriate for transmitting the information between the rescuers and the central office. This allows the rescuers to operate efficiently. In particular, a fast and flexible implementation is needed and this could be provided by deploying mobile gap fillers (vehicle or mobile handheld). Recently, the topic of HSTCSs has gain interest in the research community. Several cooperative scenarios and transmission techniques have been proposed and studied. However, most of existing approaches only provide a performance analysis based on simulation results and the analytical expression of the exact Symbol Error Probability (SEP) is generally not provided. This dissertation focuses on the performance analysis of HSTCSs. The exact closed-form outage probability and SEP of Selective Decode-and-Forward (SDF) transmission scheme with and without relay selection are derived for both M-ary phase shift keying (MPSK) and M-ary quadrature amplitude modulation (MQAM) schemes. This analytical SEP helps in designing and dimensioning HSTCSs. Our results are applicable to both fixed and mobile relaying techniques. Another part of the dissertation is dedicated to synchronization issues (time, frequency shifting/spreading). The mobility of users induces a Doppler spread in the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) signal that destroys the orthogonality of subcarriers. The loss of orthogonality produces Inter-subCarrier Interference (ICI) and hence a degradation of the system performance in terms of SEP. In this case, we present the conditions in which this degradation can be compensated for by an increase in the Signal to Noise Ratio (SNR) at the transmitter side. The result depends on both the modulation scheme and the speed of the mobile users.

L'objectif de cette thèse est d'étudier certains aspects des réseaux coopératifs sans fils à l'aide de la géométrie stochastique. Ça permets de considérer la distribution spatiale aléatoire des utilisateurs et les effets adverses de leur interaction, comme l’interférence.Nous étudions la performance, évaluée par la probabilité d'outage, atteignable dans un canal de relai full-duplex quand les nœuds opèrent dans un grand réseau sans fils où les émetteurs interférants sont modelés avec un processus ponctuel de Poisson homogène. Nous trouvons la probabilité d'outage des protocoles décodez-et-renvoyez (decode-and-forward, DF), et comprimez-et-renvoyez (compress-and-forward) et nous faisons une comparaison avec une transmission point à point et un protocole DF half-duplex. Ensuite, nous étudions une situation plus générale dans laquelle les émetteurs qui causent l'interférence peuvent aussi utiliser un relai ou faire des transmissions point à point. Nous étudions la relation entre les avantages de la cooperation et l'interférence qu'elle même génère.Dans la deuxième partie nous étudions la performance des stratégies de partage de vidéos par communications entre dispositifs mobiles (device-to-device, D2D) hors de la bande des communications cellulaires. Nous étudions la fraction des demandes de vidéos qui peuvent être satisfaites par D2D, c’est-à-dire, par le biais des émissions locales, plutôt que par la station de base. Pour étudier ce problème, nous introduisons un modèle de processus ponctuel, qui considère la stratégie de stockage dans les utilisateurs, le problème de comment lier les utilisateurs et les problèmes de la transmission et coordination entre les utilisateurs. / The main goal of this work is to study cooperative aspects of large wireless networks from the perspective of stochastic geometry. This allows the consideration of important effects such as the random spatial distribution of nodes, as well as the effects of interference and interference correlation at receivers, which are not possible when a single link is considered in isolation.First, some aspects of the performance of the relay channel in the context of a large wireless network are considered. Mainly, the performance, in terms of outage probability (OP), of a single full-duplex relay channel utilizing decode-and-forward (DF) or compress-and-forward, when the interference is generated by uniform spatial deployment of nodes, modeled as a Poisson point process. The OP performance of these two protocols is compared with a point-to-point transmission and with a half-duplex DF protocol. Afterwards, the case in which more than one transmitter in the network may use a relay is considered. The effects of cooperation versus interference are studied, when the users use either full-duplex DF, or point-to-point transmissions. In a second phase, this work explores the advantages that could be obtained through out-of-band device-to-device (D2D) video file exchanges in cellular networks. These advantages are measured in terms of the fraction of requests that can be served in a time-block through D2D, thus avoiding a downlink file transfer from the base station. For this, a stochastic geometry framework is introduced, in which the user file-caching policy, user pairing strategy, and link quality and scheduling issues are considered.

