Nous étudions dans cette thèse des problèmes d’optimisation avec applications dans les réseaux optiques. Les problèmes étudiés sont liés à la tolérance aux pannes et à l’utilisation efficace des ressources. Les résultats obtenus portent principalement sur la complexité de calcul de ces problèmes. La première partie de cette thèse est consacrée aux problèmes de trouver des chemins et des chemins disjoints. La recherche d’un chemin est essentielle dans tout type de réseaux afin d’y établir des connexions et la recherche de chemins disjoints est souvent utilisée pour garantir un certain niveau de protection contre les pannes dans les réseaux. Nous étudions ces problèmes dans des contextes différents. Nous traitons d’abord les problèmes de trouver un chemin et des chemins lien ou nœud- disjoints dans des réseaux avec nœuds asymétriques, c’est-à-dire des nœuds avec restrictions sur leur connectivité interne. Ensuite, nous considérons les réseaux avec des groupes de liens partageant un risque (SRLG) en étoile : ensembles de liens qui peuvent tomber en panne en même temps suite à un événement local. Dans ce type de réseaux, nous examinons le problème de recherche des chemins SRLG-disjoints. La deuxième partie de cette thèse est consacrée au problème de routage et d’allocation de spectre (RSA) dans les réseaux optiques élastiques (EONs). Les EONs sont proposés comme la nouvelle génération des réseaux optiques et ils visent une utilisation plus efficace et flexible des ressources optiques. Le problème RSA est central dans les EONs. Il concerne l’allocation de ressources aux requêtes sous plusieurs contraintes. / We study in this thesis optimization problems with application in optical networks. The problems we consider are related to fault-tolerance and efficient resource allocation and the results we obtain are mainly related to the computational complexity of these problems. The first part of this thesis is devoted to finding paths and disjoint paths. Finding a path is crucial in all types of networks in order to set up connections and finding disjoint paths is a common approach used to provide some degree of protection against failures in networks. We study these problems under different settings. We first focus on finding paths and node or link-disjoint paths in networks with asymmetric nodes, which are nodes with restrictions on their internal connectivity. Afterwards, we consider networks with star Shared Risk Link Groups (SRLGs) which are groups of links that might fail simultaneously due to a localized event. In these networks, we investigate the problem of finding SRLG-disjoint paths. The second part of this thesis focuses on the problem of Routing and Spectrum Assignment (RSA) in Elastic Optical Networks (EONs). EONs are proposed as the new generation of optical networks and they aim at an efficient and flexible use of the optical resources. RSA is the key problem in EONs and it deals with allocating resources to requests under multiple constraints. We first study the static version of RSA in tree networks. Afterwards, we examine a dynamic version of RSA in which a non-disruptive spectrum defragmentation technique is used. Finally, we present in the appendix another problem that has been studied during this thesis.