Le problème d’exploration est un sujet fondamental de la robotique mobileautonome qui traite la réalisation de la catographie complète (mapping) d’un environnementprécédemment inconnu. Il y a plusieurs scénarios où l’achèvement de l’exploration d’unezone est une composante principale de la mission à accomplir. Par exemple: l’explorationplanétaire, la reconnaissance, la recherche et le sauvetage, l’agriculture, le nettoyage des lieuxdangereux, comme champs de mines et des zones radioactives. D’autre part, la communicationsans fil joue un rôle important dans les stratégies multi-robot collaboratives. Malheureusement,la supposition ou l’exigence de communication stable, ou encore, la connectivité continue,peuvent être compromises dans des scénarios réels. Dans cette thèse, deux nouvellesapproches abordent le problème d’exploration multi-robot d’environnements, en considérantune communication restreinte. D’abord, une stratégie multi-objectif auto-adaptative est proposéepour diriger la sélection de tâches en tennant compte de la performance d’explorationet du niveau de connectivité. Deuxièmement, deux rôles – l’explorateur et le relais de communication– sont considérés pour améliorer la stratégie de sélection de tâche précédente. Basésur le modèle de communication, une nouvelle approche de placement de robot relais pour desmissions d’exploration multi-robot est présentée en détail. Comparé avec d’autres approchesde l’état de l’art, les deux approches proposées dans cette thèse sont capables de diminuer ladurée de périodes de déconnexion sans dégradation considérable sur temps d’exploration. / The exploration problem is a fundamental subject in autonomous mobilerobotics that deals with achieving the complete coverage of a previously unknown environment.There are several scenarios where completing exploration of a zone is a main part of themission, e.g. planetary exploration, reconnaissance, search and rescue, agriculture, cleaning,or dangerous places as mined lands and radioactive zones. Wireless communication plays animportant role in collaborative multi-robot strategies. Unfortunately, the assumption or requirementof stable communication and end-to-end connectivity may be easily compromised inreal scenarios. In this thesis, two novel approaches to tackle the problem of multi-robot explorationof communication constrained environments are proposed. At first, an auto-adaptivemulti-objective strategy is followed in order to support the selection of tasks regarding bothexploration performance and connectivity level. Secondly, two roles –explorer and communicationrelay– are considered in order to improve the benefits of the previous task selectionstrategy. Based on the communication model, a novel polynomial-time relay placement approachfor multi-robot exploration missions is introduced in detail. Compared with others,the proposed approaches are capable of decreasing the last of disconnection periods withouta noticeable degradation of the completion exploration time.

De nombreuses applications peuvent être formulées en termes de systèmes distribués que ce soit une nécessité face à une distribution physique des entités (réseaux, robotique mobile) ou un moyen adopté face à la complexité d'appréhender un problème de manière globale. A travers l'utilisation conjointe de méthodes dites d'apprentissage par renforcement et des systèmes multi-agents, des agents autonomes coopératifs peuvent apprendre à résoudre de manière décentralisée des problèmes complexes en s'adaptant à ceux-ci afin de réaliser un objectif commun. Les méthodes d'apprentissage par renforcement ne nécessitent aucune connaissance a priori sur la dynamique du système, celui-ci pouvant être stochastique et non-linéaire. Cependant, afin d'améliorer la vitesse d'apprentissage, des méthodes d'injection de connaissances pour les problèmes de plus court chemin stochastique sont étudiées et une fonction d'influence générique est proposée. Nous nous intéressons ensuite au cas d'agents indépendants situés dans des jeux de Markov d'équipe. Dans ce cadre, les agents apprenant par renforcement doivent surmonter plusieurs enjeux tels que la coordination ou l'impact de l'exploration. L'étude de ces enjeux permet tout d'abord de synthétiser les caractéristiques des méthodes décentralisées d'apprentissage par renforcement existantes. Ensuite, au vu des difficultés rencontrées par ces approches, deux algorithmes sont proposés. Le premier est le Q-learning hystérétique qui repose sur des agents "à tendance optimiste réglable ". Le second est le Swing between Optimistic or Neutral (SOoN) qui permet à des agents indépendants de s'adapter automatiquement à la stochasticité de l'environnement. Les expérimentations sur divers jeux de Markov d'équipe montrent notamment que le SOoN surmonte les principaux facteurs de non-coordination et est robuste face à l'exploration des autres agents. Une extension de ces travaux à la commande décentralisée d'un système distribué de micromanipulation (smart surface) dans un cas partiellement observable est enfin exposée.