Les progrès réalisés en systèmes micro-électro-mécaniques couplés avec leur convergence vers les systèmes de communication sans fil, ont permis l'émergence des réseaux de capteurs sans fil (RCSF). Les contraintes de ces réseaux font que tous les efforts soient fournis pour proposer des solutions économes en énergie. Avec les récents développements des technologies CMOS, des capteurs d'images à faible coût ont été développés. En conséquence, un nouveau dérivé des RCSF, qui sont les Réseaux de Capteurs Vidéo Sans Fil (RCVSF), a été proposé. La particularité des données vidéo ainsi que les contraintes inhérentes aux nœuds ont introduit de nouveaux défis. Dans cette thèse, nous proposons deux solutions basées sur l'approche inter-couches pour la livraison de la vidéo sur les RCVSF. La première solution propose un nouveau schéma de compression vidéo adaptatif, efficace en énergie et basé sur la norme de compression vidéo H.264/AVC. Le flux vidéo est ensuite géré par une version améliorée du protocole MMSPEED que nous proposons et notons EQBSA-MMSPEED. Les résultats des simulations montrent que la durée de vie du réseau est étendue de 33%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 12%. Dans la deuxième solution, nous enrichissons le schéma de compression de modèles mathématiques pour prévoir la consommation d'énergie et la distorsion de l'image lors des phases d'encodage et de transmission. Le flux vidéo est géré par un nouveau protocole de routage efficace en énergie et à fiabilité améliorée noté ERMM. Comparée à une approche basique, cette solution réalise une extension de la durée de vie du réseau de 15%, tout en améliorant la qualité du flux vidéo reçu de 35%. / Thanks to the valuable advances in Micro Electro-Mechanical Systems coupled with their convergence to wireless communication systems, the Wireless Sensor Networks (WSN). In the WSN context, all the efforts are made in order to propose energy-efficient solutions. With the recent developments in CMOS technology, low-cost imaging sensors have been developed. As a result, a new derivative of the WSN, which is the Wireless Video Sensor Network (WVSN), has been proposed. The particularities of the video data as well as the inherent constraints of the nodes have introduced new challenges. In this thesis, we propose two cross-layer based solutions for video delivery over the WVSN. The first solution proposes a new energy efficient and adaptive video compression scheme dedicated to the WVSNs, based on the H.264/AVC video compression standard. The video stream is then handled by an enhanced version of MMSPEED protocol, that we propose and note EQBSA-MMSPEED. Performance evaluation shows that the lifetime of the network is extended by 33%, while improving the video quality of the received stream by 12%. In the second solution, we enrich our compression scheme with mathematical models to predict the energy consumption and the video distortion during the encoding and the transmission phases. The video stream is then handled by a novel energy efficient and improved reliability routing protocol, that we note ERMM. Compared to a basic approach, this solution is extending the network lifetime by 15%, while improving the quality of the received video stream by 35%.

Cette thèse s´intéresse à la conception et l´évaluation des protocoles de routage et d´accès au canal pour les réseaux sans fils. La première partie de la thèse focalise principalement sur l´évaluation de protocoles de routage pour les réseaux tolérants aux perturbations quand ces réseaux incluent des relais fixes, appelées boîtes. Dans un premier temps, nous montrons que les instants successifs de rencontre entre une boîte et un noeud mobile qui se déplace selon un modèle de mobilité aléatoire sont bien approximés par un processus de Poisson. Nous donnons une formule explicite approchée pour l´intensité de ce processus qui dépend notamment de la densité de probabilité spatiale du modèle de mobilité considérée ainsi que celle des boîtes. Dans un deuxième temps, nous étudions l´impact d´ajouter des boîtes sur les performances de deux protocoles de routage classiques, le protocole épidémique et le protocole de routage à deux sauts. Nous développons des expressions explicites pour quantifier la distribution et la moyenne du délai de livraison d´un paquet, ainsi que le nombre des copies générées lors de cette transmission. Ensuite, nous proposons cinq stratégies qui s´appuient sur la présence des boîtes pour réaliser le routage des copies. Par ailleurs, nous introduisons une plateforme basée sur un modèle markovien qui permet de calculer et de comparer analytiquement les diverses métriques de performance pour ces cinq stratégies. Dans la deuxième partie de la thèse, nous intéressons à l´algorithme de backoff du standard IEEE 802.11. Nous proposons une extension de cet algorithme dont l´objectif est d´améliorer ses performances dans le cas où le réseau possède un grand nombre d´utilisateurs.

L'objectif de ce travail de thèse est de proposer des approches algorithmiques permettant de traiter la problématique du routage adaptatif (RA) dans un réseau de communication à trafic irrégulier. L'analyse des algorithmes existants nous a conduit à retenir comme base de travail l'algorithme Q-Routing (QR); celui-ci s'appuie sur la technique d'apprentissage par renforcement basée sur les modèles de Markov. L'efficacité de ce type de routage dépend fortement des informations sur la charge et la nature du trafic sur le réseau. Ces dernières doivent être à la fois, suffisantes, pertinentes et reflétant la charge réelle du réseau lors de la phase de prise de décision. Pour remédier aux inconvénients des techniques utilisant le QR, nous avons proposé deux algorithmes de RA. Le premier, appelé Q-Neural Routing, s'appuie sur un modèle neuronal stochastique pour estimer et mettre à jour les paramètres nécessaires au RA. Afin d'accélérer le temps de convergence, une deuxième approche est proposée : K-Shortest path Q-Routing. Elle est basée sur la technique de routage multi chemin combiné avec l'algorithme QR, l'espace d'exploration étant réduit aux k meilleurs chemins. Les deux algorithmes proposés sont validés et comparés aux approches traditionnelles en utilisant la plateforme de simulation OPNET, leur efficacité au niveau du RA est mise particulièrement en évidence. En effet, ceux-ci permettent une meilleure prise en compte de l'état du réseau contrairement aux approches classiques.