Cette thèse concerne la modélisation des Systèmes d'Information Coopératifs (SICo). Les techniques de modélisation proposées par les langages actuels ne donnent pas de réponses directes aux différents problèmes posés par la modélisation des SICo. Pour mieux contrôler la complexité de ces derniers, il est nécessaire d'avoir un niveau d'abstraction élevé et de disposer de modèles qui s'approchent du modèle de raisonnement du développeur. Nous avons choisi la solution des architectures logicielles pour organiser l'ingénierie des SICo. Une telle approche offre au concepteur des techniques et des langages de modélisation permettant d'exprimer les propriétés des systèmes composants et de leurs interactions. La solution que nous proposons repose sur un guide méthodologique permettant de capitaliser, organiser et réutiliser des modèles d'architectures logicielles adaptés aux SICo. Ce guide méthodologique traite quatre aspects complémentaires. Premièrement, il propose des patrons produit capitalisant des familles d'architectures de coopération. Deuxièmement, il offre une représentation graphique et textuelle des solutions modèles en utilisant respectivement un langage semi-formel et un langage formel. Ensuite, il facilite la classification des SICo en se basant sur différents modes de coopération entre des systèmes composants. Enfin, il propose des patrons processus formalisant la démarche méthodologique. Patrons produits et patrons processus constituent le système de Patrons pour les Architectures COopératives (PACO).

Le travail présenté dans cette thèse traite de l'utilisation des résumés de données dans l'in- terrogation. Dans le contexte des résumés linguistiques du modèle SaintEtiQ sur lequel se focalise cette thèse, un résumé est une description du contenu d'une table relationnelle. Grâce à la définition de variables linguistiques, il est possible d'utiliser des termes du langage pour caractériser les données structurées de la table. En outre, l'organisation des résumés en hié- rarchie offre divers niveaux de granularité. Nous nous intéressons à fournir une application concrète aux résumés déjà construits. D'une part, nous étudions les possibilités d'utilisation des résumés dans une interrogation à but descriptif. L'objectif est de décrire entièrement des données dont certaines caractéristiques sont connues. Nous proposons une démarche de re- cherche de concepts et une instanciation de cette démarche. Ensuite, une étude des systèmes d'interrogation flexible, dont certains ont, ainsi que SaintEtiQ, la théorie des sous-ensembles flous comme base, nous permet d'enrichir la démarche proposée par des fonctionnalités plus avancées. D'autre part, nous avons intégré les résumés linguistiques de SaintEtiQ au SGBD PostgreSQL. L'objectif est d'aider le SGBD à identifier des enregistrements. Nous présen- tons un état de l'art des techniques d'indexation, ainsi que le détail de l'implémentation des résumés en tant que méthode d'accès dans PostgreSQL.

Dans cette thèse, nous avons proposé un nouveau schéma de transmission basé sur l'échange de données entre relais (fDSTC). Via des simulations numériques et des analyses mathématiques, le protocole fDSTC est comparé en termes de taux d'erreur, de probabilité de coupure, de diversité et d'efficacité énergétique avec les schémas plus classiques de codes spatio-temporel distribués (cDSTC), en utilisant des relais non-régénératif (NR-relais) et des relais régénératif (R-relais). De plus, le protocole fDSTC est exploité dans un système multi-antennes et son efficacité énergétique est montrée en utilisant un modèle d'énergie typique largement utilisé dans la littérature, ainsi qu' un modèle réaliste basé sur la plate-forme de réseaux de capteurs PowWow. Bien que peu considéré dans la littérature sur les techniques de relais coopératifs , le protocole MAC a une grande influence sur la consommation d'énergie totale des réseaux. Cela conduit à une grande motivation pour concevoir un protocole MAC coopératif, MAC-RIC, en combinant les techniques d'échantillonnage de préambule et relais coopératifs. Les résultats analytiques confirment encore l'intérêt d'utiliser les techniques de relais coopératif, mais leur efficacité énergétique peut être affectée par les charges de trafic et la latence désirée.

À cause des stratégies de production et de marketing de plus en plus ambitieuses tellesque le Juste-À-Temps et la production adaptée au client, les approches de collaboration logistique verticale qui sont courantes atteignent une limite d'efficacité notamment en transport. La collaboration logistique horizontale (CLH) et plus particulièrement la mutualisation, dont l'efficacité a été prouvée dans la littérature et dans les cas réels, a attiré l'attention des chercheurs ainsi que des praticiens. Cependatn, un des obstacles principaux à la mise en œuvre des CLHs est l'absence d'un mécanisme de collaboration raisonné, en particulier un mécanisme de partage des gains. Nous identifions deux formes d'organisation des CLHs : centralisée limité en pratique à de petites coalitions et décentralisée pouvant comprendre de nombreux participants. Pour des CLHs centralisées, nous proposons un modèle de collaboration qui est un processus de conduite qui intègre les outils d'aide à la décision. Nous développons également un mécanisme de partage par la théorie des jeux. Ce mécanisme est applicable aux différentes catégories des CLHs centralisées, qui peuvent être modélisées par des jeux coopératifs super-additif et non-super-additifs. Afin de proposer un plan de partage crédible aux collaborateurs, ce mécanisme de partage prend en compte la contribution de chacun des collaborateurs, la stabilité de la coalition et leur pouvoir de négociation. Ce cadre est illustré par des exemples numériques issus de cas logistiques. Pour la mise en œuvre des CLHs décentralisées, nous proposons un cadre de travail de logistique collaborative qui est ouvert aux participants potentiels, et avons conçu des protocoles fondés sur le mécanisme d'enchère combinatoire, qui spécifient l'allocation de demande de livraison et la détermination de paiement pour faciliter les collaborations. Cette dernière partie s'appuie sur la théorie dite de Mechanism design.

Les besoins croissants en puissance de calcul sont généralement satisfaits en fédérant de plus en plus d'ordinateurs (ou noeuds) pour former des infrastructures distribuées. La tendance actuelle est d'utiliser la virtualisation système dans ces infrastructures, afin de découpler les logiciels des noeuds sous-jacents en les encapsulant dans des machines virtuelles. Pour gérer efficacement ces infrastructures virtualisées, de nouveaux gestionnaires logiciels ont été mis en place. Ces gestionnaires sont pour la plupart hautement centralisés (les tâches de gestion sont effectuées par un nombre restreint de nœuds dédiés). Cela limite leur capacité à passer à l'échelle, autrement dit à gérer de manière réactive des infrastructures de grande taille, qui sont de plus en plus courantes. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux façons d'améliorer cet aspect ; l'une d'entre elles consiste à décentraliser le traitement des tâches de gestion, lorsque cela s'avère judicieux. Notre réflexion s'est concentrée plus particulièrement sur l'ordonnancement dynamique des machines virtuelles, pour donner naissance à la proposition DVMS (Distributed Virtual Machine Scheduler). Nous avons mis en œuvre un prototype, que nous avons validé au travers de simulations (notamment via l'outil SimGrid), et d'expériences sur le banc de test Grid'5000. Nous avons pu constater que DVMS se montrait particulièrement réactif pour gérer des infrastructures virtualisées constituées de dizaines de milliers de machines virtuelles réparties sur des milliers de nœuds. Nous nous sommes ensuite penchés sur les perspectives d'extension et d'amélioration de DVMS. L'objectif est de disposer à terme d'un gestionnaire décentralisé complet, objectif qui devrait être atteint au travers de l'initiative Discovery qui fait suite à ces travaux.