Ce mémoire est une synthèse de nos travaux de recherche menés au sein des laboratoires d'Orange Labs (anciennement France Télécom R&D) pour répondre à une problématique identifiée par ledit opérateur et concernant les flux d'échanges en mode pair-à-pair (P2P). Communément assimilé à un échange de fichiers, le P2P a de nombreuses applications. Il correspond à une évolution du monde du logiciel, des réseaux et des équipements. Au-delà du partage, nous sommes confrontés à une puissance disponible de façon distribuée (en termes de CPU, bande passante, stockage, etc.). La montée en puissance du P2P exige de nouveaux systèmes pouvant satisfaire les besoins des usagers, mais aussi ceux des fournisseurs d'accès à Internet (FAI) et autres opérateurs de réseaux. Les premiers cherchent en permanence une bonne qualité de service (QoS) bien perceptible. Les seconds aspirent à l'optimisation de l'usage des ressources du réseau (notamment la bande-passante) et à la réduction des différents coûts d'opération et de maintenance (dont ceux découlant de leurs accords économiques inter-opérateurs). D'où l'intérêt de nos travaux de recherche qui visent à sensibiliser un réseau P2P au réseau IP sous-jacent, afin d'aboutir à un système de routage P2P efficace, en phase avec les politiques des réseaux d'infrastructures sous-jacents. Ces travaux se focalisent sur les systèmes P2P utilisant des tables de hachage distribuées (DHT), après les avoir étudiées et analysées. Ce mémoire commence par une analyse des principaux protocoles de découverte de ressources dynamiques dans les différentes architectures de réseaux P2P. Les exigences requises pour un routage P2P efficace sont par la suite établies. Il s'en suit une présentation des techniques de génération de l'information de proximité sous-jacente, ainsi que des techniques et principaux systèmes d'exploitation de cette information. Nos travaux de recherche ont abouti à la définition, la conception, la spécification et l'analyse individuelle et comparative de deux systèmes : CAP (Context-Aware P2P system) et NETPOPPS (NETwork Provider Oriented P2P System). Le premier système est sensible au contexte et introduit une sémantique dans les identifiants des pairs et des objets. Le second système est orienté opérateur de réseau, et adapte les flux P2P à la topologie sous-jacente et aux politiques de l'opérateur, tout en simplifiant la gestion des différents identifiants.

Cette thèse aborde différents aspects de la conception d'un réseau de télécommunications. Un tel réseau utilise des technologies hétérogènes : liens antennes-satellites, radio, fibres optiques ou bien encore réseaux embarqués dans un satellite. Les problématiques varient en fonction de la partie du réseau considérée, du type de requêtes et de l'objectif. Le cas des requêtes de type paquets est abordé dans le cadre des réseaux en forme de grille, mais le thème principal est le routage de requêtes de type connections (unicast et multicast). Les objectifs considérés sont : la conception d'un réseau embarqué dans un satellite de télécommunication, de taille minimum et tolérant des pannes de composants; le dimensionnement des liens d'un réseau afin qu'il supporte des pannes corrélées ou qu'il offre une bonne qualité de service, ou s'il autorise des connections {\em multicast}; le dimensionnement de la taille des buffers d'un réseau d'accés radio; et l'optimisation de l'utilisation des ressources d'un réseau dynamique orienté connections. Dans tous ces cas la problématique du routage de connections est centrale. Mon approche consiste à utiliser la complémentarité de techniques algorithmique et d'optimisation combinatoire ainsi que d'outils issus de la théorie des graphes tels la pathwidth et des notions reliées -process number, jeux de captures et treewidth-, différents types de coloration -impropre et pondérée, proportionnelle, directed star colouring-, les graphes d'expansion et des techniques de partitions telle la quasi partition.

La logistique inverse des déchets techniques encombrants de type blanc ou brun se développe de nos jours afin de répondre aux contraintes législatives fortes qui n'autorisent à partir de juillet 2002 que la mise en décharge des déchets dits « ultimes ». Le recyclage noble apparaît comme une solution prometteuse, économiquement viable et écologique, où la collecte, approvisionneuse exclusive du processus de récupération des déchets, doit être appréhendée et planifiée dans l'objectif de maîtrise des coûts. Après avoir identifié les caractéristiques principales des systèmes de collecte existants, nous nous attardons sur le ramassage à domicile des produits usagés de la population. Afin de pouvoir établir une planification opérationnelle, ce mode de collecte est modélisé comme un problème de routage de véhicules : le problème de chargement et de déchargement avec contraintes de fenêtres temporelles, de précédence et de capacité. Ce problème d'Optimisation Combinatoire est ensuite résolu de manière algorithmique, en considérant successivement le cas d'un véhicule, puis de plusieurs véhicules. La résolution du problème se base sur la recherche tabou et la recherche tabou probabiliste, et fournit des résultats très satisfaisants sur le plan qualitatif et en temps d'exécution. Finalement, nous décrivons, grâce au langage de modélisation unifié orienté objet UML, une manière d'intégrer nos résultats algorithmiques dans un module d'aide à la décision pour la planification opérationnelle de la collecte, où l'opérateur humain est chargé de définir le plan de collecte à exécuter.

Wireless Sensor Networks (WSNs) are composed of a large number of battery-powered sensor nodes that have the ability to sense the physical environment, compute the obtained information and communicate using the radio interfaces. Because sensor nodes are generally deployed on a large and wild area, they are powered by embedded battery. And it is difficult to change or recharge the battery, thus to reduce the energy consumption when sensors and protocols are designed is very important and can extend the lifetime of WSNs. So sensor nodes transmit packets with a lower transmission power (e.g. OdBm). With this transmission power, a packet can only be transmitted dozens of meters away. Therefore, when a sensor detects an event, a packet is sent in a multi-hop, ad-hoc manner (without fixed infrastructure and each sensor is able to relay the packet) to the sink (specific node which gathers information and reacts to the network situation). In this thesis, we first give an elaborate state of the art of WSNs. Then the impacts of duty-cycle and unreliable links or the performances of routing layer are analyzed. Based on the analytical results, we then propose three new simple yet effective methods to construct virtual coordinates under unreliable links in WSNs. By further taking the duty-cycle and real-time constraints into consideration we propose two cross-layer forwarding protocols which can have a greater delivery ratio and satisfy the deadline requirements. In order to have protocols for the WSNs that have dynamic topology, we then propose a robust forwarding protocol which can adapt its parameters when the topology changes. At last, we conclude this thesis and give some perspectives.

Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communicants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quand à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant un gain sur une large plage des puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais, et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent simplifiant grandement l'analyse de la capacité et fournissant des solutions analytiques aux problèmes d'allocation de ressources. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain, permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les nœuds du réseau. Cette plateforme nous permet de traiter de la stabilité de ces liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité. Nous évaluons également la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de façon suffisamment lente pour être estimée au fil de l'eau.

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). Les travaux relatifs de la thèse se concentreront sur les techniques, les problèmes et les solutions de routage géographique, mais d'autres techniques de routage seront également adressées. Quelques projets relatifs au protocole de communication ont été étudiés mais leur implémentation et les aspects d'expérimentation n'ont pas été détaillés. Enfin la thèse ne présente pas simplement les techniques et concepts adoptés, et les résultats de simulation, mais en outre, elle expliquera les aspects techniques importants pour la réalisation et l'expérimentation des différentes applications ainsi que les résultats concrets obtenus.